Transcript EIM_2014_09_Doordraai ADT.indd

Aandrijven - Besturen - Toepassen
nr. 5 Juni 2014
aandrijftechniek
BESTURINGEN
De oorzaken voor een gebrekkige buscommunicatie zijn niet altijd in het netwerk zelf te vinden. Indu-Sol meent dat
de betrouwbaarheid van machines en
installaties nog sterker zal afhangen van
de kwaliteit van de potentiaalvereffening
Profinet diagnose
Onder meer in de automobielindustrie
is storingsvrij produceren van groot
belang. De Profinet INspektor voorspelt
storingen in Profinet en industriële
ethernetsystemen voordat installaties op
een ongewenst tijdstip stilvallen.
DP + PA Profibus
diagnose
De intelligente, modulaire Profibus repeater Inblox van Indu-Sol koppelt de
functionaliteit van een repeater en busdiagnose. De naadloos te koppelen combinatie van kopmodule en tot maximaal
vijf uitbreidingsmodulen maken een
maximale uitbreiding van 25 galvanisch
gescheiden bussegmenten met elk maximaal 32 deelnemers mogelijk.
Veldbusdiagnose:
Deze bus heeft een
probleem,……maar met
de bus zelf is niets mis.
www.AT-aandrijftechniek.nl
EIM_2014_09_Doordraai ADT.indd 1
16-09-14 09:49
Stabiele bussystemen door
minimalisering van EMC-invloeden
[tekst] Karl-Heinz Richter, Indu-Sol GmbH, Schmölln (D), Dipl.-Ing. (FH) Nora Crocoll,
Redaktionsbüro Stutensee, Stutensee (D) [foto’s] Indu-Sol GmbH
[vertaling en bewerking] Ad Spijkers, met dank aan Hans Korpel, Prokorment BV
De oorzaken voor een gebrekkige buscommunicatie zijn niet altijd in het netwerk zelf te vinden. Veldbusdeskundigen van Indu-Sol zijn van mening dat
de betrouwbaarheid van machines en installaties in de toekomst nog sterker
zal afhangen van de kwaliteit van de potentiaalvereffening. Hoe komt dat en
wat is er aan te doen?
M
et het toenemend gebruik van hoogfrequente vermogenselektronica zoals
frequentieregelaars neemt het fenomeen
van een schijnbare elektromagnetische
incompatibiliteit van automatiseringscomponenten toe. Bij kabels waar hoogfrequente stromen doorheen lopen (bijvoorbeeld motorvoedingskabels) leidt dat
er bijvoorbeeld toe, dat in de bijbehorende aardleiding een inductieve en capacitieve inkoppeling van stromen ontstaan,
die via potentiaalvereffening terugstromen. Het gevolg is, dat deze ‘rondzwervende’ stromen niet zelden het scherm
van de buskabel als terugstroompad gebruiken, in plaats van de daarvoor bedoelde potentiaalvereffening.
Systeembenadering
Het is bewezen dat deze sluipweg leidt tot
communicatiestoringen in de dataleiding,
Afb. 1. Potentiaalvereffening: verbeterd type A met sterstructuur
volgens DIN EN 50310
2
EIM_2014_09_Doordraai ADT.indd 2
www.AT-aandrijftechniek.nl
maar vooral op de aangesloten apparatuur. Dit kan gebeuren omdat hoogfrequente retourstromen niet de weg van de
minste ohmse weerstand nemen, maar
altijd de weg van de laagste impedantie.
Een mogelijke aanzet tot de oplossing is
het voorkomen van het ontstaan van
hoge retourstromen door de toepassing
van symmetrische motorkabels. Een andere maatregel is het creëren van een netwerk voor het potentiaalvereffeningssysteem met als doel, dat de impedantie
daarvan geringer is dan de impedantie
van de afscherming. In beide gevallen zijn
kennis en een geschikte meettechniek
nodig, bijvoorbeeld de EMV-INspektor V2
of de MWMZ I maasweerstandsmeettang
om de veroorzaker van de problemen op
te sporen.
In de medische wereld gebruikte technieken, bijvoorbeeld uit Azië, maken ons duidelijk hoe belangrijk het is om niet afzonderlijke symptomen te beschouwen, maar
het totale systeem. Vaak kunnen medici
oorzaken alleen op deze manier vinden
en doelgericht oplossen, in plaats van dat
ze blijven dokteren aan symptomen. Dat
geldt ook voor de automatiseringstechniek, waar installaties steeds complexer
worden. Dit artikel toont aan hoe deskundigen op het gebied van buscommunicatie ‘out of the box‘ denken en met een
omvangrijke diagnose de betrouwbaarheid en kwaliteit van de communicatie en
daarmee van een totale installatie verbeteren.
Al vele jaren geleden heeft Indu-Sol zich
toegelegd op de ontwikkeling van syste-
men voor veldbusdiagnose en de daarbij
behorende dienstverlening. Het zwaartepunt ligt op de permanente bewaking van
het netwerk om te waarschuwen voor het
uitvallen daarvan. Hiertoe wordt de bus
voor een langere tijd met behulp van een
diagnosesysteem geobserveerd. Terwijl
men vroeger genoeg had aan de uitspraak dat de bus functioneert of juist
niet, is men intussen zo ver dat men zeer
gedifferentieerd kan uitzoeken welke problemen er zijn respectievelijk in afzienbare tijd kunnen optreden. Zo kan tegenwoordig ook worden vastgesteld wanneer
communicatieproblemen hun oorzaak
niet in de bus zelf hebben.
Ook hier ligt een analogie met de medische wetenschap voor de hand. Een arts
zal bij de uitlezing van een elektrocardiogram over langere periode aan de patiënt
vragen wat hij op tijdstippen met ongewone meetwaarden heeft gedaan of gegeten. Ook bij de analyse van communicatieproblemen in de bus is het interessant
te weten, wat andere systemen in de omgeving van de bus op dat tijdstip hebben
gedaan. Vaak zijn daar namelijk de oorzaken van de problemen te vinden. Maar
laten we het rijtje afgaan.
Schermstromen en hun oorzaken
Van oudsher heeft men in automatiseringssystemen te maken met schermstromen. Dat deze optreden, is niets nieuws.
‘Rondzwervende’
stromen gebruiken
buskabels
Onder het motto ‘wat niet weet, dat niet
deert’ wordt echter nauwelijks aandacht
besteed aan schermstromen. Metingen in
de praktijk wijzen echter uit, dat tegenwoordig schermstromen niet zelden 500
mA of zelfs enkele Ampères bedragen en
in het kHz-domein liggen. Hoe komt dat?
De specialisten van Indu-Sol zien veel op-
juni 2014
AT AANDRIJFTECHNIEK
16-09-14 09:49
TECHNIEK Besturingen
vallende verschijnselen bij machines en
installaties die in de laatste jaren zijn omgebouwd dan wel qua automatisering zijn
gemoderniseerd. De I/O apparatuur bevindt zich nu decentraal in een verloren
hoekje van de installatie en de aandrijftechniek is omgeschakeld op energiebesparende frequentieomvormers. Beide
zijn absoluut belangrijk, maar men heeft
in het kader van de modernisering vaak
helemaal niets aan potentiaalvereffening
gedaan. In DIN VDE 50310 wordt er expliciet op gewezen, dat in gebouwen met
voorzieningen voor informatietechnologie een verbeterde potentiaalvereffening
(minstens verbeterd type A, afb. 1) moet
worden aangebracht. De verbetering bestaat er in dat behalve de typische sterstructuur, extra potentiaalvereffeningsverbindingen tussen de locaties van elektrische en elektronische apparaten moeten
worden gelegd. Maar ook bij nieuw geplande machines en installaties kunnen
problemen optreden wanneer men niet
een paar belangrijke basisprincipes in
acht neemt.
Hoogfrequent zoekt
laagste impedantie
Binnen de voeding voor hoogfrequente
verbruikers worden in de veiligheidsaarde
hoogfrequente stromen ingekoppeld, die
terug willen naar de bron van hun ontstaan. Theoretisch gebeurt dat via de potentiaalvereffening. In de praktijk wordt
het echter problematisch, wanneer zich in
de nabijheid van de aandrijving een Profibus-deelnemer bevindt, waarvan de toevoerleiding aan beide zijden aan aarde ligt.
Deze installatie is weliswaar juist, omdat
alleen op deze manier de afschermfunctionaliteit volledig functioneert. Maar er is
Afb. 3. De symmetrische motorkabel uit
de serie SymFlex
JUNI 2014
AT AANDRIJFTECHNIEK
EIM_2014_09_Doordraai ADT.indd 3
Afscherming
Aardleiding
Afb. 2. In conventionele motorleidingen (rechts) loopt de veiligheidsaarde parallel aan de
fasen L1, L2 en L3. Dat kan leiden tot inductieve en capacitieve inkoppelingen. Bij de symmetrische motorkabel (links) wordt de geel/groene aarde en daarmee de capacitieve en
inductieve inkoppeling in drie dunnere geel/groene aders opgedeeld. Door de faseverschuiving van steeds 120° heffen de ingekoppelde stromen elkaar over en weer op
hier ook een keerzijde waarmee rekening
moet worden gehouden. Omdat afscherming en aardleiding op hetzelfde eindpunt
liggen en in de meeste gevallen parallel
aan elkaar werken, neemt volgens de
stroomverdelingsregel de ‘ongewenste’
stroom óók de weg over de afscherming
van de Profibus-kabel als terugvoerpad en
niet alleen de potentiaalvereffeningsverbinding. Hoogfrequente stromen nemen
namelijk niet de weg van de minste ohmse
weerstand, maar altijd de weg van de laagste impedantie.
Bij de bron aanpakken
Volgens DIN VDE 0100-540/DIN EN 61140
mogen de stromen over de veiligheidsaarde van continu aangesloten bedrijfsmiddelen maximaal 10 mA bedragen bij
een nominale stroom van de verbruiker
van meer dan 20 A. Praktijkmetingen wijzen echter uit, dat afschermstromen tot
10 procent van de fasestroom geen zeldzaamheid zijn. Omdat dergelijke hoge
stromen door de kabelafscherming gevaarlijk kunnen worden voor de machine
of installatie en de buscommunicatie, is
ingrijpen dringend noodzakelijk. In plaats
van de afschermstromen via secundaire
oplossingen zoals afschermklemmen af te
voeren, zou het zinvoller zijn het probleem aan de bron aan te pakken en het
ontstaan van dergelijke grote stromen bij
voorbaat te voorkomen.
In conventionele motorkabels lopen de
afschermingen parallel aan de fasen L1, L2
en L3 (afb. 2 rechts). Afb. 2 links toont de
alternatieve opbouw van de door Indu-Sol
aangeboden motorkabels. Hier werd de
afscherming in drie geleiders opgedeeld.
De capacitieve en inductieve inkoppeling
wordt daardoor verdeeld over drie geleiders, waarvan de fasen steeds 120° ten
opzichte van elkaar zijn verschoven. Daardoor heffen de ingekoppelde stromen
zich over en weer nagenoeg op en wel
met meer dan 80 procent. Zo’n opbouw is
niet nieuw, integendeel zelfs, hij wordt
eigenlijk door alle fabrikanten van frequentieregelaars aanbevolen. Alleen is
deze beproefde oplossing de laatste jaren
in de vergetelheid geraakt. Ze wordt nu
echter in toenemende mate weer interessant, omdat frequentieomvormers in de
buurt van busmodules snel tot de eerder
beschreven problemen leiden. Behalve de
motorkabels (afb. 3) levert Indu-Sol bovendien een EMC-Service-Box (afb. 4), die
alle noodzakelijke componenten voor een
volgens de normen uitgevoerde bekabeling van de installatie bevat.
Concepten voor potentiaalvereffening
De busdeskundigen durven nu de volgende uitspraak te doen: de betrouwbaar
www.AT-aandrijftechniek.nl
4
3
16-09-14 09:49
heid van de installatie van de toekomst zal
wezenlijk afhangen van de kwaliteit van
de laagspanningsschakelinstallatie. Wie
niet alle motorkabels kan vervangen of bij
de nieuwe opzet van een installatie consequent juist wil uitvoeren, moet goed nadenken over zijn potentiaalvereffening. Bij
oude fabriekshallen moet de vraag gerechtvaardigd zijn, hoe het na alle jaren in
bedrijf gesteld is met de fundatie-aarding.
Schermstromen van
enkele Ampères
Tegelijkertijd moeten concepten voor de
potentiaalvereffening worden geëist, die
er voor zorgen dat de impedantie van het
potentiaalvereffeningssysteem lager is
dan de impedantie van de afscherming.
Als richtwaarde geldt: de lusweerstand
van de afscherming van datakabels zoals
buskabels mag maximaal circa 0,6 ohm
(impedantiewaarde bij 2,2 kHz) zijn, weerstanden van de potentiaalvereffeningsinstallatie (Common Bonding Network
ofwel CBN) moeten in een bereik van circa
0,3 ohm (impedantiewaarde bij 2.2 kHz)
liggen. Met een maaswerk voor potentiaalvereffening (Meshed Bonding Network
of MESH-BN) kunnen elektromagnetische
storingen duidelijk worden verminderd.
Hoe kleiner de afmetingen van de mazen,
des te beter functioneert het netwerk.
Door toepassing van bijvoorbeeld de
maasweerstandsmeettang EmCheck
MWMZ I (afb. 5) kunnen deze waarden
worden bepaald en kan gemakkelijk een
uitspraak worden gedaan over de kwaliteit van de potentiaalvereffening. Om
‘alles uit één hand’ consequent tot een
goed einde te brengen en de gebruiker de
dure speurtocht naar de afzonderlijke
aanbieders te besparen, biedt een catalogus een keuze aan laagimpedante vereffeningskabels die voldoen aan de geldende normen en richtlijnen.
Oorzaken wegnemen
Wie problemen wil voorkomen of verhelpen, moet hun oorzaken kennen. De al eerder genoemde langdurige diagnose van
Profibus helpt niet veel wanneer de oorzaak
van de communicatiestoring op een andere
plaats te vinden is. Daarom kunnen verdere
metingen over een langere tijdsduur noodzakelijk zijn, waarvan de resultaten dan met
elkaar kunnen worden vergeleken om samenhangen te ontdekken. Geautomatiseerde tests over lange tijd, bijvoorbeeld
Afb. 4. De EMC-Service-Box is een gereedschapskoffer voor de elektrotechnicus die alle noodzakelijke tools en componenten voor de
verkabeling van een installatie volgens de normen bevat
Afb. 5. De lekstroommeettang LSMZ I (links) geeft uitkomst over de belasting van het potentiaalvereffeningssysteem. Met de maasweerstandsmeettang MWMZ I
(rechts) daarentegen wordt de kwaliteit van de potentiaalvereffening (impedantiewaarde bij 2,2 kHz) meetbaar
4
EIM_2014_09_Doordraai ADT.indd 4
www.AT-aandrijftechniek.nl
JUNI 2014
AT AANDRIJFTECHNIEK
16-09-14 09:49
TECHNIEK Besturingen
Afb. 6a. EMC-analyse in de automatiseringsomgeving
met de EMV-INspektor V2, kunnen onder
meer het tijdgebonden gedrag van de Profibus-afschermstroom, de stroom in het
aardingssysteem, de afschermstroom in de
motorkabel en het verloop van de 24 VDC
voeding registreren (afb. 6a, b).
Behalve de noodzakelijke meet- en analysetools waarmee een stabiele buscommunicatie door minimalisering van EMC-invloeden kan worden gerealiseerd, bieden
de deskundigen hun brede kennis ook als
dienstverlening en in opleidingen aan.
Dankzij jarenlange ervaring hebben ze er
een neus voor ontwikkeld waar de schoen
Bij de bron
aanpakken
wringt respectievelijk waar ze met hun
metingen moeten beginnen. Tegelijkertijd
kennen ze normen en richtlijnen die nut-
tige grenswaarden opgeven. Veel van
deze normen stammen overigens niet direct uit de machine- en installatiebouw,
maar uit bijvoorbeeld de gebouwentechniek. Ook hier kan men problemen alleen
opsporen met ‘out of the box‘ en niet alleen in eigen componenten denken, en bij
de bron aanpakken.
Inl.: Prokorment, tel.: (015) 212 13 10,
www.prokorment.nl
Indu-Sol
Afb. 6b. De EMV-INspektor V2 kan op een computer worden aangesloten. Het scherm van de
webbrowser toont een overzicht van de door het instrument gemeten waarden. Hier kunnen
Betrouwbare en storingvrije communicatie is een garantie voor continue
productie. Daarom heeft Indu-Sol als
neutrale, branche-overschrijdende technologieonderneming zich objectieve
bepaling van kwaliteit en stabiliteit
in industriële datanetwerken tot taak
gesteld. De onderneming ontwikkelt
tools voor ingebruikname, onderhoud
en service van communicatiebussen en
biedt oplossingen voor een permanente
netwerkbewaking. Aangeboden wordt
ook ondersteuning bij de voorbereiding
en het ontwerp van netwerken, bij het
zoeken en verhelpen van fouten, bij de
afname en certificering van netwerken
en het houden van praktijkseminars
en workshops. In Nederland wordt het
bedrijf vertegenwoordigd door Prokorment.
over vier kanalen gelijktijdig analyses worden uitgevoerd en uitspraken over soort en frequentie van de aandelen in de storingen worden gedaan
JUNI 2014
AT AANDRIJFTECHNIEK
EIM_2014_09_Doordraai ADT.indd 5
www.AT-aandrijftechniek.nl
5
16-09-14 09:49
Profibus-tester
Profi TM professional
Profibus DP
Profibus FMS
Prokorment
Waterloop 3
NL-2614 XC Delft
T +31 (0)15 2121310
F +31 (0)84 7303282
E [email protected]
I www.prokorment.nl
EIM_2014_09_Doordraai ADT.indd 6
16-09-14 09:49