Ethernet-Netzwerke Physikalische Prüfkriterien im Fokus der Netzwerktechnik

Bereits bei der Abnahme von Ethernet-basierten Netzwerken zeigt sich, dass hinter der neuen Technologie deutlich mehr steckt als deren bloßer Wechsel von seriellen Feldbussen.

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Gerhard Bäurle Ingenieurbüro

I-V-G Göhringer

Im Rahmen der Digitalisierung über Unternehmensgrenzen hinweg sind zuverlässige Systeme und Netzwerke entscheidend. Dank straffer Prozessketten und schlanker Produktion ohne Zwischenlager wirkt sich ein Ausfall heute viel mehr aus als noch vor ein paar Jahren, als noch Puffer einzelne Stillstände auffangen konnten. Mit einem Ausfall steht in einer vernetzten Welt nicht nur die lokale Produktion still, sondern die gesamte Prozesskette. Spätestens hier wird deutlich, dass Netzwerke als „Hauptschlagader“ der Produktionsanlagen sicher und zuverlässig laufen müssen.

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Konstruktive Mängel

Bei der Suche nach den Ursachen für die Störungen ist eine Unterscheidung zwischen konstruktiven Mängeln und der Alterung der Businstallation sinnvoll.

Zu den konstruktiven Mängeln zählen:

• Minderwertige Steckverbinder statt Industriequalität;

• Schirm nur einseitig aufgelegt;

• Schirm per Pigtail (Schweineschwanz) angeschlossen, statt flächig verbunden;

• fehlender oder unzureichend dimensionierter Potenzialausgleich;

• fehlende Trennung zwischen Strom- und Datenleitungen;

• sternförmige Erdung und unsymmetrische Stromversorgung.

Es ist jedoch zu beobachten, dass, im Vergleich zur Situation vor zehn Jahren, in der heutigen Praxis wesentlich mehr Wert auf ein EMV-gerechtes Anlagendesign gelegt wird.

Tablet-gestützte Sichtprüfung

Beim Aufbau oder bei der Erweiterung von Netzwerken gibt es viele Möglichkeiten Fehler zu machen, beispielsweise bei der Schirmauflage, der Zugentlastung oder beim Potenzialausgleich. „Auf Erdungsprobleme treffen wir recht häufig“, berichtet Hans-Ludwig Göhringer aus seiner Tätigkeit als Troubleshooter und erläutert dazu: „Für die Störsicherheit von Netzwerkinstallationen sind eine gute Erdung und ein optimaler Potenzialausgleich enorm wichtig. Andernfalls fließen Ausgleichströme über die Schirmung der Netzwerkleitung und setzen diese außer Funktion“.

Nach der Erfahrung von IVG Göhringer lassen sich die meisten dieser Fehler durch eine visuelle Inspektion bzw. Sichtkontrolle finden. Damit dies vom Anwender selber durchgeführt werden kann, wurde ein standardisiertes Abnahmekonzept für Netzwerkinstallationen und Feldbussysteme entwickelt.

Als softwaregestütztes Verfahren gibt die IVGNetApp dem Anwender einen strukturierten und fundierten Prozess vor und unterstützt damit eine systematische Vorgehensweise. Ziel war es, dem Anwender einfache Checklisten und Werkzeuge an die Hand zu geben, mit denen er eine strukturierte Abnahme machen kann – ohne dass er ein ausgewiesener Netzwerkspezialist ist und viele tausend Euro in Messgeräte und Schulungen investieren muss.

Die IVGNetApp ist über den Google Playstore kostenfrei erhältlich. Per Tablet und App kann das Anlagenpersonal die geführte Sichtprüfung selber durchführen und die erkannten Fehler beheben. Optional bietet IVG Göhringer als Dienstleistung eine kostenpflichtige Auswertung anhand der erfassten Daten an. Diese umfasst eine detaillierte Auswertung mit ausführlichen Hinweisen und Expertentipps zur Fehlerbeseitigung.

Schirmleitung wesentlich

Die EMV-Fehler haben mit über 50 Prozent den höchsten Anteil über alle Fehlerkategorien hinweg. Die wichtigste Maßnahme zum Schutz von Maschinen und Anlagen vor elektromagnetischen Störungen ist eine ordnungsgemäße Schirmleitung und Schirmanbindung. Dazu gehört eine flächige Schirmauflage und Erdung an beiden Enden.

In der Praxis ist hin und wieder zu sehen, dass der Schirm, ähnlich wie die Signalleitungen, nur punktförmig angelötet ist. Die Abschirmung erfüllt ihren Zweck nur gut, wenn sie unterbrechungsfrei und durchgängig geschlossen ist und zudem gut leitend mit der Funktionserde verbunden ist. Mit metallischen Kabeldurchführungen wird verhindert, dass hochfrequente Störungen in Steuerungen und Schaltschränke eindringen. „Manchmal wird der Schirm nur einseitig aufgelegt, mit dem Argument, dann könne auf dem Schirm kein Strom fließen“, berichtet Hans-Ludwig Göhringer aus der Praxis und erläutert weiter: „Das gilt nur bei magnetischen Feldern. Ein hoher Schirmstrom lässt auf einen fehlenden Potenzialausgleich schließen – dort muss der Hebel angesetzt werden“. Damit sind wir beim nächsten Thema.

Erdungsstruktur und Potenzialausgleich

Das neue Dokument „Funktionserdung und Schirmung von Profibus und Profinet“ ist eine aktuelle Handlungsempfehlung, die von der Profibus Nutzerorganisation (PNO) herausgegeben wurde. Es beschreibt die notwendigen Anforderungen an Erdung und Potenzialausgleich für Profibus- und Profinet-Netzwerke. Die elektrische Steuerungs- und Antriebstechnik ist ebenso betroffen. Grundsätzlich wird der Übergang von der Sternpunkterdung zu einem vermaschten Erdungssystem empfohlen. Die Ursprünge gehen auf die strukturierte Ethernet-Verkabelung im Gebäude zurück, gilt aber auch als Wegweiser für beliebige andere Bussysteme.

„Der Leitgedanke, der hinter der vermaschten Struktur steht, ist, dass sich der Strom den richtigen Weg sucht“, erläutert Hans-Ludwig Göhringer und fügt hinzu: „Im Grundsatz ist der Weg richtig. Aber es gibt keine Lösungswege, die pauschal richtig sind und für jede Anlage passen. 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“. Zudem fehlt in diesem Dokument noch der praktische Bezug. Vorgeschlagen wird deshalb eine strukturierte Vorgehensweise, in die auch die vorhandene Felderfahrung mit einfließt.

Schirmströme messen

Schirmströme können verschiedene Ursachen haben. Die häufigsten sind ein nicht ordnungsgemäß ausgeführter Potenzialausgleich oder lange unsymmetrische Motorkabel. Unabhängig von der Ursache können zu hohe Schirmströme Geräte zerstören, wenn der Strom über deren Masse abgeleitet wird oder die Datenübertragung beeinflussen, wenn das entstehende Magnetfeld auf die Datensignale wirkt. Deshalb gehört zur Sichtprüfung mit der IVGNetApp auch die Messung der Schirmströme. Die App bewertet den Stromverlauf entlang einer Linie anhand von Grenzwerten und macht so die kritischen Stellen der Erdungsstruktur sichtbar.

Fazit: Wenn über die Hälfte der Fehler EMV-Fehler sind, wird klar, dass bei der Installation des Netzwerks hinsichtlich Zugentlastung, Abschirmung, Potenzialausgleich und Auswahl des Kabeltyps sauber gearbeitet werden muss. Die Abnahme sollte entsprechend den Vorgaben der PNO erfolgen. Der Einsatz eines Kabelzertifizieres ist nur sinnvoll, wenn von MAC-Adresse zu MAC-Adresse gemessen wird – über alle Zwischenstecker, Buchsen und Verlängerungen hinweg. Viele Lastenhefte können allein dadurch verbessert werden, dass genau und eindeutig beschrieben wird, wie die Messungen erfolgen müssen.

Das ist auch das Thema des Workshops „Neue Anforderungen an die Prüfkriterien für Profinet“ auf dem Automatisierungstreff 2019 in Böblingen.

Feldbus

CIRS-Konzept für stabile Bussysteme

* Gerhard Bäurle, Fachjournalist, für IVG Göhringer

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