Erschienen am: 03.03.2017, Ausgabe SPS-MAGAZIN 3 2017

Schäden durch elektrostatische Entladung vermeiden

Damit die SPS nicht der Schlag trifft

Man geht über den Teppich, die Luft ist trocken und beim Berühren der Türklinke bekommt man einen elektrischen Schlag. Was für den Menschen unangenehm, aber ungefährlich ist, kann Sensoren und elektronische Baugruppen komplett zerstören. Im Zuge der fortschreitenden Digitalisierung kommt der elektrostatischen Entladung immer mehr Bedeutung zu. Ein Grund, sich mit der Entstehung, Lokalisierung und Beseitigung von Schwachstellen näher zu befassen.


Fehlt die Verbindung zwischen den beiden Rollenbahnen, dann fließt der Entladestrom über die Datenleitungen der Sensorik
Bild: I-V-G Göhringer

Die Belastung einer SPS oder eines Sensors durch eine elektrostatische Entladung (Electrostatic Discharge, ESD) hat nur in seltenen Fällen einen sofort erkennbaren Ausfall zur Folge. Häufiger verbleiben die Defekte unerkannt in den Systemen. Bei einem späteren Ausfall lässt sich der Zusammenhang nicht mehr herstellen. Diese versteckten Fehler sind besonders unangenehm. In der Praxis können die Geräte noch einige Zeit lang gut funktionieren und sogar Funktionstests und Prüfungen bestehen. Nach und nach zeigen sie dann unbestimmte Fehlersymptome und versagen am Ende komplett. Es kommt durchaus vor, dass eine Anlage nach der Übergabe an den Kunden einige Monate einwandfrei läuft - und dann sporadisch unerklärliche Probleme auftreten, obwohl an der Anlagentechnik nichts verändert wurde.

Wie entstehen elektrostatische Entladungen?

Elektrostatische Ladungen entstehen durch die Reibung und anschließende mechanische Trennung zweier Materialien ohne oder mit nur geringer Leitfähigkeit. Man spricht hier auch von Reibungselektrizität oder dem triboelektrischen Effekt. Dadurch wird ein Elektronentransfer von einem Stoff zum anderen ausgelöst, was je nach Material zu positiver oder negativer Aufladung führt. Für die Höhe der Ladung ist die Temperatur, die Luft- und Oberflächenfeuchtigkeit sowie die Geschwindigkeit der Trennung ausschlaggebend. Je schneller die Trennung erfolgt, desto größer ist die entstehende Ladung. Beispiele sind:

  • • Reibung verschiedener Materialen aneinander
  • • Trennen von Folien, auch das Abziehen von Klebeband
  • • Umfüllen von Flüssigkeiten und Schüttgütern
  • • Mechanische Bearbeitung von Nichtleitern wie Glas, Gummi und Kunststoffen
  • • Gehen auf Kunststoffböden

Kommt ein leitfähiges Material in die räumliche Nähe, erfolgt ein plötzlicher Ladungsausgleich, bei dem ein kurzer Strom fließt - die elektrostatische Entladung. Während Menschen die Entladung ab einer Spannung von 2.000V spüren, können elektrische Bauteile schon bei einer Spannungsdifferenz von 10V beschädigt werden.

Kunststoffe sind Isolatoren

Speziell schlecht leitende Kunststoffe können sich extrem aufladen. Besonders in der Produktion und Logistik, aber auch in vielen anderen Produktionsbereichen, nimmt der Einsatz von Kunststoffen zu, sei es als hergestelltes Produkt oder als Teil der Anlage. Es gibt zwar sehr viele verschiedene Kunststoffe, aber eines haben die meisten gemeinsam - sie sind nicht leitfähig und können sich statisch auf mehrere 10.000V aufladen. Gleichzeitig führt die fortschreitende Digitalisierung im Rahmen von Industrie 4.0 in produktions- und fördertechnischen Anlagen zu immer mehr elektronischen Baugruppen. Dazu kommt, dass die Sensoren und Geräte durch die zunehmende Miniaturisierung immer kleiner gebaut werden - und zudem immer dichter an das Geschehen rücken. "Bei der Betrachtung dieser Trends wird klar, dass man dem Thema ESD zukünftig mehr Aufmerksamkeit schenken muss", sagt Hans-Ludwig Göhringer von IVG Göhringer. "Spätestens dann, wenn man aus unerklärlichen Gründen einen defekten Sensor oder eine kaputte Steuerung zum dritten Mal austauschen muss, drängt sich die Vermutung von elektrostatischen Ursachen auf."

Beispiel Transportkiste

Auf einer Transportstrecke mit Kunststoffkisten sind immer wieder Sensoren ausgefallen. Bei der Untersuchung durch IVG Göhringer hat sich herausgestellt, dass die Reibung der Transportkisten im Kurvenbereich besonders groß war. Bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 20 Prozent wurde eine Spannungsdifferenz von bis zu 35.000V gemessen. Das liegt weit außerhalb der Prüfspannung für elektronische Baugruppen. Nachdem die Luftfeuchtigkeit auf 65 Prozent erhöht wurde, sank die Aufladung unter 1.500V. Die Entladung erfolgte über die nächste Rollenbahn. "Der Strom möchte an den Ort seiner Entstehung zurück", so Göhringer. "Dazu nimmt er im wahrsten Sinne des Wortes den Weg des geringsten Widerstands." Das können Feldbusse, Datenleitungen von Sensoren und Kamerasystemen sein, in denen die Transceiver zerstört werden - oder es trifft über die Optik den elektronischen Bildwandler.

Lokalisierung der elektrostatischen Aufladung

Um solche Entladungen aufzuspüren, hat IVG Göhringer den Quicktester ESD-QT 16 entwickelt. Das batteriebetriebene Diagnosegerät erkennt die Magnetfelder, die durch die Entladeströme entstehen, und signalisiert die Störimpulse über eine LED und akustisch über eine Sirene. Bei der akustischen Signalisierung per Sirene kann sich der Instandhalter voll auf die Bewegungsabläufe in der Anlage konzentrieren, ohne dass er ständig auf ein Messgerät blicken muss. Der Tester und die Sirene arbeiten mit einer Batterie und können daher mit den Transportkisten oder zusammen mit dem Material durch die Anlage fahren, um Problemstellen zu lokalisieren. Mit der Sirene sind auch Stellen überwachbar, die für den Anwender nicht einsehbar sind. Die größten Problemfelder sind der Transport von Schüttgut sowie der Transport und die Entleerung von Kunststoffbehältern. Die Empfindlichkeit des Diagnosegeräts ist sehr fein einstellbar. Im stationären Einsatz kann der potentialfreie Alarmkontakt des Diagnosegeräts auch über die übergeordnete Steuerung ausgewertet werden. Mit der Zusatzsoftware QT-Manager lassen sich die erfassten Störimpulse direkt dem Prozessabbild zuordnen.

Konstruktive Schutzmaßnahmen

Bei der Überlegung konstruktiver Maßnahmen hilft die Klassifizierung der Werkstoffe aus ESD-Sicht:

  • • Abschirmend: Metalle haben die Schutzkategorie "abschirmend". Sie ist durch die hohe elektrische Leitfähigkeit metallischer Werkstoffe sichergestellt. Der Oberflächenwiderstand ist nach Norm unter 100
  • • Leitfähig: "Leitfähigkeit" wird bei Kunststoffen durch Graphitpartikel erreicht, welche in die Kunststoffmatrix eingebracht werden. Nach EN61340-5-1 ist der Oberflächenwiderstand zwischen 0,1 und 100k
  • • Statisch ableitfähig: Die Materialien von Schutzverpackungen der Schutzkategorie "statisch ableitfähig" haben eine Oberflächenwiderstand im Bereich zwischen 0,1 und 100G. Die Leitfähigkeit kann durch das Einbringen von Metallionen, beispielsweise Kupferionen, erreicht werden.
  • • Isolierend: Alle Materialien, deren Oberflächenwiderstand oberhalb von 100G liegt, sind aus ESD-Sicht elektrische Isolatoren. Deren Leitfähigkeit reicht nicht für den ESD-Schutz.

Das Ziel des ESD-Schutzes muss sein, das Entstehen von elektrostatischer Aufladung zu verhindern oder zumindest dafür zu sorgen, dass entstehende Ladung über einen großen elektrischen Widerstand gleichmäßig abfließen kann. Das oben erwähnte Rollenband lässt sich dadurch verbessern, dass zwischen den einzelnen Elementen leitfähige Verbindungen hergestellt werden. Passend zum Thema bietet IVG Göhringer auf dem Automatisierungstreff 2017 den eintägigen Praxis-Workshop "EMV- und ESD -gerechter Netz- und Feldbusaufbau" an.