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Die unsichtbare Gefahr Elektrostatische Entladungen gefährden industrielle Anlagen

Von Gerhard Bäurle, Technikjournalist für Leadec 4 min Lesedauer

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Der Schutz vor elektromagnetischen Einflüssen (EMV) ist für die Stabilität und Zuverlässigkeit von industriellen Netzwerken und Feldbussystemen entscheidend. Bereits bei der Konstruktion und Planung sollten die Zusammenhänge zwischen Erdung, Potenzialausgleich und Abschirmung von Signalleitungen beachtet werden.

Entladeströme aufgrund statischer Aufladung können die Netzwerkkommunikation stören.(Bild: Leadec Group)
Entladeströme aufgrund statischer Aufladung können die Netzwerkkommunikation stören.
(Bild: Leadec Group)

Elektrostatische Entladungen, oft mit ESD (electrostatic discharge) abgekürzt, sind im Alltag von automatisierten Maschinen und Anlagen nichts Neues. Es handelt sich um elektrische Ladungen, die durch Reibung entstehen und sich dann sporadisch entladen. Reibung kann überall dort entstehen, wo etwas bewegt wird. Etwa bei Förderstrecken, bei Robotern, in der Lagertechnik, in der Verpackungstechnik und in der Papier- und Kunststoffproduktion, um ein paar Beispiele zu nennen. Alles, was mit Kunststoff zu tun hat, wie Transportbehälter, Folien und Granulat, ist besonders anfällig, da Kunststoffe in der Regel hervorragende Isolatoren sind. Das ist letztendlich der Grund, warum eine elektrostatische Aufladung erfolgt. Wenn dann im Prozess irgendwann die Möglichkeit zur Entladung besteht, kann in kurzer Zeit ein sehr hoher zerstörerischer Strom fließen.

Ein EMV-gerechtes Installationskonzept

Kritisch kann es zum Beispiel werden, wenn der hohe Strom über die Erdung des Minuspols in ein elektronisches Gerät der Steuerungstechnik fließt und dort die Elektronik überlastet und zerstört. Die hohen Spannungen, die durch elektrostatische Aufladung entstehen, können auf der 24-VDC-Ebene ebenfalls zu Schäden führen. Beispielsweise dann, wenn ein geregeltes Netzteil zufällig beim Extremwert misst und dann versucht, dagegen zu regeln. Wenn die Energiedichte bei solchen Vorgängen immer wieder größer ist als die eigentliche Auslegung der Elektronik erlaubt, führt dies im Laufe der Zeit zu einer Zerstörung. Um diese Ströme und Spannungen möglichst zu verhindern, ist ein EMV-gerechtes Installationskonzept eine entscheidende Voraussetzung.

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Konstruktive Mängel

In der Praxis sind bei vielen industriellen Netzwerken Schwachstellen vorhanden, die auf Unkenntnis, einer fehlerhaften Konstruktion und Planung oder einer mangelhaften Ausführung der Installation beruhen. Dazu zählen:

  • Mehrfacherdung
  • Schirm ist nur einseitig aufgelegt
  • Schirm per Pigtail (Schweineschwanz) angeschlossen, statt flächig verbunden
  • Fehlender oder unzureichend dimensionierter Potenzialausgleich
  • Fehlende Trennung zwischen Energie- und Datenleitungen
  • Erdschlüsse
  • sternförmige Erdung
  • fehlende Erdung

Mehrfacherdungen nach dem Prinzip „viel hilft viel"

In der Automatisierungstechnik werden Steuerungen, Umrichter und viele andere Baugruppen in der Regel mit 24 V Gleichspannung versorgt. Um im Falle einer fehlerhaften Isolation die funktionale Sicherheit zu gewährleisten, wird das Bezugspotenzial der Steuerspannung – in der Regel ist das der Minuspol – mit der Erde verbunden. Damit bleiben auch Durchbrüche der Netzspannung auf der Sekundärseite, die bei defekten Netzgeräten auftreten können, ohne gravierende Folgen für das Bedienpersonal und die Maschine. Aus funktionaler Sicht darf diese Erdung nur an genau einer Stelle erfolgen. In der Praxis wird das jedoch häufig nicht beachtet. Im Gegenteil – nach dem Motto „viel hilft viel“ sind Maschinen und Anlagen zu finden, bei denen der Minuspol nicht nur an der Stromversorgung geerdet ist, sondern zusätzlich an jeder Baugruppe im Feld.

Unkalkulierbare Ströme stellen ein gewisses Brandrisiko dar

Manchmal bleiben Mehrfacherdungen jahrelang unbemerkt. Die Maschinen und Anlagen erfüllen ihren Zweck und laufen nahezu störungsfrei. Im Laufe der Zeit können jedoch verstärkt sporadisch unerklärliche Effekte auftreten, die zu einer fehlerhaften Kommunikation oder auch zu einem Anlagenstillstand führen. Solange das AEG-Prinzip (Ausschalten-Einschalten-Geht) funktioniert, macht sich in der Regel kaum jemand darüber Gedanken, was die eigentliche Fehlerursache sein könnte. Das ist jedoch riskant, weil die unkalkulierbaren Ströme nicht nur zu einem erneuten Ausfall der Baugruppe führen können, sondern auch ein gewisses Brandrisiko darstellen (siehe Interview).

Oft schwer zu finden: Mehrfacherdungen

Mehrfacherdungen sind häufig schwer zu finden, besonders dann, wenn der Minuspol und die Funktionserde direkt in den Baugruppen intern verbunden sind. Das wurde von diversen Geräteherstellern, besonders bei älteren Geräten, gerne gemacht. In der Regel ist das jedoch nicht in den Unterlagen dokumentiert. Der technische Hintergrund dazu ist, dass sich mit der internen Erdung des Minuspols eventuell die CE-Kriterien für das betreffende Gerät einfacher erfüllen lassen, ohne zusätzlichen Aufwand an anderer Stelle. In schwierigen Fällen kann es helfen, die 24-VDC-Versorgung im Schaltschrank zu segmentieren und mit getrennten 24-VDC-Strängen zu arbeiten. Dafür hat Leadec ein Fixing-Konzept entwickelt.

Erdungsstruktur und Potenzialausgleich

An den Erdungspunkten für den Strom ist ein Grenzwert von 10 mA definiert. Der Wert ist der aktuellen Vornorm DIN V VDE V 0800-2 (VDE V 0800-2) zu entnehmen. „Wenn Sie jedoch wesentlich höhere Ströme, etwa im Ampere-Bereich messen, zweifeln Sie nicht gleich an Ihrer Gleichstrommesszange“, berichtet Hans-Ludwig Göhringer, Netzwerk-Spezialist bei Leadec aus seiner langjährigen Troubleshooting-Praxis und erläutert weiter: „Wir haben schon Ströme über 10 A gemessen.“

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In der DIN EN 50310 und in den PNO-Empfehlungen sind die Mindestanforderungen an Erdung und Potenzialausgleich für Gebäude und Anlagen mit informationstechnischen Einrichtungen festgelegt. Darunter fallen auch die elektrische Steuerungstechnik, Bussysteme und Netzwerke. Grundsätzlich wird der Übergang von der Sternpunkterdung zu einem vermaschten Erdungssystem empfohlen. Die Norm 50310 ist zwar im Kontext der Ethernet-Verkabelung entstanden, gilt aber auch als Wegweiser für die PNO-Empfehlung und für andere Feldbus- und Netzwerksysteme.

Der Leitgedanke hinter der vermaschten Struktur ist, dass der Strom den richtigen Weg sucht. Im Grundsatz ist der Weg richtig – jedoch gibt es keine Lösungswege, die pauschal richtig sind und für jede Anlage passen. Hans-Ludwig Göhringer ergänzt: „In einer Maschenerdung nach Lehrbuch kann es auch passieren, dass man den Strom an einen Punkt leitet, an dem man ihn gar nicht haben möchte.“

Fazit

Die Themen Erdung, Potenzialausgleich und EMV rückten in den letzten Jahren zwar mehr in den Fokus der Konstrukteure und Planer – erfahren jedoch trotzdem bisher nicht die Aufmerksamkeit, die für stabile Anlagen und industrielle Netzwerke erforderlich wäre. Als Dienstleister bietet die Leadec mit seinen Feldbus- und Netzwerkexperten umfassenden Support für industrielle Netzwerke – von der Planung über die Inbetriebnahme bis zur Wartung und Instandhaltung.

 

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