Norwegian English Svenska Polish

EMI/EMC og modbus kommunikasjon EMI/EMC og modbus kommunikasjon

EMI/EMC og modbus kommunikasjon

Håvard
Håvard

Hei,

Har en Modbus RS-485 link bestående av 30 slaver i Ex-område. Hver slave har en kontroller som overvåker smart termostater benyttet for heat-trace (230V) av kritiske linjer. Kontrollere er montert i en sertifisert Exe boks i felt, der både elektro kabel (230V) og modbus kabel er terminert.  Vi har over tid hatt problem med feilmeldinger på modbus link (timouts, framing error’s), og etter en oppgang der vi testet med å reduserte antall slaver og gikk over all kabel skjerm så har antall feilmeldinger gått ned. Da vi har benyttet en standard instrument kabel (BFOU), og ikke en RS-485 kompatibel kabel (shielded twisted pair), har vi konkludert med at vi har ett EMI problem. Så planen er nå og splitte linken i to (15 slaver per link), samt bytte ut kabel til en RS-485 kabel.

Kabelen vi nå skal benytte er en spesifikk RS-485 kabel som har 120ohms impedans samt har «shielded twisted pairs». Den er i tillegg armert. Skjermen består av foil + braid + drain wire. Ifm. terminering av skjerm i forhold til EMI/EMC, så har eg blitt anbefalt å bruke en EMC clamp på kabel-skjerm i kontrollsystem-enden for å ta av støy direkte til PE-jord – samt at skjerm termineres til PE skinne ute i hver Ex boks med kontroller.

For meg som instrument mann er eg vant til at kabel skjerm på instrument kabler flyter i felt, og er jordet i IE jord i kontrollsystem enden (ref. NEK EN 60079-25 / 60079-14). Det og bruke PE jord til dette blir litt feil når man tenker vanlig instrumentering. Men har skjønt at dette ikke gjelder når man har problemer med for eksempel EMI (60079-14), og NEK 400:2014 444.4.2 sier at «det bør etableres utjevningsforbindelse mellom kablers metallskjerm og det felles ekvipotensialiseringssystemet»

Spørsmål:

1. Er det korrekt at eg terminerer kabelens skjerm til PE-jord på instrument RS-485 kablene som beskrevet over? Eventuelt om det er noe mer eg kan gjøre for å redusere EMI?

2. Lurte også på om dere har noen kommentarer til at vi har konkludert med at vi har ett EMI problem? Dette er basert på at vi i dag har benyttet en BFOU kabel, samt at feilmeldinger gikk ned etter at vi reduserte antall slaver samt gikk over all skjerming (fikset brudd, bedre tilkobling/terminering).

3. Er det mulig å gjøre noen støy reduserende tiltak slik at vi kan beholde dagens instrument kabel (BFOU)? Kabel skjerm er i dag «flytende» i felt.

Takker for ett veldig bra forum!

Mvh

Håvard

Re: EMI/EMC og modbus kommunikasjon

Re: EMI/EMC og modbus kommunikasjon
Rune Øverland
Forumleder

Hei Håvard,

Tusen takk for spørsmålene, og din interesse for faget. Du har mange gode spørsmål, så jeg vil svare deg litt etter hvert.

1. Min vurdering av problemet

Basert på hva du skriver vil jeg si at du/dere har (hadde) EMI. Men, hva kan årsaken være? Jeg tror, og er ganske sikker på, at dette skyldes fenomenet spenningsrefleksjon.

Det er svært viktig at kommunikasjons-bussen for RS-485 har korrekte ende-termineringer. Impedansen (motstands-verdien) skal være lik kabelens impedansverdi. Ofte er kabelimpedansen 120 ohm, men ikke alltid. 

Din BFOU-kabel har mest sannsynlig en kabelmotstand på 12,2 ohm pr kilometer, men hva som er kabelimpedansen mellom lederne, nei det vet jeg ikke. Kanskje er kabelimpedansen 120 ohm, kanskje ikke.

RS-485

For å unngå spenningsrefleksjon skal man ha ende-termineringer som matcher kabel-impedansen. Hvis ikke vil spenningspulsen, som en RS-485 'Driver'-krets sender ut, reflekteres tilbake når spenningspulsen kommer til enden av kobberlederen, og 'legge seg oppå' den neste spenningspulsen som 'Driver'-kretsen sender ut. Og, dermed blir det komplett kaos på Modbussen.

'Reveicer'-kretsene vil mest sannsynlig ikke klare å dekode spenningspulsene på bussen, og feilmeldinger kan oppstå. Jeg tror det er dette som har skjedd i ditt tilfelle.

Jeg tror ikke problemene skyldes ekstern støy som ødelegger signalnivåene på RS-485 bussen.

Jeg tror det nødvendigvis ikke er feil å bruke en standard BFOU-signalkabelen, men uansett må det vær ende-termineringer på kabelbussen som perfekt matcher kabelimpedansen. Hvis det er vanskelig å vite sikkert hva denne kabelimpedansen er, kan et tryggere valg være å bruke en datakabel med kjent impedansverdi, for eksempel 120 ohm.

Re: EMI/EMC og modbus kommunikasjon

Re: EMI/EMC og modbus kommunikasjon
Rune Øverland
Forumleder

2. Terminering av kabelskjerm(er)

Hva som er riktig, eller tilstrekkelig god nok termineringsfilosofi, eller normal filosofi kan være rom for diskusjon.

Generelt vil jeg si dersom kabelen har «Braid» og «Foil» samt «Drain Wire»:

«Braid» ville jeg bruke til å drenere eventuelle opplagret statisk elektrisitet (ESD – Electro Static Discharge) fra feltinstrumentet og sende dette til «skitten jord», det vil si PE. Dersom feltinstrumentet er jordet via strukturen kan man jo stille seg spørsmålet om man egentlig trenger å bruke «Braid» for å drenere ESD inn til sikkerhet område. Men, det kan være organisatoriske situasjoner jeg ikke har oversikt på. Så, kanskje jeg velger å terminere «Braid» til feltinstrumentet likevel. Da har jeg to dreneringsveier av ESD. En via «Braid» og en via feltinstrumentets montasje til strukturen.

«Braid» har dårlig, det vil si for høy impedansverdi ved høyfrekvent støy. Den er uegnet for dette formål. «Braid» er der for ikke egnet å bruke som et «skjold» mot ytre høyfrekvent støy (luftbåren støypåvirkning).

Dobbelskjerm

«Foil» derimot har ypperlige barriereegenskaper mot ytre støy. «Foil» har også ypperlige dreneringsegenskaper. Det kan være utfordringer med å terminere «Foil», og derfor har kabelprodusenten gitt oss en «Drain Wire» for dette formålet.

Basert på kabelens lengde, kan det ofte være tilstrekkelig med å ha ett dreneringspunkt for den høyfrekvente støyen. Og, ofte velger man den ‘rene’-jordskinnen; det vil si IS-/IE-jordskinnen for dette formålet.

Dersom støykilden er ute ved feltinstrumentet, og det er langt kabelstrekk, kan det bli et betydelig spenningsfall i «Foil» når støystrømmen skal hele veien til IS-/IE-skinnen. Da gir regelverket anledning til å terminere «Foil» også ute ved feltinstrumentet. Dermed reduseres dreneringsdistansen, og spenningsfallet i «Foil».

En mulig ulempe med å terminere «Foil» i begge ender, er hva vi kaller sirkulerende jordstrømmer. Dersom jordpotensialet ute ved feltinstrumentet er forskjellig fra jordpotensialet på IS-/IE-skinnen, kan det gå uønskede jordstrømmer i «Foil». Da er det ofte bedre å bryte denne strømbanen ved å bruke galvaniske skiller, eller bare terminere "Foil" i en ende, og normalt da i sikkert område.

NEK EN 60079-25 / 60079-14 beskriver hva som er normal termineringsfilosofi, og beskriver også mange unntak fra hva som oppfattes som 'normal'.

Re: EMI/EMC og modbus kommunikasjon

Re: EMI/EMC og modbus kommunikasjon
Rune Øverland
Forumleder

3. Beholde BFOU-signalkabel?

Som jeg nevnte innledningsvis er det helt essensielt at ende-termineringene på RS-485bussen har lik impedans som kabelimpedansen. Hvis ikke, ja da har du et spenningsreflesjonsproblem!

Så, jeg tror det er forsatt mulig å bruke din BFOU-kabel, men sørg da for å få riktig verdi på ende-termineringene.

Det er ihvertfall ikke dumt å ha revolverte ledere (Twisted pair), men dette er strekt tatt ikke nødvendig hvis man ikke har luftbåren støy å ta hensyn til. 

Dersom det er jordstrømmer i strukturen der hvor kommunikasjonskabelen er forlagt (kabelgater etc), kan det vises at ulike måter kabellederne er arrangert på, gir ulike grader av beskyttelse. Nedenfor vises eksempler på kabelkonfigurasjoner, og immunitet mot luftbåren støy via jordstrømmer i 'nabo'-strukturen.

Har man 20 revolveringer per meter, er dette bedre enn null revolveringer . Og, har man 60 revolveringer per meter, er dette bedre enn 20 revolvergnier per meter.

Ulike konfigurasjoner

Re: EMI/EMC og modbus kommunikasjon

Håvard
Håvard

Hei Rune,

Takker få mye for tilbakemelding.

Ref. svar 3. Beholde BFOU-signalkabel?

Angående kabel impedansen på BFOU kabelen som er installert i dag, så er ikke dette spesifisert i datasheet. Men mulig dette er noe som er mulig å få oppgitt fra leverandør. Angående kontroller (NGC-20-C-E), så er denne levert med en "internal RS-485 EOL (uten at det står spesifisert størrelse). Men dersom denne er mulig å skifte ut, og eg matcher denne med kabel impedansen, så bør dagens kabel slik eg har forstått det kunne beholdes?

Men...BFOU kabel vi har installert har ikke "shielded twisted pairs" - par er kun "revolvert". Kontrolleren (NGC-20-C-E) spesifiserer "shielded twisted pairs" skal benyttes. Kan dette være et problem? Eg kom frem til at dette designet er pga. EMI :

A twisted pair is simply a pair of wires of equal length and twisted together. Using an RS-485-compliant transmitter with twisted-pair wire reduces two major sources of problems for designers of high-speed long-distance networks: radiated EMI and received EMI. It works on a very simple principle: as the signals on the wires are equal but opposite, the radiated signals from each wire will also tend to be equal but opposite. This has the effect of canceling each other, meaning that there is no net radiated EMI. However, this result is based on the assumption that the wires are exactly the same length and in exactly the same location. Because it is impossible to have two wires in the same location at the same time, the wires should be positioned as close to each other as possible. Twisting the wires so there is a finite distance between the two wires helps counteract any remaining EMI.

Ref. svar 2. Terminering av kabelskjerm(er)

Angående kabel skjerm for RS-485 kabel vi lurer på å bytte til: Denne har 2 "skjermer" som er i kontakt - en foil og en type braid utenpå. Noe som dette : https://www.2mkablo.com/en/data-transmission-cables/li2y-st-ch-rs-485. Regner med at denne "ekstra" skjermen er for å forbedre electro-magnetic interference. Vår kabel har i tillegg galvanisert flettet stålarmering mellom innerkappe og ytterkappe - type braiding på vanlig instrument kabel (datasheet på faktisk kabel er ikke tilgjengelig på nett)

Armeringen på kabel legges til PE, men i forhold til denne "doble skjermen" så har eg blitt anbefalt å bruke en EMC clamp rundt kabel-skjerm i kontrollsystem-enden for å ta av støy direkte til PE-jord – samt at skjerm termineres til PE skinne ute i hver Ex boks med kontroller. Men mulig dette blir feil ref. tilbakemelding under? Dvs. den "doble" skjermen bør legges til IE i kontrollsystem enden, og "flyte" i felt?

Takker for all hjelp og input :-)

Mvh

Håvard

Re: EMI/EMC og modbus kommunikasjon

Re: EMI/EMC og modbus kommunikasjon
Rune Øverland
Forumleder

Du skriver: "Men dersom denne er mulig å skifte ut, og eg matcher denne med kabel impedansen, så bør dagens kabel slik eg har forstått det kunne beholdes?"

Vurdert ut fra et EMI/EMC-perspektiv: Ja, hvis EOL ("End Of Line resistor") kan erstattes og ha samme impedans som kabelen, ja da unngår du spenningsrefleksjon på databussen.

Jeg har ikke vurdert Ex-betraktninger på det ovennevnte, da jeg ikke kjenner kabelparametere (L induktans og C kapasitans) og verdien på EOL (R resistor).

Re: EMI/EMC og modbus kommunikasjon

Re: EMI/EMC og modbus kommunikasjon
Rune Øverland
Forumleder

Du skriver: "shielded twisted pairs" skal benyttes"

Utvilsomt vil revolverte lederpar, hvor lederparet har separat EMC-skjerm, gi beste beskyttelse mot luftbåren, ytre støypåvirkning, men også immunitet mot andre støykilder i kabelen (hvis den har andre ledere som brukes). Basert på en risikovurdering av anlegget, vil man kunne konkludere om dette med "twisted pair" er nødvendig eller ikke.

Hvis man ikke har kjennskap til "trussel"-bildet, ville jeg valgt "shielded twisted pairs"- Det gir best barrière, immunitet mot støy. "Twisted pair" gir også egen-immunitet. Den lille strømmen, som går i lederne, vil være motsatt rettet (tur-retur). Derfor vil strømmen, som setter opp et magnetfelt, nulles ut. Og, dette er positivt ut fra et EMC-synspunkt.

Re: EMI/EMC og modbus kommunikasjon

Re: EMI/EMC og modbus kommunikasjon
Rune Øverland
Forumleder

Du skriver: "2 "skjermer" som er i kontakt"

Når "Braid" og "Foil" har elektrisk kontakt med hverandre, ville jeg absolutt ikke terminere "Braid" til PE. Dersom det er støy på PE, hvilket er ganske sannsynlig, vil dette også bre seg ut på "Foil". Dette ville i så fall være dumt. Da kan den ledningsbårne støyspenningen fra PE smitte over på databussen grunnet fenomenet kapasitiv kobling (forårsaket av potensialforskjeller mellom signalleder og kabel-Foil).

22e51ca7-3adc-40d9-ac5c-60009fe1780bli2ystch-rs-485.jpg

I og med at RS-485 bruker 'balansert' datakommunikasjon, hvor det er spenningsforskjellen som er av betydning, og ikke spenningsverdien i forhold til et referansepotensial (jord), er det likevel mindre sannsynlig at en støyspenning på "Foil" vil tulle til datakommunikasjonen. Den kapasitive koblingen mellom "Foil" er lik mot begge daakommunikasjonsledere. 

Re: EMI/EMC og modbus kommunikasjon

Re: EMI/EMC og modbus kommunikasjon
Rune Øverland
Forumleder

Du skriver: "Dvs. den "doble" skjermen bør legges til IE i kontrollsystem enden, og "flyte" i felt?"

Her fins det flere riktig løsninger. 

Hva som er ofte er godt nok:

  • Der hvor det er behov for EMC-skjerm, skal EMC-skjermen normalt termineres i den ene ende, og normalt i sikkert område.

    Filosofien bak dette er å bryte strømbanen hvis det ellers hadde vært muligheter for sirkulerende jordstrømmer.

60079-14 normalt

 

Og, hva som er enda bedre ... hvis

  • det elektriske anlegget er vedlikeholdt slik at det er stor sannsynlighet for at potensialforskjellen er liten i begge ender av kabelen (ikke potensial for sirkulerende jordstrømmer), da skal/bør EMC-skjermen termineres i begge ender (to dreneringsteder for støy er bedre enn ett drenasjested!)

60079-14 unntak b

Re: EMI/EMC og modbus kommunikasjon

Håvard
Håvard

Hei,

En liten oppdatering angående diskusjoner under

Da har vi prøvd å endre ende-termineringene på RS-485bussen slik at disse er lik kabelimpedansen på BFOU kabelen vi har brukt. Det viste seg at dette ikke forbedret systemet (får de samme time-out meldinger som tidligere). Så ut i fra diskusjon under har vi konkludert med at vi ikke har problem spenningsrefleksjon på systemet vårt (?)

Da vi tidligere testet med å reduserte antall slaver så forsvant feilmeldingene, så vi vurderer nå å splitte linken opp og beholde dagens BFOU kabel - før vi eventuelt går til det skritt å bytte ut all kabling til en spesifikk RS-485 kabel.

Mvh

Håvard

Digital security (E-Learning)

In our digital everyday life, it is important that everyone has conscious use of the internet, PC and mobile phone. Learn how to protect yourself from fraud and loss of sensitive information.

Read more

FSE Low-voltage (E-Learning)

Increase safety for all who work with electric installations, providing a safe, accident-free working environment, for you and your colleagues.

Read more

EKOM – Fibre Optic Installations (Classroom)

Courses for personnel working with fiber optic installations covered by the National Communications Authority's (Nkom) authorization regulations.

Read more

EKOM – NEK 700: Calibration Systems and Communication Networks (Classroom)

Courses for personnel working with electronic communications networks covered by the National Communications Authority's (Nkom) authorization regulations.

Read more

Electromagnetic compatibility - Basic (Classroom)

Basic course on noise sources, grounding and regulations for electricians, automation technicians, project and operational engineers.

Read more

Earthing in offshore electrical installations (Classroom)

Earth methods in electrical installations offshore.

Read more
Trainor.no

We're sorry! Trainor.no no longer supports older versions of Internet Explorer.

Please upgrade to a newer version here or change your browser, e.g. to Google Chrome.

For more information or help, please contact us.

Trainor handles personal information and uses cookies. Read more here.
eng