Istota namiesto pochybností pri uzemnení a tienení v automatizačných systémoch - časť 1
V oblasti uzemnenia a tienenia zariadení priemyselnej automatizácie doteraz neexistovali usmernenia, ktoré by v rámci platných noriem komplexne riešili problematiku EMC. A to aj napriek tomu, že elektromagneticky kompatibilná inštalácia stroja je základom bezporuchového prenosu dát a signálov.
Takmer všetky výrobné odvetvia neustále zvyšujú úroveň automatizácie, v dôsledku čoho narastá využívanie výkonovej elektroniky, ako sú napr. frekvenčné meniče. Zvýšená dynamika (spínacia frekvencia) pohonov a komunikačné prepojenie decentrálnych periférií sú faktory, ktoré kladú čoraz väčšie nároky na elektromagnetickú kompatibilitu (EMC) súvisiacu s priemyselnými zbernicami. To dokazuje aj nedávna štúdia spoločnosti Indu-Sol GmbH, ktorá vo svojej správe Vortex 2018 vyhodnotila zistenia z viac ako 500 zásahov svojich technikov pri meraní kvality komunikácie v priemyselných sieťach. Správa uvádza, že v takmer každom štvrtom prípade boli príčinou zníženej kvality prenosu údajov problémy v oblasti EMC a vyrovnávania potenciálov. Pritom je zaujímavé, že pri zadávaní požiadavky na servis iba 7% zákazníkov uvádzalo EMC ako pravdepodobnú príčinu problémov.
Smernica EMC špeciálne pre automatizáciu
Potreba riešenia spomínaného stavu viedla svetovú asociácia Profibus & Profinet International (PI) k vydaniu nového usmernenia pre funkčné ekvipotenciálne pospájanie a tienenie v sieťach Profibus a Profinet . (obr. 1) Je to po prvýkrát, čo sa nejaká organizácia zaoberajúca sa priemyselnou komunikáciou pokúsila komplexne popísať súčasný stav technológie v oblasti uzemnenia a potenciálového vyrovnávania. V tomto dokumente sa podarilo zosúladiť najnovšie poznatky z projektovania, konštrukcie a prevádzky automatizačných zariadení s aktuálnym stavom noriem. V mnohých prípadoch možno aj malými úpravami existujúcich riešení dosiahnuť nielen zvýšenie odolnosti proti rušeniu, ale aj výrazné zníženie nákladov na práce a inštalačný materiál (obr. 2).
Obr. 1: Nová smernica o elektromagnetickej kompatibilite spoločnosti PI
Vyrovnávanie potenciálov treba projektovať
Na vyrovnanie potenciálov sa oplatí myslieť v predstihu a nie až na mieste počas inštalácie. Prax jasne ukazuje, že tzv. zosieťovaním sa znižuje záťaž systému vyrovnania potenciálov, ako aj záťaž zariadení a komponentov. Dá sa to dosiahnuť čo možno najväčším počtom krátkych prepojení medzi zariadeniami a inými vodivými časťami, takže prúd sa rozdelí a záťaž klesá. V prípade použitia lankových neizolovaných vodičov tento efekt narastá, ak sa lanko priebežne pripája ku kovovým káblovým žľabom alebo konštrukciám.
Obr. 2: Optimálny systém pospájania so sieťovou štruktúrou (vpravo) prináša výraznú úsporu nákladov a zlepšenie funkcie v porovnaní s obvyklým hviezdicovým spôsobom (vľavo)
Na zjednodušenie inštalácie ochranného a ekvipotenciálneho pospájania tzv. Common Bonding Network (CBN) vyvinula firma Indu-Sol okrem rôznych lankových vodičov aj upevňovacie prvky rady EMClots. Tieto spojovacie svorky sa pripájajú pomocou skrutkového spojenia M6x9 na elektricky vodivé časti zariadenia a umožňujú pripojenie, upevnenie a vetvenie lankových vodičov. Dôraz sa kladie na rýchlu a jednoduchú montáž, ako aj na opakované použitie komponentov v prípade prestavby alebo modifikácie.
Meranie parametrov vytvoreného systému
Ak je systém nainštalovaný podľa predpisov, musí prejsť testom počas prevádzky. Pritom je dôležité, aby plnil nielen funkciu ochrany, ale aj funkciu vyrovnania potenciálov. Na overenie parametrov sa odporúčajú použiť meracie kliešte na meranie odporu slučky napr. EMCheck MWMZ II. Pomocou tohto špeciálne navrhnutého nástroja sa dá preukázať, či je systém vyrovnávania potenciálov v súlade s normou DIN EN 50310. Ako normatívna hodnota platí, že pri frekvencii 2,3 kHz má byť odpor tieniace slučky dátového vedenia, napr. kábla zbernice, maximálnu hodnotu impedancie cca. 0,6 Ω a slučkový odpor potenciálového vyrovnania zariadenia (CBN) max. 0,3 Ω. Tým by malo byť zabezpečené, že systém vyrovnania potenciálov má nižšiu impedanciu ako tienenie dátových vedení. V opačnom prípade existuje riziko, že vysokofrekvenčné vyrovnávacie prúdy budú prúdiť cez tienenie komunikačného kábla namiesto toho, aby využívali na to určený systém vyrovnania potenciálov. V takejto situácii treba počítať s rušivými vplyvmi na dátovú komunikáciu.
Popri kontrole impedancie by sa počas prevádzky mala monitorovať aj hodnota spomenutého vyrovnávacieho prúdu. V súčasnosti sa na toto meranie používajú štandardné meracie kliešte (obr.3), ktoré merajú takzvanú strednú kvadratickú hodnotu (RMS), čo na tieto účely nestačí. Užitočné údaje na diagnostiku a analýzu môže poskytnúť iba záznam a presné zobrazenie priebehu prúdu. Viac o tejto téme v pokračovaní článku.
Obr. 3: Bežné meracie kliešte zachytia len priemernú hodnotu (efektívnu) hodnotu.