Diese Arbeit analysiert elektromagnetische Störungen und deren Wirkungsmechanismen in SPS-Steuerungssystemen. Sie zeigt auf, dass die Störfestigkeit des Steuerungssystems in technischen Anwendungen umfassend berücksichtigt werden muss und schlägt anhand von Praxisbeispielen mehrere effektive Maßnahmen zur Störfestigkeit vor. 1 Überblick: Mit dem Fortschritt von Wissenschaft und Technik findet der Einsatz von SPS in der industriellen Steuerung immer breitere Anwendung. Die Zuverlässigkeit von SPS-Steuerungssystemen beeinflusst direkt die sichere Produktion und den wirtschaftlichen Betrieb von Industrieunternehmen. Die Störfestigkeit des Systems ist daher entscheidend für den zuverlässigen Betrieb des Gesamtsystems. Verschiedene SPS-Typen, die in Automatisierungssystemen eingesetzt werden, sind entweder zentral im Kontrollraum oder direkt in der Produktion und an verschiedenen Motoranlagen installiert. Sie befinden sich zumeist in der anspruchsvollen elektromagnetischen Umgebung von Hochspannungsschaltungen und -geräten. Um die Zuverlässigkeit von SPS-Steuerungssystemen zu verbessern, müssen SPS-Hersteller einerseits die Störfestigkeit ihrer Geräte optimieren. Andererseits müssen Planung, Installation, Bau und Wartung diesem Thema besondere Aufmerksamkeit widmen. Eine Zusammenarbeit mehrerer Beteiligter ist notwendig, um das Problem effektiv zu lösen und die Störfestigkeit des Systems zu erhöhen. 2 Elektromagnetische Störquellen und ihre Auswirkungen auf das System 2.1 Störquellen und allgemeine Klassifizierung von Störungen Störquellen, die SPS-Steuerungssysteme beeinflussen, ähneln denen, die allgemeine industrielle Steuerungsanlagen beeinflussen; sie entstehen meist in Bereichen mit starken Strom- oder Spannungsänderungen. Diese Bereiche mit schnellen Ladungsbewegungen sind Rauschquellen, d. h. Störquellen. Störarten werden typischerweise nach ihren Ursachen, Störmodi und Wellenformcharakteristika klassifiziert. Im Einzelnen: Basierend auf der Ursache werden sie als Entladungsrauschen, Stoßrauschen, hochfrequentes Schwingungsrauschen usw. klassifiziert; basierend auf Wellenform und Charakteristika werden sie als kontinuierliches Rauschen, intermittierendes Rauschen usw. klassifiziert; und basierend auf dem Störmodus werden sie als Gleichtaktstörungen und Gegentaktstörungen klassifiziert. Gleichtaktstörungen und Gegentaktstörungen sind gängige Klassifizierungsmethoden. Gleichtaktstörungen sind die Potenzialdifferenz zwischen Signal und Masse, die hauptsächlich durch die Überlagerung von Gleichtaktspannungen (in gleicher Richtung) entsteht, die durch Netzstörungen, Erdpotenzialdifferenzen und räumliche elektromagnetische Strahlung auf der Signalleitung induziert werden. Gleichtaktspannungen können mitunter hoch sein, insbesondere in Stromversorgungsräumen mit Verteileranlagen mit geringer Isolationsleistung. Dort ist die Gleichtaktspannung des Senderausgangssignals häufig hoch und kann 130 V überschreiten. Durch asymmetrische Schaltungen kann Gleichtaktspannung in Gegentaktspannung umgewandelt werden, was die Mess- und Steuersignale direkt beeinflusst und zu Bauteilschäden führt (dies ist der Hauptgrund für die hohe Ausfallrate mancher System-I/O-Module). Diese Gleichtaktstörung kann Gleich- oder Wechselstrom sein. Gegentaktstörungen bezeichnen die Störspannung zwischen den beiden Polen eines Signals. Sie entstehen hauptsächlich durch die Kopplungsinduktion räumlicher elektromagnetischer Felder zwischen den Signalen und die durch die Umwandlung der Gleichtaktstörung mittels unsymmetrischer Schaltungen erzeugte Spannung. Diese Spannung überlagert sich dem Signal und beeinträchtigt somit die Mess- und Steuergenauigkeit. 2.2 Hauptquellen elektromagnetischer Störungen in SPS-Steuerungssystemen 2.2.1 Abgestrahlte Störungen aus dem Weltraum Abgestrahlte elektromagnetische Felder (EMI) im Weltraum werden hauptsächlich durch Stromnetze, transiente Prozesse elektrischer Geräte, Blitze, Radiosendungen, Fernsehen, Radar, Hochfrequenz-Induktionsheizgeräte usw. erzeugt und werden üblicherweise als abgestrahlte Störungen bezeichnet. Ihre Verteilung ist äußerst komplex. Befindet sich das SPS-System in einem Hochfrequenzfeld, ist es abgestrahlten Störungen ausgesetzt. Diese wirken hauptsächlich über zwei Wege: Zum einen durch direkte Abstrahlung in das Innere der SPS, wodurch Störungen über die Schaltkreise induziert werden; zum anderen durch Abstrahlung in das interne Kommunikationsnetzwerk der SPS, wodurch Störungen durch Induktion in den Kommunikationsleitungen entstehen. Abgestrahlte Störungen 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 abgeschirmter Kabel und die lokale Abschirmung der SPS und von Hochspannungsentladungskomponenten geschützt. 2.2.2 Störungen durch externe Leitungen des Systems Diese Störungen werden hauptsächlich über Stromversorgungs- und Signalleitungen eingeleitet und üblicherweise als leitungsgebundene Störungen bezeichnet. Diese Störungen sind in den Industrieanlagen meines Landes ein erhebliches Problem. (1) Störungen durch die Stromversorgung: Die Praxis hat gezeigt, dass es häufig zu Ausfällen von SPS-Steuerungssystemen kommt, die durch Störungen der Stromversorgung verursacht werden. Ich bin diesem Problem 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. Aufgrund der weitreichenden Netzabdeckung ist das System elektromagnetischen Störungen aus allen Bereichen ausgesetzt, was zu Spannungs- und Stromkreisinduktionen in den Leitungen führt. Insbesondere Änderungen im Stromnetz, wie Überspannungen durch Schaltvorgänge, das An- und Abschalten großer Leistungselektronik, Oberschwingungen durch AC/DC-Übertragungsgeräte und transiente Störungen durch Kurzschlüsse im Stromnetz, werden über die Übertragungsleitungen auf die Primärseite der Stromversorgung übertragen. SPS-Stromversorgungen verwenden üblicherweise isolierte Netzteile, deren Konstruktion und Herstellungsprozess jedoch die Isolationsleistung beeinträchtigen. Tatsächlich ist aufgrund verteilter Parameter, insbesondere verteilter Kapazitäten, eine absolute Isolation unmöglich. (2) Störungen durch Signalleitungen: Neben der Übertragung verschiedener Nutzdaten sind die an das SPS-Steuerungssystem angeschlossenen Signalleitungen ständig externen Störsignalen ausgesetzt. Diese Störungen treten hauptsächlich auf zwei Arten auf: Zum einen durch die Stromversorgung des Messumformers oder des gemeinsam genutzten Messgeräts, was oft übersehen wird; zum anderen durch elektromagnetische Strahlung aus dem Weltraum, die auf die Signalleitung einwirkt und somit extern induzierte Störungen darstellt, was sehr gravierend ist. Signalstörungen führen zu Fehlfunktionen der E/A-Signale und einer deutlichen Reduzierung der Messgenauigkeit. In schweren Fällen können sie Bauteile beschädigen. Bei Systemen mit geringer Isolation verursachen sie zudem gegenseitige Störungen zwischen den Signalen, Rückflüsse auf dem gemeinsamen Massebus und Änderungen an den Logikdaten, Fehlfunktionen und Systemabstürze. Die Anzahl der durch Signalstörungen verursachten Schäden an E/A-Modulen im SPS-Steuerungssystem ist beträchtlich, und es kommt häufig zu Systemausfällen. (3) Störungen durch ein fehlerhaftes Erdungssystem. Die Erdung ist eine wirksame Methode zur Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) elektronischer Geräte. Eine korrekte Erdung kann den Einfluss elektromagnetischer Störungen unterdrücken und verhindern, dass das Gerät Störungen aussendet. Eine fehlerhafte Erdung hingegen führt zu starken Störsignalen, die den ordnungsgemäßen Betrieb des SPS-Systems beeinträchtigen. Zu den Erdungsleitungen des SPS-Steuerungssystems gehören Systemerdung, Schirmerdung, Wechselstromerdung und Schutzerdung. Störungen durch ein fehlerhaftes Erdungssystem in einem SPS-System entstehen hauptsächlich durch eine ungleichmäßige Potenzialverteilung an verschiedenen Erdungspunkten. Zwischen den verschiedenen Erdungspunkten bestehen Potenzialdifferenzen, die zu Erdschleifenströmen führen und den normalen Systembetrieb beeinträchtigen. Beispielsweise muss die Kabelschirmung an einem Punkt geerdet sein. Sind beide Enden (A und B) der Kabelschirmung geerdet, entsteht eine Erdpotenzialdifferenz, und es fließt Strom durch die Schirmung. Unter extremen Bedingungen wie Blitzeinschlägen ist der Erdstrom noch größer. Darüber hinaus können Schirmung, Erdungsleitung und Erde eine geschlossene Schleife bilden. Unter dem Einfluss eines sich ändernden Magnetfelds entstehen induzierte Ströme in der Abschirmung, die über die Kopplung zwischen Abschirmung und Kerndraht die Signalschleife stören. Ist die Systemerdung ungeordnet und nicht mit anderen Erdungsmethoden konsistent, können die resultierenden Erdschleifenströme ungleiche Potentialverteilungen an den Erdungsleitungen verursachen und den normalen Betrieb der Logik- und Analogschaltungen in der SPS beeinträchtigen. SPSen weisen eine geringe Toleranz gegenüber Logikspannungsstörungen auf; Störungen durch Potentialverteilungen der Logikmasse können die Logikoperationen und die Datenspeicherung der SPS leicht beeinträchtigen und zu Datenbeschädigung, Programmabstürzen oder Systemstillständen führen. Potentialverteilungen der Analogmasse führen zu einer verringerten Messgenauigkeit und verursachen erhebliche Verzerrungen und Fehlfunktionen bei der Signalmessung und -steuerung. 2.2.3 Störungen innerhalb des SPS-Systems entstehen hauptsächlich durch gegenseitige elektromagnetische Strahlung zwischen internen Komponenten und Schaltungen, wie z. B. die gegenseitige Strahlung zwischen Logikschaltungen und deren Auswirkungen auf Analogschaltungen, die gegenseitige Beeinflussung zwischen Analog- und Logikmasse sowie die Inkompatibilität zwischen Komponenten. Diese Störungen fallen in den Bereich der elektromagnetischen Verträglichkeitsplanung der SPS-Hersteller, die sehr komplex ist und von der Anwendungsabteilung nicht geändert werden kann. Daher ist es nicht notwendig, diese Faktoren übermäßig zu berücksichtigen, jedoch ist die Auswahl von Systemen mit umfassender Anwendungserfahrung oder nachweislicher Erfolgsbilanz entscheidend. 3. Störungsfreies Design für SPS-Steuerungssysteme Um sicherzustellen, dass das System in industriellen elektromagnetischen Umgebungen vor internen und externen elektromagnetischen Störungen geschützt ist oder diese reduziert werden, müssen bereits in der Entwurfsphase drei Maßnahmen zur Störungsunterdrückung implementiert werden: Unterdrückung von Störquellen; Unterbrechung oder Dämpfung des Ausbreitungswegs elektromagnetischer Störungen; und Verbesserung der Störungsresistenz des Geräts und des Systems. Diese drei Punkte bilden die Grundprinzipien der elektromagnetischen Störungsunterdrückung. Störungsresistenz in SPS-Steuerungssystemen ist ein systematisches Projekt, das von den Herstellern die Entwicklung und Produktion von Produkten mit hoher Störungsresistenz erfordert. Es liegt auch in der Verantwortung der Anwender, diese Faktoren bei der Konstruktion, Installation, dem Aufbau sowie dem Betrieb und der Wartung umfassend zu berücksichtigen und ein integriertes Design auf Basis der spezifischen Gegebenheiten durchzuführen, um die elektromagnetische Verträglichkeit und Betriebssicherheit des Systems zu gewährleisten. Bei der Entwicklung von Störungsresistenz für spezifische Projekte sollten die folgenden zwei Aspekte berücksichtigt werden. 3.1 Geräteauswahl Bei der Geräteauswahl sollte die höchste Priorität auf Produkten mit hoher Störfestigkeit liegen, insbesondere hinsichtlich elektromagnetischer Verträglichkeit (EMV), vor allem der Fähigkeit, externen Störungen zu widerstehen. Beispiele hierfür sind SPS-Systeme mit potentialfreier Erdung und guter Isolation. Zweitens sollten die vom Hersteller angegebenen Spezifikationen zur Störfestigkeit beachtet werden, wie z. B. das Verhältnis von Gleichtakt- zu Differenzsignalen, die Spannungsfestigkeit sowie die zulässige elektrische Feldstärke und Magnetfeldfrequenz. Zusätzlich sollte die Leistungsfähigkeit in vergleichbaren Arbeitsumgebungen geprüft werden. Bei der Auswahl importierter Produkte ist zu beachten, dass in meinem Land ein 220-V-Hochohmnetz verwendet wird, während in Europa und den USA ein 110-V-Niederohmnetz zum Einsatz kommt. Aufgrund des höheren Innenwiderstands des Stromnetzes in meinem Land, der größeren Nullpunktspotentialdrift und der größeren Erdpotentialschwankungen ist die elektromagnetische Störung in industriellen Umgebungen mindestens viermal höher als in Europa und den USA, was eine höhere Störfestigkeit der Systeme erfordert. SPS-Produkte, die im Ausland einwandfrei funktionieren, arbeiten in heimischen Industrien möglicherweise nicht zuverlässig. Daher ist bei der Verwendung ausländischer Produkte eine sorgfältige Auswahl gemäß chinesischer Normen (GB/T13926) erforderlich. 3.2 Umfassendes Design zur Störungsunterdrückung Hierbei werden verschiedene Maßnahmen zur Unterdrückung externer Störungen berücksichtigt. Zu den wichtigsten Inhalten gehören: Abschirmung des SPS-Systems und externer Leitungen zum Schutz vor elektromagnetischen Störungen durch Raumstrahlung; Isolierung und Filterung externer Leitungen, insbesondere der Stromkabel, sowie deren mehrschichtige Anordnung, um die Übertragung leitungsgebundener elektromagnetischer Störungen über externe Leitungen zu verhindern; 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. 4 Wichtigste Maßnahmen zur Störungsunterdrückung 4.1 Verwendung von Hochleistungsnetzteilen zur Unterdrückung von Störungen aus dem Stromnetz Im SPS-Steuerungssystem spielt die Stromversorgung 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 von Messumformern und die Stromversorgung von Instrumenten mit direkter elektrischer Verbindung zum SPS-System in das SPS-Steuerungssystem. Aktuell werden für die Stromversorgung von SPS-Systemen in der Regel Netzteile mit guter Isolationsleistung eingesetzt, während die Stromversorgung von Messumformern und Messgeräten mit direkter elektrischer Verbindung zum SPS-System bisher wenig Beachtung fand. Obwohl bereits Isolationsmaßnahmen ergriffen wurden, sind diese meist unzureichend. Hauptgrund hierfür sind die großen Streukapazitäten und die geringe Störunterdrückung der verwendeten Trenntransformatoren. Dies führt zu Gleichtakt- und Gegentaktstörungen durch die Kopplung der Stromversorgung. Daher sollten für die Stromversorgung von Messumformern und Messgeräten mit gemeinsam genutzten Signalen Stromverteiler mit geringer Streukapazität und großem Unterdrückungsbereich (z. B. mit mehrfacher Isolation, Abschirmung und Streuinduktivität) gewählt werden, um Störungen im SPS-System zu reduzieren. Um zudem eine unterbrechungsfreie Stromversorgung zu gewährleisten, können Online-USV-Anlagen (unterbrechungsfreie Stromversorgungen) eingesetzt werden, die die Sicherheit und Zuverlässigkeit der Stromversorgung verbessern. USV-Anlagen bieten ebenfalls eine hohe Störunterdrückung und sind daher ideal für SPS-Steuerungssysteme geeignet. 4.2 Kabelauswahl und -installation Um die von Stromkabeln, insbesondere den Zuleitungen für Frequenzumrichter, ausgehenden elektromagnetischen Störungen zu reduzieren, verwendete der Autor in einem bestimmten Projekt kupferbandarmierte, geschirmte Stromkabel. Dadurch wurden die elektromagnetischen Störungen der Stromleitung verringert. Das Projekt erzielte nach der Inbetriebnahme zufriedenstellende Ergebnisse. Unterschiedliche Signalarten sollten über unterschiedliche Kabel übertragen werden. 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. Signalleitungen sollten nicht in der Nähe oder parallel zu Stromkabeln verlegt werden, um elektromagnetische Störungen zu minimieren. 4.3 Hardware-Filterung und Software-Entstörungsmaßnahmen Bevor das Signal an den Computer angeschlossen wird, sollte ein Kondensator parallel zwischen Signalleitung und Masse geschaltet werden, um Gleichtaktstörungen zu reduzieren. Zwischen den beiden Polen des Signals sollte ein Filter installiert werden, 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 Entstörungsmaßnahmen in der Software implementiert werden, um die Systemzuverlässigkeit weiter zu verbessern. Gängige Maßnahmen umfassen: digitale Filterung und Abtastung der Netzfrequenz zur effektiven Eliminierung periodischer Störungen; periodische Kalibrierung des Referenzpunktpotenzials und Verwendung dynamischer Nullpunkte zur effektiven Vermeidung von Potenzialdrift; Einsatz von Informationsredundanz und entsprechende Software-Flag-Bits; sowie indirekte Sprünge und Software-Fallen zur Verbesserung der Zuverlässigkeit der Softwarestruktur. 4.4 Korrekte Auswahl von Erdungspunkten und Verbesserung des Erdungssystems. Die Erdung dient in der Regel zwei Zwecken: Sicherheit und Störungsunterdrückung. Ein einwandfreies Erdungssystem ist eine wichtige Maßnahme für SPS-Steuerungen, um elektromagnetischen Störungen zu widerstehen. Es gibt drei Erdungsmethoden: potentialfreie Erdung, direkte Erdung und Kondensatorerdung. Für SPS-Steuerungen, die schnelle und leistungsfähige Steuergeräte sind, sollte die direkte Erdung verwendet werden. Aufgrund der verteilten Kapazität der Signalkabel und der Filterung der Eingabegeräte liegt die Signalübertragungsfrequenz zwischen den Geräten im Allgemeinen unter 1 MHz. Daher werden für die Erdung von SPS-Steuerungen Einzelpunkt- und Reihen-Einzelpunkt-Erdungsmethoden verwendet. Zentral angeordnete SPS-Systeme eignen sich für die parallele Einpunkt-Erdung. Dabei wird der mittlere Erdungspunkt jedes Geräteschranks mit einem separaten Erdungsdraht zur Erdungselektrode verbunden. Bei großem Geräteabstand ist eine serielle Einpunkt-Erdung erforderlich. Verbinden Sie die mittleren Erdungspunkte der Geräteschränke mit einer großflächigen Kupfersammelschiene (oder einem isolierten Kabel) und anschließend die Erdungssammelschiene direkt mit der Erdungselektrode. Der Erdungsdraht sollte ein Kupferleiter mit einem Querschnitt von mehr als 22 mm² sein, die Hauptsammelschiene ein Kupfersammelschienenquerschnitt von mehr als 60 mm². Der Erdungswiderstand der Erdungselektrode sollte unter 2 Ω liegen. Die Erdungselektrode wird idealerweise 10–15 m vom Gebäude entfernt vergraben. Der Erdungspunkt des SPS-Systems muss mindestens 10 m vom Erdungspunkt von Hochspannungsgeräten entfernt sein. Bei der Erdung der Signalquelle muss die Schirmung signalseitig geerdet werden. Wenn keine Erdung vorhanden ist, muss diese auf der SPS-Seite erfolgen. Bei einer Verbindungsstelle in der Mitte der Signalleitung muss die Schirmung fest verbunden und isoliert sein; mehrere Erdungspunkte sind zu vermeiden. Werden mehrere Messpunktsignale an ein mehradriges verdrilltes Zweidrahtkabel angeschlossen, müssen alle Schirmungen miteinander verbunden und isoliert sein. Wählen Sie eine geeignete Einpunkt-Erdung. 5. Fazit: Störungen in SPS-Steuerungssystemen stellen ein sehr komplexes Problem dar. Daher müssen bei der Entwicklung von Entstörungsmaßnahmen verschiedene Faktoren umfassend berücksichtigt werden, um Störungen angemessen und effektiv zu unterdrücken. In manchen Störungssituationen ist eine spezifische Analyse erforderlich, und es müssen gezielte Maßnahmen ergriffen werden, um den ordnungsgemäßen Betrieb des SPS-Steuerungssystems zu gewährleisten.