Zaburzenia elektromagnetyczne EMI oraz radioelektryczne RFI mogą mieć negatywny wpływ na pracę zautomatyzowanego parku maszynowego, jednak istnieją sposoby ich ograniczania lub nawet usuwania.
Nawet przy zastosowaniu prawidłowych środków zapobiegawczych zautomatyzowany park maszynowy może paść ofiarą oddziaływania zaburzeń elektromagnetycznych (Electromagnetic Interference – EMI) oraz interferencji fal radiowych (Radio Frequency Interference – RFI). Podzespoły maszyn i urządzeń powinny więc być odpowiednio ekranowane i wyposażane w układy filtrujące, ograniczające te szkodliwe oddziaływania i umożliwiające ich normalną pracę.
Czym są zaburzenia elektryczne
Zaburzenia EMI i RFI to niepożądane zaburzenia elektryczne, które mogą wpływać na działanie sprzętu cyfrowego, analogowego i telekomunikacyjnego oraz na realizację procesów technologicznych. Analiza zaburzeń EMI/RFI obejmuje trzy obszary: źródła zaburzeń, medium transmisyjnego oraz odbiornika zaburzeń.
Pojęcia EMI i RFI są często używane zamiennie, jednak istnieje między nimi różnica. EMI oznacza zaburzenia o niskiej częstotliwości, czyli poniżej 20 kHz, natomiast RFI dotyczy wyższych częstotliwości, powyżej 20 kHz.
Zaburzenia EMI pod względem kierunku rozchodzenia się można podzielić na: wspólne-asymetryczne (common mode) i różnicowe-symetryczne (differential mode).
Zaburzenia wspólne-asymetryczne rozchodzą się jednocześnie w wielu przewodach i w tym samym kierunku – od źródła do odbiornika. Większość napędów zmiennoprądowych AC z modulacją szerokości impulsów (Pulse Width Modulation – PWM) generuje zaburzenia wspólne-asymetryczne o wysokiej częstotliwości. Natomiast zaburzenia różnicowe-symetryczne indukują się w przewodzie i rozchodzą się w przeciwnym kierunku niż w przewodzie uziemiającym. Powstaje coś w rodzaju kompletnego obwodu elektrycznego, z osobnym źródłem zasilania i ścieżką powrotną dla zaburzeń EMI.
Często, zależnie od częstotliwości, zaburzenia EMI są propagowane jako przewodzone lub promieniowane. Przewodzone dotyczą niższej częstotliwości i mają skłonność do rozchodzenia się w bezpośredniej bliskości ścieżki przewodu. Promieniowane to zaburzenia o wyższej częstotliwości, często wykorzystujące sprzęt elektryczny czy przewód/kabel jako antenę transmitującą zaburzenia na większą odległość.
Istnieją różne rodzaje sprzęgania się zaburzeń EMI z systemem. Sprzężenie pojemnościowe występuje wtedy, gdy impulsy napięciowe EMI, obecne w niektórych przewodach źródłowych, powodują niepożądane zaburzenia w przewodzie biegnącym równolegle. Sprzężenie to ma większe znaczenie przy wyższych częstotliwościach.
Sprzężenie indukcyjne jest zwykle związane z dużymi prądami, których przepływ powoduje powstanie pól magnetycznych indukujących prądy w innych przewodach. Ma większe znaczenie przy dużych prądach.
Sprzężenie impedancyjne wspólne-asymetryczne pojawia się, gdy prąd płynie z jednego lub wielu źródeł przez ten sam przewód.
Najczęściej spotykane źródła zaburzeń EMI w przemyśle:
-> wzmacniacze PWM i napędy DC,
-> serwonapędy,
-> napędy o zmiennej częstotliwości,
-> zasilacze impulsowe DC,
-> przełączanie obciążeń indukcyjnych,
-> instalacje oświetlenia,
-> elektryczność i wyładowania elektrostatyczne.
Źródła zaburzeń elektrycznych
W przemyśle mamy do czynienia z wieloma źródłami zaburzeń EMI. Są to m.in. wzmacniacze PWM, które często znajdują się w wielu napędach silnikowych AC. Im krótszy czas narastania impulsów napięcia wyjściowego wzmacniacza PWM, tym więcej generuje on zakłóceń w formie harmonicznych. Na przykład napęd AC o częstotliwości przełączania 4 kHz generuje wiele harmonicznych o różnych częstotliwościach, które przyczyniają się do emisji powodujących problemy zaburzeń. Częstotliwości harmoniczne mające wpływ na wrażliwy sprzęt przeważnie mieszczą się w zakresie od 8 kHz do 100 MHz i więcej.
Serwonapędy mogą generować zaburzenia podobne do powstających we wzmacniaczach PWM, spowodowane impulsami i spadkami napięcia tworzącymi się na skutek włączania i wyłączania prądu z wysoką częstotliwością przez elektroniczny układ sterujący. Zasilacze impulsowe prądu stałego DC także emitują zaburzenia EMI, i to na znacznie wyższym poziomie niż liniowe źródła zasilania.
Szybkie włączanie i wyłączanie obciążeń indukcyjnych może powodować przeskoki iskier na stykach aparatów elektrycznych, a to zjawisko również może generować zakłócenia EMI. Mogą je wytwarzać także obwody cewek styczników w czasie przełączania (fot. 1). Otwarcie styków przewdzących prąd powoduje zapalenie się łuku elektrycznego, który wywołuje szerokie spektrum zaburzeń EMI (lub zaburzenia EMI o szerokim zakresie częstotliwości). Łuk ten ma znacznie większą amplitudę, gdy wyłączany jest prąd płynący przez obciążenie indukcyjne, niż w przypadku obciążenia rezystancyjnego, czego wynikiem jest generowanie znacznie większych, niepożądanych zaburzeń.
Zaburzenia EMI mogą być wywoływane nawet przez wyładowania atmo-sferyczne. Spowodowane jest to szybkimi zmianami wartości napięcia lub prądu pioruna. Innymi źródłami EMI są elektryczność statyczna i związane z nią wyładowania elektrostatyczne. Mogą je generować w dużej ilości taśmy przenośników wykonane z nylonu lub innych tworzyw polimerowych, często używane w zakładach przemysłowych do transportu materiałów.
Urządzenia, instalacje i sygnały wrażliwe na zaburzenia EMI:
-> enkodery,
-> tachometry,
-> sygnały analogowe i aparatura pomiarowa,
-> sieci komunikacyjne i ich elementy,
-> sterowniki PLC i inne urządzenia sterowane przez mikroprocesory.
Maszyny i urządzenia wrażliwe na zaburzenia EMI
Istnieje kilka typów maszyn i urządzeń przemysłowych, których działanie jest często zakłócane przez zaburzenia EMI. Wrażliwe na nie są enkodery, wykorzystują bowiem niskonapięciowe sygnały z maszyn wirujących. Objawami tych zaburzeń są zmiany zliczeń impulsów enkoderów przy braku wirowania silników oraz niepowtarzalne zmiany położenia. Podobne objawy mogą wykazywać tachometry – np. przez nieprawidłowe wskazania prędkości obrotowej i nieoczekiwane wahania wartości tej prędkości.
Zaburzenia elektryczne w pobliżu sygnałów analogowych i przyrządów pomiarowych często mogą powodować nieoczekiwane impulsy napięciowe oraz tętnienia lub krótkookresowe odchylenia od ustalonych okresowych charakterystyk sygnału (jitter), co powoduje nieprawidłowe lub niepowtarzalne wskazania. Częściej występuje to w przypadku sygnałów napięciowych, takich jak 010 V DC. Integralność sygnałów prądowych 4–20 mA jest mniej podatna na zaburzenia.
W sieciach i podzespołach komunikacyjnych objawami zaburzeń elektrycznych prawie zawsze są: utrata komunikacji, błędy odczytu lub zapisu danych. Natomiast w przypadku programowalnych sterowników logicznych PLC oraz innych urządzeń sterowanych mikroprocesorami do objawów należą: utrata komunikacji, nieprawidłowe działanie lub uszkodzenie sterownika PLC albo procesora, nieoczekiwane wyzwalanie wejść lub wyjść cyfrowych oraz raportowanie niepoprawnych wartości przez wejścia lub wyjścia analogowe.
Usuwanie i ograniczanie zaburzeń EMI
Możliwym i najczęstszym źródłem zaburzeń EMI są przewody i kable. Na zmniejszenie zaburzeń może więc wpłynąć separacja przewodów i kabli zasilających od sygnałowych oraz użycie przewodów skręconych (skrętek) i skracanie długości przewodów/kabli. Do redukcji zaburzeń EMI można też wykorzystać wiele innych technik integracji oraz instalacji przewodów i kabli.
Ważna jest także dobra konstrukcja obudowy. Podstawę stanowi obudowa metalowa oraz płyta tylna ze stali ocynkowanej dla sterowników PLC i przemysłowych komputerów PC (IPC). Ważne jest także prawidłowe ułożenie podzespołów tych urządzeń, aby odseparować elementy i przewody zasilające od sygnałowych. Prawidłowo uziemiona obudowa, drzwiczki i panel tylny jeszcze bardziej ograniczą emisję zaburzeń EMI oraz zmniejszą wrażliwość sprzętu na zaburzenia elektryczne.
Uziemianie i ekranowanie
Prawidłowe uziemianie i ekranowanie to najtańsze i najskuteczniejsze metody ograniczania zaburzeń EMI w systemie. W pełni uziemiony system to taki, w którym występuje prawidłowy przewód uziemiający zapewniający bezpośrednią ścieżkę o niskiej impedancji do odprowadzania zaburzeń wspólnych asymetrycznych. Wszystkie punkty uziemienia powinny mieć dużą powierzchnię, aby nie wnosić dodatkowej rezystancji dla odprowadzania zaburzeń.
Uziemiające plecionki płaskie dobrze nadają się do łączenia napędów lub innych urządzeń będących źródłami zaburzeń, ze śrubowymi zaciskami uziemiającymi. Dobrą praktyką jest także użycie jak najkrótszych plecionek. Zwiększenie powierzchni ścieżki przewodzącej jest ważniejsze od zwiększania przekroju przewodu uziemiającego. Ponieważ prądy EMI o wysokiej częstotliwości płyną po powierzchni przewodów, większa powierzchnia tych przewodów daje lepszą ścieżkę (niższą rezystancję) do odprowadzania zaburzeń do ziemi. Oznacza to, że plecionki wykonane z cienkich drutów są lepsze od przewodów jednodrutowych, ponieważ mają większą powierzchnię przewodzącą – przewód typu plecionka jest więc najlepszą opcją dla uziemiania w celach redukcji zaburzeń EMC.
Przy uziemianiu ekranu przewodu/kabla połączenie należy wykonać tylko przy panelu lub źródle zaburzeń. Zasada ta odnosi się także do przewodów i kabli analogowych. Jednak w przypadku źródeł o bardzo wysokiej częstotliwości, czyli powyżej 1 MHz, najlepiej uziemić ekran po obu końcach przewodu/kabla.
Uziemienie w jednym punkcie centralnym redukuje możliwość powstawania prądowych pętli uziemienia, co może wystąpić, gdy dwa punkty uziemiające lub więcej mają lekko różniące się potencjały. Może to spowodować przepływ dużych prądów w sieci uziemienia i powstawanie większych sprzężeń magnetycznych z przewodami i kablami. Czasami nieekranowany przewód/kabel może generować mniej zakłóceń niż ekranowany i uziemiony po obu końcach, jeżeli występuje tam znacząca pętla uziemienia.
Technika filtrowania i tłumienia zaburzeń
Filtr sieciowy AC może usuwać zaburzenia z napięcia zasilającego i jednocześnie zapobiegać przedostawaniu się zaburzeń z zasilanego odbiornika do sieci energetycznej (fot. 2). Filtr sieciowy AC powinien być montowany bezpośrednio na uziemionej ramie lub tylnej płycie zasilanego urządzenia, jak najbliżej punktu wejścia przewodu zasilającego do obudowy. Ponadto, aby zminimalizować sprzężenia RF, wejściowy przewód sieciowy AC filtra powinien być poprowadzony jak najdalej od przewodu wyjściowego zasilającego urządzenie oraz wszystkich innych przewodów/kabli i obwodów elektrycznych/elektronicznych urządzenia. Filtr ten powinien być prawidłowo uziemiony i umieszczony jak najbliżej źródła zaburzeń, a długość przewodu zasilającego AC powinna być jak najmniejsza. Jeżeli przewód ten składa się z pojedynczych żył, powinny być one skręcone ze sobą. Do zabezpieczania napędów AC przed przepięciami można wykorzystać dławiki sieciowe instalowane na wejściu zasilania. Ograniczają one także wyższe harmoniczne związane z pracą napędów AC, ponieważ ich impedancja dla prądów o niepożądanych wyższych częstotliwościach jest większa niż dla prądów o częstotliwości sieciowej. Dławiki są jednymi z najczęściej zalecanych akcesoriów dla napędów AC.
Filtry indukcyjne lub dławiki sieciowe, instalowane na wyjściu napędu i połączone szeregowo z silnikiem, są wykorzystywane do zwiększania indukcyjności obciążenia, aby spełnić wymaganie minimalnej indukcyjności obciążenia dla wzmacniacza. Ponadto kompensują one pojemność linii kablowej i przeciwdziałają zjawisku fali odbitej, które występuje w długich kablach oraz systemach wysokonapięciowych. Dławiki sieciowe mogą być czasem użyte zamiast ferrytowych rdzeni przeciwzakłóceniowych lub w połączeniu z nimi.
Warto zauważyć, że napędy silnikowe mogą wymagać zastosowania swoich własnych filtrów. W niektórych aplikacjach, bardzo czułych na zakłócenia EMI, może się okazać konieczne użycie głównego filtra EMI na każdym napędzie. Inny sprzęt nie powinien być zasilany od strony obciążenia tych filtrów napędów. Istotne jest też, aby utrzymywać zrównoważone obciążenie faz zasilania. Sprzęt jednofazowy podłączony do filtra trójfazowego może spowodować asymetrię obciążenia faz i zmniejszyć zdolność filtra do tłumienia niepożądanych zaburzeń EMI.
Przełączanie obciążeń indukcyjnych, takich jak styczniki, przekaźniki oraz elektrozawory pneumatyczne, może generować wysoki poziom zakłóceń RFI. Wykorzystanie diod tłumiących podłączonych równolegle z zaciskami cewek DC oraz gasików w postaci dwójników RC (rezystor-kondensator), podłączonych równolegle z zaciskami cewek AC tych elektromechanizmów, może znacznie ograniczyć impulsy napięciowe i prądowe oraz związaną z nimi emisję zaburzeń EMI/RFI. Diody tłumiące i gasiki RC muszą być instalowane bezpośrednio przy źródle emisji zakłóceń RFI lub przy cewce elektromechanizmu.
Podsumowanie
Niezależnie od typu zaburzeń elektrycznych i typu urządzenia elektrycznego/elektronicznego wrażliwego na te zaburzenia istnieje wiele skutecznych sposobów unikania i eliminacji EMI. Postępowanie według zaleceń opisanych w tym artykule to długa droga do stworzenia systemu, który generuje niski poziom zaburzeń i sam wykazuje wysoką odporność na zaburzenia.
Jeb Moulton jest inżynierem produktu w firmie AutomationDirect.
