Są to konstrukcje służące do zabudowy komponentów automatyki, układów elektrycznych czy systemów rozdziału mocy. Gwarantują ich bezpieczną pracę, chroniąc aparaturę przed szkodliwym wpływem otaczającego środowiska i dostępem osób niepowołanych. W ich wnętrzu musi panować odpowiednia temperatura i wilgotność. By zachowały właściwości i spełniały swoje zadania, muszą być właściwie dobrane do aplikacji i panujących warunków otoczenia oraz poddawane regularnej konserwacji.
We współczesnych aplikacjach przemysłowych instalacji elektrycznych i systemów sterowania szafy są zasadniczo podstawowymi elementami infrastruktury instalacyjnej. Zastosowanie szafy sterowniczej sprawdza się w przypadku skomplikowanej aparatury, urządzeń elektrycznych, elektronicznych oraz pneumatycznych. Szafa zapewnia przede wszystkim bezpieczeństwo pracy tych urządzeń, zmniejsza ryzyko awarii i pozwala na zachowanie wymaganych wartości parametrów elektrycznych, takich jak napięcie, prąd i moc [1].
Bezpieczna eksploatacja szaf sterowniczych jest uzależniona od przestrzegania norm technicznych: zawierających wytyczne do produkcji maszyn i urządzeń elektrycznych oraz tych bezpośrednio związanych z produkcją szaf sterowniczych i rozdzielnic. Szafę powinny charakteryzować: wysoka klasa ochrony IP (ochrona przed wnikaniem pyłu i wody), wytrzymałość mechaniczna IK, odporność na korozję dostosowana do panujących warunków środowiskowych dzięki stosowaniu wysokiej jakości powłok lakierniczych. Produkt powinien także mieć certyfikaty potwierdzające wysoką jakość i zgodność z normami uznawanymi na całym świecie (UL, ATEX, certyfikaty morskie).
Normy dotyczące szaf sterowniczych
Zgodnie z normą PN-EN 61439-1:2011 – „Rozdzielnice i sterownice niskonapięciowe. Część 1: Postanowienia ogólne”, rozdzielnicą i sterownicą niskonapięciową (czyli szafą sterowniczą) jest zestaw złożony z co najmniej jednego łącznika niskonapięciowego wraz ze współpracującym wyposażeniem sterowniczym, pomiarowym, sygnalizującym, zabezpieczającym, regulacyjnym i z wszystkimi wewnętrznymi połączeniami elektrycznymi, mechanicznymi oraz częściami konstrukcyjnymi. System rozdzielczy to pełny zakres komponentów mechanicznych i elektrycznych (jak obudowy i szyny zbiorcze, jednostki funkcjonalne, np. regulatory, rejestratory, rozruszniki itd.), zgodnie z tym, jak został zdefiniowany przez pierwotnego producenta, który można złożyć zgodnie z instrukcjami pierwotnego producenta w celu wytworzenia różnych zestawów.
Szczegółowe wymagania dotyczące szaf zawarte są m.in. w normach [2]:
→ PN-EN 62208:2011 – „Puste obudowy do rozdzielnic i sterownic niskonapięciowych. Wymagania ogólne”,
→ PN-EN 60297-3-100:2009 – „Konstrukcje mechaniczne do urządzeń elektronicznych. Wymiary konstrukcji mechanicznych szeregu 482,6 mm (19 cali). Część 3-100: Podstawowe wymiary paneli czołowych, kaset, podstaw montażowych, stojaków i szaf”,
→ PN-EN 60917-2:2002 – „Porządek modularny dotyczący rozbudowy konstrukcji mechanicznych dla infrastruktur elektronicznych. Część 2: Specyfikacja grupowa. Koordynacja wymiarów interfejsów dla infrastruktur o wymiarach 25 mm”,
→ PN-EN IEC 62610-2:2018-09 – „Konstrukcje mechaniczne do urządzeń elektrycznych i elektronicznych. Zarządzanie temperaturą w szafach zgodnych z serią norm IEC 60297 i IEC 60917. Część 2: Metoda do określenia struktury chłodzenia z wymuszonym obiegiem powietrza”.
Normy związane z urządzeniami informatycznymi i telekomunikacyjnymi to:
→ PN-EN 61000-6-3:2008 – „Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC). Część 6–3: Normy ogólne. Norma emisji w środowiskach: mieszkalnym, handlowym i lekko uprzemysłowionym”,
→ PN-EN 61000-6-1:2008 – „Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC). Część 6–1: Normy ogólne. Odporność w środowiskach: mieszkalnym, handlowym i lekko uprzemysłowionym”,
→ PN-EN 50288-2-2:2014 – „Przewody wielożyłowe stosowane w cyfrowej i analogowej technice przesyłu danych. Część 2–2: Wymagania grupowe dotyczące przewodów ekranowanych, testowanych do częstotliwości 100 MHz. Przewody znajdujące się w bezpośrednim otoczeniu operatora i na sznury krosowe”,
→ PN-EN 60825-2:2009 – „Bezpieczeństwo urządzeń laserowych. Część 2: Bezpieczeństwo światłowodowych systemów telekomunikacyjnych (OFCS)”.
Jeśli chodzi o instalację urządzeń końcowych, to wymagania dotyczące tego zagadnienia zawarte są w normie: PN-EN 50310:2016 – „Sieci połączeń wyrównawczych w budynkach i innych obiektach budowlanych z instalacjami telekomunikacyjnymi”.
Rodzaj i zastosowanie kabli komunikacyjnych ujęte są w normach:
→ PN-EN 60794 – „Kable światłowodowe”,
→ PN-EN 50174-2:2018-08 – „Technika informatyczna. Instalacja okablowania. Część 2: Planowanie i wykonywanie instalacji wewnątrz budynków”.
Warto też wspomnieć o standardzie EIA-310-D, opracowanym przez organizację EIA (Electronic Industries Association). Ustala on ogólne wymagania konstrukcyjne dla szaf (cabinets), płyt czołowych (panels), otwartych stelaży/otwartych szaf (racks) i nośników podzespołów (subracks). Zasadniczo są to wymiary wewnętrzne i zewnętrzne, gwarantujące wymienność systemów mocowania. Odnośnie do szaf i otwartych stelaży ujęte są w niej trzy typy:
→ typ A – bez ograniczeń zewnętrznych wymiarów szerokości, wysokości, głębokości, wewnętrzna szerokość i wysokość według IEC powinny mieć wymiar siatki 25 mm;
→ typ B – ograniczenie wymiarów zewnętrznych i wewnętrznych, wszystkie elementy montażowe (ściany + elementy mocowania, dach + nogi ustalające/rolki, drzwi + zamki) muszą mieścić się w ramach ustalonych wymiarów;
→ typ C – ograniczenie wyłącznie w odniesieniu do wymiaru szerokości; dla wysokości i głębokości dopuszczalne są odchylenia dla elementów montażowych.
Konstrukcja
Na konstrukcję szafy sterowniczej składają się: rama, drzwi przednie z zamkiem i wkładką kształtową, plecy, płyta montażowa na pełną wysokość szafy, dach oraz zespół płyt podłogowych. Dodatkowe wyposażenie stanowią ściany boczne, cokoły, elementy transportowe, ramy wychylne i inne akcesoria do zabudowy wewnętrznej oraz zewnętrznej.
Ramę produkuje się z blachy stalowej ocynkowanej, aluminiowej, stali nierdzewnej lub tworzywa sztucznego, a drzwi, ściany oraz cokół – z blachy stalowej malowanej farbą proszkową epoksydowo-poliestrową. W warunkach występowania agresywnej korozji (w portach, na nabrzeżach, w zakładach chemicznych) stosuje się szafy ze stali kwasoodpornej. Płytę montażową i ramę wychylną wykonuje się z blachy stalowej i profili stalowych ocynkowanych, a belki montażowe – z blachy alucynkowej.
Dzięki montowaniu profili zamkniętych uzyskuje się wysoką sztywność, obciążalność oraz symetrię ramy, które pozwalają na montaż drzwi oraz osłon na dowolnej płaszczyźnie bocznej. Drzwi montowane są zwykle na czterech zawiasach, których kąt otwarcia wynosi 130°. Ich konstrukcja obejmuje ramkę usztywniającą z perforacją oraz zamek z wkładką dwupiórkową.
Obudowa
Powinna zapewnić ochronę przed porażeniem, wnikaniem obcych ciał stałych, kurzem i wilgocią. Jej dodatkowe zadanie to stworzenie warunków temperaturowych optymalnych dla pracy zabudowanych elementów elektrycznych i elektronicznych. Wymóg ten determinuje również konieczność zachowania określonej klasy szczelności, zgodnie z normą PN-EN 60529 – „Stopnie ochrony zapewnianej przez obudowy (Kod IP)” (IP – Ingress Protection). Dla szaf umieszczanych wewnątrz budynku stosowany jest stopień ochrony IP 55, a nawet – ze względu na wysokie zapylenie – IP 66. Chroni on przed dostaniem się kurzu i wody padającej pod dowolnym kątem.
Rynkowy standard to IP 55 dla szaf pełnogabarytowych, a IP 66 – dla obudów kompaktowych. W przypadku szaf instalowanych na zewnątrz budynków wymagana jest ochrona na poziomie co najmniej IP 65.
Wyposażenie typowej szafy sterowniczej
Prawidłowo dobrane i skonstruowane wyposażenie szafy sterowniczej umożliwia: zasilanie i rozdział energii elektrycznej (część siłowa), sterowanie i sygnalizację (obejmujące sterowanie elementami wykonawczymi obwodów siłowych i pomocniczych oraz sygnalizację podstawowych stanów), pomiary i regulację za pomocą sterowników dedykowanych lub swobodnie programowalnych.
Od strony zewnętrznej drzwi montowane są wyłączniki do ręcznej obsługi, lampki sygnalizacyjne i opisy lamp i łączników. Przewody okablowania zewnętrznego i wewnętrznego są dobierane zgodnie z kolorystyką opisaną w normie PN-EN 60445:2018 – „Zasady podstawowe i bezpieczeństwa przy współdziałaniu człowieka z maszyną, znakowanie i identyfikacja. Identyfikacja zacisków urządzeń i końcówek przewodów, a także samych przewodów”.
Przykładowe podstawowe wyposażenie wewnętrzne szafy stanowią: sterowniki PLC/PAC, przekaźniki elektryczne, wyłączniki nadprądowe przeciwzwarciowe, falowniki, serwonapędy, transformator napięcia zasilania, styczniki elektryczne (najczęściej trójfazowe) do załączania urządzeń dużej mocy, listwa zaciskowa do podłączenia okablowania wewnętrznego i zewnętrznego szafy.
Do eksploatacji urządzeń dostępnych dopiero po otwarciu drzwi uprawnione są wyłącznie osoby posiadające uprawnienia wydawane przez SEP.
Chłodzenie
Aby zapewnić utrzymanie właściwej temperatury wewnątrz szafy, niezbędne jest odpowiednie rozmieszczanie w jej wnętrzu urządzeń i materiałów eksploatacyjnych. Zgodnie z praktyczną, naturalną zasadą na dole umieszcza się elementy cięższe, a na górze lżejsze, co ułatwia proces montażu i sprawia, że środek ciężkości znajduje się we właściwym miejscu.
Drugą sprawą, na którą należy zwrócić uwagę, jest sąsiedztwo innych urządzeń i ich wpływ termiczny na elementy sterownicze w szafie [3]. Jeżeli urządzenie zasysa gorące powietrze emitowane przez sąsiednie urządzenie, może dojść do zakłóceń w pracy albo do awarii. Przed montażem takiej szafy w określonej lokalizacji niezbędne jest sprawdzenie danych technicznych poszczególnych urządzeń, wartości orientacyjnych oraz zasad chłodzenia (kierunek montażu, wolna przestrzeń) i zgodności elektromagnetycznej (EMC).
Jeżeli elementy oddają ciepło i są umieszczane jeden nad drugim, muszą być zachowane wymagane minimalne odstępy między nimi. Celem jest zapewnienie niezakłóconego przepływu powietrza i zachowanie drożności kratek wentylacyjnych – uniknięcie ich przysłonięcia. Natomiast zgodność elektromagnetyczną uzyskuje się, zachowując maksymalną długość, przeważnie ekranowanych, kabli mocy dla przewodów silnikowych i sieciowych.
Elementy wewnątrz szafy sterowniczej należy rozkładać jednoliniowo. Natomiast w przypadku zabudowy wielopoziomowej konieczne jest poprowadzenie powietrza chłodzącego przez kanały albo zastosowanie dodatkowych filtrów.
Wentylację mechaniczną wykorzystuje się tylko w specyficznych aplikacjach (np. rozdział mocy), gdy szafy są zabudowane w czystych rozdzielniach, które najczęściej mają własną klimatyzację. Poza tym zazwyczaj stosuje się wentylatory filtrujące wraz z filtrami wylotowymi. Przy większych stratach ciepła wewnątrz szafy lub warunkach zewnętrznych, które generują wysokie temperatury, stosuje się klimatyzatory naścienne lub wymienniki woda-powietrze, które współpracują z systemem chillerów (agregatów chłodzenia cieczy).
Ogrzewanie
Jeżeli szafa znajduje się na zewnątrz pomieszczenia, konieczne jest ogrzewanie jej wnętrza. Ogrzewa się je najczęściej za pomocą samoregulujących, antykondensacyjnych ogrzewaczy, które mogą być wyposażone w wentylatory. Dla lepszej cyrkulacji powietrza elementy grzejne umieszcza się w dolnej części szafy. Jeżeli docelowa temperatura ma wynosić 20°C, moc grzewcza typowych ogrzewaczy mieści się pomiędzy 10 a 800 W.
Można też stosować grzałki – z wentylatorami lub bez. W przypadku grzałek bez wentylatorów stosowane są regulatory temperatury wewnętrznej lub cyfrowe regulatory temperatury ze wskaźnikiem. Regulowanie pracy grzałki w oparciu o higrostat pozwala zapobiegać powstawaniu kondensatu. Jeżeli trzeba ogrzać jednocześnie kilka szaf, można zastosować większą liczbę grzałek o mniejszej mocy.
Wilgotność
Wilgoć, połączona z obecnością agresywnych gazów i kurzu, wywołuje korozję, która jest szczególnie szkodliwa dla wyłączników, przekaźników, zabezpieczeń. Dla podzespołów elektronicznych najgroźniejsza jest praca przy wysokiej wilgotności powietrza, znaczne wahania temperatury w rytmie dobowym oraz instalacja na zewnątrz.
Wilgotność powietrza nie stanowi problemu, dopóki nie przekracza 60%, ale kiedy wynosi już ok. 65%, mogą wystąpić problemy. By ich uniknąć, należy utrzymywać wewnątrz szafy rozdzielczej temperaturę ok. 5°C w przypadku występowania ujemnych temperatur zewnętrznych.
Aby temperatura wewnątrz szafy nie spadła poniżej punktu rosy, ogrzewa się ją grzałką elektryczną sterowaną higrostatem. Poziom szkodliwej kondensacji pary wodnej określa się za pomocą wskaźnika wilgotności względnej. Wskazuje on zależność między aktualną zawartością pary wodnej w powietrzu a maksymalnym poziomem zawartości pary, mierzonym w najczęściej występującej temperaturze danego miejsca (i jest wyrażony w procentach).
Środowisko panujące w szafie można monitorować 24 godziny na dobę. Jeżeli celem jest wyłącznie monitoring (bez zarządzania dystrybucją energii), można z powodzeniem stosować do tego celu EMS (environment monitoring system) – inteligentny system zdalnego monitorowania, który umożliwia kontrolowanie środowiska i zasilania poprzez sieć Ethernet. System EMS ma konstrukcję modułową. Kompletny rozproszony system monitoringu tworzą: jednostka centralna (master), jednostki wykonawcze (slave), koncentrator (hub) oraz nadzorowane listwy zasilające.
EMS ma bardzo szeroki zakres zastosowania, jak serwerownie, rozproszone systemy monitorowania szaf oraz wszelkie inne aplikacje, które wymagają zdalnego nadzoru. W ramach przykładowej konfiguracji znajdują się maksymalnie 4 nadzorowane listwy zasilające, 2 czujniki temperatury i wilgotności, 2 czujniki otwarcia drzwi oraz czujniki dymu i zalania. EMS ma jednak więcej przydatnych funkcji: kontroluje napięcie zasilania, obciążenie prądowe, temperaturę oraz wilgotność. Za jego pomocą można też odczytywać stan liczników mocy na listwach.
System EMS potrafi monitorować środowisko panujące w wielu szafach. W rozbudowanym systemie monitoringu bardzo często stosuje się połączenie łańcuchowe, a także specjalny koncentrator (hub), dzięki któremu jednostka centralna może kontrolować maksymalnie 11 jednostek wykonawczych. Wszystkie zdarzenia, które zachodzą w systemie, są zapisywane w dzienniku, z którego można skorzystać w każdej chwili. W ramach EMS istnieje też opcja zdefiniowania wielu użytkowników i ich kompetencji w zakresie dostępu do nadzorowanych szaf.
Konserwacja szafy
Należy wykonywać ją regularnie, nie rzadziej niż raz na rok, a przeprowadzone czynności zapisywać w dokumentacji. Konserwacja urządzeń, które znajdują się w środku, powinna być dokonywana zgodnie z instrukcją producenta, z uwzględnieniem warunków eksploatacji i otoczenia szafy.
Podczas prac konserwatorskich trzeba przede wszystkim sprawdzić ruchomość zawiasów i spryskać je środkiem smarującym. Kolejny ważny element to zamek, który konserwuje się środkiem smarnym niezawierającym wody. Uszczelki uszkodzone w obszarze styku krawędzi wymienia się w całości. By zapobiec uszkodzeniom na skutek przymarzania uszczelek pod wpływem niskich temperatur, stosuje się talk, wazelinę czy wosk.
Kolejna kwestia to uszkodzenia zewnętrzne, które usuwa się zgodnie z zaleceniami producenta szafy. Niewielkie zarysowania zeszlifowuje się, usuwając korozję i zabrudzenia, a następnie pociąga powierzchnię specjalnym lakierem naprawczym. W przypadku uszkodzeń dużej powierzchni, po oszlifowaniu oczyszcza się ją benzyną ekstrakcyjną i pokrywa lakierem naprawczym. Powierzchnie szaf stalowych zabezpiecza się politurą do powierzchni [4].
Aleksandra Solarewicz – publicystka, od 1997 r. współpracuje z prasą branżową.
Literatura
- Cert Partner, „Czym jest szafa sterownicza?”, Automatyka.pl, 09.05.2017 r., www.automatyka.pl/artykuly/czym-jest-szafa-sterownicza-127690-6.
- H. Lohrey, „Szafy sterownicze – wiedza ekspertów”, Biblioteka Techniczna Rittal, Tom 3, Warszawa 2014, dostępny w Internecie: www.rittal.com.
- „Prawidłowe chłodzenie szaf sterowniczych. Cz. 1. Budowa szaf sterowniczych a wymagania odnośnie chłodzenia”, Klimatyzacja.pl, 23.12.2009 r.,
www.klimatyzacja.pl/chlodnictwo/artykuly/meble-chlodnicze-i-zamrazalnicze/prawidlowe-chlodzenie-szaf-sterowniczych-cz-1-budowa-szaf-sterowniczych-a-wymagania-odnosnie-chlodzenia. - D. Żabicki, „Eksploatacja obudów i szaf sterowniczych – minimalizowanie ryzyka awarii”, Industrial-Monitor.pl, www.industrial-monitor.pl/artykuly/578-eksploatacja-obudow-i-szaf-sterowniczych-minimalizowanie-ryzyka-awarii.
