Was muss aus EMV-Sicht bei Analogmessungen beachtet werden?

Die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) einer Analogmesseinrichtung ist ihre Fähigkeit in ihrer elektromagnetischen Umgebung zufriedenstellend zu funktionieren, ohne von dieser Umgebung beeinflusst zu werden. D. h. das Ziel ist es den Einfluss der Störgrößen durch einen störsicheren Aufbau mit guter Erdung und Schirmung erheblich zu reduzieren.

Mögliche Störquellen:

Ohm’sche Einkopplungen (Galvanische Kopplung)

durch Konstruktionsfehler z. B. bei Verwendung des gleichen Kabels für Daten- und Leistungsleitungen, indem Datenrückleitung über die Leistungsrückleitung geführt wird.

Kapazitive Einkopplungen

durch Leitungen mit höheren Spannungen z. B. bei Bahntechnik und/oder höheren Frequenzen z. B. bei statischen Entladungen. Wobei kapazitive Kopplungen in der Praxis seltener vorkommen als Induktive. Bei kapazitiven Einkopplungen wirkt ein Kupfer-Schirm entgegen.

Induktive Einkopplungen

durch Antriebe, Motoren, Induktionsöfen und somit all das, was größere Ströme zieht. Bei induktiven Einkopplungen wirkt ein Kupfer-Schirm nicht, da magnetisch unwirksam. Abhilfe: Bleche oder Rohre aus Mu-Metall (hoch permeables Metall) oder Stahl (Eisen) verwenden.

Strahlungskopplung

Hohe Frequenzen im MHz-Bereich, die üblicherweise kapazitiv auf die Messleitung einstreuen. Siehe kapazitive Einkopplungen oben.

Folgende Punkte gilt es beim EMV-gerechten Aufbau bei Analogmessungen zu beachten:

• Die Wahl der aus EMV-Sicht bestmöglichen Schaltung

Strommessung ist störfester als Spannungsmessung! Warum? Der Störstromkreis kann als Spannungsteiler mit dem Übertragungswiderstand Z_Ü und dem Eingangswiderstand R_E der Messschaltung betrachtet werden. Bei der Strommessung haben wir einen Eingangswiderstand im Bereich von 100 Ω, bei der Spannungsmessung von mehr als 1 MΩ. Bei einem grob geschätzten Übertragungswiderstand Z_Ü von etwa 50 KΩ wird über den Spannungsteiler bei der Strommessung die Störspannung auf unter 1 % am Messeingang heruntergeteilt, während bei der Spannungsmessung die Störspannung U_Stör praktisch nicht verringert wird.

Bild 1: Prinzipskizze - Störersatzschaltbild mit U_Stör als mögliche Störquelle (s. o.)

• Getrennte Kabelpritschen aus Stahlblech verwenden, für eine deutlich bessere kapazitive und induktive Schirmung der Messleitungen von den Leistungsleitungen

Bild 2: Getrennte Kabelpritschen an der Wand in einer Werkshalle

• Verwendung von EMV-gerechten Kabeln, je nach Anwendung mit geschirmten Leitungen, siehe Störquellen

• Erdung des Schirms an den Anschlüssen

Generell gilt bei Analogsignalen, dass aus EMV-Sicht der Schirm nur einseitig geerdet werden darf. Bei beidseitiger Erdung entstehen Brummschleifen, die zu Messstörungen führen. Der Schirm sollte an der Schirmklemme des AI-Moduls oder noch besser an der PE-Schiene (Schirmschiene) im Schaltschrank geerdet werden. Wichtig ist, dass die PE-Verbindung niederinduktiv und niederohmig durchgeführt ist. D. h. der Schirm sollte vollflächig an der PE-Klemme angeschlossen sein.

Bei digitalen Signalen z. B. bei Impulsgebern gilt dagegen, dass aus EMV-Sicht der Schirm beidseitig geerdet werden muss.

Bild 3: Vollflächige Auflage in der Schirmklemme links oder an der PE-Schiene im Schaltschrank rechts

• Einhaltung der maximalen Kabellänge, aus den technischen Daten der Baugruppe, da die induktive und kapazitive Einkopplung mit der Kabellänge wächst

• Verwendung von Filtern z. B. RC-Glieder zur Entstörung von Analogsignalen besonders bei ungeschirmten Leitungen

Bild 4: RC-Filter für Analogeingänge

• Alle Schütze beschalten, um die SIMATIC Baugruppe vor dem Störimpuls der Schützspule bei Abschaltung zu schützen

Weitere Schutzbeschaltungen finden Sie auf Wikipedia!

Bild 5: Mögliche Schutzbeschaltungen für AC und DC

• Getrennte Kabelkanäle für verschiedene Leitungskategorien im Schaltschrank mit größerem Abstand zueinander verlegen

Stromdurchflossene Leitungen erzeugen magnetische Felder. Die daraus resultierenden induktiven und kapazitiven Einkopplungen reduzieren sich umgekehrt proportional mit dem Quadrat des Abstands der Leitungen zueinander.

• Beachtung der EMV-Anforderungen des jeweiligen Landes oder der Region, in der das Gerät installiert wird

Warum muss insbesondere bei Analogmodulen EMV beachtet werden?

Weil bei der Analogmessung die Störgröße im Verhältnis zum Messwert groß ist im Vergleich zu einem digitalen 24 V-Eingang.

In kleinen Schaltschränken/Schaltkästen werden die Leitungsschirme an Analogbaugruppen angeschlossen:

Bei kleinen Schaltkästen ist die Schirmanbindung bei Leitungseintritt in den Schaltschrank nicht möglich, da keine PE-Schiene vorhanden ist. Deswegen befestigen Sie den Schirmanschluss an der Klemme, bestehend aus einer Schirmauflage und einer Schirmklemme und legen den Leitungsschirm dazwischen auf. Der Schirmanschluss leitet Störströme auf Kabelschirmen über die Profilschiene zur Erde ab, da der Schirmanschluss automatisch mit der Funktionserde FE der Profilschiene/Hutschiene verbunden ist.

Für die Analogsignale verwenden Sie geschirmte und paarweise verdrillte Leitungen. Dadurch wird die Störfestigkeit erhöht, da sich der Einfluss z. B. von der Leistungsleitung auf die verdrillte Leitung über die Leitungslänge gleichermaßen auf beide Adern verteilt und damit sich gegenseitig aufhebt.

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Weitere Informationen:

Handbuch für Analogwertverarbeitung in der SIMATIC, S. 65ff

Handbuch SIMATIC S7-1500, ET 200MP, ET 200SP, ET 200AL Steuerungen störsicher aufbauen, S. 7ff

Handbuch SIMATIC ET 200SP Dezentrales Peripheriesystem, S. 279ff

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Hinweis:

Die in diesem Artikel beschriebene Vorgehensweise bezieht sich auf den Zeitpunkt der Erstellung dieses Artikels (Stand: Oktober 2023).

Viele Grüße