I. Überblick Um die Zuverlässigkeit von SPS-Steuerungssystemen zu verbessern, müssen SPS-Hersteller die Störfestigkeit ihrer Geräte optimieren. Darüber hinaus ist der Konstruktion, Installation, dem Aufbau und der Wartung höchste Aufmerksamkeit zu widmen. Die Zusammenarbeit mehrerer Beteiligter ist unerlässlich, um Probleme effektiv zu lösen und die Störfestigkeit des Systems zu verbessern. II. Elektromagnetische Störquellen und ihre Auswirkungen auf das System 1. Störquellen und allgemeine Klassifizierung von Störungen Störquellen, die SPS-Steuerungssysteme beeinträchtigen, entstehen – wie bei anderen industriellen Steuerungsanlagen – meist in Bereichen mit drastischen Strom- oder Spannungsänderungen. Diese Bereiche mit schnellen Ladungsbewegungen sind Störquellen. Störungen werden typischerweise nach ihrer Ursache, ihrem Störungsmodus und ihren Wellenformeigenschaften klassifiziert. Im Einzelnen: Basierend auf der Ursache der Störungsentstehung wird zwischen Entladungsrauschen, Stoßrauschen, hochfrequentem Schwingungsrauschen usw. unterschieden; basierend auf der Wellenform und den Eigenschaften des Rauschens zwischen kontinuierlichem Rauschen, intermittierendem Rauschen usw.; basierend auf dem Störungsmodus zwischen Gleichtakt- und Gegentaktstörungen. Gleichtakt- und Gegentaktstörungen sind gängige Klassifizierungsmethoden. Gleichtaktstörungen entstehen durch die Potenzialdifferenz zwischen Signal und Masse. Sie werden hauptsächlich durch die Überlagerung von Gleichtaktspannungen (in gleicher Richtung) auf der Signalleitung induziert, die durch Netzstörungen, Erdpotenzialdifferenzen und räumliche elektromagnetische Strahlung verursacht werden. Gleichtaktspannungen können insbesondere in Versorgungsräumen mit schlechter Isolation der Stromverteilungsanlagen hoch sein. Die Gleichtaktspannung des Senderausgangssignals ist in der Regel hoch und kann über 130 V erreichen. Durch asymmetrische Schaltungen kann Gleichtaktspannung in Gegentaktspannung umgewandelt werden. Dies beeinträchtigt direkt das Mess- und Steuersignal und kann Bauteile beschädigen (dies ist der Hauptgrund für die hohe Ausfallrate mancher System-I/O-Module). Diese Gleichtaktstörungen können Gleich- oder Wechselstrom sein. Gegentaktstörungen bezeichnen die Störspannung zwischen den beiden Polen des Signals. Sie entstehen hauptsächlich durch die Kopplungsinduktion des räumlichen elektromagnetischen Feldes zwischen den Signalen und die durch die Umwandlung von Gleichtaktstörungen mittels unsymmetrischer Schaltungen erzeugte Spannung. Dies überlagert sich direkt dem Signal und beeinträchtigt unmittelbar die Mess- und Regelgenauigkeit. 2. Hauptquellen elektromagnetischer Störungen in SPS-Steuerungssystemen (1) Strahlungsstörungen aus dem Weltraum: Das elektromagnetische Strahlungsfeld (EMI) im Weltraum wird hauptsächlich durch Stromnetze, transiente Vorgänge elektrischer Geräte, Blitze, Rundfunk, Fernsehen, Radar, Hochfrequenz-Induktionsheizgeräte usw. erzeugt. Es wird üblicherweise als Strahlungsstörung bezeichnet, und seine Verteilung ist äußerst komplex. Befindet sich das SPS-System in einem Hochfrequenzfeld, ist es Strahlungsstörungen ausgesetzt. Diese wirken hauptsächlich über zwei Wege: Zum einen durch direkte Strahlung in das Innere der SPS, die durch die Schaltung induziert wird und Störungen erzeugt; zum anderen durch Strahlung in das SPS-Kommunikationsnetzwerk, die durch die Kommunikationsleitung induziert wird und Störungen verursacht. Strahlungsstörungen hängen von der Anordnung der Feldgeräte und der Stärke des von den Geräten erzeugten elektromagnetischen Feldes, insbesondere der Frequenz, ab. Sie werden im Allgemeinen durch die Verwendung von abgeschirmten Kabeln und lokaler Abschirmung der SPS sowie durch Hochspannungsentladungskomponenten geschützt. (2) Störungen von externen Systemzuleitungen werden hauptsächlich über die Stromversorgung und Signalleitungen eingespeist und werden üblicherweise als leitungsgebundene Störungen bezeichnet. Diese Art von Störungen ist in der Industrie meines Landes besonders gravierend. Störungen durch die Stromversorgung wurden in der Praxis nachgewiesen. Es gibt zahlreiche Fälle von Ausfällen von SPS-Steuerungssystemen aufgrund von Störungen durch die Stromversorgung. Ich bin diesem Problem bei der Fehlersuche in einem Projekt begegnet. Es konnte durch den Austausch der SPS-Stromversorgung gegen eine mit höherer Isolationsleistung behoben werden. Die normale Stromversorgung des SPS-Systems erfolgt über das Stromnetz. Da das Stromnetz ein weites Gebiet abdeckt, ist es elektromagnetischen Störungen aus allen Bereichen ausgesetzt, die Spannungen und Kurzschlüsse in den Leitungen induzieren. Insbesondere Änderungen innerhalb des Stromnetzes, wie Überspannungen durch Schaltvorgänge, das An- und Abschalten großer Leistungselektronik, Oberschwingungen durch Wechsel- und Gleichstromübertragungsgeräte sowie transiente Störungen durch Kurzschlüsse im Stromnetz, werden über die Übertragungsleitungen auf die Primärseite der Stromversorgung übertragen. SPS-Stromversorgungen verwenden typischerweise isolierte Netzteile, deren Isolation jedoch aufgrund ihrer Bauweise und Fertigungsprozesse nicht optimal ist. In der Realität ist eine absolute Isolation aufgrund verteilter Parameter, insbesondere verteilter Kapazitäten, unmöglich. Störungen durch Signalleitungen: Die verschiedenen Signalleitungen, die mit dem SPS-Steuerungssystem verbunden sind, übertragen nicht nur gültige Informationen, sondern sind auch externen Störsignalen ausgesetzt. Diese Störungen treten hauptsächlich über zwei Wege auf: Erstens durch Störungen aus dem Stromnetz über die Stromversorgung des Senders oder gemeinsam genutzter Messgeräte, die oft vernachlässigt werden; zweitens durch Störungen, die durch räumliche elektromagnetische Strahlung auf den Signalleitungen hervorgerufen werden, d. h. durch externe Störungen, die sehr gravierend sind. Signalstörungen können zu Fehlfunktionen der E/A-Signale und einer deutlichen Reduzierung der Messgenauigkeit führen und in schweren Fällen Bauteile beschädigen. Bei Systemen mit geringer Isolationsleistung kann es außerdem zu gegenseitigen Störungen zwischen Signalen kommen, die einen Rückfluss im gemeinsamen Massebus verursachen und dadurch Logikdatenänderungen, Fehlfunktionen und Systemabstürze zur Folge haben. Die Anzahl der durch Signalstörungen verursachten Schäden an E/A-Modulen in SPS-Steuerungssystemen ist sehr hoch, und viele Systemausfälle sind darauf zurückzuführen. Störungen durch ein unstrukturiertes Erdungssystem: Die Erdung ist eine der effektivsten Methoden zur Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) elektronischer Geräte. Eine korrekte Erdung kann elektromagnetische Störungen unterdrücken und verhindern, dass Geräte Störungen aussenden. Umgekehrt kann eine fehlerhafte Erdung starke Störsignale verursachen und die Funktionsfähigkeit des SPS-Systems beeinträchtigen. Die Erdungsleitungen eines SPS-Steuerungssystems umfassen die Systemerdung, die Schirmungserdung, die Wechselstromerdung und die Schutzerdung. Unstrukturierte Erdungssysteme verursachen Störungen im SPS-System hauptsächlich aufgrund einer ungleichmäßigen Potenzialverteilung an den verschiedenen Erdungspunkten. Potenzialdifferenzen zwischen verschiedenen Erdungspunkten erzeugen Erdschleifenströme, die den normalen Systembetrieb beeinträchtigen. Beispielsweise muss die Kabelschirmung an einem Punkt geerdet sein. Sind beide Enden (A und B) der Kabelschirmung geerdet, entsteht eine Potenzialdifferenz, die einen Stromfluss durch die Schirmung verursacht. Unter extremen Bedingungen wie Blitzeinschlägen ist der Erdungsstrom noch größer. Darüber hinaus können Schirmung, Erdungsleitung und Erde eine geschlossene Schleife bilden. Unter dem Einfluss eines sich ändernden Magnetfelds können induzierte Ströme innerhalb der Abschirmung auftreten, die über die Kopplung zwischen Abschirmung und Kerndraht die Signalschleife stören. Bei fehlerhafter Systemerdung und anderen Erdungsmethoden können die resultierenden Erdschleifenströme ungleiche Potentialverteilungen auf den Erdungsleitungen verursachen und den normalen Betrieb der Logik- und Analogschaltungen innerhalb der SPS beeinträchtigen. SPSen weisen eine geringe Toleranz gegenüber Logikspannungsstörungen auf. Die Verteilung des Logik-Massepotentials kann die Logikoperationen und die Datenspeicherung von SPSen leicht beeinträchtigen und zu Datenchaos, Programmabstürzen oder Systemstillständen führen. Die Verteilung des Analog-Massepotentials führt zu einer Verringerung der Messgenauigkeit und verursacht erhebliche Verzerrungen und Fehlfunktionen bei der Signalmessung und -steuerung. (3) Störungen innerhalb des SPS-Systems entstehen hauptsächlich durch gegenseitige elektromagnetische Strahlung zwischen internen Komponenten und Schaltungen, wie z. B. gegenseitige Strahlung zwischen Logikschaltungen und deren Einfluss auf Analogschaltungen, gegenseitige Beeinflussung zwischen Analog- und Logikmasse sowie Fehlanpassungen zwischen Komponenten. Diese Faktoren sind Bestandteil der vom Hersteller festgelegten elektromagnetischen Verträglichkeit des SPS-Systems. Sie sind sehr komplex und können von der Anwendungsabteilung nicht geändert werden. Es ist nicht notwendig, dies übermäßig zu berücksichtigen, jedoch sollte ein System mit mehr Anwendungserfahrung oder nachgewiesener Leistungsfähigkeit ausgewählt werden. III. Störungsfreies Design für SPS-Steuerungssysteme Um sicherzustellen, dass das System in der industriellen elektromagnetischen Umgebung vor internen und externen elektromagnetischen Störungen geschützt oder durch diese reduziert wird, müssen bereits in der Entwurfsphase drei Aspekte der Störungsunterdrückung berücksichtigt werden: Unterdrückung von Störquellen; Unterbrechung oder Dämpfung des Ausbreitungswegs elektromagnetischer Störungen; und Verbesserung der Störungsresistenz des Geräts und des Systems. Diese drei Punkte sind die Grundprinzipien der Unterdrückung elektromagnetischer Störungen. Störungsresistenz in SPS-Steuerungssystemen ist ein komplexes Systementwicklungsprojekt. Es erfordert von den Herstellern die Entwicklung und Produktion von Produkten mit hoher Störungsresistenz und von den Anwendern die umfassende Berücksichtigung dieser Faktoren bei der Konstruktion, Installation, dem Aufbau, dem Betrieb und der Wartung sowie die Durchführung eines integrierten Designs auf Basis der spezifischen Gegebenheiten, um die elektromagnetische Verträglichkeit und die Betriebssicherheit des Systems zu gewährleisten. Bei der Entwicklung von Störfestigkeitskonzepten für spezifische Projekte sollten folgende zwei Aspekte berücksichtigt werden: 1. Geräteauswahl: Wählen Sie zunächst Produkte mit hoher Störfestigkeit, insbesondere elektromagnetischer Verträglichkeit (EMV), also Widerstandsfähigkeit gegenüber externen Störungen. Beispiele hierfür sind SPS-Systeme mit potentialfreier Erdung und guter Isolation. Zweitens sollten Sie die vom Hersteller angegebenen Spezifikationen zur Störfestigkeit kennen, z. B. die Stärke des analogen Gleichtaktsignals, die differentielle analoge Signalstärke, die Spannungsfestigkeit sowie die zulässige elektrische Feldstärke und Magnetfeldfrequenz. Prüfen Sie außerdem die Anwendungsleistung in vergleichbaren Projekten. Bei der Auswahl importierter Produkte ist zu beachten, dass in China ein 220-V-Hochohmnetz verwendet wird, während in Europa und Amerika ein 110-V-Niederohmnetz zum Einsatz kommt. Aufgrund des hohen Innenwiderstands, der großen Nullpunktspotentialdrift und der großen Erdpotentialschwankungen im chinesischen Stromnetz sind elektromagnetische Störungen in industriellen Umgebungen mindestens viermal höher als in Europa und Amerika. Dies stellt höhere Anforderungen an die Störfestigkeit des Systems. SPS-Produkte, die im Ausland einwandfrei funktionieren, arbeiten in der heimischen Industrie möglicherweise nicht zuverlässig. Daher ist bei der Verwendung ausländischer Produkte eine sachgemäße Auswahl gemäß chinesischer Normen (GB/T13926) erforderlich. 2. Ein umfassendes Störungsunterdrückungskonzept berücksichtigt verschiedene Maßnahmen zur Unterdrückung von Störungen außerhalb des Systems. Dazu gehören: Abschirmung des SPS-Systems und externer Leitungen zum Schutz vor elektromagnetischen Störungen aus dem Weltraum; Isolierung und Filterung externer Leitungen, insbesondere der Stromkabel, sowie deren mehrlagige Anordnung, um leitungsgebundene elektromagnetische Störungen zu vermeiden; korrekte Auslegung von Erdungspunkten und Erdungseinrichtungen sowie Verbesserung des Erdungssystems. Zusätzlich müssen Softwaremethoden eingesetzt werden, um die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Systems weiter zu erhöhen. IV. Wichtigste Störungsunterdrückungsmaßnahmen 1. Verwendung eines Hochleistungsnetzteils zur Unterdrückung von Störungen aus dem Stromnetz. In einem SPS-Steuerungssystem spielt das Netzteil eine entscheidende Rolle. Störungen aus dem Stromnetz gelangen hauptsächlich über die Stromversorgung des SPS-Systems (z. B. CPU-Stromversorgung, E/A-Stromversorgung usw.), die Stromversorgung der Messumformer und die Stromversorgung der direkt mit dem SPS-System verbundenen Instrumente in das SPS-Steuerungssystem. Aktuell werden für SPS-Systeme in der Regel Netzteile mit guter Isolationsleistung eingesetzt. Die Stromversorgung von Messumformern und Messgeräten, die direkt mit dem SPS-System verbunden sind, hat jedoch bisher nicht genügend Beachtung gefunden. Obwohl einige Isolationsmaßnahmen ergriffen werden, sind diese meist unzureichend. Dies liegt hauptsächlich daran, dass die verwendeten Trenntransformatoren große Streukapazitäten und eine geringe Störunterdrückung aufweisen, was zu Gleichtakt- und Gegentaktstörungen über das Netzteil führt. Daher sollten für die Stromversorgung von Messumformern und Messgeräten mit gemeinsam genutzten Signalen Stromverteilungseinheiten mit geringer Streukapazität und großem Unterdrückungsbereich (z. B. solche mit mehrfacher Isolations- und Abschirmungstechnologie sowie Streuinduktivität) gewählt werden, um Störungen im SPS-System zu reduzieren. Um eine unterbrechungsfreie Stromversorgung zu gewährleisten, kann zudem eine Online-USV (unterbrechungsfreie Stromversorgung) eingesetzt werden, um die Sicherheit und Zuverlässigkeit der Stromversorgung zu verbessern. USVs bieten ebenfalls eine hohe Störunterdrückung und sind daher ideal für SPS-Steuerungssysteme geeignet. 2. Überlegungen zur Kabelauswahl: Um elektromagnetische Störungen durch Stromkabel, insbesondere die Zuleitungen für Frequenzumrichter, zu reduzieren. In einem bestimmten Projekt verwendete der Autor kupferbandarmierte, geschirmte Stromkabel, um elektromagnetische Störungen durch Stromleitungen zu reduzieren. Nach der Inbetriebnahme des Projekts wurden zufriedenstellende Ergebnisse erzielt. Unterschiedliche Signalarten werden über unterschiedliche Kabel übertragen. Signalkabel sollten entsprechend der Art des übertragenen Signals in Schichten verlegt werden. Es ist strengstens verboten, Strom und Signale gleichzeitig über unterschiedliche Leiter desselben Kabels zu übertragen. Signal- und Stromkabel sollten nicht nahe beieinander verlegt werden, um elektromagnetische Störungen zu minimieren. 3. Hardware-Filterung und Software-Interferenzunterdrückung: Bevor das Signal an den Computer angeschlossen wird, wird ein Kondensator parallel zwischen Signalleitung und Masse geschaltet, um Gleichtaktstörungen zu reduzieren. Zwischen den beiden Signalpolen wird ein Filter installiert, um Gegentaktstörungen zu reduzieren. Aufgrund der Komplexität elektromagnetischer Störungen ist es unmöglich, deren Auswirkungen vollständig zu eliminieren. Daher sollten bei der Softwareentwicklung und -konfiguration des SPS-Steuerungssystems auch softwareseitige Maßnahmen zur Interferenzunterdrückung implementiert werden, um die Systemzuverlässigkeit weiter zu verbessern. Zu den gängigen Maßnahmen gehören digitale Filterung und Frequenzformung, wodurch periodische Störungen effektiv eliminiert werden können. Die Referenzpunktpotentiale werden periodisch korrigiert und dynamische Nullpunkte verwendet, um Potentialdrift effektiv zu verhindern. Informationsredundanz und entsprechende Software-Flags werden eingesetzt. Indirekte Sprünge und Software-Fallen verbessern die Zuverlässigkeit der Softwarestruktur. 4. Erdungspunkte korrekt auswählen und Erdungssystem optimieren. Die Erdung dient in der Regel zwei Zwecken: Sicherheit und Störungsunterdrückung. Ein geeignetes Erdungssystem ist eine wichtige Maßnahme, um SPS-Steuerungen vor elektromagnetischen Störungen zu schützen. Es gibt drei Erdungsmethoden: potentialfreie Masse, direkte Erdung und Kondensatorerdung. Für SPS-Steuerungen, die schnelle und einfache Steuergeräte sind, empfiehlt sich die direkte Erdung. Aufgrund der verteilten Kapazität in den Signalleitungen und der Filterung durch die Eingabegeräte liegt die Signalübertragungsfrequenz zwischen den Geräten üblicherweise unter 1 MHz. Daher verwenden SPS-Steuerungen Einzelpunkt- und Reihen-Einzelpunkt-Erdung. Zentral angeordnete SPS-Systeme eignen sich für die Parallel-Einzelpunkt-Erdung, bei der der zentrale Erdungspunkt jedes Geräts im Schaltschrank über eine separate Erdungsleitung mit der Erdungselektrode verbunden wird. Bei großem Geräteabstand ist eine einpunktige Reihenerdung erforderlich. Verbinden Sie die zentralen Erdungspunkte der Geräteschränke mit einer großflächigen Kupfersammelschiene (oder einem isolierten Kabel) und anschließend die Erdungssammelschiene direkt mit der Erdungselektrode. Verwenden Sie für die Erdungsleitung Kupferdraht mit einem Querschnitt von mehr als 22 mm², für die Hauptsammelschiene Kupfersammelschienen mit einem Querschnitt von mehr als 60 mm². Der Erdungswiderstand der Erdungselektrode sollte unter 2 Ω liegen. Die Erdungselektrode sollte idealerweise 10–15 m vom Gebäude entfernt vergraben werden. Der Erdungspunkt des SPS-Systems muss mindestens 10 m vom Erdungspunkt der Hochspannungsanlage entfernt sein. Ist die Signalquelle geerdet, muss die Schirmung signalseitig geerdet werden; andernfalls ist sie SPS-seitig zu erden. Bei Verbindungsstellen in der Signalleitung muss die Schirmung fest verbunden und isoliert sein. Mehrere Erdungspunkte sind zu vermeiden. Beim Anschluss geschirmter Twisted-Pair-Kabel für Mehrpunktmesssignale an mehradrige geschirmte Twisted-Pair-Kabel müssen alle Schirmungslagen miteinander verbunden und isoliert sein. Wählen Sie eine geeignete Erdungsverbindung. V. Fazit: Störungen in SPS-Steuerungssystemen stellen ein sehr komplexes Problem dar. Daher muss die Störungsunterdrückung verschiedene Faktoren umfassend berücksichtigen, Störungen angemessen und effektiv unterdrücken und in bestimmten Störungssituationen spezifische Analysen und gezielte Lösungen erfordern, um den ordnungsgemäßen Betrieb des SPS-Steuerungssystems zu gewährleisten.