2 EMV in der Fabrik im Sonderforschungsbereich 425

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1 Untersuchungen zum Einsatz von Ethernetvernetzungen im elektromagnetisch beeinflussten Umfeld o. Prof. Dr.-Ing. Dieter Spath Dipl.-Ing. Christoph Gönnheimer Dipl.-Ing. Robert Landwehr Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebstechnik (wbk) Universität Karlsruhe (TH) Kaiserstraße 12, Karlsruhe 1 Einleitung In modernen Produktionsanlagen und Fertigungssystemen entstehen zunehmend Probleme elektromagnetischer Beeinflussung durch den verstärkten Einsatz elektrischer Komponenten hoher Leistung (Stromrichter, Antriebe etc.) sowie durch die ständig steigende Zahl an Geräten zur mobilen Kommunikation (Handy, Betriebsfunk, etc.). Weiterhin erhöht sich durch das rasante Anwachsen der systemintern zu verarbeitenden Informationsdichten, der stetig steigenden Anzahl an Sensoren, Aktoren und Vernetzungen sowie dem Trend zum Einsatz von Industrie-PCs anstelle konventioneller Speicherprogrammierbarer Steuerungen die Auftretenswahrscheinlichkeit elektromagnetischer Störungen. 2 EMV in der Fabrik im Sonderforschungsbereich 425 Um dieser Problematik entgegenzuwirken, werden im Rahmen des Sonderforschungsbereiches SFB 425 an der Universität Karlsruhe im Teilbereich EMV in der Fabrik die Auswirkungen elektromagnetischer Störungen auf verteilte Steuerungssysteme in Fertigungsanlagen untersucht und grundlegende Methoden zur Gestaltung störfester Systeme entwickelt. In verschiedenen Teilprojekten werden dabei eng miteinander verknüpfte Aspekte der elektromagnetischen Verträglichkeit im industriellen Umfeld untersucht. Neben dem

2 Teilprojekt EMV von verteilten Steuerungssystemen in Fertigungsanlagen, welches vom Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebstechnik der Universität Karlsruhe bearbeitet wird, wird die EMV in der industriellen Strahlungs- und Plasmaerzeugung, die EMV von Roboterzellen für produktionstechnische Anwendungen und die EMV von Verfahren zur Ortung und Navigation autonom mobiler Systeme untersucht. Ziel der Untersuchungen im Bereich EMV in der Fabrik ist die Steigerung der Funktionszuverlässigkeit und effektiven Nutzbarkeit moderner Produktionsanlagen durch die Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit. Das Verständnis für die Ursachen elektromagnetischer Störungen in der Fabrik, deren Wechselwirkungen und deren präventive Vermeidung erfordert die Charakterisierung des Emissions- und Einstreuverhaltens aller Teilkomponenten einer industriellen Produktionsanlage. Zu dieser gehören neben den Fertigungszellen und den Transporteinrichtungen auch die übergeordneten Ebenen der Leit- und Steuerungssysteme sowie deren Vernetzungen. 3. Störfestigkeitsmessungen an ausgewählten Bussystemen Innerhalb des Teilprojektes EMV von verteilten Steuerungsystemen in Fertigungsanlagen wurden Störfestigkeitsmessungen an ausgewählten Bussystemen durchgeführt. Dazu wurden zwei SPS-Steuerungen über Feldbussysteme sowie Ethernet miteinander vernetzt. Die Steuerungen wurden auf einen zyklischen Austausch von Datenpaketen programmiert, aus denen entsprechende Signalmuster am Ausgang generiert wurden. Die Ausgangssignale wurden auf Fehler überwacht und beim Auftreten des Fehlers die Frequenz und Feldstärke des Störsignals geloggt. Der erste Teil der Messungen wurde in Anlehnung an die EN mit einer Koppelzange durchgeführt, in der die Netzwerkleitungen der kommunizierenden SPS- Systeme mit unterschiedlichen Feldstärken gestört wurden. Die Messungen erfolgten im Bereich von 150 khz bis 80 MHz mit sinusförmigem Störsignal. Dieses war zu 80 % mit 1 khz Amplitudenmoduliert. Abweichend von der oben genannten Prüfnorm wurde die Generatorleistung dabei über den gesamten Frequenzsweep konstant gehalten. Die Angabe der Störfestigkeit erfolgt deshalb als dimensionsloser Faktor.

3 Messung in Anlehnung an EN Konstante Generatorleistung im Frequenzbereich von 150 khz 80 MHz zur Erzeugung eines sinusförmigen Störsignals (80% amplitudenmoduliert mit 1kHz). EM-Koppelstrecke mit 150 Ω für kapazitive und induktive Kopplung des Störsignals in die Datenleitung (Bussystem) der beiden SPS-Einheiten. Prüfaufbau Bussystem Störfestigkeit Profibus DP 1 MPI 2,5 EM-Koppelstrecke Ethernet 10 Abb.1: Störfestigkeitsmessungen an verschiedenen Netzwerken mit einer Koppelzange Das mit Ethernet-vernetzte Steuerungssystem zeigt bei dieser Art der Störeinkopplung im Vergleich zu den herkömmlichen Feldbussystemen wie Profibus oder MPI (Multi-Point- Interface) eine deutlich höhere Störfestigkeit. Es konnte bei den Messungen mit unterschiedlichen Kabeltypen eine durchschnittliche Erhöhung der Störfestigkeit um den Faktor 2,5 beim Einsatz eines MPI-Netzwerkes anstelle einer Profibus-Vernetzung festgestellt werden. Beim Einsatz eines Ethernet-Netzwerkes konnte eine Erhöhung um einen Faktor >10 gemessen werden. Um das Störverhalten im Bereich von 80 MHz bis 1 GHz näher zu untersuchen wurde die Koppelzange durch eine Strip-Line ersetzt, die eine Störfestigkeitsmessung der Vernetzung in einem sehr homogenen Störfeld erlaubt. Diese Art der Störfestigkeitsprüfung findet häufig im Kfz-Bereich Anwendung. Der Verlauf der Netzleitung innerhalb der Strip-line wurde aus Gründen der Reproduzierbarkeit gekennzeichnet. Abbildung 2 zeigt den Aufbau der Strip-Line in der Absorberhalle der Universität Stuttgart.

4 Abb. 2: Störfestigkeitsmessungen mit einer Strip-Line Die Messungen zeigten ähnliche Ergebnisse wie die Messungen unter Einsatz der Koppelzange. Die folgende Tabelle zeigt die Störfestigkeitsgrenzen der vermessenen Systeme. Bustyp Leitung Feldstärke [V/m] Profibus, 1.5 Mbit Profibus-Kabel, Fabrikat 1 25 Profibus-Kabel, Fabrikat 2 35 MPI-Kabel 70 2-adriges univ. Datenkabel, Schirm einseitig aufgelegt 65 2-adriges univ. Datenkabel, Schirm nicht 60 aufgelegt MPI MPI-Kabel 90 Ethernet, 100 MBit, TCP Ethernet, 100 MBit, UDP Ungeschirmtes Kabel, Twisted Pair 120 FTP-Kabel 120 STP-Kabel 250 FTP-Kabel 120 STP-Kabel 210 Abb.3: Störfestigkeitsmessung an verschiedenen Netzwerken mit einer Strip-Line

5 5 Zusammenfassung Ethernet hat sich durch die große Verbreitung in der PC-Welt als weltweit akzeptiertes LAN (lokal area network) durchgesetzt. Diese internationale Verbreitung findet sich immer stärker auch im Bereich der Steuerungstechnik wieder. Dort bietet der Einsatz von Ethernet die Möglichkeit zur freien Verschaltung von Teilkomponenten unterschiedlicher Hersteller auf der Basis eines offenen Systems. Die im Rahmen des Sonderforschungsbereiches durchgeführten Messungen haben hohe Potenziale in der Erhöhung der Störfestigkeit durch den Einsatz von Ethernet gezeigt. Dies ist zu einem großen Teil auf die galvanische Trennung mit integrierter Filterung an der Schnittstelle vom Ethernetkabel zur auswertenden Elektronik des angeschlossenen Geräteszurückzuführen. Die immer größere Verbreitung dieses Netzwerktyps im industriellen Umfeld erfordert weitere Untersuchungen zur EMV-Festigkeit. Im Teilprojekt EMV von verteilten Steuerungssystemen in Fertigungsanlagen werden Störfestigkeitsmessungen an weiteren Feldbussystemen durchgeführt. Bedingt durch die Struktur und den physikalischen Aufbau werden ähnliche Ergebnisse wie bei den Messungen an MPI und Profibus erwartet. Weiterhin sind innerhalb des Teilprojektes EMV von Steuerungssystemen weiterführende, grundlegende Untersuchungen von industriellen Ethernet-Netzwerken für Steuerungsanwendungen, sowie deren EMV-sichere Konzeption und Aufbau der erforderlichen Einzelkomponenten von Ethernet-Netzwerken für Steuerungsanwendungen geplant. 6 Literatur [1] EMV von verteilten Steuerungssystemen in Fertigungsanlagen D. Spath, C. Gönnheimer 8. internationaler Kongress für elektromagnetische Verträglichkeit EMV 2000, Düsseldorf [2] Elektromagnetische Beeinflussung von Steuerungssystemen im industriellen Umfeld D. Spath, C. Gönnheimer, R. Landwehr EMV-ESD Elektromagnetische Verträglichkeit, Jahrgang 11, 09/2000 [3] Ethernet-TCP/IP: Hindernisse, Lösungen und Chancen für ein neuartiges Steuerungsnetz

6 D. Spath, C. Gönnheimer, R. Landwehr Kongressband zur SPS/IPC/DRIVES Elektrische Automatisierungstechnik - Systeme und Komponenten, November 2000 [4] EMV in der Automatisierungstechnik D. Spath, C. Gönnheimer, R. Landwehr Kongressband zur SPS/IPC/DRIVES Elektrische Automatisierungstechnik - Systeme und Komponenten, November 2000 [5]