Utrzymanie ruchu, czyli jak zapewnić prawidłowe i bezpieczne działanie parku maszynowego

Podstawowymi zadaniami utrzymania ruchu jest zapewnienie prawidłowego i bezpiecznego działania parku maszynowego. To jak realizowane są cele utrzymania ruchu monitorowane jest odpowiednimi wskaźnikami. Jeśli do awarii nie dochodzi to wskaźniki są jak najmniejsze. Usuwanie jedynie zaistniałych awarii spowoduje, że wspomniane wskaźniki zaczną rosnąć. Dlatego wiele firm wprowadza zasady prewencyjnego utrzymania ruchu.  

Prewencyjne utrzymanie ruchu – definicja

Prewencyjne utrzymanie ruchu polega na podjęciu działań, które mają przeciwdziałać awariom przed ich wystąpieniem i eliminować niepożądany postój. Początkowo usuwamy bieżące awarie, następnie analizujemy przyczyny wystąpienia przestojów i planujemy przeglądy maszyny oraz remonty i konserwacje. Dzięki tym działaniom wydłużamy bezawaryjny czas pracy nawet mocno wyeksploatowanego parku maszynowego. Jako efekt końcowy jesteśmy w stanie określić żywotność podzespołów i czas ich wymiany.

Przepięcia – jedna z przyczyn uszkodzenia systemu sterowania maszyny

W tym poście postaramy się odpowiedzieć jak przez działania prewencyjne możemy chronić podzespoły i wydłużyć maksymalnie ich czas życia.

Każdy interfejs urządzenia elektrycznego ma określoną i skończoną wytrzymałość dielektryczną.  Jeżeli gwałtowna, krótkotrwała, zmiana napięcia zwana przepięciem przekroczy tą wytrzymałość, mogą wystąpić zakłócenia lub uszkodzenia. Bywa też, że systemy nagle się wieszają, co nie jest identyfikowane jako skutek działania przepięć. Do najbardziej znanych i występujących w parku maszynowym przepięć należą:

• Wyładowania atmosferyczne, które powodują największe zniszczenia, mogą rozprzestrzenić się na dużą odległość i są połączone często z prądami udarowymi o wysokiej amplitudzie. Nawet pośrednie skutki uderzenia pioruna mogą spowodować przepięcie na poziomie kilku kilowoltów i prądy udarowe sięgające kilku dziesiątek tysięcy amperów. Mimo krótkiego czasu trwania od kilkuset mikrosekund do kilku milisekund zdarzenie takie powoduje awarię, a nawet całkowite zniszczenie instalacji. Jednak ten typ przepięć nie pojawia się zbyt często.
• Dużo częściej, praktycznie codziennie, mamy do czynienia z przepięciami łączeniowymi, które rozprzestrzeniają się przewodami zasilającymi. Przy wysokich i gwałtownych prądach rozruchu maszyn lub zwarciach w ciągu kilku milisekund płyną prądy o bardzo wysokiej amplitudzie. Te chwilowe zmiany prądu powodują krótkotrwałe przepięcia, zwłaszcza w sąsiadujących w kanałach kablowych przewodach sygnałowych.
• Kolejną grupą są przepięcia elektrostatyczne o różnym potencjale elektrostatycznym gdy dojdzie do wymiany ładunku. Nagła wymiana ładunku powoduje krótkotrwałe napięcie udarowe. Jest to szczególnie niebezpieczne dla czułych urządzeń elektronicznych.

Ochronna rola ograniczników przepięć 

Zadaniem ochrony przed przepięciami jest niedopuszczenie do pojawienia się krótkotrwałych pików napięcia, które prowadzą do uszkodzeń instalacji, sprzętu i urządzeń końcowych na skutek utraty parametrów izolacyjnych. Dlatego urządzenia zabezpieczające (surge protective device, SPD) muszą spełniać przede wszystkim dwa zadania:

• Ograniczanie amplitudy przepięcia, aby nie przekraczało wytrzymałości dielektrycznej interfejsów urządzeń.

• Odprowadzanie prądów udarowych spowodowanych przepięciami, wyrównując potencjały wokoło chronionych urządzeń.

Koncepcja stref ochrony odgromowej

Miejsca instalacji urządzeń zabezpieczających w obiekcie przemysłowym określa się na podstawie tzw. koncepcji stref ochrony odgromowej. Zwykle są to granice szczególnych stref.  Strefy te grupują aparaty i urządzenia o identycznej odporności gdy mowa o obwodach zasilania i odpowiednio skorelowanych ogranicznikach do ochrony interfejsów AKPiA.

Strefa	Opis
LPZ 0A	Obszar na zewnątrz, poza budynkiem, w którym mogą wystąpić bezpośrednie uderzenia pioruna. Przez przewody nieosłonięte obecne w tej strefie możliwy jest przepływ znacznego prądu piorunowego. Występuje w niej nietłumione pole elektromagnetyczne wyładowania piorunowego.
LPZ 0B	Obszar na zewnątrz, poza budynkiem, zabezpieczony przed bezpośrednim uderzeniem pioruna np. poprzez zwody pionowe. Występuje tu nietłumione, silne, pole elektromagnetyczne oraz udary prądowe indukowane w przewodach.
LPZ 1	Obszar wewnątrz budynku, w którym trzeba liczyć się z wystąpieniem wysokoenergetycznych przepięć lub udarów prądowych oraz silnych pól elektromagnetycznych.
LPZ 2	Obszar wewnątrz budynku, w którym trzeba liczyć się z wystąpieniem złagodzonych znacznie przepięć lub udarów prądowych oraz pól elektromagnetycznych.
LPZ 3	Obszar wewnątrz budynku, w którym trzeba liczyć się już wyłącznie z bardzo niskimi przepięciami lub udarami prądowymi oraz bardzo słabymi polami elektromagnetycznymi.  Strefy te powinny zapewniać poziomy bezpieczeństwa zgodne ze wskazaniami norm. Dzięki tej wiedzy, dla przykładu możemy uniknąć błędu, gdzie nisko odporne urządzenie ulokujemy w szczególnie agresywnych warunkach np. strefy 0B.

Przy doborze urządzeń zabezpieczających zgodnie z normą (np. PN-EN 62305) należy przyjąć, że 50% prądu piorunowego, która trafi do zewnętrznego urządzenia piorunochronnego, jest odprowadzane do ziemi. Pozostałe 50 % prądu piorunowego dostaje się poprzez główne połączenie wyrównawcze do instalacji elektrycznej i tam musi zostać odprowadzone przez system SPD. Ograniczniki przepięć służą do wyrównywania potencjałów wszelkich przewodów będących pod napięciem. Elementy nie będące pod napięciem łączymy bezpośrednio z główną szyną wyrównania potencjałów. Wszystko po to, aby nie występowały różnice potencjałów i ewentualne przeskoki iskrowe.

Zgodnie ze strefową koncepcją ochrony odgromowej na wszystkich przewodach przecinających granice stref trzeba zastosować skoordynowane ze sobą urządzenia zabezpieczające.

Ich parametry zależą od wymaganej kategorii przepięciowej. To kategoria przepięciowa mówi o tym jakie największe amplitudy przepięć są w danej strefie dopuszczalne a to pozwala bezpiecznie lokować urządzenia o pasującej odporności.  

W zależności od granic stref są wskazane do instalacji różne typu SPD przed przepięciami.

Wielostopniowe koncepcje ochrony dla popularnych instalacji

Urządzenia SPD z serii SEC można łączyć ze sobą, a ich parametry, takie jak napięcie pracy, poziomu ochrony i prąd upływowy, są do siebie optymalnie dostosowane.

Na wejściu przewodów zasilających do budynku w pobliżu wejścia zasilania głównego, na granicy stref ochronnych LPZ0_B oraz LPZ1, używamy zabezpieczeń SPD typu 1

• Jeżeli jest to np. sieć trójfazowa 230/400V-AC w układzie TN-C, można zastosować FLT-SEC-P-T1-3C-350/25-FM – 2905419,
• do układu TN-S stosujemy ochronnik – FLT-SEC-P-T1-3S-350/25-FM – 2905421

Alternatywnie na granicy stref 0 i 1, można zastosować również kombinację FLASHTRAB SEC T1+T2.  Ta skoordynowana bezpośrednio kombinacja urządzenia SPD typu 1 na bazie iskiernika oraz SPD typu 2 na bazie warystora oferuje szereg zalet przy zastosowaniu bezpośrednio w rozdzielnicy głównej w sytuacji gdy jest tam zainstalowana ważna elektronika.

Wtedy dla sieci TN-S stosujemy ochronnik FLT-SEC-T1+T2-3S-350/25-FM – 2905470

W dalszych podrozdzielniach hali produkcyjnej, które zasilają linie technologiczne oraz w pomieszczeniach biurowych obiektu, na granicy stref ochrony 1 oraz 2 używamy urządzenia SPD typu 2

W tym przypadku można zastosować VAL-SEC-T2-3S-350/40-FM – 2909635

W szafach sterowniczych maszyn i w biurze bezpośrednio przed wrażliwymi odbiornikami, na granicy stref ochrony 2 oraz 3 wykorzystujemy urządzenie SPD typu 3

Do odbiornika zasilanego napięciem znamionowym 230 V można zastosować PLT-SEC-T3-3S-230-FM – 2905230. Jest to wersja trójfazowa, z wbudowanym bezpiecznikiem zabezpieczającym przed prądem udarowym i stykiem komunikacji zdalnej.

Zabezpieczenia sieci Ethernet

Do zabezpieczenia sieci Ethernet należy użyć ochronnik przed przepięciami DT-LAN-CAT.6+ – 2881007.

Urządzenia zabezpieczające zapewnia optymalną ochronę wrażliwego wyposażenia, ponieważ reagujące szybko komponenty ochronne można stosować zarówno do przewodów danych, jak i do systemu PoE.

Nie kończy to oferty ograniczników dla ochrony interfejsów AKPiA. Więcej można znaleźć na stronach firmy Phoenix Contact posługując się narzędziem obecnym na stronie: www.phoenixcontact.pl/stop-it

---

Testowanie ochronników przed przepięciami

To, że mechaniczny wskaźnik statusu ogranicznika pozostaje zielony, nie świadczy o tym, że nie dożywa on ostatnich godzin sprawności. Urządzenie CHECKMASTER 2 wskazuje stan trzeci: parametry ogranicznika dobiegają kresu możliwości.

Ważne!Norma PN-EN 62305-3 mówi o okresowym sprawdzaniu ograniczników przepięć oraz o sporządzaniu pisemnych raportów z kontroli.

Wszystkie wspomniane aparaty mogą być elektrycznie sprawdzane przy pomocy mobilnego laboratorium CHECKMASTER 2.

Żadne odszkodowania nie zastąpią spokojnego snu, dlatego regularna okresowa kontrola ograniczników (nie rzadziej niż raz na 4 lata), a dla ważnych obiektów częsty przegląd (w strefach zagrożonych wybuchem bywa, że nawet co pół roku) są niezwykle istotne. Prosty sposób, ale po fakcie, jest pomijany na etapie projektu. Należy korzystać ze styków FM, który natychmiast wskażą odłączony ogranicznik.

Monitorowanie

W dobie czwartej rewolucji przemysłowej – Przemysł 4.0, proponujemy system wczesnego ostrzegania o nazwie ImpulseCheck. Jest pierwszym na świecie inteligentnym systemem wspomagającym ochronę przed przepięciami w obszarze ochrony sieci zasilania. Moduł połączony z chmurą umożliwia ciągłą diagnostykę stanu poszczególnych ograniczników przepięć i oferuje nowe usługi cyfrowe.

Przy zastosowaniu ImpulseCheck nie zdarzy się sytuacja, gdy krótko po stwierdzeniu statusu zielonego wkładek ogranicznika ulegną one uszkodzeniu i odłączeniu (status czerwony) i przez czas do następnej kontroli cenny obiekt nie jest chroniony. Nowe rozwiązanie umożliwia prognozowanie zachowania SPD i wymianę wkładek/ogranicznika na czas przed ostatecznym uszkodzeniem i odłączeniem. Jest to najwyższa forma prewencji. Informacje o stanie i wydajności ograniczników przepięć, a także status samej instalacji odgrywają istotną rolę w ciągłym monitorowaniu i przy prognozowaniu konserwacji.

ImpulseCheck nie tylko liczy różne impulsy, lecz również analizuje poszczególne zdarzenia pod kątem amplitudy, ładunku i energii

W ten sposób można bezpośrednio określić aktualne obciążenie instalacji oraz sprawdzić aktualny stan (state of health) każdego wtyku ochronnego. Dzięki połączeniu z PROFICLOUD uzyskane informacje można wyświetlić w dowolnej przeglądarce internetowej. Informacje o różnych zdarzeniach, np. zmianie stanu wtyku ochronnego, są wysyłane mailem na zapisane w systemie adresy.

Stan zdrowia to aktualny stan ogranicznika wskazany bez udziału człowieka. W przeciwieństwie do wcześniejszych, czysto reaktywnych systemów monitorowania urządzeń ograniczających przepięcia opartych na zielono-czerwonym wskaźniku stanu, ta informacja o stanie umożliwia wdrożenie uprzedzających działań konserwacyjnych. Tym sposobem skuteczność prac serwisowych można istotnie poprawić, zaoszczędzić pieniądze i lepiej chronić system, zwłaszcza tam, gdzie w grę wchodzi życie ludzkie czy też wielkie koszty.

Ważne! W przypadku SPD innych dostawców ten system może pracować jako licznik zdarzeń.

Korzyści:

• bieżąca kontrola stanu instalacji i ocena żywotności (State of Health) ograniczników przepięć
• zgodne z normą raporty o aktualnym stanie są łatwo generowane w dowolnym momencie
• pomiar w chmurze, prezentacja i łączenie zmierzonych wartości, możliwość połączenia z systemem Proficloud za pomocą API
• konfiguracja urządzenia z poziomu przeglądarki internetowej

Podsumowanie

Najważniejszą jest świadomość tego, że przepięcia są wszechobecne i mają wpływ na pracę naszych systemów i powinny być zdecydowanie ograniczane. Oznaczają one znaczne energie które należy w jakiś sposób rozproszyć, odprowadzić. Dlatego ograniczniki przepięć wymagają jakiejś formy dozoru.

Predykcyjne utrzymanie ruchu, to najmłodsza koncepcja działań związanych z UR w zakładach produkcyjnych. Zastępuje ona metody reaktywne, czyli doraźne reagowanie po wystąpieniu usterki lub awarii, a także klasyczne podejście prewencyjne, oparte o ustalony z góry harmonogram przeglądów i konserwacji. Podstawowym aspektem idei predykcyjnego utrzymania ruchu, jest precyzyjne dostosowanie prowadzonych działań do indywidualnych, bieżących potrzeb maszyn. Oferowany przez Phoenix Contact system ImpulseCheck jest elementem predykcyjnego utrzymania ruchu. Rzeczywisty monitoring przepięć i pozyskiwane z systemu informacje dotyczące konieczności wymiany ochronnika w określonej lokalizacji, zapobiegają uszkodzeniom systemu sterowania, co w efekcie redukuje ilość powstałych awarii i obniża koszty.

Autorzy:	Jarosław Filipiak – Menedżer ds. Przemysłu – Automatyzacja Procesów Produkcji
	Mieczysław Ludwików – konsultant ds. ochrony przed przepięciami