1. Sposoby ochrony wyjść cyfrowych sterowników PLC

Wewnątrz sterowników PLC umieszcza się często elektroniczne zabezpieczenie przed skutkami zwarć ESCP, moduł ten występuje w układach jedynie dla logiki dodatniej. W każdym obwodzie wyjściowym jest ponadto dioda zabezpieczająca przed skutkami przepięć. Układ ten przepuszcza udary prądowe przez czas 10 ms o wielkościach pięciokrotnie większych od natężenia prądu nominalnego. 

Rys.1. Schemat obwodu wewnętrznego i układu połączeń zewnętrznych dla modułu wyjść prądu stałego sterownika GE Fanuc serii 90-30. 

Moduły wyjść cyfrowych sterowników PLC (szczególnie moduły przekaźnikowe) powinny być zabezpieczane przed przepięciami związanymi głównie z wyłączeniami elementów obciążenia indukcyjnego [1].

Dla obwodów prądu stałego: stosuje się diody (rys. 2A),

Dla obwodów prądu zmiennego: układy RC (rys. 2B), diody Zenera (rys. 2C), warystory (rys. 2D). 

Rys.2.Ochrona styków przekaźników w modułach wyjść przed skutkami przepięć przy obciążeniu indukcyjnym sterownika GE Fanuc serii 90-30.

Układy RC i diody Zenera stosuje się przy niewielkich mocach i podłącza się do cewek styczników lub przekaźników. Projektant systemu automatyki powinien zwrócić uwagę na dane dotyczące ograniczenia liczby przełączeń styków przekaźnika takiego modułu w zależności od przewidywanych obciążeń prądowych. Od zastosowania ochrony przed skutkami przepięć będzie zależeć trwałość styków przekaźników w module wyjść cyfrowych sterownika programowalnego. 

2. Zagrożenia przepięciowe sterowników programowalnych

Ochrona przepięciowa sterowników PLC i związanych z nimi urządzeniami peryferyjnymi jest przedmiotem normy PN-IEC 1131-2 [2], wymagania stawiane przez tą normę ma spełnić producent sterowników. 

Tab.1. Badania poziomu podstawowego odporności na zakłócenia elektryczne zgodne z PN-IEC 1131-2.

W zakresie wymaganych badań poziomu odporności na zakłócenia elektryczne (udary) norma [2] odsyła do poziomów ostrości próby, które są zdefiniowane w normie PN-EN 61000-4-5 [3]. Producenci sterowników programowalnych zgodnie z ta normą zapewniają minimalny poziom odporności.

Aby zapewnić bezawaryjne działanie sterowników w środowisku przemysłowym należy [4]:

• przeanalizować źródła stwarzające zagrożenie udarowe

• posiadać dane o poziomach odporności udarowej sterowników od producenta sprzętu

• stworzyć system ochrony odgromowej i przeciwprzepięciowej wykorzystując obowiązujące normy i zalecenia

Sterowniki programowalne są głównie narażone na prądy/napięcia udarowe dochodzące z instalacji elektrycznej i z linii przesyłu sygnałów. 

Rys.3. Oddziaływanie narażeń impulsowych na sterownik PLC.

3. Ograniczanie przepięć w instalacji elektrycznej.

Kiedy mamy do czynienia ze sterownikami instalowanymi w obiekcie już istniejącym należy:

• sprawdzić jakie środki ochrony odgromowej zastosowano w obiekcie (także dokonać oględzin zewnętrznej i wewnętrznej ochrony odgromowej)

• określić wymagany dla danego obiektu poziom ochrony według normy PN-IEC 61024-1-1 [5]

• wyznaczyć wymagany dla danego sterownika poziom ograniczenia przepięć w instalacji elektrycznej

Podczas określenia liczby stopni ograniczników, a także ich połączeń i rozmieszczenia należy uwzględnić [6]:

• sposób ochrony odgromowej obiektu

• system sieci elektrycznej w obiekcie

• rozmieszczenie sterowników w obiekcie • poziom odporności udarowej sterowników

Skutecznym rozwiązaniem w zakładach przemysłowych jest zastosowanie strefowej koncepcji ochrony przeciwprzepięciowej, gdzie utworzono strefy, w których poziomy narażeń impulsowych nie mogą przekraczać określonej wartości. 

Do zasilanie sterowników programowalnych stosujemy wielostopniowy system układów ograniczników, tworzony przez:

• ograniczniki przepięć klasy I instalowane w rozdzielni głównej, w szafce obok złącza lub w samym złączu

• ograniczniki przepięć klasy II umieszczane w rozdzielnicach oddziałowych, tablicach rozdzielczych w obiekcie

• ograniczniki klasy III instalowane przed chronionymi sterownikami, kiedy są dość znacznie oddalone od rozdzielnic (z umieszczonymi w nich ogranicznikami klasy II) 

Rys.4. Układ połączeń ograniczników przepięć w instalacji elektrycznej zasilającej sterownik PLC:

a) system dwustopniowy;

b) system trzystopniowy 

Jeżeli w instalacji nie da się zachować należnych odległości to można zastosować dodatkowe indukcyjności odprzęgające. 

Rys.5. Układy ograniczników w instalacji zasilającej sterowniki z indukcyjnościami sprzęgającymi.

Zapewnienie poprawnego działania wielostopniowego systemu ochrony przeciwprzepięciowej wymaga skoordynowania poszczególnych układów ograniczników. Jeśli w instalacji elektrycznej występują wysokoczęstototliwościowe sygnały zakłócające lub jest widoczne błędne działanie sterowników PLC, to należy zastosować filtry tłumiące te sygnały. Często takie filtry są połączone z ogranicznikami klasy III w jednej obudowie. Przykładem jest układ ochrony SPS-Protector firmy Dehn [4]. Kiedy sterowniki przemysłowe zasilane są napięciem stałym 24VDC instaluje się ograniczniki przeznaczone do obwodów napięcia stałego.  

Rys.6. Schemat ogranicznika Blitzductor VT AD 24 firmy Dehn [7].