10 praktische Maßnahmen zum Schutz von Prozesssignalen vor elektrischen Störungen

 

Elektrische Störungen gehören zu den häufigsten Ursachen für instabile Messwerte in Industrieanlagen. Frequenzumrichter, Motoren, Schütze und Handfunkgeräte erzeugen elektromagnetische Störungen (EMI), die in Signalkabel einkoppeln und sich als springende Messwerte, Offsets oder unerklärliche Abschaltungen bemerkbar machen können.

Die meisten EMI-Probleme lassen sich durch einige gezielte Entscheidungen bei Planung und Installation vermeiden. Die folgenden zehn Tipps sind in drei Bereiche gegliedert – Verkabelung, Schirmung und Erdung sowie Signal- und Geräteauswahl. Jeder Tipp erklärt kurz, warum die Maßnahme wirkt, sodass Sie das Prinzip auf Ihre eigene Installation übertragen können.

 

Verkabelung

1. Abstand zwischen Signal- und Leistungskabeln

Verlegen Sie Instrumentierungskabel in separaten Kabeltrassen oder Schutzrohren von Leistungs- und Motorkabeln. Die Kopplung zwischen Kabeln nimmt mit zunehmendem Abstand ab und mit der Länge zu, über die sie parallel verlaufen – beides ist daher entscheidend.

Ein Abstand von mindestens 10 Zentimetern ist eine gängige Faustregel. Hersteller von Frequenzumrichtern geben in ihren Installationsanleitungen üblicherweise außerdem einen Mindestabstand für Motorkabel an. Lässt sich eine gemeinsame Kabeltrasse nicht vermeiden, verwenden Sie eine geerdete Metalltrennwand.

Wenn sich Signal- und Leistungskabel kreuzen müssen, sollten sie sich im 90°-Winkel kreuzen. Bei einem rechten Winkel koppelt das Magnetfeld des Leistungskabels nur in sehr geringem Maße in das Signalkabel ein. Auch die elektrische Kopplung wird reduziert, da die Länge minimiert wird, über die die Kabel dicht nebeneinander verlaufen.

 

2. Signal- und Rückleiter zusammenführen

Ein Magnetfeld induziert in der Schleife, die aus Signalleiter und Rückleiter gebildet wird, eine Spannung – und je größer die Schleifenfläche, desto größer die induzierte Spannung.

Führen Sie Signal und Rückleiter im selben Kabel, halten Sie das Leiterpaar bis zu den Klemmen zusammen und verlegen Sie die beiden Leiter niemals auf unterschiedlichen Wegen.

Vermeiden Sie überschüssige Kabellängen, die in der Nähe von Störquellen wie Frequenzumrichtern oder Transformatoren aufgewickelt liegen. Eine solche Kabelschleife wirkt wie eine Antenne und nimmt Störungen aus der Umgebung auf.

 

3. Verdrillte Adern verwenden – und die Funktion des Schirms kennen

Durch das Verdrillen wird die magnetische Kopplung reduziert, da die in aufeinanderfolgenden Windungen induzierten Spannungen eine entgegengesetzte Polarität besitzen und sich weitgehend gegenseitig aufheben. Der Schirm erfüllt eine andere Aufgabe: Er schützt vor allem vor elektrischer Feldkopplung (kapazitiver Kopplung) und hochfrequenten Störungen.

Ein dünner Folienschirm bietet nur wenig Schutz vor niederfrequenten Magnetfeldern, beispielsweise 50/60-Hz-Feldern benachbarter Leistungskabel – hier sind Verdrillung und Abstand entscheidend. Verwenden Sie in störungsintensiven Umgebungen Kabel, die sowohl verdrillt als auch geschirmt sind.

Schirmung und Erdung

4. Schirme mit einer 360°-Verbindung anschließen

Ein Schirm ist nur so gut wie seine Terminierung. Ein langer „Pigtail“ – bei dem das Schirmgeflecht zu einem Draht verdrillt und an eine Klemme angeschlossen wird – erhöht die Induktivität und kann den Schirm bei hohen Frequenzen nahezu wirkungslos machen.

Schließen Sie den Schirm mit einer Schirmklemme oder einer EMV-Kabelverschraubung rundum über 360° an. Der Anschluss sollte dort erfolgen, wo das Kabel in den Schaltschrank eintritt, damit Störungen gegen Erde abgeleitet werden, bevor sie in den Schaltschrank gelangen.

5. Eine Erdungsstrategie wählen – und konsequent umsetzen

Die Erdung des Schirms an beiden Enden bietet den besten Schutz vor hochfrequenten Störungen. Unterscheidet sich jedoch das Erdpotenzial an den beiden Enden, fließt ein niederfrequenter Strom durch den Schirm.

Eine einseitige Erdung – üblicherweise auf der Seite des Kontrollraums – verhindert diesen Strom, bietet jedoch einen geringeren Schutz gegen hochfrequente Störungen.

Die richtige Wahl hängt vom Potenzialausgleich der Anlage ab: Bei einem guten Potenzialausgleichsnetz wird im Allgemeinen die beidseitige Erdung bevorzugt. Ist ein solches Netz nicht vorhanden, ist die einseitige Erdung in der Prozessinstrumentierung die traditionelle Lösung.

Unabhängig von der gewählten Methode sollte das Prinzip in der gesamten Installation konsequent umgesetzt werden. In explosionsgefährdeten Bereichen gelten für eigensichere Stromkreise besondere Anforderungen an die Schirmerdung gemäß IEC 60079-14, die eingehalten werden müssen.

6. Störungen an der Quelle bekämpfen

Frequenzumrichter sind in modernen Industrieanlagen die häufigste Störquelle. Verwenden Sie geschirmte, symmetrische Motorkabel mit 360°-Schirmanbindung sowohl am Frequenzumrichter als auch am Motor, belassen Sie den Eingangsfilter des Frequenzumrichters an Ort und Stelle und ziehen Sie bei langen Motorkabeln Ausgangsfilter (du/dt- oder Sinusfilter) in Betracht.

Trennen Sie im Schaltschrank „störbehaftete“ Bereiche mit Frequenzumrichtern, Schützen und Schaltnetzteilen von „sauberen“ Bereichen mit Instrumentierung und Signalaufbereitung.

Signal- und Geräteauswahl

7. Niedrige Signalpegel möglichst nahe am Sensor umwandeln

Thermoelementsignale liegen im Bereich von einigen zehn Mikrovolt pro Grad. Bei einem Thermoelement vom Typ K entspricht bereits eine eingekoppelte Störspannung von 1 mV einem Fehler von etwa 24 °C (z. B. Typ K). Ein solches Signal über ein langes Kabel durch eine störungsintensive Anlage zu führen, erhöht das Fehlerrisiko erheblich.

Durch die Montage eines Messumformers im Anschlusskopf des Sensors – oder möglichst nahe an der Messstelle – wird das Signal über die kürzest mögliche Strecke in 4–20 mA umgewandelt.

Ein Stromsignal ist wesentlich robuster: Der Strom wird durch den Kabelwiderstand nicht beeinflusst, und die niederohmige Stromschleife ist deutlich weniger anfällig für induzierte Störungen als ein hochohmiges Millivoltsignal.

So kann PR electronics helfen: Kopfmontierte Temperaturmessumformer von PR electronics wandeln RTD-, Thermoelement- und mV-Signale direkt an der Messstelle in 4–20 mA um – mit galvanischer Trennung zwischen Eingang und Ausgang (2,5 kVAC beim PR 5437). Kopfmontierte Temperaturmessumformer entdecken.

8. Erdschleifen durch galvanische Trennung unterbrechen

Wenn eine Messschleife an mehreren Stellen geerdet ist, können Unterschiede im Erdpotenzial einen Strom durch die Signalleitungen verursachen, der sich als Offset oder Störung bemerkbar macht. Geerdete Thermoelemente, bei denen die Messstelle Kontakt mit einer geerdeten Tauchhülse hat, sind ein klassisches Beispiel.

Eine galvanische Trennung unterbricht diesen Strompfad: Eingang, Ausgang und Versorgung sind elektrisch voneinander getrennt, während das Messsignal über die Trennbarriere übertragen wird. Allerdings ist nicht jede galvanische Trennung gleich leistungsfähig.

Schnelle Gleichtakttransienten können weiterhin über die interne Kapazität der Trennbarriere einkoppeln. Daher ist die EMV-Störfestigkeit des Trenners ebenso wichtig wie seine Isolationsspannung. Wenn die Messschleife HART-Kommunikation überträgt, sollte ein HART-transparenter Trenner verwendet werden.

So kann PR electronics helfen: Galvanische Trennung ist ein zentraler Bestandteil des Signalaufbereitungsportfolios von PR electronics – von schmalen DIN-Schienen-Trennern über Universalumformer bis hin zu HART-transparenten Repeatern für explosionsgefährdete Bereiche. Signaltrenner entdecken.

9. Geräte mit dokumentierter EMV-Störfestigkeit wählen

Die CE-Kennzeichnung zeigt, dass ein Produkt die Mindestanforderungen erfüllt – nicht, wie gut es sich in Ihrer Anlage verhält. Prüfen Sie deshalb das Datenblatt: Der Einfluss der EMV-Störfestigkeit gibt an, um wie viel der Messwert während der Prüfung abweichen kann.

NAMUR NE 21, in der Prozessindustrie weit verbreitet, stellt zusätzliche Anforderungen über die Basisnorm IEC 61326-1 hinaus. IEC 61326-3-1 gilt für Geräte, die Sicherheitsfunktionen ausführen.

Reale Industrieanlagen sind häufig anspruchsvoller als ein Prüflabor. Ein Handfunkgerät, das nahe an einen Schaltschrank gehalten wird, kann die bei industriellen Störfestigkeitsprüfungen verwendete Feldstärke von 10 V/m leicht überschreiten.

So kann PR electronics helfen: Produkte von PR electronics sind so ausgelegt, dass sie die üblichen EMV-Anforderungen übertreffen. In unseren Datenblättern ist der Einfluss der EMV-Störfestigkeit angegeben – beim Trennverstärker PR 3103 beispielsweise weniger als ±0,5 % der Messspanne bei Standard-EMV-Prüfungen und weniger als ±1 % der Messspanne bei der erweiterten Prüfung nach NAMUR NE 21.

10. Filterung als letzte Maßnahme einsetzen – nicht als erste Lösung

Bei den meisten Messumformern und Steuerungssystemen lässt sich eine Dämpfung hinzufügen oder die Ansprechzeit erhöhen, um ein verrauschtes Signal zu glätten.

Das kann hilfreich sein, verbirgt jedoch das Symptom, statt die Ursache zu beseitigen – und verlangsamt die Messung, was sich auf die Regelungsperformance und Sicherheitsfunktionen auswirken kann. Ermitteln und beseitigen Sie zuerst die Störquelle und verwenden Sie Filter anschließend zur Feinabstimmung.

Robuste Messungen werden geplant – nicht nachträglich ergänzt

Es gibt nur selten eine einzelne Maßnahme, die EMI vollständig beseitigt. Kabelführung, Schirmung, Erdung, Signalart und Geräteauswahl beeinflussen sich gegenseitig. Eine Schwachstelle in einem Bereich kann die Maßnahmen in den anderen Bereichen zunichtemachen.

Nutzen Sie die zehn Tipps als Checkliste bei der Planung neuer Installationen – und als Ausgangspunkt bei der Fehlersuche in bestehenden Anlagen. Eine gute erste Frage lautet: Tritt die Störung auf, wenn ein bestimmter Frequenzumrichter, eine Pumpe oder ein Funkgerät verwendet wird?

Bei PR electronics wird die EMV-Performance bereits ab der ersten Entwicklungsphase in unsere Produkte integriert – denn ein Signalaufbereiter ist nur so gut wie das Signal, das er unter realen Anlagenbedingungen liefert.

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