Anmerkungen zur Schirmung

Die IEC61158-2 und insbesondere das EtherCAT Installation profil IEC61784-5 fordern für EtherCAT Übertragungsstrecken eine voll geschirmte Leitung. Dies entspricht auch dem allgemeinem Stand der Technik für Kommunikationsleitungen. Die Verdrillung und differentielle Übertragung im sog. TwistedPair-Medium sorgt für grundlegende Störsicherheit, ein Gesamtschirm um die Übertragungsstrecke unterstützt die störungsfreie Datenübertragung. Darüber hinaus werden in höheren Verbindungsklassen (Cat6, Cat7) sogar Einzel-Paar-geschirmte Leitungen verwendet.

Abb.29: 4-pair Kabelaufbau ungeschirmt UTP, gesamtgeschirmt S(F)/UTP, gesamtgeschirmt und paargeschirmt S(F)/STP

Die folgenden Hinweise entsprechen dem Stand der Technik. Als Quellen können VDI Richtlinien, EN/IEC-Normen oder EMV-Ratgeber herangezogen werden.

Zum vorliegenden Dokument Die in diesem Dokument angegebenen Hinweise sind allgemeine informative Empfehlungen aus der Praxis ohne Berücksichtigung der jeweiligen anlagentypischen Besonderheiten. Sie sind vor allem als Sammlung an technischen Lösungsmöglichkeiten zu sehen. Es ist vom Anlagenhersteller zu prüfen, inwieweit o.a. Maßnahmen für seine Anlage zutreffend sind und welche der vorgeschlagenen Maßnahmen dann getroffen werden müssen. Dazu sind verschiedene Mess- und Prüfungsverfahren einzusetzen und bei existierenden Problemen ist genau zu untersuchen, wo Auslöser und Fehlerort sind. Dieses Dokument versucht eine komplexe Thematik zu bedienen und erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Anregungen oder kritische Anmerkungen nehmen wir gerne entgegen.

• Der Gesamtschirm um die Ader-Paare sorgt für Schutz vor äußeren elektromagnetischen Störfeldern für die eingeschlossenen Kommunikationsadern.
  Für die Wirksamkeit ist wichtig, dass die Schirmbedeckung durchgängig niederohmig und auch an Übergangsstellen ohne Unterbrechung oder Löcher ausgeführt ist (EN50174-2:2009, Kap. 4.7). Löcher im Sinne dieser Dokumentation sind unbedeckte Flächen im cm-Bereich.
• Der Schirm sollte an jedem Leitungsende gegen Anlagenerde großflächig niederohmig elektrisch leitend aufgelegt werden. Ein PigTail, d.h. die Zusammendrillung und punktartige Kontaktierung des Schirms ist zu vermeiden. Allerdings können dadurch Kreisströme begünstigt werden. In solchen Fällen ist eine einseitige RC-Anbindung (Kombination Widerstand/Kondensator) sinnvoll.
  

Abb.30: Empfohlene Schirmanbindung

• Ohne die Erdung des Schirms ist ein Schutz gegen Beeinflussung durch magnetische Felder nicht gegeben.
• In der Anlage muss durch ausreichend dimensionierte parallele Erdung oder RC-Anschluss sichergestellt sein, dass keine Ausgleichsströme über die Kommunikationskabel-Schirmung fließen. Diese können angeschlossene Geräte zerstören.
  Ethernet-Geräte können deshalb intern mit einer RC-Kombination den Schirm gegen Masse anbinden. Statische Ausgleichsströme werden so unterbunden, hochfrequente Störungen werden dagegen abgeleitet.
  Unterstützend sollte die Kommunikationskabel-Schirmung deshalb zusätzlich beim Schaltschrankdurchtritt und ggf. am Gerät selbst durch entsprechende Gerätschaft niederohmig aufgelegt werden.
  Beckhoff bietet entsprechendes Installationsmaterial in der Produktgruppe ZB8500 an.

Abb.31: Korrekte Schirmanbindung

• Die Schirmkontaktierung sollte auch an Übergangsstellen (z.B. Stecker -> Kabel, Kupplungen) auf 360° umgreifend vorhanden sein.
• Das Schirmmaterial ist nicht als Zugentlastung zu verwenden.
• Als Schirmmaterial sind geeignete Werkstoffe zu verwenden, vorzugsweise Kupfer. Bei Verwendung von Aluminium ist auf die besonderen Eigenschaften von Aluminium Rücksicht zu nehmen.
  Anm: bei foiled-Ausführung sind die Folien im Bereich IndustrialEthernet meist aus Aluminium hergestellt
• Die Schirmwirkung "Kopplungsdämpfung" d.h. die qualitative Wirksamkeit bzw. Ausführung ist im Feld bzw. bei verlegter Leitung kaum verläßlich zu messen. Die üblichen Messgeräte/Zertifizierer beschränken sich auf eine statische Durchgangsmessung. Es sind darüber hinaus jedoch Labor-gestützte Messmethoden wie Rohr-in-Rohr- oder Beidraht-Methode bekannt und genormt, die auch die Hochfrequenzeigenschaften und das Dämpfungsverhalten des Schirms ermitteln und so die Einhaltung einer Kopplungsdämpfung >40dB (EN50174-2:2009, 30-100 MHz) überprüfbar machen. Diese sind jedoch für den industriellen Serien- und Feldeinsatz unwirtschaftlich. Deshalb ist von Beginn an auf handwerklich tadellose Ausführung zu achten.

Ungenügende Schirmwirkung wird ggf. in Übertragungsfehlern sichtbar. Die Diagnose-Mittel im EtherCAT Master TwinCAT und den EtherCAT Slaves erlauben andauernde und tiefgehende Ortung von solchen Störstellen. Beachten Sie dazu entsprechende Hinweise in der EtherCAT Systemdokumentation.

Lichtwellenleiter/Optokoppler Die Verwendung von Ethernet-Lichtwellenleiterverbindungen zwischen den Komponenten kann in schwierigem EMV-Umfeld eine Lösung sein.