8-2-2012
EMC voor Installateurs 8 februari 2012
Elektronica faalt in de praktijk; Niet bij fabrikant & EMC testlab door:
Rob Kersten © 2012 MIW Consultants
1
Samenvatting • • • • • • • •
Even kort voorstellen EMC Ontwerpstrategie – Veiligheid Safety FIRST! Inleiding Praktijk Case Hoe lossen WIJ dit op? Conclusie Vragen
2
1
8-2-2012
Even kort voorstellen • Rob Kersten Eigenaar & Principal Consultant van MIW Consultants • Inspiratie: Maak dingen zo eenvoudig mogelijk, maar niet eenvoudiger (Einstein) • Focus: Betrouwbaarheid van complexe installaties in de (industriële-) automatisering, data centra & telecom • Bestuurslid Nederlandse EMC-ESD Vereniging zie http://www.emc-esd.nl/
3
EMC Ontwerpstrategie - Veiligheid Een zeer hoge mate van veiligheid, betrouwbaarheid en beschikbaarheid is noodzakelijk voor iedere elektrische / elektronische installatie – zeker in de (petrochemische) industrie. Dit omdat uitval van de installatie schade aan de mens en zijn omgeving kan toebrengen; iets dat een gezond bedrijf in zeer korte tijd kan doen ondergaan.
4
2
8-2-2012
Safety FIRST! 50 Vac
110 Vdc
Veilige Veilige spanning ? Spanning
Dit is GEEN “veilige Spanning” in een vochtige, medische, explosieve (ATEX) omgeving etc. DENK OOK AAN EMF! 5
Safety FIRST! Mijn eerste elektrische experiment ( ± 5 jaar oud) :
4.5 Volt =
• Ik kreeg een schok ! Is dat “kind – veilig” ? • Tegen - EMK vanuit de spoel • Is dit een serieus EMC verhaal? Zeker, het demonstreert: - Interferentie op bekabeling (demo op volgend blad) - Interferentie via de ether (hoorbaar op AM radio) - Open te staan voor onverwachte (EMC) fenomenen 6
3
8-2-2012
Demonstratie Interferentie = Storing Interferentie verzwakking
3 Volt =
Zonder ontstoring
Met diode. Prima verzwakking voor slechts 0,01 € ! 7
Teleurgesteld met het resultaat? Ideale componenten bestaan niet! Het “niet-ideale” diode schema:
Belangrijke EMC Lessen: Mechanische contacten maken / verbreken slecht Draad heeft weerstand en zelfinductie: Strooi capaciteit & zelfinductie staan zelden in schema!
8
4
8-2-2012
EMC Richtlijn en normen Volgens de EMC Richtlijn 2004/108/EC mag u: - Niet storen ! - Niet gestoord worden ! Door te voldoen aan de essentiële eisen uit de (separaat aangewezen) geharmoniseerde normen ontstaat het vermoeden van overeenstemming (dus geen zekerheid) Controle op naleving in NL door Agentschap -Telecom Zij werken reactief: Geen klacht Geen probleem Valt onder het Ministerie van Economische zaken, Landbouw en Innovatie zie http://www.agentschapnl.nl/onderwerp/ce-markering-overzicht-ce-richtlijnen
9
De drie EMC aspecten Interferentie Emissie
Interferentie Emissie
Interferentie
Interferentie
Koppeling
Koppeling
Interferentie Immuun Ontvanger
Interferentie Gestoord Ontvanger
10
5
8-2-2012
EMC: Emissie en Immuniteit Product immuniteit niveau
Robuuste Marge
Immuniteit limiet (minimum)
Minimum Marge!
– Stoornivau +
Product immuniteit limiet Product immuniteit marge
Compatibiliteitsniveau Emissie limiet (maximum) Product emissie marge
Product emissie limiet Product emissie niveau Frequentie
11
EMC • Electro Magnetische Compatibiliteit (Nederlands) • Onze linker hersenhelft werkt als booleaanse logica ZWART
WIT
• Electro Magnetische Verdraagzaamheid (Duits) • De rechter helft werkt minder star als “fuzzy” logica • Electro Magnetisch Compromis (pure noodzaak) • Gebruik bij het foutzoeken beide hersenhelften, en sluit niets uit, totdat een probleem is opgelost • 100% zekerheid komt pas na definitieve afschakeling 12
6
8-2-2012
EMC Zonering Voorbeeld: Immuniteit - Veldsterkte (in V/m) EMC Location Class
Maximum Field Strength (V/m)
Examples
A (controlled)
Case by case
1
0.3
2
1
Sensitive applications
3
3
Residential, commercial and light industrial – IEC 61000-6-1
4
10
Industrial – IEC 61000-6-2
5
30
Heavy Industrial
X (harsh)
Case by case
Equipment dependent (to be mutual agreed upon for specific projects) Very sensitive applications
Location dependent (to be mutual agreed upon for specific projects)
Potentieel conflict tussen: Specificatie van fabrikant & uw verwachting / toepassing 13
Geven EMC normen 100% zekerheid? Helaas niet - EMC normen zijn gemaakt voor typische omstandigheden; niet voor extreme condities: • 100% compatibiliteit is niet de intentie onder alle omstandigheden, maar … voor de meeste apparatuur (typisch ≈ 95%) op de meeste locaties (typisch ≈ 95%) Dit in overeenstemming met de betreffende product of generieke - norm • Goede EMC zonering, kennis en vakmanschap zijn noodzakelijk voor betrouwbare installaties 14
7
8-2-2012
Praktijk Case in Industrie
Eén van de uitdagingen Duizenden analoge & digitale signalen 15
Praktijk Case in Industrie (≈ 95% werkt prima, dus ≈ 5% niet) • In deze praktijk case behandelen wij IEEE 802.3 – “Thin Ethernet” RG58 A/U coax bekabeling • De bedoelde industriële omgeving is volgens product standaard NEN-EN-IEC 61326 “Elektrische uitrusting voor meting, besturing en laboratoriumgebruik” • Deze oplossing functioneerde zonder problemen, totdat er een “beter” (sneller) type processor IC kwam • In de praktijk ontstond een hoog uitvalpercentage • Apparatuur voldeed nog steeds aan alle specificaties Elektronica faalt; geen apparaatdefect gevonden ! is geharmoniseerde norm 16
8
8-2-2012
Praktijk Case - IEEE 802.3 10BASE2 • De installatie (klein gedeelte) PLC
I/O
I/O
I/O
Geïsoleerde interfaces T
T
1x!
RG58 Coax – 185 meter maximum
• Het probleem: Ongeveer 1 x / 15 jaar / PLC • Dus 1 probleem / 3 maanden (bij 60 PLC’s) • De oorzaken: Nog even geduld a.u.b. 17
Praktijk Case •
Vraag 1: Is er een CE verklaring voor de geïnstalleerde producten ?
•
Antwoord 1: Uiteraard !
•
Vraag 2: Zijn de installatievoorschriften opgevolgd?
•
Antwoord 2: Waar vind ik die?
•
Vraag 3: Zijn de geïnstalleerde producten bedoeld voor de EMC zone(s) van deze installatie ? Antwoord 3: Ehhhh ……. Watbedoelu ???
•
• Vraag 4: Checklist van fabrikant uitgevoerd ? • Antwoord 4: Ja; alles (b)lijkt in orde te zijn ? ! ?
• Vraag 5: Zijn er misschien meerdere oorzaken ? 18
9
8-2-2012
EMC zonering – NEN-EN-IEC 61326 PLC
I/O
I/O
I/O
T
T
NEN-EN-IEC 61326 beschrijft minimale immuniteitseisen voor o.a. de veldsterkte: Omgeving
80 MHz to 1 GHz
1,4 GHz to 2 GHz
2,0 GHz to 2,7 GHz
Gecontroleerd
1 V/m
1 V/m
1 V/m
Basis
3 V/m
3 V/m
1 V/m
Industrieel
10 V/m
3 V/m
1 V/m
Is hetzelfde als in IEC 61000-6-2 Industriële omgeving - generiek
19
IEEE 802.3 – Part 3 – Section 10 : Physical Layer Specifications 10BASE2 Details: 10.4.2.1 Electrical isolation (ingekort) The interface must provide isolation to the coaxial cable: • > 250 kΩ at 50 Hz, 60 Hz Beperkte HF • < 15 Ω between 3 MHz and 30 MHz isolatie ! 10.8.2.1 Susceptibility levels (ingekort) The interface shall meet its specifications when operating in either of the following conditions: • Ambient field strength of 1 V/m from 10 kHz - 1 GHz • Conducted interference 10 Vrms @ 10 MHz Gaat dit ook goed bij 10 V/m ?
http://standards.ieee.org/about/get/802/802.3.html GRATIS
20
10
8-2-2012
Beperkte HF Isolatie?
1Hz
Eart Loop Coupling, ELCdb, in dB
U nm
R load
R gen
Ucm
10Hz
100Hz
1kHz
10kHz
0
100kHz Frequency
1MHz
10MHz
100MHz
1GHz
10GHz 0
-20
-20
-40
-40
-60
-60
-80
-80
-100
-100
-120
-120
-140
-140
-160
-160
-180
-180
-200
-200
-220
-220
-240
-240
-260
Eart Loop Coupling, ELCdb, in dB
AARDLUSSEN (16 mogelijkheden) oorzaak van "EARTH LOOP COUPLING"
-260
-280 1Hz
10Hz
100Hz
1kHz
10kHz
100kHz Frequency
1MHz
10MHz
100MHz
1GHz
-280 10GHz
Eart Loop Coupling for unbalance circuit with 50 Ohm impedance l = 1 meter. Beide uiteinden geaard IEEE 802.3 10.4.2.1 = 9000 pF 90 pF (strooicapaciteit)
Bron : Don White – EMI Control Methodology and Procedures 21
Aardlus Demonstratie Terminator
U cm
U nm
R gen. 2
Intended Signal 1000 Hz Earth Loop Signal 50 Hz R gen. 1
RG58 Coax
Aardlus via Coaxmantel Verbinding
Ongewenst Signaal door 50 Hz aardlus
Gewenst Signaal – 1000 Hz 22
11
8-2-2012
Hoe lossen WIJ dit op ?
ZWART
WIT 23
Hoe lossen WIJ dit op? PLC T
I/O
I/O
I/O T
Samenwerking ! • Storing verzwakken? • Aarding? • Installatie bekabeling? • Montage? • Apparatuur? Het belangrijkste: EMC realistisch benaderen! 24
12
8-2-2012
Even pauzeren?
25
Storing verzwakken – Uw Voorstel? PLC T
I/O
I/O
I/O T
• Nr. 1: Stoorbron aanpakken (als dat kan)! Alleen type 31 is effectief van 1 – 250 MHz • Ferriet om coaxkabel Bron: Fair-Rite “Collision” drempel Communicatiestoring door LF aardlus
• Gebruik ander medium (10BASE5 coax of glasvezel) 26
13
8-2-2012
Aarding – Uw Voorstel? PLC
I/O
I/O
I/O
< 100mm T
T Hoe lang?
• Gebruik korte aardverbinding (lage impedantie). • Goed ontworpen “geïntegreerd aardsysteem” voor veiligheidsaarde, functionele aarde & bliksembeveiliging (minimale spanningsverschillen) PAS OP: Vaak slecht contact! 27
Installatie Bekabeling – Uw Voorstel? PLC
I/O
T
I/O
I/O T
• Gebruik RG58 triax i.p.v. coax (extra afscherming) • Separeer soorten bekabeling • Gebruik goede kabelbanen
Bron: Figuur 24 uit IEC 61000-5-2
Slecht Goed Beste Bron: Schneider Electric - EMC Guide 28
14
8-2-2012
Installatie Bekabeling Probleempjes • De echte 10BASE2 kabel (o.a. Belden 9907) • RG58 A/U is volgens 802.3 ook goed, maar … helaas niet altijd! • 10BASE5 kabel (o.a. Belden 9880) • RG 58 A/U kabels hebben verschillende diameters. Niet alle BNC connectors maken goed contact! • Collisions worden ook veroorzaakt door slecht contact in BNC connectors.
29
Montage - Uw Voorstel? PLC
I/O
I/O
T
I/O T
• Gebruik geen (oude) “gele” DIN rail of RVS materiaal i.v.m. contact problemen; wel verzinkt metaal • Gebruik de voorgeschreven (tandveer)ringen • Gebruik contactfrees en contactlak om langdurig goed contact te waarborgen en corrosie te voorkomen Bron: Rittal
30
15
8-2-2012
Apparatuur – Mijn Voorstel Oplossing 1 : 9000 pF condensatoren wegnemen Probleem opgelost op slechtste locatie Voldoet niet meer aan sommige CE – testeisen (E.F.T.) Oplossing 2 : Gebruik kleinere condensatoren Probleem opgelost, ook voor CE ! 1Hz
10Hz
100Hz
1kHz
10kHz
Eart Loop Coupling, ELCdb, in dB
0
100kHz Frequency
1MHz
10MHz
100MHz
1GHz
10GHz 0
-20
-20
-40
-40
-60
-60
-80
-80
-100
-100
-120
-120
-140
-140
-160
-160
-180
-180
-200
-200
-220
-220
-240
-240
-260
Eart Loop Coupling, ELCdb, in dB
• • • • •
Beperkte HF Isolatie !
-260
-280 1Hz
10Hz
100Hz
1kHz
10kHz
100kHz Frequency
1MHz
10MHz
100MHz
1GHz
-280 10GHz
31
Eart Loop Coupling for unbalance circuit with 50 Ohm impedance l = 1 meter.
EMC realistisch benaderen! Uw Voorstel? PLC T
I/O
I/O
I/O T
Normen specificeren de minimale eisen voor typische installatie condities (probleemloos is ≈ 90 - 95 %) • Wat kost een storing de eindgebruiker? • Wat kost garantiewerk e.d. de installateur & fabrikant? • Totale kosten tijdens levensduur project (>> inkoop) ? • Moeten WIJ hogere eisen hanteren? 32
16
8-2-2012
Conclusie: Voorkomen is beter dan genezen PLC
I/O
I/O
T
I/O
T
• EMC eisen fabrikant aanmerkelijk verzwaard • Installatievoorschriften + training verbeterd; zeker wat betreft aarding en verbindingen • Montagemateriaal + ferriet wordt nu meegeleverd • HW & SW functioneren veel robuuster • Eigenaar, Installateur & Fabrikant zijn 33
Vriendelijk dank voor uw aandacht!
Heeft u nog vragen? 34
17
8-2-2012
35
Disclaimer The author disclaims liability for any direct, indirect, consequential or incidental damages that may result from the use of the information, or from the inability to use the information or data contained within this presentation. Any terms mentioned in this document that are also registered trademark have not been clearly marked. Therefore, it cannot be concluded from an absent ™or ® marking that a term is an unregistered trademark. Equally, it cannot be determined from the text if patens or protection of utility patents apply. Copy Rights The author expresses his thanks to the International Electrotechnical Commission (IEC) for permission to reproduce Information from its International Publication IEC 61000-5-2 (1997) and IEC 62305-4 (2006). All such extracts are copyright of IEC, Geneva, Switzerland. All rights reserved. Further information on the IEC is available from www.iec.ch. IEC has no responsibility for the placement and context in which the extracts and contents are reproduced by the author, nor is IEC in any way responsible for the other content or accuracy therein. Citations from other origins are included under the applicable citation rights (i.e. the USA “fair uses policy”). The author expresses his sincere thanks to their owners.
36
18
