Schutz von Automatisierungssystemen vor Überspannung und Blitzschlag

Investitionen in Millionenhöhe, monatelange Montagephasen und vor allem die Automatisierungs- und Kommunikationssysteme, die das Managementzentrum des gesamten Prozesses bilden, können durch einen im Nanosekundenbereich eintreffenden Impuls außer Betrieb gesetzt werden. Vor allem durch Blitzschläge, netzbedingte Überspannungen, Oberschwingungen, Kopplungsimpulse und Schaltimpulse werden Automatisierungssysteme außer Betrieb gesetzt, Leiterkarten beschädigt und vor allem das Verständnis einer nachhaltigen Produktion erheblich beeinträchtigt. Neben Zeitverlusten bringen wirtschaftliche Verluste durch Systemänderungen die Unternehmen in eine schwierige Lage. Dabei können all diese Probleme durch grundlegende Maßnahmen verhindert werden. Als Zentrum für Blitzschutz empfehlen wir, bei Ihren Systeminstallationen Energie-, Daten- und Koaxialleitungen gemäß dem Prinzip des abgestuften Schutzes mit Niederspannungs-Überspannungsschutzsystemen zu schützen. Dabei sind die Koordination der ausgewählten Produkte, ihre Eignung für die Systemstruktur sowie eine fachgerechte Montage von großer Bedeutung. In diesem Beitrag erläutern wir die grundlegenden Schutzprinzipien von Automatisierungssystemen und empfehlen geeignete Produkte.

Im Rahmen der Normen IEC 62305 und IEC 61643 wird der Einsatz von innerem Blitzschutz, also Niederspannungs-Überspannungsschutzsystemen, gegen transiente Überspannungen und Blitzimpulse empfohlen. In Bauwerken mit einem äußeren Blitzschutzsystem (in unserem Land werden überwiegend aktive Fangstangen eingesetzt) müssen innere Blitzschutzprodukte zwingend verwendet werden. Das äußere Blitzschutzsystem bietet einen physikalischen Schutz, jedoch können alle empfindlichen Systeme durch eingehende Überspannungen erheblich beschädigt werden. Ein Blitzeinschlag in 2 km Entfernung oder netzbedingte Überspannungen können diese Systeme ebenfalls beeinträchtigen.

Schutz von PLC- und SCADA-Leitungen

In einem System werden zuerst die empfindlichsten Systeme beschädigt, die mit der geringsten Dauerspannung arbeiten. Automatisierungssysteme stehen dabei an erster Stelle. Gemäß den Normen sollten unsere Systeme stufenweise mit Überspannungsschutzgeräten der Klassen B, B+C, C und D geschützt werden. Betrachtet man die Gesamtkosten eines Systems, sind innere Blitzschutzsysteme, die mit sehr geringen Budgets große Leistungen erbringen, aus unserer Sicht unverzichtbar. Die in vier Kategorien eingeteilten Überspannungsschutzsysteme weisen unterschiedliche Eigenschaften und Auswahlkriterien für Energie- und Datenleitungen auf. Bei der Auswahl von Schutzgeräten für Energieleitungen sollten wir zunächst den UC-Wert, also die zulässige Dauerspannung, berücksichtigen. Nach dem Einsatz eines bei 230 V Dauerspannung geprüften B+C-Klasse-Produkts im Hauptverteilerschrank kann im PLC-Energieverteiler ein C-Klasse-Produkt verwendet werden, das ebenfalls bei 230 V geprüft wurde. Anschließend sollte an den PLC-Eingängen eine empfindliche Energieabsicherung mit 24 V oder je nach Systemstruktur 48 V erfolgen. Für alle Datenübertragungsleitungen können entsprechend den Projektkriterien Klemmen-Überspannungsschutzgeräte der Klasse D eingesetzt werden. Auf diese Weise wird ein umfassender Schutz sowohl gegen externe als auch gegen kurzstreckige Überspannungen gewährleistet. Neben dem Energieschutz sollten an allen Systemausgängen Schutzmaßnahmen der Klasse D vorgesehen werden.

Schutz von Kommunikationssystemen | Profibus-Beispiel

Betrachten wir beispielsweise ein Profibus-Gerät: Während die Ausgänge der Kommunikationsmodule mit RS-232-, RS-485- (9- oder 15-poligen) Schutzgeräten abgesichert werden, müssen CAT-6-Leitungen mit CAT-Schutzgeräten entsprechend der Systemfrequenz geschützt werden. Zusätzlich ist ein empfindlicher 24-V-Gleichstromschutz für die Energieversorgung erforderlich. Entscheidend ist die Auswahl des richtigen Produkts am richtigen Punkt. In einem Serverraum sollten über POE geführte Leitungen mit POE-CAT6-Überspannungsschutzgeräten der Klasse D abgesichert werden. Gegen Überspannungen aus dem Stromnetz sollte nach der Absicherung des Unterverteilers des Serverraums mit einem Typ-1+2-Schutz an den Steckdosenanschlusspunkten ein Schutz gegen Schaltimpulse vorgesehen werden. Der Schutz empfindlicher Energieleitungen unterscheidet sich zwischen DC und AC. Diese Produkte beginnen bei 5 Volt und können bis zu 220 V reichen, wobei die Schutzstufen von 1 kA bis 20 kA variieren. Diese Produkte, die Suppressordioden und gasgefüllte Argon-Entladungsröhren enthalten, sind für die Lebensdauer unserer Systeme von entscheidender Bedeutung. Voraussetzung ist jedoch, dass im System koordinierte Schutzgeräte der Klassen B und C vorhanden sind. Die Produktauswahl und die Montage sind an dieser Stelle von großer Bedeutung.

Die auf Hutschienen in Schaltschränken montierten Produkte für Energieleitungen werden parallel in das System eingebunden, während Produkte der Klasse D wie RS232, RS485, Cat6, RJ45, POE, klemmenbasierte empfindliche Energieabsicherungen und Telekommunikationszentralschutzgeräte in Serie montiert werden. Für einen wirksamen Schutz ist es erforderlich, an beiden Enden des Kabels Schutzgeräte zu installieren, um die nachgeschalteten Systeme abzusichern. Niederspannungs-Überspannungsschutzgeräte werden in erster Linie nach dem Imax-Wert, also der strombezogenen Schutzleistung, ausgewählt. Schaltschrank-Schutzgeräte bieten im Imax-Bereich ein breites Spektrum von 150 kA bis hinunter zu 1 kA. Gleichzeitig weisen diese Produkte auch einen Spannungswert auf, der als Up-Pegel bezeichnet wird und bis auf 0,9 Volt abgesenkt werden kann. Überspannungsschutzgeräte sind ein zentraler Bestandteil eines nachhaltigen und störungsfreien Betriebs, da sie die Überspannung auf ein für die Systeme sicheres Niveau reduzieren.

Als Zentrum für Blitzschutz empfehlen wir den Einsatz von Niederspannungs-Überspannungsschutzgeräten in Automatisierungssystemen. In der Regel wird erst eingegriffen, nachdem Systeme bereits beschädigt wurden. Um dies zu vermeiden, ist der Einsatz von Überspannungsschutzgeräten bereits während der Systeminstallation von großer Bedeutung. Für Produktauswahl, Montage und Beschaffung können Sie jederzeit Unterstützung von unserem erfahrenen Ingenieurteam erhalten.