Ochrana automatizovaných systémů řízení technologických procesů ...

Ochrana automatizovaných systémů řízení technologických procesů před přepětím a vysokofrekvenčním rušením ze strany napájení

 

V průmyslu se již řadu let k řízení technologických procesů využívá automatizovaných systémů. V současné době a to i v rámci národní iniciativy Průmysl 4.0 dochází k masivnímu nasazování elektrických a elektronických zařízení pro digitalizaci výroby, kdy již nejde o pouhou kontrolu a řízení technologických procesů, ale také o sběr dat z provozů (využívaných např. pro logistiku, pro zvyšování energetické účinnosti) a vzájemnou komunikaci mezi jednotlivými technologiemi (pro optimalizaci výrobních procesů, včasnou údržbu atd.). Z moderní továrny se stává obrovský celek, jehož části jsou vzájemně propojeny, nejen v rámci prostoru výrobního závodu, ale také s okolním světem. Již nejde o provozy s autonomními výrobními linkami (technologickými procesy), kde maximálně výstup jedné je spojen se vstupem druhé.

Aby takový celek byl schopen optimálně fungovat, musí být odolný. A to jak před vnějšími vlivy, tak před vzájemným negativním ovlivňováním jednotlivých částí výrobního celku. V průmyslovém prostředí se vyskytuje mnoho druhů rušení. Tato rušení se mohou šířit prostorem a rušení se tak dostává k elektrickým zařízením prostřednictvím elektrické a magnetické indukce, nebo se mohou šířit galvanickou cestou po vodičích nebo kovových konstrukcích.

Četnost spínacích přepětí v průmyslovém prostředí bývá mnohem vyšší, než u atmosférických přepětí. Naopak atmosférické přepětí může dosahovat mnohonásobně vyšších hodnot a intenzity. Vysokofrekvenční rušení způsobují měniče frekvence (např. u pohonů, klimatizačních jednotek, fotovoltaických a větrných elektráren), vyskytuje se v místech, kde se vytvoří elektrický oblouk (např. elektrické svařování, obloukové pece, koróna na vedení vysokého a velmi vysokého napětí), nebo je generuje další zařízení.

Ochrany před přepětím, vysokofrekvenční filtry a zároveň správné zemnění a stínění pomáhají omezovat poruchy v technologických procesech, jako chybovost, ztráta dat, přechod systému do nežádoucího stavu, časté odpojování UPS od napájecí sítě, elektrické ztráty způsobené vysokofrekvenčním rušením, zhoršení funkce zařízení, i jeho destrukce.

 

Ochrana zařízení ze strany napájení

Ochrana před přepětím se řeší již na začátku instalace a to pomocí ochran před přepětím (SPD) typu 1. Poté v každém dalším místě, kde dochází k ekvipotencionálnímu vyrovnání pro další část instalace, jako jsou podružné nebo dílenské rozváděče. Většinou se řeší pomocí SPD typu 2. K citlivým zařízením se co nejblíže instalují SPD typu 3. V prostředí s vysokofrekvenčním rušením společnost SALTEK doporučuje SPD typu 3 v kombinaci s vysokofrekvenčním filtrem i v případech, kdy toto rušení mohou způsobovat pouze SPD typu 1 založená jen na jiskřišti. Ukázka takové koncepce je na obr. 1.

 

Obr. 1. Ochrana řídicích systémů ze strany napájení nn

Zároveň je nutné nezapomenout ošetřit také všechny signalizační linky a linky informačních a komunikačních technologií (ICT) přicházející do zařízení nebo technologického procesu.

 

Použití SPD typu 3 s vysokofrekvenčním filtrem v rozvodech nízkého napětí

Zařízení jako programovatelné logické automaty (PLC), distribuované periferie, ústředny zabezpečovacích systémů (EZS) nebo požární signalizace (EPS) a další zařízení informačních technologií (ITE) bývají napájena malým napětím a zdroje tohoto malého napětí bývají většinou v těsné blízkosti napájeného zařízení. Uvedené zdroje bývají jednofázové. V takových případech stačí řešit ochranu před přepětím pouze na straně nízkého napětí u zdroje.

Společnost SALTEK má ve svém sortimentu jednofázové SPD s vysokofrekvenčním filtrem pro sítě nízkého napětí pro montáž na lištu DIN řady DA-275-DF a řady DA-275-DFi, pro montáž na plochu DA275 BFG, a DA-275-BFi2 pro montáž například do jímek, kde jsou umístěny převodníky signálu, a může být zvýšená vzdušná vlhkost. SPD řady DA-275-DFi a DA-275- BFi2 se používají v aplikacích vyžadujících prioritu ochrany, kdy při konci životnosti ochrany před přepětím SPD odpojí zařízení od napájení přerušením všech živých vodičů. V sortimentu společnosti lze také nalézt SPD typu 3 s vysokofrekvenčním filtrem jako vícenásobné zásuvky do 19" RACK stojanů nebo jako zásuvkový adaptér. Funkčnost vysokofrekvenčního filtru u SPD řady DA-275-DF je zobrazena na obr. 2.

 

Obr. 2. Příklad zapojení ochrany řady DF v síti TN-S (TT) s průběhem napájecí sítě před a za ochranou

 

Dlouhé životnosti a správné činnosti ochran řady DA-275-DF přispívá instalace ochran SPD typu 1 a SPD typu 2 podle norem ČSN EN 62305-4, ČSN CLC/TS 61643- 12 a ČSN 33 2000-5-534 před ochranu řady DA-275-DF. Příklad připojení ochran je naznačen na obr. 3.

 

Pokud SPD typu 3 s vysokofrekvenčním filtrem není těsně vedle napájecího zdroje nebo napájeného zařízení, eliminuje se vliv vysokofrekvenčního rušení šířeného prostorem pomocí stíněného kabelu.

 

Obr. 3. Příklad komplexní ochrany před přepětím i proti rušivým pulsům v jednofázové napájecí síti TN-S

 

Použití SPD typu 3 s vysokofrekvenčním filtrem v rozvodech stejnosměrného malého napětí

 

V některých případech se v průmyslových provozech využívá jeden zdroj i pro více zařízení. Takové rozvody mohou mít i desítky metrů. Zde je třeba chránit zejména citlivá zařízení (CPU, komunikační procesory atd.), neboť v průmyslovém prostředí se šíří včetně atmosférického a spínacího přepětí také vysokofrekvenční rušení (způsobené měniči frekvence, svářečkami, indukčními a obloukovými pecemi, zařízeními používající elektrický oblouk a dalšími), a to jak po vedení, tak vzduchem.

 

Pokud zdroj stejnosměrného malého napětí není instalován v bezprostřední blízkosti chráněného zařízení (těsně vedle sebe) instalují se k chráněnému zařízení SPD řady DPF (obr. 4) a to podle použitého napětí. SPD se volí s maximálním provozním napětím U_c vyšším než je napájecí napětí.

 

Obr. 4. Ochrana napájení malým napětím před přepětím při délce vedení do 10 metrů od zdroje k prvnímu zařízení

 

Při vzdálenosti prvního chráněného zařízení od napájecího zdroje větší než 10 m se instalují ochrany řady DPF před chráněná napájená elektrická zařízení a zároveň se použije ochrana před přepětím také u zdroje stejnosměrného napětí. Pro zdroje s výstupním proudem do 16 A je možné použít ochrany řady DPF nebo řady DP. Pro výstupní proud větší než 16 A se volí typ SLP-075 V nebo SLP-075 VB (SPD s nulovým unikajícím proudem), jak je zakresleno na obr. 5.

V případě, že SPD řady DPF není těsně vedle zařízení, použije se mezi SPD a chráněným zařízením stíněný kabel. Střídavá strana napájecího zdroje se řeší podle pravidel pro koordinovaný systém SPD nízkého napětí.

 

Obr. 5. Ochrana napájení malým napětím před přepětím při délce vedení nad 10 metrů od zdroje k prvnímu zařízení

 

Kontrola SPD s vysokofrekvenčním filtrem

Po bouřkách nebo při revizích se kontroluje stav SPD. Konec životnosti SPD je na uvedených ochranách signalizován opticky (terčíkem nebo světelnou signalizací) a případně i dálkovou signalizací. Toto se považuje za dostačující kontrolu.

Z důvodu, že uvedené ochrany obsahují vysokofrekvenční filtr, není možné u takto vybavených ochran měřit tzv. miliampérový bod.

 

Závěr

Ochrany před přepětím s vysokofrekvenčním filtrem naleznou své uplatnění nejen v průmyslu. Bezporuchový provoz systémů se vyžaduje v dopravních systémech na železnici i v silniční dopravě (rušení z elektrické trakce), v inteligentních administrativních budovách (zdrojem rušení jsou velké klimatizační jednotky a spínané zdroje v datacentrech) či v rodinných domech (rušivým zdrojem zde mohou být indukční varné desky).

Aby ochrana před přepětím byla účinná a zařízení fungovala co nejvíce bezporuchově, je potřeba dbát na kvalitní systém pospojování (vyrovnání potenciálu), zároveň ochránit případné instalace sítí ICT, anténní svody, fotovoltaiku, vstupy a výstupy systémů MaR (měření a regulace nebo technologie budov) a další.

Návody, rady a informace k SPD lze nalézt na webových stránkách společnosti SALTEK: www.saltek.eu.