Warum ist ein EMV-Schutz wichtig?
Heutzutage ist es schwierig, ein Produkt bzw. eine Industrieanlage ohne moderne Verkabelungstechnik zu finden oder zu realisieren. Überall spricht man von Industrie 4.0, Big-Data und vollautomatisierten Prozessen.
Teile dieser Prozesse werden dann von Frequenzumrichtern, Transformatoren, elektrischen Schaltern und Kommunikationsgeräten verwaltet oder gesteuert. Solche Schaltvorgänge beinhalten allerdings immer das Risiko von Störungen. Es erfordert Präzision und die Auswahl der richtigen Komponenten, um die Maschine einwandfrei am Laufen zu halten.
Ziel ist es, dass alle Prozesse reibungslos und fehlerfrei funktionieren. Denn was als Interferenz im Radio allenfalls nur störend ist, kann im Kontext der Medizintechnik als Systemausfall unter Umständen weitaus dramatischere Folgen mit sich bringen. Dies ist der Grund, warum in industriellen Umgebungen eine immer höhere Sicherheit gegen elektromagnetische Störungen gefordert wird. Die sogenannte Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV).
Wie funktioniert EMV?
Eine elektromagnetische Störung geht immer von einer Störquelle aus. Hierbei kann es sich um ein Betriebsmittel handeln, das einen großen Strom führt, wie zum Beispiel ein frequenzgesteuerter Motor oder auch eine Leitung.
Der Störquelle steht ein gestörtes Betriebsmittel, die sogenannte Störsenke, gegenüber. Bei der Störsenke kann es sich zum Beispiel um einen Sensor oder eine Datenleitung handeln.
Der dazwischen befindliche Kopplungsmechanismus verursacht die Störungen. Dieser wird in vier verschiedenen Kopplungsarten unterschieden:
- Galvanische Kopplung: Störquelle und Störsenke sind, zum Beispiel durch einen gemeinsamen Erdungsleiter, miteinander verbunden. Ein Störstrom über den gemeinsamen Erdungsleiter verursacht elektromagnetische Störungen.
- Kapazitive Kopplung: Störquelle und Störsenke sind nah beieinander, allerdings nicht physisch miteinander verbunden. Bei der kapazitiven Kopplung entsteht die elektromagnetische Störung (EMS) durch das elektrische Feld.
- Induktive Kopplung: Auch bei der induktiven Kopplung befinden sich Störquelle und Störsenke nah beieinander, sind aber nicht miteinander verbunden. Die Störung entsteht hier jedoch durch das magnetische Feld.
- Strahlungskopplung: Die Strahlungskopplung entsteht in der Regel, wenn Störquelle und Störsenke weit voneinander entfernt sind und die Leiter letztendlich als Antennen fungieren und die Störung durch elektromagnetische Strahlung verursachen.
In der Praxis handelt es sich meist um eine Mischung aus diesen 4 Kopplungsmechanismen, die, zum Beispiel durch den Einsatz geschirmter Kabel, eliminiert werden müssen.
Was ist die EMV-Richtlinie?
In der EMV-Richtlinie 2014/30/EU, Artikel 3, ist die elektromagnetische Verträglichkeit definiert als:
„[…] die Fähigkeit eines Betriebsmittels, in seiner elektromagnetischen Umgebung zufriedenstellend zu arbeiten, ohne elektromagnetische Störungen (EMS) zu verursachen, die für andere in dieser Umgebung vorhandene Betriebsmittel unannehmbar wären.“
Dieser Definition zufolge hat EMV zwei wesentliche Aspekte:
- Das Betriebsmittel soll keine elektromagnetischen Störungen verursachen.
- Das Betriebsmittel soll durch seine Umgebung nicht elektromagnetisch gestört werden.
Wie wird der EMV-Schutz gemessen?
Der EMV-Schutz wird mit Hilfe des Kopplungswiderstandes [mΩ/m] und/oder der Schirmdämpfung [dB] gemessen und angegeben. Der Kopplungswiderstand von Kabeln und Leitungen wird üblicherweise bei einer definierten Frequenz von 30 MHz angegeben. Für hohe Frequenzen ab 50 MHz wird hingegen die Schirmdämpfung herangezogen.
Kopplungswiderstand und Schirmdämpfung können nicht berechnet werden. Das bedeutet, dass die Werte nur über Messungen zu ermitteln sind. Für die Ermittlung der Werte wird die in der Norm EN 50289-1-6 definierte Triaxial-Messrohr-Methode angewendet.
Wie sind geschirmte Anschluss- und Steuerleitungen aufgebaut?
Prinzipiell gibt es bei Anschluss- und Steuerleitungen vier verschiedene Schirmungsarten. Drei dieser Schirmarten eignen sich besonders für den Einsatz mit EMV-Schutz:
Verzinntes Kupfergeflecht
Eine gängige Methode, Leitungen abzuschirmen, sind Kupfergeflechte zwischen Adern und Manteln. Mit einem Bedeckungsgrad von rund 80 Prozent bildet das Kupfergeflecht eine effektive Barriere gegen elektromagnetische Felder. Erkennbar sind solche Kabel und Leitungen an der Abkürzung „C“ in der LAPP-Produktbezeichnung, z.B. ÖLFLEX® CLASSIC 110 CY oder ÖLFLEX® SERVO 719 CY. Kupfergeflechte können unterschiedlich geflochten sein, einer der entscheidenden Parameter ist dabei der Flechtwinkel. Bei hochdynamischen Anwendungen, beispielsweise der Verlegung der Leitung in einer Schleppkette, ist der Kupferdraht in einem steileren Winkel um die Adern gelegt, sodass er auf einer kürzeren Strecke eine volle 360-Grad-Windung um die Adern macht. Bei Roboterleitungen, die millionenfache Torsion aushalten müssen, sind Geflechte nicht ideal, weil darin mit der Zeit Lücken entstehen.
Umlegung mit Kupferdrähten
Für bewegte Leitungen in der Robotik, bei der die Schirmung Torsion aushalten muss, wird oft eine Umlegung mit Kupferdrähten genutzt. Da die Kupferdrähte einer Umlegung alle parallel angeordnet sind, ergeben sich keine Probleme bei der Torsion der Leitung. Dafür ist der Schutz vor elektromagnetischen Störungen von umlegten Leitungen oft schlechter, da die Schirmdrähte sich nicht überschneiden. Erkennbar sind solche Kabel und Leitungen an der Abkürzung „D“ in der LAPP-Produktbezeichnung, z.B. ÖLFLEX® ROBOT 900 DP.
Aluminiumkaschierte Kunststoff-Folie
Einzelne Adern oder alle Adern in der Leitung lassen sich mit alukaschierter Kunststofffolie umwickeln. Die Schirmung mit Kunststofffolie schützt Ihre Kabel und Leitungen vor allem bei höheren Frequenzen. Oft haben Leitungen auch mehrere Schirmungsarten, bspw. die ÖLFLEX® SERVO 2XSLCY-JB mit aluminiumkaschierter Kunststoff-Folie und verzinntem Kupfergeflecht.
Wie sind geschirmte Datenleitungen aufgebaut?
Bei Datenleitungen gibt es prinzipiell dieselben Schirmarten wie bei Anschluss- und Steuerleitungen, allerdings sind bei Datenleitungen mit EMV-Schutz andere Abkürzungen in den Produktbezeichnungen üblich:
- Verzinntes Kupfergeflecht: „S“ (Screened)
- Aluminiumkaschierte Kunststofffolie: „F“ (Foiled)
Zusätzlich gibt es bei Datenleitungen zwei Besonderheiten in Bezug auf ihre Schirmart zum EMV-Schutz:
Ungeschirmt
Datenübertragungen sind besonders störanfällig, weshalb Datenleitungen in der Regel immer geschirmt werden. Für bestimmte Anwendungsbereiche zur Signalübertragung gibt es mit der Abkürzung „U“ (Unscreened) besonders gekennzeichnete, nicht geschirmte Datenleitungen wie zum Beispiel das Cat.6-Netzwerkkabel ETHERLINE® LAN Cat.6 U/UTP 4x2xAWG24 LSZH , das Cat.5e Ethernetkabel ETHERLINE® LAN Cat.5e SF/UTP 4x2xAWG24 oder unsere UNITRONIC® BUS ASI Leitungen für Vernetzungssysteme im Feldbereich.
Twisted Pair
Eine weitere Bauart bei Datenleitungen sind die sogenannten Twisted Pair Leitungen. Hierbei werden einzelnen Datenpaare verdrillt. Die Verdrillung gewährleistet, dass sich Feldeffekte gegenseitig aufheben. Erkennbar sind diese Kabel an der Abkürzung „TP“ (Twisted Pair).
Das Kabel ETHERLINE® Cat. 6A FD FC wird zum Beispiel wie folgt aufgeschlüsselt: ScreenedFoiled/UnscreenedTwistedPair. Dieses Netzwerk-Kabel ist mit einem Drahtgeflecht und einer darunterliegenden aluminiumkaschierten Kunststoff-Folie um alle Adern geschirmt (Screened/Foiled). Die Aderpaare sind paarweise verdrillt und nicht mit einer zusätzliche Aderpaarschirmung ausgestattet (UnscreenedTwistedPair).
Wie können Kabel und Leitungen EMV-gerecht angeschlossen werden?
Wussten Sie, dass eine Schirmung keinen Effekt hat, wenn diese nicht geerdet ist? Der elektrische Widerstand zwischen Schirm und Erdpotential muss so gering wie möglich sein. Dafür ist eine möglichst große Kontaktfläche des Schirms zum EMV-Bauteil der Kabelverschraubung oder des Steckergehäuses nötig. Richtig und damit vor allem möglichst vollflächig angelegt, erzeugt die Verbindung zwischen Schirm und EMV-Bauteil auch auf langen Strecken keine oder nur sehr geringe Impedanzen. Der wesentliche Vorteil: Ihre Verbindung ist damit besonders elektromagnetisch verträglich.
Die Anforderungen auf einen Blick:
- Das Kupferabschirmgeflecht ist am Übergang in das Gehäuse rundum (großflächig) und ohne Lücken angelegt.
- Die Kabelverschraubung ist niederimpedant an die metallische Gehäusewand angeschlossen.
- Die Montage und Demontage der Leitung muss schnell, einfach und ohne Beschädigung am Kupferabschirmgeflecht möglich sein.
- Die optimale Schirmkontaktierung ist an beiden Enden der Leitung gewährleistet und auf das Erdpotential angelegt.
Eine gängige Methode ist es, z.B. am Übergang von der Kabelverschraubung zum Stecker oder bei der Einführung der Leitung mittels EMV-Verschraubung in ein Gehäuse den Schirm rundum und ohne Lücken anzulegen. Nur dann kann die Verbindung als Faraday’scher Käfig wirken und Störsignale von außen sicher fernhalten. Außerdem ist es wichtig, dass diese optimale Schirmkontaktierung an beiden Enden der Leitung stattfindet und mit dem Erdpotential verbunden ist.
Unsere SKINTOP® BRUSH Serie
Warum sind Steckverbinder für den EMV-Schutz wichtig?
Jedes System ist nur so gut, wie sein schwächster Punkt. LAPP Steckverbinder-Systeme haben den Vorteil, dass alle Arten der oben genannten Schirmanschlusskonzepte genutzt werden. Sehr oft sind EMV-Kabelverschraubungen bereits im Steckverbinder integriert, bieten die Möglichkeit zur Anbindung eines Schutzschlauches und ermöglichen die Kontaktierung des Kabelschirms mit dem Arbeits- oder PE-Kontakt des Steckverbinder-Systems.
Das Standardgehäuse ist pulverbeschichtet mit einer nicht leitenden Dichtung zwischen den Gehäuseteilen, wodurch diese gegeneinander isoliert sind. EPIC® EMV-Steckverbinder bieten Ihnen eine 360-Grad-Abschirmung und eine vibrationssichere Schirmanbindung. Erkennbar sind die EMV-Steckverbinder an der metallisch leitenden, meist vernickelten Oberfläche. Die Dichtungen sind konstruktiv so gelegt, dass die beiden aufeinandergepressten oder verschraubten Gehäuseteile niederohmig mit Metall auf Metall kontaktieren. Das gleiche Prinzip gilt auch zur Kabelverschraubung sowie zur Montagewand hin.
Rechtecksteckverbinder besitzen eine integrierte SKINTOP® MS-M BRUSH Kabelverschraubung. Der EPIC® ULTRA H-A3 und der EPIC® ULTRA H-B6-24 sind deshalb einfach zu konfektionieren und für einen großen Kabelklemmbereich bei geschirmten Leitungen konzipiert.
Benötigen Sie hingegen eine platzsparende Bauweise, zum Beispiel für den Einsatz in Servoantrieben, Aktoren und Sensoren, empfehlen wir Ihnen die POWER und SIGNAL Rundsteckverbinder von LAPP. Diese sind mit einer speziell abgestimmten EMV-Kabelverschraubung für Servo- und Datenleitungen ausgestattet.
Für vibrationssichere Verbindungen zur Stromversorgung eignen sich besonders die Rundsteckverbinder EPIC® POWER M17 , EPIC® POWER LS1 , EPIC® POWER LS1.5 oder EPIC® POWER LS3 mit integrierter EMV-Kabelverschraubung.
Für Sensor-, Feldbus-, Resolver- und Encoder-Leitungen bietet LAPP Ihnen zum Beispiel die EPIC® SIGNAL M17 oder EPIC® SIGNAL M23 Steckverbinder an.
Wie können ungeschirmte Leitungen und Kabel nachträglich EMV geschirmt werden?
Ist der Austausch einer ungeschirmten Leitung im System aus diversen Gründen nicht möglich oder müssen Leitungen bzw. Kabel nur in Teilabschnitten des Systems elektromagnetisch verträglich geschirmt werden, bietet sich neben unseren SILVYN ® Schutzschläuchen auch die Ausstattung der Leitungen mit separat erhältlichen Kupfergeflechten (copper braids), eine Umwicklung mit dem 3M Scotch 1183 Abschirmband an.
Damit diese Systeme zuverlässig geerdet werden können, setzen Sie am besten auf unsere ein- oder zweiteiligen SHIELD-KON® Verbinder zum Anschluss des Kupfergeflechts an eine geerdete Gehäusewand oder andere geerdete Anschlusspunkte.
Wie kann ein EMV-Schutz zusätzlich verbessert werden?
Für eine optimale Abschirmwirkung können Leitungen mit einem doppelten Schirm versehen oder aber in einem Kupfer- oder Stahlrohr verlegt werden. Unter EMV-Gesichtspunkten sind diese Schirmungen völlig dicht. Unsere wendelgewickelten SILVYN® Metallschutzschläuche mit Kupfergeflecht, wie zum Beispiel der EMC AS-CU , bieten Ihnen dafür vollen EMV-Schutz und im Vergleich zu einem Rohr gleichzeitig herausragende Flexibilität. Er ist für besonders raue Umgebungen mit hohen elektromagnetischen Anforderungen geeignet. Unsere SILVYN® MSK-M BRUSH Schlauchverschraubung mit EMV-Schutz und integrierter Zugentlastung vervollständigt schließlich Ihr EMV- geschirmtes System.
Gibt es vorkonfektionierte Anschluss-, Steuer-, und Datenleitungen mit EMV-Schirmung?
Schlechte EMV ist häufig die Ursache von Montagefehlern. In der Industrie war es lange üblich, Leitungen und Stecker getrennt einzukaufen und erst beim Einbau in die Maschine oder Produktionsanlage zu verbinden – der Fachmann spricht von Konfektionieren.
Einer größeren Flexibilität stehen einige Nachteile gegenüber: Die Verarbeitungsqualität lässt oft zu wünschen übrig. Etwa, weil der Monteur beim Abisolieren zu tief schneidet und die Aderisolation verletzt oder die Schirmung nur punktuell mit dem Gehäuse des Steckers verbindet und so EMV-Probleme provoziert.
Deshalb geht der Trend zu fertig konfektionierten Leitungen, die wir bei LAPP unter dem Namen ÖLFLEX® CONNECT vertreiben. Leitung und Stecker sind bereits ab Werk verbunden, Kunden erhalten sogar komplett mit Leitungen und Schläuchen bestückte Schleppketten, auch das Engineering übernimmt LAPP. Der Kunde hat so die Gewähr, aus einer Hand stets die optimale Qualität zu bekommen, und er kann sich zudem auf seine eigentliche Arbeit konzentrieren, nämlich den Bau der Maschine.