Hochmodular und trotzdem kompakt

Durch das Modulsystem können Industrie-PCs der »IPC 1400«-Serie Platz sparend an die jeweilige Anforderung angepasst werden.

Schnelle Schaltzeiten bei Geräten der Leistungselektronik und hohe Übertragungsraten auf dem Feldbus erzeugen zunehmend hochfrequente Störsignale. Darüber hinaus entstehen durch die hohen geschalteten Ströme energiereiche Felder. Ergo sind immer größere Anstrengungen nötig, um die elektromagnetische Verträglichkeit von Komponenten sicherzustellen.

Werkzeuglos wechselbare Einschubeinheiten für Kommunikationshardware, Speichersysteme oder Sonderschnittstellen lassen sich flexibel und bedarfsorientiert in mehreren Ebenen anordnen. Dabei kann ein und dasselbe Basisgerät wahlweise direkt mit integrierter Displayeinheit oder aber als reine Rechnereinheit »IPM 1400« zum Einsatz kommen.

Über die optionale Absetzungseinheit »DSA« lässt sich der Bildschirm samt Eingabesystem bis zu 100 m vom Industrierechner entfernen. Kundenspezifisch gestaltbare Frontplatten mit Bedienung über Touchscreen oder Folientastatur und bis zu 64 integrierten Leuchtanzeigern lassen sich mit Bildschirmdiagonalen von 6,4 Zoll bis zu 19 Zoll frei kombinieren.

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Mit der Ausdehnung des Ethernet von der Office-Anwendung in die industrielle Fertigungswelt sind die Übertragungsraten auf diesem Kommunikationsmedium gestiegen. Ein Beispiel dafür ist Profinet IO, das zur Übertragung die Fast-Ethernet-Technologie mit 100 MBit/s nutzt. Wann die nächste Stufe - Gigabit-Ethernet mit 1000 MBit/s - in der Automation erreicht wird, ist lediglich eine Frage der Zeit.

Gleichzeitig verstärkt die fortschreitende Automatisierung den Bedarf an elektronisch gesteuerten Motoren und Antrieben. So werden beispielsweise Frequenzumrichter nebst Zuleitungen und Motoren im näheren Umfeld der Steuerungen betrieben. Die Konsequenz: Das elektromagnetische Spektrum ändert sich, es unterliegt zunehmender Verschmutzung. So bedarf es immer größerer Anstrengungen, die Anforderungen zur elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) zu erfüllen, sprich, das unbeabsichtigte Aussenden von Umwelt beeinflussender elektromagnetischer Energie zu unterbinden beziehungsweise eine Beeinflussung gar nicht erst zuzulassen. Festgelegt sind die EMV-Vorschriften in der Richtlinie 2004/108/EG, die im Januar 2005 in Kraft getreten und von den Mitgliedsländern bis Januar 2007 in nationales Recht umgesetzt werden soll. Grundsätzlich definiert die Richtlinie elektromagnetische Verträglichkeit als - die Fähigkeit eines Gerätes, in der elektromagnetischen Umwelt zufrieden stellend zu arbeiten, ohne dabei selbst elektromagnetische Störungen zu verursachen, die für andere in dieser Umwelt vorhandenen Geräte unannehmbar wären. Für die Konformität der Produkte und die Anbringung der CE-Kennzeichen ist jeder Hersteller selbst verantwortlich.

Der erste Schritt: Geschirmte Leitungen

Motoren, Frequenzumrichter und andere Geräte können im industriellen Umfeld ungewollt zu Sendern beziehungsweise Störquellen werden. Im Gegenzug dazu können sich Regelungen und Steuerungen samt Feldbus wie Empfänger - Störsenken - verhalten.

Eine erste Maßnahme dagegen ist die richtige Schirmung. So fordern Geräte- Hersteller die Verwendung geschirmter Leitungen, sobald schnelle Datenkommunikation über die Feldbus-Leitung betrieben wird oder die zugeführten Energien mittels Elektronik geschaltet werden. In den Installationsanweisungen weisen sie darauf hin, wie mit dem Kabelschirm umgegangen werden soll. Für Profinet beispielsweise fordert die Montage-Empfehlung (Version 1.8 vom November 2002), dass das Erdungskonzept niederimpedant und für große Ströme - also großflächig - ausgelegt sein muss. Zudem wird explizit darauf hingewiesen, dass die Schirmung lückenlos und an beiden Enden der geschirmten Leitung erfolgen muss.

Doch die Praxis sieht oft anders aus. In der Regel werden die Feldbus-Signale über geschirmte Mehrdrahtleitungen zu den Feldgeräten geführt. Auf dem Weg dorthin koppeln sich Störsignale, die von Stromrichtern, Leistungsschaltern, Frequenzumrichtern oder anderen Schaltvorgängen herrühren, in den Leitungsschirm ein. Häufig wird die vom Schirm absorbierte Störstrahlung vollständig über den Feldbus-Anschluss (RJ45-Stecker oder Sub D) am Feldgerät und an der Steuerung zur Funktionserde abgeleitet. Je weiter sich jedoch das Störsignal in den hochfrequenten Bereich verschiebt, umso stärker kommt der Skin-Effekt zum Tragen: Der Störstrom wird auf die Leiteroberfläche gedrängt und hat nicht mehr den vollen Querschnitt zur Verfügung. Somit steigt für hochfrequente Störströme der Übergangswiderstand an den Verbindungsstellen. Die zur Erdung verwendeten Komponenten müssen daher eine gute leitfähige Oberfläche bei gleichzeitigem Korrosionsschutz bieten.

Eine externe Schirmauflage kann hier die Lösung sein. Durch diese separate Schirmauflage entsteht einerseits eine ausreichend große Verbindungsfläche, andererseits sind Materialien mit gut leitenden Oberflächen einsetzbar. Ebenso ist es möglich, EMV-Kriterien wie die Auflage direkt nach Kabeleinführung oder nahe der Klemmstelle aufgrund der frei wählbaren Position der Schirmauflage zu berücksichtigen. Speziell in der Automobilindustrie wird die EMV-Problematik sehr ernst genommen: Vielfach werden hier geschirmte Leitungen zusätzlich mit großflächigen und niederohmigen Schirmanschlusssystemen geerdet.

Um entsprechend niederimpedant auch für Hochfrequenz-Signale zu sein, ist es unerlässlich, den Kabelschirm großzügig freizulegen und mit einer Schirmschelle großflächig mit Funktionserde zu verbinden. Als Erdungspunkt sollten bevorzugt Montageplatten und Metallschränke dienen - vorausgesetzt, die Oberfläche bietet eine gute Leitfähigkeit. Für Schranktüren und andere einzubindende metallische Komponenten sind speziell Hochfrequenz- geeignete Erdungsbänder zu verwenden. Bei der Planung des Schaltschrankes kann bereits eine durchdachte Anordnung der Komponenten die elektromagnetische Verträglichkeit erhöhen. So bringt ein dicht an der Kabeleinführung platzierter und geschirmter potenzieller Störer nur wenig Emission in den Schrank. Einrichtungen, die für Störungen empfänglicher sind, können entweder dicht an der Kabeleinführung oder unmittelbar vor den Signalklemmen geschirmt werden - je nach Einbausituation und Konzept.

Wie ein solches Schirmanschlusssystem aussehen kann, zeigen die Serien 790 und 791 von Wago beispielhaft. Durch unterschiedliche Befestigungssysteme und Schirm-Klemmbügel bis 40 mm Schirmdurchmesser kann die Schirmauflage abhängig von der Störbeeinflussung sehr dicht an den eigentlichen Verbindungsstellen oder in der Nähe der Kabeldurchführung erfolgen. Anwender wählen die passende Art der Befestigung der Einbausituation entsprechend. Die Schirm- Klemmbügel leiten wegen ihres großflächigen und niederimpedanten Anschlusses auch hochfrequente Störströme sicher ab.

Zur Schirmung an der Klemmstelle dient beispielsweise eine spezialgelochte und verzinnte Tragschiene, die unterhalb der Klemmenleiste angebracht wird. Sie erlaubt neben der Schirmauflage zusätzlich eine funktionell getrennte Zugentlastung über Kabelbinder.

Um Signalleitungen vor Geräten mit höherer Bauform zu schirmen, gibt es verschiedene Cu Sammelschienenbügel. Die verzinnten Schienenbügel gibt es in 63 mm Breite - für bis zu fünf Signalkabel - und in 100 mm Breite - für bis zu acht Signalkabel. Sie werden mit 35 mm Höhe sowie auf das Wago I/O-System abgestimmt mit 60 mm Höhe angeboten. Der Cu-Sammelschienenbügel ist sowohl dicht an der Klemmstelle als auch an der Kabeleinführung einsetzbar.

Soll die Schirmablage über die Tragschiene direkt erfolgen, bietet das Schirmanschlusssystem aufrastbare Träger mit Ableitfuß - je nach Leitungsführung mit Ableitfuß parallel zur Tragschiene oder quer zur Tragschiene. Der Ableitfuß ist für maximal zwei Schirmablagen ausgelegt. Ist mehr Ablagefläche nötig, kann eine verzinnte Cu-Sammelschiene parallel zur Tragschiene mit zwei Trägern aufgerastet werden. Diese Varianten kommen bevorzugt in der Nähe von Klemmstellen zum Einsatz.

Die Kontaktierung der Kabelschirme erfolgt über Schirmklemmbügel in vier Breiten, so dass sich Schirmdurchmesser bis 40 mm anschließen lassen. Die Schirmklemmbügel gibt es in zwei Ausführungen: mit reiner Federkraftlösung oder mit Rändelschraube und Zusatzfederung im Fußbereich. Erstere hat eine bedienerunabhängige Haltekraft für den Schirm, die lediglich vom Schirmdurchmesser abhängt. Letztere hat eine größere Haltekraft und ist als Hilfszugentlastung einsetzbar. Beide Ausführungen sind aufgrund der federnden Elemente rüttelsicher und wartungsfrei. im