EMV : Wie Störungen in der vernetzten Fabrik via Kabel verhindert werden können

Ein kleiner Störer kann schlimmstenfalls zum Ausfall des gesamten Systems führen. Um teure Produktionsausfälle zu vermeiden, müssen daher in der automatisierten Fabrik am besten schon in der Planungsphase Störströme verhindert werden. Eine Herausforderung, denn in der Smart Factory steigt die Leistungs- und Datendichte immer weiter an. Die Verwaltung oder Steuerung erfolgt durch Frequenzumrichter, Transformatoren, elektrische Schalter und Kommunikationsgeräte. Je mehr Komponenten beteiligt sind, desto größer ist das Risiko von Störungen. Gleichzeitig werden die Bauräume in Maschinen und Anlagen immer kleiner.

Vor allem dort, wo viele starke Antriebe mit sind ändernden magnetischen Feldern und Wechselrichtern im Einsatz sind, ist die Gefahr der Störung einer Datenleitung besonders groß. „Die Nachfrage nach ganzheitlichen EMV-Lösungen seitens unserer Kunden wird daher immer größer“, bestätigt Georg Stawowy, Vorstand Innovation und Technik bei der Lapp Holding AG und ergänzt: „Der Markt für elektromagnetisch verträgliche Lösungen ist mit rund 6-7 Prozent weltweit sehr stark am Wachsen. Da wollen wir von LAPP natürlich dabei sein. Für uns ist daher EMV neben Gleichstrom (DC), erneuerbaren Energien und Predictive Maintenance eines der Fokus-Themen. Denn an der Verbindung soll’s nicht scheitern.“

Allerdings erfordert die erhöhte Dichte an elektrischen Komponenten mit immer kürzeren Pegelübergangszeiten ein gutes Systemverständnis und die Auswahl der richtigen Komponenten, um die häufig voll automatisierten Industrieanlagen fehlerfrei zu betreiben. Es kann schnell passieren, dass sich die einzelnen Komponenten negativ beeinflussen – oftmals sind elektromagnetische Störungen (EMS) die Ursache. Diese Störungen können entweder natürlichen Ursprungs sein, z.B. verursacht durch Blitzeinschläge, oder technischen Ursprungs, wie elektromagnetische Effekte durch Schaltimpulse oder falsche oder fehlende Erdung. „Was als Interferenz beim FM-Radio-Empfang allenfalls nur störend ist, kann in der Medizintechnik als Systemausfall unter Umständen weitaus dramatischere Folgen haben“, betont Susanne Krichel, Head of Innovation and Advanced Technology bei der Lapp Holding AG.

Dies zu verhindern ist die oberste Priorität. In industriellen Umgebungen wird daher eine immer höhere Sicherheit gegen elektromagnetische Störungen gefordert: die sogenannte Elektromagnetische Verträglichkeit. In der EMV-Richtlinie 2014/30/EU, Artikel 3, ist die elektromagnetische Verträglichkeit definiert als „[…] die Fähigkeit eines Betriebsmittels, in seiner elektromagnetischen Umgebung zufriedenstellend zu arbeiten, ohne elektromagnetische Störungen (EMS) zu verursachen, die für andere in dieser Umgebung vorhandene Betriebsmittel unannehmbar wären.“

Elektrotechnisch-passive Produkte aus dem Portfolio von LAPP wie Kabel, Leitungen, Kabelverschraubungen und Steckverbinder sind im Sinne des Gesetzes für elektromagnetische Verträglichkeit von Betriebsmitteln laut Definition „Bauteile ohne direkte Funktion“ und fallen deshalb nicht unter die EMV-Richtlinie2014/30/EU. Dafür sind aber EMV-relevante Anforderungen für einige geschirmte Leitungstypen Teil der europäischen oder nationalen Kabel- und Leitungsbauartnormen. Krichel: „EMV geht uns als Hersteller von Verbindungstechnologien auch im Bereich der passiven Verbindungstechnologien wie Kabel und Stecker etwas an.“

Die elektrotechnische Theorie hinter EMV-Phänomen lässt sich auf drei Faktoren abstrahieren: Störquelle, Störsenke und ein Kopplungsmechanismus zwischen beiden. Eine elektromagnetische Störung geht immer von einer Störquelle aus. Hierbei kann es sich zum einen um ein technisches Betriebsmittel handeln, das einen großen Strom führt, wie zum Beispiel ein Schweißroboter oder auch eine frequenzgesteuerte Antriebsstrecke. Es könnte sich aber auch um natürliche Störungen wie Blitzeinschläge oder ESD-Entladungen handeln. Wichtig ist bei einer korrekten EMV-Auslegung, dass Störquellen einen gewissen Störemissionsgrad nicht überschreiten.

Der Störquelle steht ein gestörtes Betriebsmittel, die sogenannte Störsenke, gegenüber. Bei der Störsenke kann es sich zum Beispiel um einen Sensor oder eine Datenübertragungsstrecke handeln. Störsenken müssen eine gewisse Fremdstörfestigkeit aufweisen, um bei auftretenden EMS keine Fehlfunktionen auszulösen. Zu beachten ist, dass auch innerhalb eines Gerätes sowohl Störsenken als auch Störquellen auftreten und interagieren können. Das Gerät selbst muss daher eine gewisse Eigenstörfestigkeit aufweisen. Die sich zwischen Quelle und Senke befindliche Kopplungsstrecke überträgt die Störungen, wobei vier verschiedene Übertragungsarten unterschieden werden: galvanisch, kapazitiv, induktiv und über Strahlung.

• Galvanische Kopplung: Störquelle und Störsenke sind physisch, zum Beispiel durch einen gemeinsamen Erdungsleiter, verbunden. Ein Störstrom über den Erdungsleiter verursacht elektromagnetische Störungen.
  
  
• Kapazitive Kopplung: Störquelle und Störsenke sind nah beieinander, allerdings nicht physisch verbunden. Bei der kapazitiven Kopplung entsteht die EMS durch das elektrische Feld, ausgelöst beispielsweise durch Schaltvorgänge.
  
  
• Induktive Kopplung: Auch bei der induktiven Kopplung befinden sich Störquelle und Störsenke nah beieinander, sind aber nicht miteinander verbunden. Die Störung entsteht hier durch das magnetische Feld infolge von Stromfluss.
  
  
• Strahlungskopplung: Die Strahlungskopplung entsteht in der Regel, wenn Störquelle und Störsenke weit voneinander entfernt sind und Antennenwirkung besitzen. Typische Störer können aber auch Funkbänder sein wie beispielsweise die DECT-Telefonie.

In der Praxis treten die vier Kopplungsmechanismen oft als Mischform auf. Die Herausforderung für LAPP ist es, Kabel und Leitungen so zu konstruieren, dass sie nicht zu elektromagnetischen Störungen beitragen, also EMS weder aufnehmen, weiterleiten oder gar aussenden. Einfaches Beispiel: Eine Datenleitung muss vor externen Störungen geschützt werden – also ist eine hohe Fremdstörfestigkeit ist wichtig. Daher wird die Datenübertragung mit einem aufwendigen Schirm geschützt. Dieser besteht aus einem Kupfer-Schirmgeflecht, das magnetische Einkopplungen unterbindet und einer Metallfolie, die elektrische Felder abschirmt.

Aber auch die einzelnen Datenpaare innerhalb der Leitung, die sich gegenseitig beeinflussen können, müssen voreinander geschützt werden. Außerdem werden die Datenleiter eines Datenleiterpaars verdrillt (Twisting). Damit werden magnetische Kopplungen unterbunden, die sonst die Datenqualität beeinflussen können. Eine Servoleitung allerdings muss einen geringen Emissionsgrad aufweisen, und wird ausreichend geschirmt – aber von innen nach außen. Es gibt darüber hinaus zahlreiche LAPP Produktlösungen, um Maschinen niederimpedant zu erden und mögliche Störströme schnell und zuverlässig abzuleiten, ohne dass diese parasitären Ströme andere Anlagenteile negativ beeinflussen.

Wie Störungen innerhalb von Verbindungslösungen nahezu eliminiert werden können, hat LAPP gerade im Rahmen des „PEPA“-Forschungsprojektes des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz unter Beweis gestellt. Neben LAPP sind an dem Projekt die Firmen SEW-Eurodrive, Block, Danfoss, Magnetec und die Technische Universität Darmstadt beteiligt. Hier führt LAPP das Arbeitspaket 4: „Kopplungen zwischen benachbarten Leitungen sowie mit Anlagenteilen. Messungen und Optimierungen der Kabelkonstruktion“. Dessen Ziel ist es, eine firmenübergreifende Forschung an einem komplexen Thema aus der Automatisierungs-/Antriebswelt, bei dem es insbesondere auf die korrekte Auswahl der Verbindungskomponenten sowie der fachgerechten Installation dieser ankommt, zu forcieren.

Der Hintergrund der Untersuchung besteht darin, dass es in Industrieanlagen, in denen Frequenzumrichter-gesteuerte Motoren eingesetzt werden, vermehrt zu unerwünschten Strömen auf den Potentialausgleichsleitungen (PA) oder Schutzerdleitungen (PE) kommt. Durch die getaktete Ansteuerung (Pulsweiten-Modulation) werden Störströme im Bereich von rund 3 kHz bis 500 kHz angeregt, welche über Gehäuseteile, PA-/PE-Leiter/-Netze und im schlimmsten Fall über die Schirmung von Datenleitungen in Richtung Erdpotential beziehungsweise zur Quelle abfließen. Hochfrequente Ausgleichströme mit einer Amplitude von 10 A oder mehr sind hierbei keine Seltenheit. Die Folgen sind unzulässig hohe Ströme auf der Schutzerde und dadurch vermeintlich fehlerhaft auslösende FI-Schutzschalter (RCD) oder Beeinträchtigung der Datenkommunikation, wenn beispielsweise die Ausgleichsströme über den Kupferschirm einer Datenleitung fließen. Diese Fehler sind schwer zu finden, da sie keiner Systematik folgen. LAPP hat sich daher zum Ziel gesetzt, die physikalischen Kopplungsmechanismen innerhalb von Motor-Anschlussleitungen zu untersuchen und daraus eine neuartige Kabelkonstruktion abzuleiten. Das Ergebnis dieser Entwicklung ist die zeroCM-Technologie.

Bei der zeroCM-Technologie handelt es sich um eine spezielle, innovative Verseiltechnik: Drei Phasenleiter sind symmetrisch angeordnet und in einer Innenlage verseilt. Ergänzend wird mindestens ein Schutzleiter in einer Außenlage mit entgegengesetzter Verseilschlagrichtung um die drei Phasenleiter in einem bestimmten Schlaglängenverhältnis verseilt. Die Isolation der Leiter ist kapazitätsoptimiert und besteht aus Polyethylen, Polypropylen oder aus einer geschäumten Variante. Zwischen der Innenlage und der Außenlage befindet sich ein trennendes Fleece. „Durch diese Konstruktion erreicht man perfekte elektrische Symmetrie, welche die magnetische Abstrahlung reduziert und die internen Kopplungen stark verringert“, erklärt Stefan Hilsenbeck, Senior Engineer Advanced Technology bei der Lapp Holding AG.

Hilsenbeck: „Die Vorteile der Erfindung liegen klar auf der Hand. Die EMV-optimierte Kabelkonstruktion ist leicht umsetzbar und bietet den besten Schutz vor EMV-bedingten Störströmen. Ursprung der Innovation war es, den Status-Quo in der Kabeltechnik auf den Prüfstand zu stellen: so waren bisherige Konstruktionen eher auf geringe Außendurchmesser und eine optische Symmetrie getrimmt. Das Problem EMV wurde bis dato immer durch Schirmung gelöst. Wir gehen mit der zeroCM-Technologie einen anderen Weg: die Leitung ist vom visuellen Erscheinungsbild unsymmetrisch, jedoch erzielen wir 100% elektromagnetische Symmetrie und kommen dadurch sogar mit weniger Schirmung aus!“

Die Wirksamkeit der neuartigen Leitung wurde im Rahmen des PEPA-Projekts auch beim Versuchsaufbau bei dem Projektpartner SEW-Eurodrive bestätigt. Neben der Untersuchung einer EMV-optimierten Installation von Komponenten wurde unter anderem die Rolle der Ausgangsleitung bewertet. Zum Vergleich wurden ein identischer Versuchsaufbau mit einem Antriebssystem mit Potentialausgleich sowie paralleler Signalleitung (ProfiNet) gewählt. Verglichen wurden eine geschirmte PVC-isolierte Standardleitung, eine niederkapazitive Servoleitung, eine symmetrische Motorleitung mit drei Schutzleitern sowie die neuartige zeroCM-Leitung mit optimiertem Aufbau.

Die besten Werte hinsichtlich Ableitstrom am Umrichter-Ausgang wurden durch den kapazitätsarmen Aufbau der zeroCM-Leitung erreicht. Die generierten Ableitströme stellen eine zusätzliche Belastung für den Frequenzumrichter und alle beteiligten Komponenten dar und sollten daher so gering wie möglich gehalten werden. Weiterhin wurde der über eine parallel liegende Signalleitung fließende Störstrom untersucht: Auch hier begünstigt der Einsatz der zeroCM-Leitung die Ausprägung von möglichst geringen Störströmen. Aus den Untersuchungen bei SEW ergaben sich darüber hinaus klare Empfehlungen für die EMV-optimale Installation von Frequenzumrichtern, wie beispielsweise ein niederimpedanter, HF-tauglicher und ein durchgängiger Potentialausgleich zwischen Frequenzumrichter und Antrieb. Eine wesentliche Bedeutung kommt hierbei dem Schirmanschluss mit EMV-gerechten Steckern oder flächiger Schirmauflage zu.

Zusammengefasst beseitigt die zeroCM-Technologie zwar nicht die Ursache von EMV-Störungen, adressiert jedoch genau eine der signifikanten Stellen, an der Störungen in das Systemumfeld eingebracht werden. Einerseits ermöglicht der neuartige Kabelaufbau um bis zu 80% reduzierte Ausgleichsströme am Frequenzumrichter-Ausgang und auf parallelen Pfaden wie beispielsweise Datenleitungen. Andererseits sorgen reduzierte Kabel-Umladeströme (cable-charging current) für verringerte Last am und im Umrichter selbst: So können beispielsweise längere Kabellängen verlegt werden, ohne dass der Frequenzumrichter außerhalb seiner (EMV-)Spezifikation betrieben wird. Zudem unterbindet die zeroCM-Technologie das Entstehen von Spannungspegeln auf dem Masse-/Erdpotential (Ground-Voltage) auf der Verbraucherseite. Dies ist besonders wichtig, wenn beispielsweise empfindliche Sensorik wie Analoggeber zum Einsatz kommen.

Neben den beschriebenen Vorteilen können Kund:innen auch Kosten sparen, weil auf aufwändige Filtertechnik verzichtet werden kann und die Anlage stabiler läuft. Obwohl die neue Leitung beim ersten Konfektionieren vielleicht ungewohnt erscheinen mag, bleibt die Verkabelung gewohnt einfach, bzw. der Aufwand reduziert sich sogar im Vergleich zu den Erd-symmetrischen Leitungen mit gedritteltem Schutzleiter.

„Unser Ziel ist es, ein Portfolio mit der zeroCM-Technologie auszustatten; als nächstes sind Hybridleitungen in unserem Fokus“ so Hilsenbeck. Hybridleitungen, Sammelleitungen oder One-Cable-Solutions beinhalten neben den Leistungsadern auch Daten-, Resolver-, oder Steueraderpaare, welche bisher aufwendig von den Leistungsadern abgeschirmt wurden. Durch die zeroCM-Technologie ergibt sich eine völlig neue Freiheit der Anordnung der Konstruktionselemente, was den Materialeinsatz senken und die Performance steigern wird.

Je nach Anwendungsfall hat LAPP aber auch viele bewährte EMV-Lösungen im Portfolio. Drei Schirmungsarten eignen sich bei Anschluss- und Steuerleitungen besonders gut für den Einsatz mit EMV-Schutz: Eine gängige Methode, Leitungen abzuschirmen, sind verzinnte Kupfergeflechte zwischen Adern und Manteln. Mit einem Bedeckungsgrad von rund 80 Prozent bildet das Kupfergeflecht eine effektive Barriere gegen elektromagnetische Felder. Kupfergeflechte können unterschiedlich geflochten sein, wobei der Flechtwinkel entscheidend ist. Bei hochdynamischen Anwendungen ist der Kupferdraht in einem steileren Winkel um die Adern gelegt, sodass er auf einer kürzeren Strecke eine volle 360-Grad-Windung um die Adern macht. Wenn höhere Frequenzen im Spiel sind, hat sich die aluminiumkaschierte Kunststoff-Folie bewährt.

Hier werden einzelne Adern oder alle Adern in der Leitung mit alukaschierter Kunststofffolie umwickelt. Oft haben Leitungen auch mehrere Schirmungsarten, etwa die ÖLFLEX®SERVO 2XSLCH-J mit aluminiumkaschierter Kunststoff-Folie und verzinntem Kupfergeflecht. Bei Datenleitungen gibt es prinzipiell dieselben Schirmarten wie bei Anschluss- und Steuerleitungen. Generell sollten Datenleitungen immer geschirmt werden, da sie besonders störanfällig sind. Eine weitere Bauart bei Datenleitungen sind daher die verdrillten Twisted Pair Leitungen. Die Verdrillung gewährleistet, dass sich Feldeffekte gegenseitig aufheben. Das Netzwerkkabel ETHERLINE® Cat 6a H 4x2xAWG22/1 SF/UTP ist mit einem Drahtgeflecht und einer darunterliegenden aluminiumkaschierten Kunststoff-Folie um alle Adern geschirmt.

Wie sieht nun die ideale Verbindung von Kabel und Stecker aus EMV-Sicht aus? Wichtigste Forderung: Der elektrische Widerstand zwischen Kabelschirm und Erdpotential muss so gering wie möglich sein. Dafür ist eine möglichst große Kontaktfläche nötig. Am Übergang von der Kabelverschraubung zum Stecker sollte der Kabelschirm rundherum und ohne Lücken erfolgen. Nur dann kann das Steckergehäuse als faradayscher Käfig wirken und Störsignale von außen sicher fernhalten. Außerdem ist es wichtig, dass diese optimale Schirmkontaktierung an beiden Enden des Kabels stattfindet und mit dem Erdpotenzial verbunden ist, denn das schwächste Glied bestimmt, wie gut die Abschirmung ist.

Große metallische Flächen und durchgängige elektrische Verbindungen mit guter Leitfähigkeit begünstigen die Abschirmung. Ein gutes Beispiel ist der Rechteckstecker EPIC® ULTRA. Das Metallgehäuse ist vernickelt, die Dichtung wurde nach innen verlegt, sodass sich die beiden metallischen Gehäuseteile großflächig berühren. Dazu passt die Kabelverschraubung SKINTOP® MS-M BRUSH, denn für ein gut abgeschirmtes Gesamtsystem muss auch der Übergang vom Steckverbinder zum Kabel dichthalten. Während üblicherweise die Fixierung des Schirmes mit einer Feder realisiert wird, übernehmen dies bei der BRUSH tausende von ringförmig angeordneten Bürstenhärchen. Ströme, die durch Störsignale von außen induziert werden, werden über die hoch leitfähige und 360° umlaufende Bürstenschirmung effizient abgeleitet. „Das ist besonders für die Übertragung empfindlicher Signale wichtig“, sagt Guido Ege, Leiter Produktmanagement und Produktentwicklung bei der U.I. Lapp GmbH. Bei besonders kritischen Anwendungen wie in einem Roboterarm ist die SKINTOP® MS-M BRUSH eine gute Lösung. Egal, wie man Stecker und Kabel dreht und biegt, die Kontaktfläche zwischen Abschirmgeflecht der Leitung und Bürsteneinsatz der Kabelverschraubung bleibt unverändert gut.

Dort wo eine besonders platzsparende Bauweise erforderlich ist, zum Beispiel für den Einsatz in Servoantrieben, Aktoren und Sensoren, eignen sich POWER und SIGNAL Rundsteckverbinder, die mit einer speziell abgestimmten EMV-Kabelverschraubung für Servo- und Datenleitungen ausgestattet sind.
Für Sensor-, Feldbus-, Resolver- und Encoder-Leitungen gibt es die EPIC®SIGNAL M17 oder EPIC® SIGNAL M23 Steckverbinder.

Ege: „In der Industrie war es lange üblich, Leitungen und Stecker getrennt einzukaufen und erst beim Einbau in die Maschine zu verbinden. Dies birgt die Gefahr von Montagefehlen. Deshalb geht der Trend heute zu fertig konfektionierten Leitungen.“ Bei LAPP werden diese Konfektionen unter dem Namen ÖLFLEX® CONNECT vertrieben. Leitung und Stecker werden bereits ab Werk verbunden, Kund:innen erhalten sogar komplett mit Leitungen und Schläuchen bestückte Schleppketten, auch das Engineering übernimmt LAPP.

Zusammenfassend stellt Vorstand Georg Stawowy fest: „Unser Portfolio stellt heute schon eine gute Lösung dar, um EMV-Störungen zu unterdrücken oder über definierte Wege abzuführen und somit für das Gesamtsystem unschädlich zu machen. EMV wird durch Systemintegration eher zunehmen und wir bei LAPP werden hierfür die innovativen Lösungen liefern. Unser Ziel ist es, dass unsere Produkte für den Umgang mit EMV-Störungen anlagensicher ausgelegt sind.“