aandrijftechniek Veldbusdiagnose: Deze bus heeft een probleem, maar met de bus zelf is niets mis. Aandrijven - Besturen - Toepassen nr.

Transcriptie

1 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.

2 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? Met 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 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 systemen 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-

3 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 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. Afscherming Aardleiding Afb. 2. In conventionele motorleidingen (rechts) loopt de veiligheidsaarde parallel aan de fasen L 1, L 2 en L 3. 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 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 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 /DIN EN 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- 4

4 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

5 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) , 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 over vier kanalen gelijktijdig analyses worden uitgevoerd en uitspraken over soort en frequentie van de aandelen in de storingen worden gedaan Indu-Sol 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.

6 Profibus-tester Profi TM professional Profibus DP Profibus FMS Prokorment Waterloop 3 NL-2614 XC Delft T +31 (0) F +31 (0) E info@prokorment.nl I