Ein zeitweiliger SPS-Ausfall, eine instabile Messwertanzeige oder ein Kommunikationsausfall in einem industriellen Netzwerk haben selten softwarebedingte Ursachen. Häufig liegt die Ursache im physikalischen Signalweg. Der Schutz von Kabeln vor Störungen ist eine wichtige Ingenieursentscheidung, die unnötige Diagnosen, Prozessverluste und Sicherheitsrisiken reduziert.

In industriellen Umgebungen können Stromkabel, Frequenzumrichter, Motorstarter, Schütze, Schweißanlagen, Beleuchtungsanlagen und Funksysteme elektromagnetische Störungen erzeugen. Wird dies bei der Spezifikation und Installation nicht berücksichtigt, überträgt das Kabel nicht mehr nur Strom oder Daten, sondern empfängt auch Störungen. Die Folgen können von leichten Schwingungen bis hin zu fehlerhaften Befehlen, Paketverlusten und Betriebsausfällen reichen.

Störungen haben keinen einheitlichen Ursprung.

Elektromagnetische Störungen (EMI) können über Leitung, kapazitive Kopplung, induktive Kopplung oder Strahlung in einen Stromkreis gelangen. Jeder dieser Mechanismen erfordert spezifische Gegenmaßnahmen. Die pauschale Annahme, alle Fälle durch dickere Abschirmung zu lösen, ist ein häufiger Fehler und kann bei kritischen Schaltungen ein trügerisches Sicherheitsgefühl erzeugen.

Leitungsgebundene Störungen breiten sich über gemeinsam genutzte Leiter, Stromversorgungen oder Erdungsanschlüsse aus. Kapazitive Kopplung entsteht durch die Nähe von Schaltungen mit unterschiedlichen elektrischen Potenzialen, insbesondere in langen, parallelen Kabeln. Induktive Kopplung ist eher mit Magnetfeldern verbunden, die von hohen Strömen erzeugt werden, wie sie beispielsweise in Motorstromversorgungen auftreten. Abgestrahlte Störungen breiten sich wiederum in der Umgebung aus und können empfindlichere Schaltungen beeinträchtigen.

Die Analyse muss Frequenz, Sendeleistung, Entfernung, Länge des parallelen Pfades, Signaltyp und Systemimpedanz berücksichtigen. Ein Instrumentenkabel, das ein analoges Niederspannungssignal überträgt, erfordert andere Überlegungen als ein industrielles Ethernet-Kabel oder eine 24-VDC-Steuerschaltung.

Wie man Kabel in der Spezifikation vor Störungen schützt

Schutz beginnt bereits vor dem Kauf. Das Kabel muss entsprechend seiner konkreten Anwendung spezifiziert werden und nicht nur anhand der Leiteranzahl, des Nennquerschnitts und der Isolationsspannung. In den Bereichen Automatisierung, Messtechnik, Prozesssteuerung und Antriebe beeinflusst die elektrische und mechanische Konstruktion des Kabels dessen Störfestigkeit maßgeblich.

Bei analogen Signalen tragen verdrillte Adernpaare zur Reduzierung induktiver Störungen bei, da die einfallenden Felder gleichmäßiger auf beide Leiter wirken. Bei Differenzsignalen begünstigt diese Eigenschaft die Gleichtaktunterdrückung durch das Empfangsgerät. Sind mehrere Adernpaare im selben Kabel vorhanden, kann eine individuelle Schirmung jedes Paares erforderlich sein, um Übersprechen zwischen den Schaltungen zu minimieren und unabhängige Messkanäle zu schützen.

Eine kollektive Schirmung wird empfohlen, wenn eine zusätzliche Barriere für die Adernpaare oder Leiterbahnen gewünscht ist. Sie kann aus Metallband, Kupfergeflecht oder einer Kombination aus beidem bestehen. Die Wahl hängt vom Frequenzbereich, der erforderlichen Flexibilität, der Schirmabdeckung und den mechanischen Installationsbedingungen ab. Metallbänder bieten eine gute Abdeckung, während Geflechte unter bestimmten Bedingungen typischerweise eine niedrigere Impedanz und eine höhere mechanische Festigkeit aufweisen.

Bei Frequenzumrichtern und Servomotoren muss das Kabel so ausgelegt sein, dass es den Auswirkungen hoher Spannungsschwankungen, Gleichtaktströmen und elektromagnetischer Emissionen beim Schalten standhält. Standard-Stromkabel sind hierfür möglicherweise nicht ausreichend. Schirmung, Anordnung der Schutzleiter und Kompatibilität mit dem Antrieb sind Systemkomponenten, keine Zubehörteile.

Die Abschirmung funktioniert nur bei korrekter Terminierung.

Eine nicht angeschlossene, unterbrochene oder fehlerhaft geerdete Schirmung kann einen Großteil ihrer Effizienz verlieren. Bei hohen Frequenzen ist der Anschlusspunkt ebenso wichtig wie das Schirmungsmaterial. Idealerweise sollte ein 360-Grad-Kontakt zwischen Schirmung und Stecker, Kabelverschraubung oder geeignetem Befestigungselement hergestellt werden.

Lange Anschlussleitungen – also Drahtverlängerungen vom Geflecht zum Erdungsanschluss – erhöhen die Induktivität und beeinträchtigen den Wirkungsgrad bei hohen Frequenzen. Sie können unter bestimmten Bedingungen bei niedrigen Frequenzen akzeptabel sein, sollten aber nicht als Standardlösung für Systeme mit Störungen durch Wechselrichter, industrielle Kommunikationssysteme oder schnelle Antriebe angesehen werden.

Es gibt keine allgemeingültige Regel für die Erdung an einem oder beiden Enden. Bei niedrigen Frequenzen und bestimmten Gerätekonfigurationen kann die Erdung der Schirmung an nur einem Punkt Schleifenströme verhindern. In Installationen mit hochfrequenten Störungen bietet die Erdung an beiden Enden in der Regel eine bessere elektromagnetische Leistung. Die Festlegung der Erdungsmethode sollte sich nach der elektrischen Auslegung, der Erdungsarchitektur, den Empfehlungen des Geräteherstellers und den geltenden gesetzlichen Bestimmungen richten.

Physische Trennung ist eine Maßnahme mit hoher Wirkung.

Selbst ein fachgerecht verlegtes Kabel kann bei unsachgemäßer Installation Störungen erleiden. Die Trennung von Strom-, Steuer-, Mess- und Datenleitungen muss in Kabelrinnen, -kanälen, -verteilern und -kreuzungen eingeplant werden.

Vermeiden Sie längere parallele Leitungsverläufe zwischen Signalkabeln und Motorzuleitungen. Ist eine Kreuzung unvermeidbar, verringert ein Winkel von nahezu 90 Grad die Kopplungsfläche. Bei großen Anlagen sollte der Mindestabstand zwischen Stromkreisen anhand der Energie, des Kabeltyps, vorhandener geerdeter Metalltrennwände und der Prozessanforderungen festgelegt werden.

In Schaltanlagen ist die korrekte Leitungsführung entscheidend. Analoge Eingangskabel, industrielle Netzwerke und Gebersignale sollten nicht denselben Ausgangspfad wie Wechselrichter oder Schütze nutzen. Die physische Trennung der Stromkreise, die Gewährleistung durchgängiger Metalloberflächen und die Verwendung gut geerdeter Montageplatten tragen zu einer zuverlässigeren Installation bei.

Die Erdung muss als System betrachtet werden.

Das Erdungsnetz dient nicht nur dem Schutz vor elektrischen Schlägen. Es definiert auch Rückleitungspfade für hochfrequente Ströme und beeinflusst direkt das Verhalten von Abschirmungen, Gehäusen, Schalttafeln und Geräten. Lose Verbindungen, lackierte oder oxidierte Oberflächen sowie Oberflächen mit geringer Kontaktfläche erhöhen die Impedanz und beeinträchtigen die Geräuschdämpfung.

In automatisierten Maschinen und Produktionslinien ist der Potenzialausgleich von entscheidender Bedeutung. Metallkonstruktionen, Schaltschranktüren, Kabelrinnen und Gehäuse müssen eine zuverlässige elektrische Leitfähigkeit gewährleisten. Eine Schaltschranktür, die beispielsweise nur mit Scharnieren befestigt ist, bietet möglicherweise keinen ausreichenden Pfad für hohe Frequenzen. Geeignete Metallbänder und niederohmige Verbindungen können die Gesamtleistung deutlich verbessern.

Es ist wichtig zu beachten, dass eine unzureichende Erdung nicht einfach durch das Hinzufügen von Erdungsstäben behoben werden kann. Das interne elektromagnetische Verhalten der Anlage, einschließlich Potenzialausgleich und Rückleitung, muss von qualifizierten Fachleuten beurteilt werden.

Wählen Sie das Kabel entsprechend der Umgebung und der Bewegung.

Der Schutz vor Störungen darf nicht die mechanische Haltbarkeit beeinträchtigen. In Kabelträgern , Robotern, mobilen Geräten, im Bergbau, in maritimen Anwendungen oder im Freien muss das Kabel weiterhin Biegung, Abrieb, Öl, Feuchtigkeit, Sonneneinstrahlung, Vibrationen und Zugbelastung standhalten.

Unzureichende Abschirmung bei kontinuierlicher Bewegung kann reißen, ihre Schutzwirkung verlieren oder ihre Lebensdauer vorzeitig verkürzen. Ebenso kann eine zu starre Konstruktion die Installation behindern oder die Materialermüdung in dynamischen Anwendungen beschleunigen. Die Konstruktion muss EMV-Eigenschaften, Biegeradius, Biegezyklen, chemische Beständigkeit und Temperaturanforderungen optimal aufeinander abstimmen.

Hochrisikoprojekte erfordern eine dokumentarische und technische Validierung. Anwendbare Normen, Konstruktionsmerkmale, Flexibilitätsklasse, Isoliermaterial, Schirmung, Betriebsspannung und Umgebungsbedingungen müssen in der Spezifikation enthalten sein. Weicht die Anwendung von der Norm ab, können durch kundenspezifische Kabelanpassungen improvisierte Lösungen vor Ort vermieden werden.

Störungsdiagnose: Beginnen Sie mit der Route

Wenn bereits ein Fehler vorliegt, führt der Austausch von Geräten ohne vorherige Überprüfung der Verkabelung in der Regel zu höheren Kosten und längeren Ausfallzeiten. Die Fehleranalyse sollte mit der Erfassung der betroffenen Stromkreise, der nahegelegenen Stromquellen und des Kabelverlaufs beginnen. Es ist hilfreich zu prüfen, ob das Problem nach dem Einschalten eines Wechselrichters, dem Anlaufen eines Motors, dem Umschalten einer Last oder einer Änderung der Kabelführung im Schaltschrank auftritt.

Prüfen Sie die Schirmanschlüsse, die elektrische Durchgängigkeit, die Crimpverbindungen der Steckverbinder, die Unversehrtheit des Geflechts, die Trennung der Leitungswege und die Erdungspunkte. Vergleichen Sie anschließend den installierten Kabelaufbau mit den Anforderungen der Anwendung. Ein Prozessinstrument mit einem schwachen Signal, das über ein ungeschirmtes, verdrilltes Adernpaar angeschlossen ist, wird auf einer gemeinsam genutzten Leitungsstrecke kaum ein stabiles Verhalten zeigen.

Innovcable entwickelt Spezialkabel für Anwendungsfälle, in denen elektrische Leistung, Betriebsfestigkeit und Projekteignung Hand in Hand gehen müssen. Bei kritischen Anwendungen ist es ratsam, das Kabel als aktiven Bestandteil der Systementwicklung zu betrachten.

Der beste Schutz resultiert nicht aus einer einzelnen Komponente. Er ist das Ergebnis einer Kombination aus technisch geeignetem Kabel, fachgerechter Abschirmung, kontrollierter Erdung und fachgerechter Installation. Werden diese Faktoren bereits in der Planungsphase berücksichtigt, erzielt der Betrieb nicht nur eine hohe Störfestigkeit, sondern auch eine zuverlässige Vorhersagbarkeit für Produktion, Messung und Steuerung ohne vermeidbare Unterbrechungen.