I-V-G IndustrievertretungHans-Ludwig GöhringerMönchweg 571088 Holzgerlingen

Fon:Fax:Mail:Web:

+49 7031 60788-1info@i-v-g.dewww.i-v-g.de

+49 7031 60788-0

Industrievertretungfür Komponenten zur Automatisierungstechnik

Dienstleistungen an Bussystemen:

Abnahmemessungen

Troubleshooting und Schulungen für Profibus, CAN, AS-Interface

Fekote:

Physikalischer Slave-Test

4

4

4

EMV-Probleme_07_04_09.doc Seite 1 von 7

EMV- Erdungs- Probleme der Profibusverkabelung

in der Praxis

Strom, das Problem von Profibusverkabelungssystemen

EMV- Erdungs- Probleme bei Profibusverkabelungen in der Praxis,

ein grundsätzlicher Designfehler des Stromversorgungskonzepts:

Erdung und Anwendungen bei 12 MBaud

Strom, der Ausfall jedes Profibussystemes

Mangel trotz Einhaltung der DIN VDE-Normen

Die Prüfung für Verkabelungssysteme

1 Erdung und Anwendungen bis 12 MBaud

Zu den häufigsten Ausfallursachen der Profibus-Technik gehören transiente elektromagnetische Störungen, die den Signalfluss beeinflussen und elektronische Geräte zerstören. Da im Industriebereich die Schirmung nicht ersetzbar ist bzw. durch eine mangelhaft ausgeführte

Schirmung die Profibusslaves an Burstfestigkeit verlieren, müssen die Anwender von

Profibusverkabelungen bei der Installation von Profibuskabeln besonders sorgfältig sein. Alle Anwendungen sind besonders empfindlich gegenüber Potentialausgleichsströmen. Die DIN VDE 0100 Teil 540 definiert die Auswahl und Errichtung von elektrischen Betriebsmitteln im Bereich Erdungen, Schutzleiter und Potentialausgleichsleiter "Pilotfunktionen". Ferner werden dort grundlegende Sicherheitsaspekte definiert. Aus diesem Grund dient sie als Grundnorm bzw., Grundlage für alle anderen Normen. Potentialausgleichsleiter

Erden ist das elektrische Verbinden eines Punktes des Betriebsstromkreises oder eines Körpers

mit der Erde. Die Gesamtheit aller Mittel und Maßnahmen zum Erden wird als Erdung bezeichnet. Zu unterscheiden sind Betriebserdungen (Erdungen, die aus betrieblichen Gründen notwendig

sind) und Schutzerdungen (Erdungen, die zu Schutzzwecken errichtet werden). Es ist zulässig und

üblich, dass ein Erder diese beiden Funktionen gleichzeitig übernimmt. Wird ein Punkt des

Betriebsstromkreises geerdet, handelt es sich um eine Betriebserdung. Wird ein Körper geerdet,

dann ist es eine Schutzerdung. Eine Betrieberdung, das ist also die Erdung eines PEN-Leiters oder eines anderen Teils eines Betriebsstromkreises (Leitungsnetzes, dies kann mittelbar oder unmittelbar erfolgen).

I-V-G IndustrievertretungHans-Ludwig Göhringer

Fon:Fax: +49 7031 60788-1

+49 7031 60788-0 Mail:Web: www.i-v-g.de

info@i-v-g.deMönchweg 571088 Holzgerlingen

Mitglied im VDE, DEMVT

Eine Erdung ist:

unmittelbar, wenn keine weiteren Widerstände zwischen dem zu erdendem Punkt und

Erder vorhanden sind.

mittelbar, wenn der Fehlerstrom durch das Erdreich durch ohmsche, induktive oder kapazitive Widerstände begrenzt wird.

Ein Schutzerder ist die Verbindung eines Punktes, der nicht zum Betriebsstromkreis gehört, mit

dem Erdreich. Dieser dient hauptsächlich zum Schutz gegen das Auftreten von zu hohen

Berührungsspannungen. Gemäß VDE100 müssen in den üblicherweise anzutreffenden TN- Niederspannungsnetzen die Körper elektrischer Betriebsmittel mit dem geerdeten Punkt des Netzes durch einen Schutzleiter

(PE) oder dem PEN-Leiter verbunden sein. Unter dem Körper versteht man hier berührbare Teile von Betriebsmitteln, die nicht Teile des Betriebsstromkreises sind. Diese Körper können jedoch im Fehlerfall unter Spannung stehen. Im

störungsfreien Betrieb führt der PE Schutzleiter keinen Strom. Dagegen dient der Neutralleiter N als

Rückleiter für die Betriebsströme aller zwischen den Aussenleitern und geschalteten einphasigen Verbrauchern. Die an der Potentialausgleichsschiene ankommenden Ströme fließen, unabhängig des

Vorhandenseins einer Verbindung mit dem Fundamenterder, über den PEN zu der treibenden

Spannungsquelle zurück. Nach Teil 600 der VDE und ISO-IEC 11801 ist bei der Prüfung des Widerstandes für Schutzleiter

und Potentialausgleichsleiter vorgesehen, dass eine ausreichend niederohmige Verbindung besteht.

Es existieren keine Anforderungen an die HF-Eigenschaften der Erdung durch den Einsatz eines Profibusverkabelungssystemes

Die entsprechenden Anforderungen an die Leiterwiderstände für Kupferleitungen sind den Normen

zu entnehmen. Nach DIN 57100 Teil 310 wird ein Niederspannungsnetz in seiner Gesamtheit beschrieben durch

Erdungsverhältnis der Stromquelle

Erdungsverhältnis der Körper.

Danach werden die folgenden Netzformen definiert

TN-Netz

TT-Netz

IT-Netz

Die Buchstaben haben folgende Bedeutung

erster Buchstabe: Erdungsverhältnis der Stromquelle

o T: direkte Erdung der Stromquelle (Betriebserder)

o I: Isolierung aller aktiven Teile gegenüber Erde oder Verbindung eines aktiven Teils

mit Erde über eine Impedanz

zweiter Buchstabe: Erdungsverhältnis von Körpern in elektrischen

Verbraucheranlagen

o T: Körper direkt geerdet, unabhängig von der gegebenen bestehenden Erdung der

Stromquelle

o N: Körper direkt mit dem Betriebserder (Erdung der Stromquelle) verbunden

I-V-G IndustrievertretungHans-Ludwig Göhringer

Fon:Fax: +49 7031 60788-1

+49 7031 60788-0 Mail:Web: www.i-v-g.de

info@i-v-g.deMönchweg 571088 Holzgerlingen

Mitglied im VDE, DEMVT

Bei einem TN-Netz gibt es neben den oben beschriebenen Grundarten zwei zusätzliche Varianten;

sie unterscheiden sich in der Anordnung von Neutralleiter N und Schutzleiter PE. Dazu werden folgende Buchstaben verwendet.

S: Neutral- und Schutzleiter als zwei separate Leiter ausgeführt

C: Neutral- und Schutzleiter zu einem Leiter (PEN-Leiter) zusammengeführt.

2 Strom, das Problem von Profibusverkabelungssystemen

Siehe Abbildung 1: Solche Situationen existieren unbemerkt in mehr als 50% der Profibusnetze im Anlagenbau. Die bisher üblichen Gegenmaßnahmen (Überspannungsableiter) helfen nicht, weil sie nicht gegen Ströme wirken. Wer Profibus-Netze installiert oder betreut, sollte unbedingt prüfen, ob der Elektriker einen

separaten (grün-gelben) PE-Leiter in der gesamten Anlage verlegt oder ob er z.B. im Verteilerkästen den PE-Leiter mit dem N-Leiter zusammengeführt hatte (dies ist leider auch

zulässig, jedoch wird dies in den VDE-Schriften als "EMV- ungünstig" bezeichnet).

Abbildung 1 Messung von

Leckströme mit der

Leckstromzange

Der Profibusslave hat bei der Verwendung von Profibuskabeln immer zwei Verbindungen zur Erde:

sein eigener Schutzleiter (darf auf keinen Fall entfernt werden, VDE 100)

der Schirm des Profibuskabels, der im Steuer-Schrank geerdet wurde (darf auch auf keinen Fall entfernt werden (VDE 100))

Ein einseitiges Auftrennen des Schirmes ist gemäß deutschem EMV Gesetz (CE Zulassung des Endgerätes) nicht gestattet (z.B. Auftrennen der durchgängigen Schirmverbindung am Slave). Wenn die Elektroinstallation nicht geprüft oder korrigiert werden kann, müssen isolierte

Schnittstellen (LWL- Kabel) eingesetzt werden. Andernfalls fließt auf jeden Fall ein Teil des Rückstroms von Steuertrafos, Motoren oder Netzgeräte

parasitär über die Abschirmungen von Profibuskabeln. Das Profibussystem zeigt dann sporadische Fehlfunktion, die auch im Datenstrom gemessen werden können (Bitfehler, CRC-Fehler). Sie verursachen bisher unerklärliche Ausfälle.

I-V-G IndustrievertretungHans-Ludwig Göhringer

Fon:Fax: +49 7031 60788-1

+49 7031 60788-0 Mail:Web: www.i-v-g.de

info@i-v-g.deMönchweg 571088 Holzgerlingen

Mitglied im VDE, DEMVT

Es ist Aufgabe des Projekt-Ingenieurs, sicherzustellen, dass die erhöhten Anforderungen einer

Profibusverkabelung auch erfüllt werden. Wer die Anlagen mit einer Profibus-ungünstigen

Verkablung ausrüstet oder an diesen arbeitet, darf sich nicht wundern, wenn Störeinstrahlungen,

unerklärliche Ausfälle und Störungen ihm angelastet werden. Das Hauptproblem liegt meist bei der Führung der Erdleitung (genannt "PE", das ist der gelb-grüne

Leiter in der Elektroinstallation). Die Funktion dieses Leiters ist jedem Techniker klar:

Funktion des Schutzleiters:

Wenn durch einen Defekt eine 230V führende Leitung ein Kontakt zu dem Metallgehäuse entsteht,

dann kann sich der Anwender elektrisieren. Um das zu vermeiden, werden alle Metallteile mit dem gelb-grünen PE-Leiter verbunden, der selbst an ein Erdpotential angeschlossen ist. Durch die Anwendung des PE-Leiters besteht auch beim Auftreten des oben beschriebenen Defekts keine Gefahr für den Menschen. Der über den Schutzleiter geführte Strom führt zu einem Kurzschluss,

der wiederum eine entsprechende Sicherung auslöst.

Was jedoch kaum einem Profibus-Anwender klar ist:

Diese Sicherheitsfunktion des PE-Leiters ist auch dann gegeben, wenn der PE-Leiter an beliebig vielen Stellen mit dem (ebenfalls geerdeten) N-Leiter verbunden ist und einen "kombinierten" PEN-Leiter bildet (ein so genanntes TN- C- System � siehe Abbildung 2). Abbildung 2 TN- C-

System

Solche Kopplungen sind normgerecht und führen zu Kostensenkungen, weil an Stelle eines 5-adrigen nur noch ein 4-adriges Kabel verlegt werden muss. Keine Glühbirne und kein Kühlschrank

sind dadurch in irgendeiner Weise negativ beeinflusst. Anders jedoch Profibus-Geräte: PE- (Schutzleiter) und N-Leiter (Rückleiter für sämtliche

Stromverbraucher im ganzen Anlage) verlaufen nun plötzlich gemeinsam (als PEN-Leiter). Wer nun Master und Slave verbindet, schaltet parallel zu der bestehenden PEN-Kopplung nun auch das Profibuskabel. Der Strom von Motoren, Schaltnetzteilen, Heizungen, Maschinenteilen usw. kann sich plötzlich

aussuchen, ob es den (richtigen) Weg über den PEN-Leiter oder lieber den über das Kabel

zwischen Master und Slave oder vielleicht den über das günstig liegende Maschinengestell nutzen

möchte. Der Strom fließt immer dort wo der ohmsche Widerstand R am kleinsten ist. In den meisten Fällen ist dies über den niederohmigen (getunten) Schirm des Profibuskabels. Die Folgen sind neben den schädlichen Überspannungen auch Ströme von oft mehreren mA über

das Profibuskabel und/oder das Maschinengestell.

L1 L2 L3 PEN

Hauptgehäuse Untergehäuse

M

Netz-anschluss 24V

+

-

I

Remote E/A

Stromzange

Permitted acc. VDE 0100!

Potenzialausgleich

I

I

Schutzleiter (PE). Stellt die Verbindung zwischen einem Körper und der Erde her (grün oder grün/gelb) Betriebleiter, diese sind nicht aus Schutzzwecken sondern aus betrieblichen Zwecken notwendig z.B. zur Verbesserung der Störfestigkeit. Bemerkung. Diese Verbindung muss

zwischen der Erde und einem Teils eines Betriebsstromkreises gemäss den nationalen elektrischen

Anforderungen hergestellt werden. Erdung, Betriebserdung: Diese Verbindung muss zwischen der Erde und einem Teils eines Betriebsstromkreises gemäss

den nationalen elektrischen Anforderungen hergestellt werden.

Zentrale Erdung

I-V-G IndustrievertretungHans-Ludwig Göhringer

Fon:Fax: +49 7031 60788-1

+49 7031 60788-0 Mail:Web: www.i-v-g.de

info@i-v-g.deMönchweg 571088 Holzgerlingen

Mitglied im VDE, DEMVT

Da immer mehr elektronische Vorschaltgeräte wie Monitore, Leuchtstoffröhren, Schaltnetzteile usw.

eingesetzt werden, ist der Stromfluss nicht sinusförmig mit 50Hz, sondern beinhaltet erhebliche

oberwellige Frequenzanteile. Die Ströme, die unplanmäßig durch die Abschirmungen der Profibuskabel fließen, wirken genauso, als wäre ein unregelmäßig arbeitender Störsender direkt in das Profibus-Netz integriert. Solche Effekte sind schwer lokalisierbar. Eine Vielzahl von elektrischen Verbrauchern wird zu unregelmäßigen und unvorhersehbaren Zeiten ein- und ausgeschaltet, so dass der störungsverursachende Einfluss im Zweifelsfall immer dann nicht vorhanden ist, wenn der

Anwender z.B. mit einer Strommesszange solchen unerwünschten Stromflüssen auf die Spur

kommen will. Der Anwender muss also als allererstes prüfen, ob die

Elektroinstallation gemäß VDE 0100, Teil 540, Abschnitt C.2 als

TN- S- System realisiert ist (getrennte Führung von PE

und N-Leiter, siehe Abbildung 3). Bei diesem System können

keine parasitären

Ströme über die

Profibuskabel fließen. Abbildung 3 TN-S

System

Der Anwender kann selbst kaum feststellen, ob die Anlagenelektrik wirklich an allen Stellen konsequent einem TN- S- System entspricht. Auch wenn die Installation heute diesem System entspricht, kann der Profibus-Lieferant sich nicht darauf verlassen, dass nicht beim nächsten

Eingriff ein nicht ausreichend unterrichteter Elektriker wieder eine Verbindung zwischen N und PE herstellt.

L1 L2 L3 N PE

M

Netz- anschluss

24V

+

-

I

Remote E/A

Zentrale Erdung

Schutzleiter (PE). Stellt die Verbindung zwischen einem Körper und der Erde her (grün oder grün/gelb) Betriebleiter, diese sind nicht aus Schutzzwecken sondern aus betrieblichen Zwecken notwendig z.B. zur Verbesserung der Störfestigkeit. Bemerkung. Diese Verbindung muss

zwischen der Erde und einem Teils eines Betriebsstromkreises gemäss den nationalen elektrischen

Anforderungen hergestellt werden. Erdung, Betriebserdung: Diese Verbindung muss zwischen der Erde und einem Teils eines Betriebsstromkreises gemäss

den nationalen elektrischen Anforderungen hergestellt werden.

Untergehäuse

Stromzange

Potenzialausgleich

Hauptgehäuse

I-V-G IndustrievertretungHans-Ludwig Göhringer

Fon:Fax: +49 7031 60788-1

+49 7031 60788-0 Mail:Web: www.i-v-g.de

info@i-v-g.deMönchweg 571088 Holzgerlingen

Mitglied im VDE, DEMVT

Deshalb müssen bei Profibuskabel-Netzen in jedem Fall folgende Forderungen erfüllt werden:

Keine Arbeitsströme auf dem PE-System (Nachweis durch Stromzangenmessung; Messung im Volllastbetrieb)

Differenzstrom-Überwachungsgeräte RCM verwenden

keine Mehrfacherdung des N-Leiters bei Unterverteilertechnik

keine PEN-Leiter in der gesamten Anlage zulassen!

Frequenzumrichter im Nulldurchgang ansteuern

permanentes Monitoring aller Parameter

jährliche Messung der Anlagenerdung unter Volllast (ca. 150A über ca. 1

Std., Überprüfung des Fundamenterders, damit er nicht austrocknet bzw.

hochohmig wird, sonst fließt der Strom wieder in der ganzen Anlage!)

Anlagen prüffähig aufbauen - Messpunkte zugänglich machen.

Wer Profibus installiert, kann sich nur dadurch dauerhaft absichern, dass er potentialfreie

(isolierte) Schnittstellen einbaut. Dies kann durch LWL Kabel realisiert werden. Durch diese Anwendungen erreicht man das höchste Maß an "Entkopplung" zwischen Profibus-Netzwerken und Elektroinstallation und vermeidet, von der Sorgfalt der jeweils gerufenen Elektriker abhängig zu sein. In existierenden Anlagen dagegen kann der Profibus-Projektingenieur nur selten eine völlige

Überarbeitung der Stromversorgung durchsetzen.

3 Mangel trotz Einhaltung der DIN VDE-Normen

Der Projektingenieur ist verpflichtet, ein mangelfreies Werk herzustellen. Dazu gehört, dass er die

anerkannten Regeln der Technik und gegebenenfalls zugesicherte Eigenschaften einhält.

Insbesondere bei Änderung der gültigen DIN-Normen zwischen Vertragsabschluss und Abnahme kann es streitig werden, welche Normen angewendet werden. Der Bundesgerichtshof (BGH) wendet in einem Urteil (Az VIIZR 184-97 vom 14.05.1998) folgendes Verfahren zur Feststellung eines Mangels an: Als erstes ist unabhängig vom jeweiligen Stand der anerkannten Regeln der Technik � zu überprüfen, ob die von dem Unternehmer vertraglich zugesicherten Eigenschaften (z.B. vertraglich

geforderte Qualitätsmerkmale) vorhanden sind. Ist dies nicht der Fall, so ist die Leistung

mangelhaft, auch wenn sie den Regeln der Technik entspricht. Wurden keine besonderen Zusicherungen festgelegt, hat der Unternehmer die Regeln der Technik einzuhalten, die zum Zeitpunkt der Abnahme gelten. Die anerkannten Regeln der Technik sind solche, die von der Theorie als richtig anerkannt werden und sich in der Praxis bewährt haben. DIN-Normen sind nach Ausführungen des BGH

demgegenüber nur private technische Regelungen mit Empfehlungscharakter. Da die DIN-Normen als festgeschriebenes Regelwerk oft über Jahre unverändert bleiben sind es

keine zwingenden rechtlichen Vorschriften. Ferner sind diese auch nicht unbedingt identisch mit den anerkannten Regeln der Technik. Darüber hinaus können die DIN-Normen die anerkannten Regeln der Technik sogar unzureichend oder gar schlecht wiedergeben (siehe Profibuskabel und die Aussagen in der VDE 100). Der Projektingenieur muss die technische Entwicklung verfolgen, um überprüfen zu können, ob die

einschlägigen DIN-Normen und die im Zeitpunkt der Abnahme gültigen Regeln der Technik identisch sind.

I-V-G IndustrievertretungHans-Ludwig Göhringer

Fon:Fax: +49 7031 60788-1

+49 7031 60788-0 Mail:Web: www.i-v-g.de

info@i-v-g.deMönchweg 571088 Holzgerlingen

Mitglied im VDE, DEMVT

Das gilt grundsätzlich auch für die in der Elektrotechnik maßgeblichen DIN VDE-Normen. Dem Projektingenieur ist daher zu raten, auch während der Ausführung die Entwicklung der Regeln der

Technik zu beobachten. Stellt der Projektingenieur Veränderungen fest, die gegenüber dem Vertrag eine andere oder

höherwertige Ausführung verlangen, sollte er sofort Bedenken nach § 4 Nr. 3 VOB-B anmelden. Die Weisung des Auftraggebers sollte eingeholt bzw. abgewartet werden. Ferner kann über so

genannte Nachtragsverhandlungen die gewünschte Ausführung ausgeführt werden.

4 Die Prüfung für Verkabelungssysteme

Wie kann ein Anwender schnell prüfen, ob sein installiertes Profibusverkabelungssystem den Test

der Verkabelung erfüllt? Mittels einer handelsüblichen (empfindlichen) Stromzange (siehe Preisliste) kann jeder Anwender den Test für seine strukturierte Kupfer-Verkabelung durchführen:

Umfassen Sie mit einer Stromzange ihr Profibuskabel. Zeigt nun ihre Stromzange einen Wert > 0 Strom an (gemäß dem Kirchhoffsches Gesetz muss die Summe aller Ströme Null sein), so werden Sie mit Ihrer Anwendungen Probleme

bekommen. Die obige Grounding Anforderung konnte nicht eingehalten werden bzw. der Test der Verkabelung ist nicht bestanden.

Der Einfluss von fließenden Potentialausgleichsströmen kann bis zum völligen Stillstand des

Profibusses führen (die Bauelemente der Slaves werden u. a. durch fließende Potentialausgleichsströme beeinflusst und eventuell zerstört).