W większości przedsiębiorstw przemysłowych instalacje zasilania, sterowania i teletransmisji są zrealizowane w sposób tradycyjny, to znaczy taki, gdzie wszystkie instalacje są fizycznie rozdzielone (osobne kable, przewody), pomimo tego, że w przeważającej części biegną w tych samych kanałach kablowych. Jednak wzrost popularności systemów sieciowych typu Ethernet czy magistralnych sieci sterowania powoduje stopniową niewydolność takich rozwiązań. Ponadto pojawiły się również technologiczne możliwości złamania monopolu tradycyjnego podejścia do instalacji, dzięki coraz popularniejszej w systemach magistralowych transmisji w jednym kablu zarówno energii zasilającej urządzenia sieciowe, jak danych wysyłanych do i z tych urządzeń lub wręcz transmisji danych przez istniejące już kablowe linie zasilające. Warto, by inżynierowie pracujący w przemyśle znali te najnowsze rozwiązania technologiczne, umieli odnieść je do uznanych w środowisku tradycyjnych metod organizacji sieci kablowych i dzięki temu potrafili optymalnie dostosować układy instalacyjne w swoich zakładach.
Podejście tradycyjne
Tradycyjna metoda tworzenia niezależnych instalacji kablowych dla sieci zasilającej i sygnałowej opiera się na kilku popularnych w przemyśle standardach. Jednymi z popularniejszych, zwłaszcza w Stanach Zjednoczonych, są: „IEEE-518 – Instalacja urządzeń elektrycznych przy uwzględnieniu minimalizacji zakłóceń elektrycznych” oraz „NFPA-70”. Warto podkreślić, że standardy te znane są również i stosowane przez polskich inżynierów.
W dokumencie IEEE-518 określono cztery główne klasy okablowania lub też poziomy czułości na zaburzenia/zakłócenia.
Poziom 1 – wysoka wrażliwość – sygnały analogowe o wartości do 50 V i sygnały dyskretne o wartości do 30 V. Przykładowe sygnały:
- Różne systemy magistralowe – DeviceNet, Profibus, Foudation Fieldbus itp.
- Sygnały standardu 4–20 mA
- Cyfrowe sygnały we/wy, np. z krańcówek, przekaźników, lampek sygnalizacyjnych itp.
Poziom 2 – mała wrażliwość – sygnały cyfrowe o wartościach powyżej 30 V i analogowe większe niż 50 V, linie zasilające o napięciu od 120 do 240 VAC (prąd do 20 A). Przykładowe sygnały:
- Cyfrowe sygnały we/wy, np. z krańcówek, przekaźników, lampek sygnalizacyjnych itp.
- Linie zasilania od 120 do 240 VAC z prądami do 20 A
Poziom 3 – linie zasilające prądu stałego i przemiennego od 0 do 1000 V z prądami od 20 do 800 A. Przykłady:
- Zasilanie napędów elektrycznych
- Zasilanie agregatów spawalniczych i robotów
W tabeli 1 podano bezpieczne odległości, jakie należy zachować między przewodami a liniami sygnałowymi dla każdej z tych klas. Jeżeli kable sygnałowe muszą się skrzyżować z liniami zasilającymi (poziom 3), powinny być ponadto zachowane odpowiednie kąty skrzyżowania. Podane w tabeli 1 odległości oraz wspomniane kąty krzyżowania (tu niepodane) są powszechnie stosowane w praktyce instalacyjnej w zakładach przemysłowych.
Nowe technologie i standardy
Pojawiające się na rynku nowe technologie systemów sieciowych wymagają, jak już wspomniano, weryfikacji tych przyzwyczajeń i niemal utartych schematów budowy instalacji w zakładach przemysłowych. Do technologii tych zaliczyć należy przede wszystkim komunikację typu Power-over-Ethernet (PoE) oraz liczne systemy magistralowe – DeviceNet, Profibus czy Foundation Filedbus i inne, które pozwalają na połączenie w jednej linii kablowej funkcji zasilania i transmisji danych. Stopniowe przejście na tego typu rozwiązania technologiczne, szczególnie w zakładach przemysłowych, przyniesie użytkownikom w dłuższej perspektywie spore oszczędności, usprawnienie diagnostyki urządzeń oraz uproszczenie topologii systemów sterowania.
Fakt ten determinuje właśnie konieczność zmiany tradycyjnych zasad i reguł, chociażby w zakresie obowiązywania wspomnianych poziomów czułości instalacji na zaburzenia. Np. aktualne standardy dopuszczają maksymalny poziom mocy sygnału w sieciach PoE o wartości 15,4 W przy 48 V napięcia zasilania, zgodnie z przepisami normy IEEE 802.3 af. W ten sposób prąd dla pojedynczego urządzenia sieciowego ograniczony jest jedynie do 31 mA. W proponowanym projekcie zmian do tej normy zapisano poziom dopuszczalnej mocy 30 W, dzięki czemu prąd dla pojedynczego urządzenia będzie mógł być aż 10-krotnie większy – 350 mA. Przy takich unormowaniach możliwe będzie swobodne korzystanie z coraz popularniejszych urządzeń sieciowych typu telefony IP, bezprzewodowe moduły dostępowe, czytniki etykiet RFID i urządzenia automatyki budynkowej, które mogą komunikować się przez sieci typu PoE. Nowy standard stworzy podwaliny pod pełne i efektywne wykorzystanie najnowszych zdobyczy technologii mobilnych i sieciowych systemów automatyzacji. Jedną z nich jest możliwość jednoczesnego zasilania kilku urządzeń sieciowych z magistrali sieciowej oraz przekazywania danych do konkretnego modułu sieciowego lub też działanie odwrotne. W wielu systemach urządzenia pobierające duże prądy (powyżej 1 A) zasilane są z pomocniczych sieci zewnętrznych, dostarczających energię elektryczną bezpośrednio do takich modułów i te zewnętrzne sieci zasilające można będzie wykorzystać jako źródła zasilania dla nowoczesnych sieci magistralowych. Aktualnie stosowane kable sieciowe, np. w sieciach standardu DeviceNet, mają możliwość przeniesienia prądów do 8 A (kable klasy 1) i 4 A (kable klasy 2). Widać zatem wyraźnie, że możliwości technologiczne i fizyczne są znacznie większe niż dopuszczalne przez normy. Dzięki proponowanym zmianom do sieci można będzie dołączyć znacznie więcej urządzeń, co ułatwi ich diagnozowanie i monitorowanie stanu pracy.
Aplikacje przemysłu spożywczego cechuje szczególnie wymagające środowisko pracy urządzeń i systemów elektrycznych, utrudniające szybką realizację układów zasilania i sterowania. Najnowsze technologie, standardy i metodologie w tym zakresie pomagają inżynierom w tworzeniu bardziej niezawodnych i funkcjonalnych projektów tego typu układów Źródło: Molex.
Projektanci współczesnych systemów zasilania i sterowania w zakładach przemysłowych powinni posiadać wiedzę dotyczącą samych nowoczesnych systemów sieciowych (również z funkcjonalnością zasilania urządzeń przez sieć) oraz zasad ich współistnienia z innymi systemami zasilania w zakładzie. Na przykład międzynarodowa organizacja ODVA, zrzeszająca kilka firm – światowych liderów branży automatyki, dysponuje materiałami szkoleniowymi i informacyjnymi na temat planowania i poprawnej instalacji sieci standardów DeviceNet i EtherNet/IP. Materiały te dostępne na stronie internetowej organizacji (www.odva.org) podają między innymi szczegółowe informacje dotyczące niezbędnych odległości kabli sieciowych od innych kabli i przewodów instalacyjnych w warunkach przemysłowych. Niektóre standardy sieciowe oparte na protokole ethernetowym mają również specjalną klasyfikację – MICE (ang. Mechanical, Ingress, Climatic/Chemical and Electromagnetic), wskazującą jednoznacznie środowiska, w których możliwa jest ich implementacja. Klasyfikacja ta stanowi integralną część normy ISO/IEC 24702, dotyczącej rodzajów okablowania do zastosowań przemysłowych oraz normy TIA-1005 standaryzującej systemy telekomunikacyjne do zastosowań przemysłowych. Wspomniana klasyfikacja okazuje się bardzo pomocna przy doborze odpowiednich kabli i linii transmisyjnych w konkretnych aplikacjach przemysłowych. Może tu chodzić na przykład o wybór odpowiednio zabezpieczonych złączy/łączek kablowych lub też technik izolacyjnych w celu zabezpieczenia linii kablowych itp.
Wykorzystanie najnowszych technik instalacyjnych
Jeżeli w przedsiębiorstwie prowadzony jest proces zmian infrastruktury, warto pokusić się o wprowadzenie innowacyjnych rozwiązań opartych na najnowszych technologiach, gwarantujących większą elastyczność, ograniczenie kosztów i czasu tworzenia instalacji. Na przykład wspomniane już zmiany w standardach NFPA-79 i NFPA-70 pozwalają m.in. na zastosowanie w instalacjach przemysłowych (nawet w trudnych warunkach środowiskowych) kabli nowego typu TC-ER, które w znacznym stopniu zwiększają swobodę organizacji systemów kablowych (kable TC-ER – dedykowane do połączeń otwartych na zewnątrz, pomiędzy drabinkami kablowymi a urządzeniami oraz obrabiarkami w środowisku przemysłowym).
Zmiany standardów i norm wprowadzane są również przez liczne organizacje, zajmujące się wsparciem sfery projektowej instalacji elektrycznych. Na przykład wspomniana już organizacja ODVA czy ProfiNet podjęły wysiłki w kierunku zdefiniowania nowych standardów pomocniczych sieci zasilających, ułatwiających tworzenie i organizację rozbudowanych systemów zasilania w zakładach przemysłowych. Aktualnie w ODVA finalizowane są prace nad standardem pomocniczej sieci zasilania 24 VDC dla sieci typu CIP (ang. Common Industrial Protocol – ze wspólnym protokołem przemysłowym; np. sieci DeviceNet, ControlNet, EtherNet/IP). Obejmuje on podstawowe elementy tych sieci:
- topologie łańcuchowe (daisy-chain) oraz magistralowe z przyłączanymi urządzeniami (trunk-and-drop),
- złączki i terminatory,
- zachowanie standardowych długości kabli i ich dopuszczalnych obciążeń prądowych,
- zasilanie.
Poza sterownią i obudową
Jednym z dominujących trendów w dziedzinie budowy instalacji elektrycznych w zakładach przemysłowych jest dążenie do usunięcia w jak największym stopniu okablowania i urządzeń siłowych z pomieszczeń sterowni i ich lokalizacja jak najbliżej urządzeń wykonawczych, bezpośrednio na maszynach elektrycznych, tam gdzie duże prądy i moce rzeczywiście są potrzebne i wykorzystywane. Dzięki tym zmianom sterownie mogą być mniejsze i bezpieczniejsze dla obsługi, nie zabierając zbyt wiele miejsca, jakże cennego w niektórych obiektach przemysłowych. Ponadto np. obudowy niektórych urządzeń systemowych o określonych klasach ochronności IP65/67 (moduły we/wy, switche Ethernet) również mogą być mniejsze, co redukuje koszt całej instalacji. W tabeli 2 zestawiono wymagane odległości kabli sieci sygnałowych od przewodów wysokonapięciowych, jeżeli przebiegają one poza specjalnymi obudowami ochronnymi.
Zautomatyzowane linie montażowe to jedne z najbardziej wymagających aplikacji przemysłowych
Kolejny widoczny już trend rozwojowy to wykorzystywanie urządzeń diagnostycznych zainstalowanych w pomocniczych systemach zasilających do rozwiązywania ewentualnych problemów przy załączaniu systemów sterowania i automatyki oraz w przypadku ich awaryjnych wyłączeń. Dotyczy to różnego typu modułów, poczynając od prostych wskaźników poziomu napięcia na złączach zasilających, sygnalizujących go za pomocą różnokolorowych diod LED (przekroczenie wartości, spadek wartości ustalonej), a skończywszy na bardziej skomplikowanych urządzeniach monitorujących przebiegi prądów zasilających z możliwością wykrycia nagłych tzw. szpilek i udarów prądowych itp.
Ze względu na coraz częstsze instalowanie w warunkach przemysłowych sieci standardu Ethernet (niezbędna w niektórych aplikacjach szybkość transmisji i możliwość przesyłu dużych pakietów danych), szczególnego znaczenia nabiera stosowanie się projektantów systemów sieciowych i kablowych w tego typu obiektach do zasad dotyczących zachowania niezbędnych odległości pomiędzy przewodami sygnałowymi/komunikacyjnymi, a kablami zasilającymi urządzenia wykonawcze, w celu ograniczenia wpływu zaburzeń elektromagnetycznych na poprawność transmisji danych. Dalsze stosowanie klasycznych rozwiązań w zakresie projektowania sieci kablowych w zakładach przemysłowych, bez uwzględnienia zmian technologicznych w zakresie sterowania i komunikacji pomiędzy urządzeniami, jest niemożliwe. We współczesnych zakładach muszą współistnieć w pełnej symbiozie kablowe systemy zasilania, nawet wysokonapięciowego i prądowego, z instalacjami sieci teletransmisyjnych coraz częściej wykonywanymi również w technice bezprzewodowej.
Brad Woodman – starszy inżynier automatyk w dziale produktów automatyki i elektryki w firmie Molex. Odpowiedzialny za projekty inżynierskie i wsparcie tworzenia sieci przemysłowych. Posiada ponad 20-letnie doświadczenie w branży automatyki przemysłowej. Jest właścicielem trzech patentów z zakresu projektów złączy do zastosowań przemysłowych.
Artykuł pod redakcją Andrzeja Ożadowicza
Autor: Brad Woodman
