Eine Publikation der Swissprofessionalmedia AG
Ausgabe 07/2014, 22.06.2014

Wenn vagabundierende Ströme zum Problem werden

Stabiler Kommunikationsbus durch Minimierung der EMV-Einflüsse, Teil 1: Mit zunehmendem Einsatz von hochfrequenter Leistungselektronik wie beispielsweise Frequenzumrichtern steigt das Phänomen einer scheinbaren elektromagnetischen Unverträglichkeit von Automatisierungskomponenten. In dieser zweiteiligen Serie gibt die Indu-Sol GmbH Tipps zur Verbesserung der Anlagenkommunikation.

Autor: Karl-Heinz Richter, Geschäftsführer Marketing & Vertrieb Indu-Sol GmbH Nora Crocoll, Fachjournalistin DE-Stutensee

Die Feldbusexperten der Firma Indu-Sol sind der Meinung, dass die Zuverlässigkeit der Maschinen und Anlagen in Zukunft noch stärker von der Qualität des Potenzialausgleichs abhängen wird. Wieso? Bei Leitungen, in denen hochfrequente Ströme fliessen, beispielsweise Motoranschlussleitungen, kann es vorkommen, dass in dem dazugehörigen PE-Leiter durch eine induktive und kapazitive Einkopplung Ströme entstehen, die über den Potenzialausgleich zurückfliessen. Folge: Diese «vagabundierenden» Ströme nutzen nicht selten den Schirm des Buskabels als Rückstrompfad, anstatt über den dafür vorgesehenen Potenzialausgleich zu fliessen.

Es ist der Nachweis erbracht, dass dieser Umstand zu Kommunikationsstörungen in der Datenleitung, aber vor allem an den angeschlossenen Geräten führt. Dies kann passieren, weil hochfrequente Ableitströme nicht den Weg des geringsten ohmschen Widerstandes nehmen, sondern immer den Weg geringster Impedanz.

Ein möglicher Lösungsansatz ist die Vermeidung der Entstehung hoher Ableitströme durch den Einsatz symmetrischer Motorleitungen. Eine weitere Massnahme ist der Aufbau eines vermaschten Potenzialausgleichsystems mit dem Ziel, dass dessen Impedanz geringer ist als die Impedanz des Schirms. In beiden Fällen braucht es Know-how und die passende Messtechnik, wie beispielsweise den «EMV-Inspektor V2» oder die Maschenwiderstandsmesszange «MWMZ I» der Indu-Sol GmbH, um die Problemverursacher ausfindig zu machen.

Seit jeher hat man in Automatisierungssystemen mit Schirmströmen zu tun, denen jedoch kaum Beachtung geschenkt wird. Messungen in der Praxis zeigen aber, dass heute Schirmströme nicht selten bei 500 mA oder sogar im einstelligen Amperebereich liegen und im kHz-Bereich einzuordnen sind.

Grosse Auffälligkeiten kann man bei Maschinen und Anlagen beobachten, die in den letzten Jahren umgerüstet oder im Bereich der Automatisierung modernisiert wurden. Das I/O-Device befindet sich jetzt dezentral im letzten Winkel der Anlage, und die Antriebstechnik ist auf energiesparende Frequenzumrichter umgeschwenkt.

Beides ist wichtig, aber man hat bei den Modernisierungsgedanken den Potenzialausgleich völlig unberührt gelassen. In der deutschen Norm DIN VDE 50310 wird explizit darauf hingewiesen, dass in Gebäuden mit Einrichtungen der Informationstechnik ein verbesserter Potenzialausgleich – mindestens verbesserter Typ A – auszuführen ist. Verbesserung heisst, dass neben der typischen Sternstruktur zusätzliche Potenzialausgleichsverbindungen zwischen den Standorten von elektrischen und elektronischen Geräten hergestellt werden.

Aber auch bei neu geplanten Maschinen und Anlagen können Probleme auftreten. Innerhalb der Zuleitung für hochfrequente Verbraucher koppeln sich in den PE-Leitern hochfrequente Ströme ein, welche dann zur Entstehungsquelle zurückgelangen wollen. Theoretisch geschieht das über den Potenzialausgleich. Problematisch wird es in der Praxis, wenn sich in der Nähe des Antriebs ein Profibusteilnehmer befindet, dessen Zuleitung beidseitig auf Erdpotenzial liegt.

Diese Installation ist zwar richtig, da nur so die Schirmfunktionalität funktioniert. Aber es gibt eine Kehrseite: Da nun Schirm und Schutzleiter auf dem gleichen Endpunkt liegen und oft parallel zueinander verlaufen, nimmt laut Stromteilerregel der «ungewollte» Strom auch den Weg über den Schirm der Profibusleitung als Rücklaufpfad und nicht nur die Potenzialausgleichsverbindung.

Laut DIN VDE 0100-540/DIN EN 61140 dürfen Schutzleiterströme (PE) dauerhaft geschlossener Betriebsmittel bei einem Bemessungsstrom der Verbrauchsmittel von über 20 A maximal 10 mA erreichen. Praxismessungen zeigen aber, dass PE-Ströme von bis zu 10 Prozent des Phasenstroms keine Seltenheit sind. Derart hohe Schirmströme können für Maschine und Buskommunikation gefährlich werden. Anstatt die Schirmströme über sekundäre Lösungen wie Schirmklemmen abzuführen, wäre es sinnvoller, ihre Entstehung in derartiger Höhe von vornherein zu vermeiden.

(Der zweite Teil der Serie erscheint in der Augustausgabe TR 8/14.)


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Indu-Sol GmbH

Die Indu-Sol GmbH hat sich als herstellerneutrales, branchenübergreifendes Technologieunternehmen die objektive Bewertung von Qualität und Stabilität in industriellen Datennetzwerken zur Aufgabe gemacht. Das Unternehmen entwickelt und vertreibt Tools für die Inbetriebnahme, Wartung und Instandhaltung von Kommunikationsbussen und bietet Lösungen für eine permanente Netzwerküberwachung. Angeboten werden auch die Unterstützung bei der Planung/Netzwerkauslegung, bei der Fehlersuche und Fehlerbehebung in industriellen Netzwerken, bei der Abnahme und Zertifizierung von Netzwerken sowie Praxisseminaren und Workshops.