Erdung und Schirmung von Automatisierungsnetzwerken

Eine neue Richtlinie und der passende messtechnische Nachweis

  • Ein optimales Common Bonding Network mit vermaschtem Aufbau und kurzen Verbindungen (rechts) bringt eine deutliche Materialersparnis bei gleichzeitiger Verbesserung der Funktion gegenüber einem konventionellen Aufbau mit sternförmiger Anbindung (links) mit sich. © Indu-Sol GmbHEin optimales Common Bonding Network mit vermaschtem Aufbau und kurzen Verbindungen (rechts) bringt eine deutliche Materialersparnis bei gleichzeitiger Verbesserung der Funktion gegenüber einem konventionellen Aufbau mit sternförmiger Anbindung (links) mit sich. © Indu-Sol GmbH
  • Ein optimales Common Bonding Network mit vermaschtem Aufbau und kurzen Verbindungen (rechts) bringt eine deutliche Materialersparnis bei gleichzeitiger Verbesserung der Funktion gegenüber einem konventionellen Aufbau mit sternförmiger Anbindung (links) mit sich. © Indu-Sol GmbH
  • Während herkömmliche Stromzangen bei einer punktuellen Messung nur einen quadratischen Mittelwert (Effektivwert) erfassen, geben Stromverlaufsmessungen bspw. auch Aufschluss über temporäre Lastspitzen und den Verlauf der Amplitude.  © Indu-Sol GmbH
  • Als bislang einziger Switch überwacht der PROmesh P9 die EMV-Belastung des Netzwerks.  In Kombination mit den netzwerkspezifischen Diagnosedaten ergibt sich so ein präzises Bild der Situation, mögliche Störeinflüsse können so leichter lokalisiert werden.  © Indu-Sol GmbH
  • Anwendungsbeispiel des EMV-INspektors V2, mit dem bis zu vier verschiedene stromführende Leiter parallel überwacht und ggf. miteinander verglichen werden können.  © Indu-Sol GmbH
  • Die neue EMV-Richtlinie der PI  „Funktionspotentialausgleich und Schirmung von Profibus und Profinet“ bringt den aktuellen Stand der Technik hinsichtlich Schirmung und Erdung mit den geltenden Normen in Einklang. https://www.indu-sol.com/emv-richtlinie  © Indu-Sol GmbH

Mit der Richtlinie „Funktionspotentialausgleich und Schirmung von Profibus und Profinet existieren erstmals niedergeschriebene Hinweise und Erfahrungswerte für den Aufbau eines speziell auf die Bedürfnisse der Automatisierung zugeschnittenen Potentialausgleichssystems.

Dies zeigt auch eine Studie von Indu-Sol: Im sogenannten Vortex Report 2018 bereitete das Thüringer Technologieunternehmen die Erkenntnisse aus mehr als 500 Einsätzen seiner Messingenieure zur Bewertung der Kommunikationsqualität in industriellen Netzwerken aus dem Kalenderjahr 2017 auf. Eine Erkenntnis: In beinahe jedem vierten Fall lagen die Haupt­ursachen für eine verminderte Qualität der Datenübertragung in den Bereichen EMV & Potentialausgleich. Im Vorfeld des Messeinsatzes wurde das jedoch nur in 7 % der Fälle seitens des Kunden vermutet.

Richtlinie speziell für Automatisierung ­veröffentlicht
Nun wurde von offizieller Seite her Nachholbedarf erkannt: Der Weltverband Profibus & Profinet International (PI) veröffentlichte im April 2018 eine neue Richtline zum Thema Funktionspotentialausgleich und Schirmung in Profibus- und Profinet-Netzwerken. Damit hat erstmals eine Feldbusnutzerorganisation den Versuch unternommen, den aktuellen Stand der Technik zu den Themen Schutz- und Funktionserdung sowie Schutz- und Funktionspotentialausgleich im Bereich des Maschinen-/Anlagenbaus umfassend zu Papier zu bringen – und das nicht ohne bei ihrer Erstellung viele „alte Zöpfe“ abschneiden zu müssen.
Mit dem Dokument ist es gelungen, die neusten Erkenntnisse bei der Planung, Installation und dem Betrieb von Automatisierungsanlagen mit dem aktuellen Stand der Normung abzugleichen, um deren EMV-Festigkeit und damit die Verfügbarkeit zu erhöhen. Auf dieser Basis werden entsprechende Empfehlungen ausgesprochen. In vielen Fällen lassen sich bereits durch leichte Modifikationen der bereits vorhandenen Lösungen und verbauten Systeme Einsparungen an Material- und Installationsaufwand erzielen, wodurch sie neben einer Erhöhung der Störfestigkeit einen Anteil zur Erhaltung der Wettbewerbsfähigkeit beitragen können.

Planung des Potentialausgleiches ­empfehlenswert
Es lohnt sich also, den Potentialausgleich nicht „live“ auf der Baustelle entstehen zu lassen, sondern sich bereits im Vorfeld Gedanken zu dessen Aufbau zu machen bzw.

sich in dieser Hinsicht technisch beraten zu lassen. Die messtechnische Praxis zeigt dabei ganz klar, dass eine starke Vermaschung im Potentialausgleichssystem dessen Belastung und die der Geräte und Komponenten reduziert. Dies wird durch möglichst viele, kurze Verbindungen zwischen den Geräten und leitenden Elementen erreicht – der Strom teilt sich und die Belastung nimmt ab. Werden blanke Leiterseile verwendet, verstärkt der Kontakt mit metallischen Gegenständen entlang der Verbindung diesen Effekt sogar noch.
Um den Aufwand bei der Errichtung eines solchen sogenannten Common Bonding Network (CBN) zu erleichtern, hat Indu-Sol neben einer Auswahl an Leiterseilen für unterschiedlichste Zwecke die Befestigungselemente der EMClots-Reihe entwickelt. Diese Leiteranschluss- und -verbindungsklemmen werden mithilfe ihrer M 6x9 Schraubverbindung auf Trassen oder anderen elektrisch leitfähigen Anlagenteilen befestigt, um – je nach Ausführung – die Verbindung, Befestigung und Verzweigung von blanken Leiterseilen zu ermöglichen. Dabei wurde besonderer Wert auf eine schnelle und einfache Montage sowie eine Wiederablösbarkeit der Komponenten für den Fall von Umbauten oder Modifikationen gelegt.

Erfolg der Maßnahmen messtechnisch kontrollieren
Ist das Potentialausgleichssystem vorschriftsmäßig installiert, muss es noch den Funktionstest im laufenden Betrieb bestehen. Wichtig ist dabei, dass es nicht nur die Funktion des Schutz-, sondern auch des Funktionspotentialausgleiches erfüllt. Für den messtechnischen Nachweis empfiehlt sich die Verwendung einer sogenannten Maschenwiderstandmess­zange wie bspw. der EMCheck MWMZ II. Mit dem eigens für diesen Zweck konzipierten Tool lässt sich der unterbrechungsfreie Nachweis eines guten Potentialausgleiches gemäß DIN EN 50310 einfach durchführen. Als Richtwerte gelten: Bei einem Frequenzbereich von 2,3 kHz sollten Schirmschleifenwiderstände von Datenleitungen wie z. B. Buskabeln maximal einen Impedanzwert von ca. 0,6 Ohm aufweisen, Schleifenwiderstände der Potentialausgleichsanlage (CBN) max. 0,3 Ohm. Damit wäre gewährleistet, dass der Potentialausgleich tatsächlich niederimpedanter ausgeführt ist als der Schirm der Datenleitungen. Dies sollte in jedem Fall das Ziel sein, denn andernfalls besteht die Gefahr, dass höherfrequente Ableitströme über die Busleitung zurückfließen anstatt das dafür vorgesehene Potentialausgleichssystem zu nutzen. In diesem Fall ist mit Störeinflüssen auf die Datenkommunikation im Netzwerk zu rechnen.
Neben einer messtechnischen Überprüfung der Impedanzen sollte zudem im laufenden Betrieb die Höhe der oben erwähnten Schirmströme überwacht werden. Wenn überhaupt geschieht das aktuell häufig noch durch eine punktuelle Messung mithilfe einer Leckstrommesszange. Die Belastung des Potentialausgleichssystems ist jedoch nicht immer konstant; sie verändert sich beispielsweise bei bestimmten Arbeitsgängen oder der temporären Zuschaltung von Teilnehmern. Aus diesem Grund ist eine permanente Überwachungsmöglichkeit vorzusehen, wie sie auch in der eingangs erwähnten neu erschienenen Richtlinie ausdrücklich gefordert wird.

Nutzen einer dauerhaften Überwachung im laufenden Betrieb
Eine permanente Überwachung von Schirmströmen auf Datenleitungen im laufenden Betrieb hat mehrere Vorteile: Statt einer punktuellen Messung, die nur eine „Momentaufnahme“ der Belastung des Potentialausgleichssystems zeigt, erfasst eine Analyse des Stromverlaufs auch temporäre Lastspitzen, die sich andernfalls nicht erkennen ließen. Speziell im Fall einer Fehlersuche sind diese historischen Daten wertvolle Ansatzpunkte, um die Ursache möglicher Beeinträchtigungen schnell eingrenzen zu können. Dabei ist darauf zu achten, dass das verwendete Messgerät nicht nur den sogenannten Effektivwert (RMS – Root Mean Square) erfasst, da er nur einen über die Zeit berechneten quadratischen Mittelwert darstellt und als Messergebnis somit notwendigerweise ungenau ist. Nur eine Erfassung und Darstellung des exakten Stromverlaufs liefert präzise Diagnose- und Analysedaten.
Wer Profinet oder Industrial Ethernet als Automatisierungsnetzwerk nutzt, kann sich seit Kurzem einen besonderen Komfort sichern: Als bisher einziger Switch erfüllt der PROmesh P9 nicht nur die eigentliche Switch-Funktion des Datenverteilens, sondern er bringt neben zahlreichen weiteren Diagnosemöglichkeiten die bisher einzigartige Funktion der Ableitstrom­überwachung mit. Mit einer kontinuierlichen Messung über das gesamte Frequenzspektrum (20 kHz) sowie einer Erfassung von Mittelwerten (RMS-Messung) und Spitzenwerten (Peaks) werden Ursachen und Zusammenhänge für EMV-Störungen nachvollziehbar. Übersteigt dieser Ableitstrom einen Wert von 200 mA (effektiv) und 400 mA (Peak), so stellt dies eine Gefahr für die störungsfreie Kommunikation dar und es erfolgt eine zielgerichtete Warnung. Bei der Verwendung des PROmesh P9 ist also kein zusätzliches EMV-Messgerät notwendig.
Alternativ bzw. für alle weiteren Kommunikationsprotokolle bietet das Mess- und Dia­gnosegerät EMV-INspektor V2 nicht nur die genannte Analysefunktion, sondern zusätzlich die Möglichkeit, bis zu vier stromführende Kanäle parallel und dauerhaft zu überwachen.

Fazit
Mit der neu erschienenen Richtlinie „Funktionspotentialausgleich und Schirmung von Profibus und Profinet“ des Weltverband Profibus & Profinet International (PI) existieren erstmals niedergeschriebene Hinweise und Erfahrungswerte für den Aufbau eines speziell auf die Bedürfnisse der Automatisierung zugeschnittenen Potentialausgleichssystems. Durch eine gewissenhafte Planung lassen sich Zeit- und Materialaufwand in einem überschaubaren Rahmen halten und gleichzeitig eine hohe EMV-Festigkeit von Maschinen und Anlagen erzielen. Dennoch sollten von Anfang an Möglichkeiten vorgesehen werden, um den Nachweis der Funktion des Potentialausgleichssystems sowie das jeweils vorherrschende Schirmstromniveau mess­technisch prüfen zu können. Allein nach den Zahlen von Indu-Sol ließen sich dadurch in jährlich weit mehr als 100 Fällen prozessrelevante Minderungen der Datenkommunikationsqualität infolge von elektromagnetischen Stör­einflüssen vermeiden

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