Jednym z warunków zapewnienia prawidłowej pracy zastosowanej aparatury w układzie sterowania jest odpowiednie rozmieszczenie tej aparatury ze względu na jej właściwości EMC. Podział na strefy EMC ma za zadanie tak rozmieścić elementy układu sterowania, aby skutecznie oddzielić źródła zakłóceń elektromagnetycznych od ofiar podatnych na te zakłócenia.

Urządzenia wchodzące w skład aparatury są przebadane przez ich producentów w środowiskach przemysłowych i spełniają wszystkie wymogi prawne EMC. Jednak przed zainstalowaniem, projektant szafy sterowniczej musi wziąć pod uwagę zalecenia producentów aparatury. Postępując zgodnie z podstawowymi zasadami montażu i usytuowania poprzez podział na strefy EMC, można zapewnić zgodność wyposażenia elektrycznego z dyrektywą EMC o kompatybilności elektromagnetycznej. Przestrzeganie tych zasad i przestrzeganie specyfikacji zawartych w dokumentacji technicznej danego urządzenia pozwala upewnić się, że projekt będzie zgodny z wartościami granicznymi EMC, a także będzie działać w sposób zadowalający.

Zakłócenia mogą docierać do układu automatyki za pomocą różnych mechanizmów sprzężenia, w zależności od medium propagacji i odległości między źródłem i ofiarą zakłóceń. Dlatego należy stosować szereg zaleceń co do lokalizacji aparatury i podziału kabli na energetyczne, sterujące (cyfrowe) i słaboprądowe (pomiarowe), które są prowadzone w osobnych korytach zarówno wewnątrz szafy sterowniczej jak i na zewnątrz.

Szerzej o źródłach i ofiarach zakłóceń można przeczytać w artykule “Sposoby redukcji zakłóceń elektromagnetycznych”.

Podczas montażu aparatury, należy oddzielać aparaturę podatną na zakłócenia od aparatury, która je emituje. Dlatego ważna jest identyfikacja potencjalnych źródeł i ofiar zakłóceń w taki sposób, aby szafa elektryczna mogła pracować zgodnie z przeznaczeniem. Nie bez znaczenia będzie dodatkowo ograniczanie zakłóceń powodowanych poprzez okablowanie. Należy przypisać kable do różnych kategorii w zależności od ich czułości na zakłócenia sprzężone i emitowane zakłócenia. Im większy dystans można utrzymać pomiędzy różnymi kategoriami kabli, tym bardziej można uzyskać niższy poziom wzajemnych interferencji między kablami ze względu na sprzężenie pojemnościowe i indukcyjne.

Zalecane rozmieszczenie aparatury sterowniczej pokazano na rysunku poniżej.

W celu spełnienia warunków kompatybilności elektromagnetycznej EMC, należy pamiętać o podstawowych zasadach:

• stosowaniu separacji źródeł i ofiar interferencji – podział na strefy EMC, oddzielne trasowanie przewodów czułych na zakłócenia sprzężone i emitowane zakłócenia,
• stosowaniu uziemienia i wyrównania potencjałów,
• użyciu przewodów ekranowanych,
• stosowaniu filtrów i obwodów tłumiących.

Ogólnie znane środki redukcji zakłóceń elektromagnetycznych nie zawsze mają pożądany efekt w każdym zastosowaniu. To, czy ekran przewodu sygnału analogowego powinien być połączony na jednym lub obu końcach, zależy na przykład od źródła interferencji i / lub ścieżki sprzężenia. Dlatego zawsze należy zwracać uwagę na specyfikację producenta zastosowanej aparatury. Dokumentacja techniczna dostarczona wraz z używanymi urządzeniami lub komponentami jest zawsze dokumentem wiążącym w odniesieniu do środków redukcji zakłóceń elektromagnetycznych. Należy postępować zgodnie z instrukcjami zawartymi w tej dokumentacji i stosować się do zalecanych zasad związanych z instalacją, obsługą i akcesoriami zgodnymi z EMC (np. ekranowanie przewodów).

Podział na strefy EMC przestrzeni szafy elektrycznej

Najprostszym sposobem wdrożenia środków redukcji zakłóceń elektromagnetycznych jest zapewnienie przestrzennego rozdzielenia źródeł zakłóceń i ofiar interferencji. Należy w tym celu:

1. skategoryzować każde urządzenie jako źródło zakłóceń lub ofiarę interferencji;
2. podzielić przestrzeń wyposażenia na strefy EMC i przypisać urządzenia do tych stref.
3. zapobiegać zakłóceniom powodowanym przez źródła zakłóceń za pomocą:
   1. wyrównania potencjałów,
   2. ekranowania,
   3. stosowania filtrów i obwodów tłumiących,
4. Zapewnić ochronę ofiarom interwencji poprzez:
   1. wyrównanie potencjałów,
   2. ekranowanie.

Poniżej przedstawiona jest przykładowa szafa elektryczna maszyny, w której zastosowano podział na strefy EMC. Można tu rozróżnić 3 strefy:

 

Strefa A: system sterowania i sensoryka (ofiary zakłóceń) np. sterownik PLC, switch Ethernet (ProfiNet) przekaźniki bezpieczeństwa, aparatura pomiarowa

 

Aby zapewnić warunek spełnienia zasad dotyczących kompatybilności elektromagnetycznej, należy najpierw sprawdzić, czy urządzenie zostało zatwierdzone do użytku w zamierzonym środowisku. Większość norm EMC rozróżnia dwa różne typy środowiska EMC: środowisk przemysłowych i środowisk mieszkalnych. Jednak terminy używane w odniesieniu do tych obszarów różnią nazewnictwem.

Specyfikacja producenta aparatury powinna zawierać informację o przynależności urządzenia do użytku w zamierzonym środowisku.

Środowisko EMC	EN 61439	EN 61000-6
Środowisko przemysłowe	Środowisko A	Środowisko przemysłowe
Środowisko mieszkalne	Środowisko B	Środowisko mieszkalne, komercyjne

Strefa B: układy zasilania i przełączające (źródła zakłóceń i ofiary) np. bezpieczniki, wyłączniki, styczniki, przyłącze sieciowe

 

Tu również obowiązuje zasada, że aby zapewnić warunek spełnienia zasad dotyczących kompatybilności elektromagnetycznej, należy najpierw sprawdzić, czy urządzenie zostało zatwierdzone do użytku w zamierzonym środowisku. Ponieważ styczniki nie zawierają żadnych obwodów elektronicznych, nie są one podatne na zakłócenia elektromagnetyczne i dlatego nie podlegają żadnym standardom EMC. W związku z tym nie jest konieczne przeprowadzanie testów odporności na zakłócenia dla tych komponentów.

Jednak ze względu na przepięcia, jakie mogą powstać podczas wyłączania obwodów o charakterze indukcyjnym za pomocą styczników, ocena zjawisk EMC musi być uwzględniona w analizie i ocenie ryzyka EMC. Wpływ przepięć musi zostać przeanalizowany, i muszą zostać wprowadzone środki tłumienia przepięć wynikających z czynności łączeniowych.

Szerzej na temat tego zjawiska pisałem w artykule “Zabezpieczenia przed przepięciami wynikającymi z czynności łączeniowych”

W momencie, gdy cewki styczników zostaną pozbawione napięcia (obciążenia indukcyjnego), występuje szczytowe napięcie wynoszące do 4 kV z prędkością wzrostu napięcia 1 kV/µs. Zjawisko to prowadzi do:

• znacznej erozji i w rezultacie przedwczesnego zużycia styków przełączających cewkę,
• wprowadzanie silnych impulsów elektromagnetycznych, które powodują zakłócenia w sterownikach elektronicznych.

Dlatego wszystkie cewki styczników powinny być wyposażone w elementy tłumiące w celu osłabienia przepięć, szczególnie wtedy, gdy cewki działają w połączeniu z wyjściami cyfrowymi sterownika PLC.

Strefa C: elektroniczne urządzenia przekształcające (źródła zakłóceń) np. przekształtnik (falownik), moduł hamowania, dławiki, filtry

 

Tu również obowiązuje zasada, że aby zapewnić warunek spełnienia zasad dotyczących kompatybilności elektromagnetycznej, należy najpierw sprawdzić, czy urządzenie zostało zatwierdzone do użytku w zamierzonym środowisku. Przetworniki częstotliwości są silnymi źródłami zakłóceń elektromagnetycznych. Prostowniki sterowane oraz przekształtniki częstotliwości generują w sieci szereg harmonicznych, które silnie zniekształcają przebieg sinusoidy napięcia, niosąc ze sobą wzrost strat mocy we wszystkich maszynach i urządzeniach zasilanych z sieci.

Zaraz po uruchomieniu przekształtnika, mogą wystąpić następujące zjawiska opisane poniżej (lista nie jest pełna):

• nagłe awarie maszyn i urządzeń, systemów informatycznych i telefonicznych bez wyraźnej przyczyny;
• błędne zadziałanie wyłączników ochronnych;
• częste awarie zasilaczy impulsowych, np. w systemach IT;
• zniszczenie kondensatorów, na przykład w systemach kompensacji mocy biernej i systemach filtrów;
• przegrzanie kabli, silników i sprzętu, które są bezpośrednio podłączone do zasilania sieciowego i urządzeń, takich jak bezpieczniki, styczniki itp.;
• hałas, na przykład w przełącznikach, silnikach i transformatorach, które są podłączone bezpośrednio do zasilania sieciowego;
• nadmierne obciążenie przewodu neutralnego, gdy wiele konwerterów / urządzeń jednofazowych pracuje na zasilaniu z prostownikami B2 (trzecia harmoniczna).

Oprócz bezpośrednich efektów, problemy mogą stwarzać długoterminowe skutki:

• Szybkie starzenie się kondensatorów i uzwojeń, np. w systemach kompensacji mocy biernej i urządzeniach elektronicznych (np. sterowniki, komputery),
• pogorszenie współczynnika mocy i zwiększenie strat energii.

Stosowanie filtrów (aktywnych i pasywnych) pozwala na wyeliminowanie zakłóceń. Filtry te umieszcza się w różnych miejscach:

• w punkcie zasilania szafy sterowniczej (filtr, dławik sieciowy),
• przed zasilaniem przekształtnika,
• pomiędzy przekształtnikiem a silnikiem (dławik silnikowy).

Filtr przed zasilaniem przekształtnika, który jest częścią systemu przekształtnika, jest dostosowany wyłącznie do tego przekształtnika i powinien być używany tylko do tego celu. W przypadku innych obciążeń należy zainstalować dostępny na rynku filtr liniowy za wyłącznikiem głównym szafy sterowniczej i bezpieczniki jak najbliżej punktu wejścia szafy. Obciążenia inne niż zasilanie przekształtnika powinny być zasilane przez ten filtr liniowy. Tego typu filtry mają za zadanie powstrzymywać energię zaburzenia wychodzącą z urządzenia i wchodzącą do sieci zasilającej.

Instalowanie filtrów sieciowych zapobiega dostawaniu się zewnętrznych zakłóceń z systemu zasilania do urządzenia. Oprócz prawidłowego zwymiarowania filtrów istotne jest również zainstalowanie ich we właściwej pozycji. Filtry liniowe należy zawsze montować bezpośrednio w punkcie wejścia szafy. Tylko wtedy prąd zakłócający nie może przepływać przez szafę, ale jest odfiltrowany wcześniej w punkcie wejścia do szafy.

Filtry sieciowe (zwane również komutacyjne) instalowane są po stronie sieci na kablach wejściowych L1, L2, L3. Redukują one wyższe harmoniczne prądu oraz ograniczają powstały z tego powodu prąd wynikający z występowania mocy pozornej o ok. 30 %. Zastosowanie filtrów sieciowych zalecane jest szczególnie podczas podłączenia wielu przemienników częstotliwości do jednego punktu zasilania i kiedy do tej sieci podłączone są inne urządzenia elektroniczne. Filtr sieciowy ogranicza impulsy prądowe spowodowane wahaniami napięcia sieci co podwyższa trwałość kondensatorów obwodu pośredniego, a co za tym idzie także trwałość przemiennika częstotliwości.

Podział na strefy EMC – co dalej?

Znając właściwości wymaganej aparatury, za pomocą której ma być zbudowana szafa sterownicza, można w odpowiedni sposób przypisać tą aparaturę do właściwej strefy. Bardzo ważne jest zapewnienie szeregu sprawdzonych zasad zapewnienia warunków kompatybilności elektromagnetycznej:

• Wszystkie urządzenia, które mają być zainstalowane w szafie sterowniczej, należy skategoryzować jako “źródło zakłóceń” lub “ofiara interferencji”.
• Po zakończeniu kategoryzacji poszczególnych urządzeń należy podzielić cały obszar instalacji lub szafy sterowniczej na strefy EMC.
• Należy podzielić strefy oddziaływania elektromagnetycznego. Można to zrobić stosując duże odległości przestrzenne (około 20 cm). W celu zaoszczędzenia miejsca można zastosować metalowe obudowy lub metalowe ścianki działowe.
• Komponenty należy zainstalować na czystej metalowej płycie montażowej. płytę montażową należy zamocować tak, aby była elektrycznie przewodząca i zrównała się z bocznymi szynami szafy, szyny uziemiającej i szyny ekranującej EMC, np. za pomocą oplatanych pasm miedzianych.
• drzwi szafy z bocznymi szynami należy połączyć za pomocą plecionego paska miedzianego, aby poprawić odprowadzanie zakłóceń o wysokiej częstotliwości.
• należy uziemić całą szafę sterowniczą zgodnie z zasadami EMC. W razie wątpliwości należy podłączyć ją również do uziemienia za pomocą plecionego paska miedzianego.

Zakłócenia mogą być skutecznie wyeliminowane przez zainstalowanie urządzeń na przewodzących płytach montażowych (goły metal). Łatwo jest chronić sprzęt przed skutkami zakłóceń, jeśli szafa sterownicza jest zaprojektowana zgodnie z odpowiednimi wytycznymi. Komponenty mocy (transformatory, układy napędowe, zasilacze) powinny być przestrzennie oddzielone od elementów sterujących (PLC, urządzenia pomiarowe). Obowiązują przy tym następujące zasady:

• efekty interferencji zmniejszają się wraz ze wzrostem odległości między źródłem zakłóceń a ofiarą;
• zakłócenia mogą być dodatkowo zredukowane poprzez instalację metalowych obudów lub metalowych ścianek działowych;
• przewody zasilające i doprowadzające energię muszą być zainstalowane w odległości co najmniej 10 cm od kabli sygnałowych.

Kolejnym etapem w zapewnieniu kompatybilności elektromagnetycznej będzie stosowanie wyrównania potencjałów i ekranowanych przewodów.

Wyrównanie potencjałów

Różnice potencjałów mogą się pojawić pomiędzy różnymi sekcjami instalacji ze względu na rozbieżności w konstrukcji systemu i poziomach napięcia. Jeżeli poszczególne sekcje są połączone ze sobą przewodami sygnałowymi, wówczas wzdłuż tych przewodów będą płynąć prądy kompensacyjne. Prądy te mogą powodować fałszowanie sygnałów. Dlatego niezbędne jest wdrożenie środków odpowiedniego wyrównania potencjałów. Im skuteczniejszy jest układ wyrównania potencjałów w instalacji, tym mniejsze ryzyko zakłóceń wywołanych wahaniami potencjału.

• Przekrój przewodu wyrównania potencjałów musi być wystarczająco duży (zgodnie z normą PN-EN 60364-5-54 minimum 6 mm² dla miedzi; niektóre opracowania zalecają stosowania przekroju 10 mm²);
• odległość między przewodem sygnałowym a jego ekwipotencjalnym przewodem musi być jak najmniejsza (efekt anteny);
• konieczne jest zastosowanie przewodu o skręconych żyłach (aby skuteczniej tłumić zakłócenia o wysokiej częstotliwości);
• przewody wyrównania potencjałów muszą być podłączone do centralnej ekwipotencjalnej szyny zbiorczej;
• każdy z ekwipotencjalnych przewodów łączących poszczególne moduły musi być poprowadzony bezpośrednio do ekwipotencjalnej szyny zbiorczej. Gdy obudowa szafy zawiera źródło zakłóceń o wysokiej częstotliwości, płyta montażowa jest często wykorzystywana jako centralna ekwipotencjalna szyna zbiorcza.

Jeśli 2 przewody jednego obwodu elektrycznego znajdą się blisko siebie, ich pola elektromagnetyczne są sobie dokładnie przeciwne i znoszą się wzajemnie, a również znoszą część pola zewnętrznego. Ten efekt neutralizacji niweluje niepożądane impulsy elektromagnetyczne pochodzące z zewnątrz przewodu i zapobiega zakłócaniu sygnałów przez szumy wytwarzane wewnątrz przewodu.

 

Systemu ekwipotencjalnego nie należy mylić z uziemieniem ochronnym. System uziemienia ochronnego ma na celu zapobieganie występowaniu wysokich napięć dotykowych w przypadku awarii sprzętu, a wyrównanie potencjałów zapobiega różnicom potencjałów.

Ekranowanie przewodów

Przewody sygnałowe muszą być ekranowane, aby chronić je przed sprzężeniem interferencyjnym. Przewody można najskuteczniej ekranować, prowadząc je przez stalowe rury, ale jest to konieczne tylko w przypadkach, gdy przewód sygnałowy musi być poprowadzony przez otoczenie narażone na znaczące zakłócenia. Zazwyczaj wystarczające jest użycie przewodów z plecionymi osłonami. Niezależnie od tego, która z tych dwóch metod ekranowania jest stosowana, skuteczność ekranowania zależy w dużej mierze od prawidłowego połączenia ekranu.

Osłona pleciona ekranu, która jest nieprawidłowo połączona lub nie jest w ogóle związana, nie ma efektu ekranowania.

Podczas stosowania ekranowania przewodów, obowiązują następujące zasady:

• w przypadku analogowych przewodów sygnałowych, ekran musi być połączony na jednym końcu z urządzeniem odbiorczym;
• interferencje niskiej częstotliwości (pętle uziemienia) mogą rozwijać się na analogowych przewodach sygnałowych, jeśli ekran jest połączony na obu końcach; w takim przypadku tylko jeden koniec ekranu może być połączony z konwerterem, drugi koniec ekranu powinien być uziemiony za pomocą kondensatora typu MKT o mocy około 10 nF / 100 V;
• ekran cyfrowych przewodów sygnałowych musi być połączony na obu końcach z obudową;
• ponieważ sygnały zakłócające często znajdują się w zakresie HF (> 10 kHz), ekran musi być połączony za pomocą złącza ekranowego odpornego na wysokie częstotliwości z dużym obszarem styku;
• magistrala ekranująca musi być połączona z obudową szafy sterowniczej na dużym obszarze styku i umieszczona jak najbliżej punktu wejścia kabla; izolacja jest odizolowana od przewodów, które następnie są mocowane do szyny ekranującej (z zaciskami wysokiej częstotliwości) lub przymocowane do niej opaskami kablowymi; połączenie pomiędzy szyną ekranującą a przewodami musi być wysoce przewodzące; szynę ekranującą należy podłączyć do szyny uziemiającej.