Skąd biorą się zakłócenia elektromagnetyczne w systemach automatyki?

Zakłócenia elektromagnetyczne to nic innego jak niepożądane sygnały, które oddziałują na tor pomiarowy czujnika i zaburzają jego odczyt. W praktyce może to być odbierane jako zakłócenia pracy systemów automatyki, niestabilna praca czujników, fałszywe zadziałania wejść, skoki wartości analogowych albo sporadyczne, trudne do odtworzenia błędy.

Do najczęstszych źródeł zakłóceń w automatyce przemysłowej należą:

• Falowniki, softstarty i szybkie styczniki generujące intensywne zakłócenia EMC/EMI.
• Przewody silnikowe prowadzone równolegle z cienkimi przewodami sygnałowymi bez ekranowania.
• Zasilacze bez odpowiednich parametrów EMC i dodatkowych filtrów, zasilające jednocześnie sterowniki, czujniki i inne urządzenia.
• Chaotyczne uziemienie i pętle masy w szafach sterowniczych.

Wrażliwość na zakłócenia zależy też od rodzaju czujnika. Np. czujniki pojemnościowe i optyczne są bardziej podatne na zakłócenia i warunki środowiskowe niż czujniki indukcyjne.
Patrz też: Warunki pracy czujników optycznych w środowisku przemysłowym

Projekt toru detekcji z myślą o EMC

Dobór odpowiedniego czujnika

Jeśli na linii pracują falowniki, duże silniki, spawarki lub zasilacze impulsowe, należy koniecznie sprawdzić odporność czujnika na zmienne pole magnetyczne i zakłócenia galwaniczne już na etapie wyboru sensora. W praktyce dobrze warto wiedzieć, że:

• Czujniki indukcyjne i wiele czujników procesowych (np. ciśnienia) są z natury bardziej odporne na zakłócenia i typowe warunki przemysłowe panujące na liniach produkcyjnych.
• Z kolei czujniki o wysokiej czułości, które mogą interpretować zakłócenia jako sygnał – jak np. czujniki pojemnościowe, część czujników optycznych oraz ultradźwiękowych – powinny być wybierane i używane w sposób świadomy, z dużą dbałością o ekranowanie i sposób prowadzenia przewodów oraz odpowiednie ustawienie parametrów (czułość, histereza, filtry czasowe). Pozwoli to uniknąć ryzyka dużej liczby fałszywych wyzwoleń czujnika.
• Warto też wybierać rozwiązania ze wzmocnioną konstrukcją, przystosowane do wymagań trudnego środowiska przemysłowego (wibracje, wysoka temperatura, pole elektromagnetyczne).

Patrz też: Czujniki refleksyjne w liniach produkcyjnych – stabilna detekcja obiektów 

Ekranowanie przewodów i prowadzenie tras

W wielu przypadkach zakłócenia pracy czujników przemysłowych zaczynają się już na etapie okablowania, bo nawet najlepszy czujnik nie będzie w stanie generować stabilnego sygnału, bez właściwego ekranowania i prowadzenia przewodów. Z tego względu w systemach przemysłowych warto pamiętać o stosowaniu kilku podstawowych zasad:

• W miejscach, gdzie w pobliżu są falowniki, duże silniki lub inne silne źródła fal elektromagnetycznych, należy stosować ekranowane przewody sygnałowe.
• Należy zadbać o ciągłość ekranu na całej długości przewodu. Ekranowanie przewodów nie może być fragmentaryczne, uszkodzone, ani kończyć się przed złączem.
• Przewody sygnałowe i przewody silnikowe należy prowadzić w osobnych korytkach, a jeśli muszą się skrzyżować, to ich trasy powinny przecinać się pod kątem prostym.
• Należy zadbać, aby ekran miał mocny, możliwie krótki styk z szyną PE (obejmy EMC, listwy z zaciskami ekranów).

Patrz też: Jak działają czujniki wizyjne?

Zasilanie, filtry i szafa sterownicza

Kolejne miejsce, gdzie rodzą się zakłócenia, to zasilanie i szafa sterownicza. Jeśli czujniki, sterowniki PLC i napędy podłączane są bez odpowiedniej separacji i filtracji, problemy z niestabilną pracą czujników są właściwie kwestią czasu. Dlatego należy:

• Montować zasilacze na szynach DIN o dobrych parametrach EMC, z odpowiednimi zabezpieczeniami i stabilnym napięciem, dedykowanych obwodom sterowania i czujnikom.
• Stosować zewnętrzne filtry EMC w obwodach zasilania falowników, szczególnie przy mniejszych mocach (w przypadku których producenci zalecają stosowanie dodatkowych filtrów).
• Zadbać o odpowiednie uziemienie płyty montażowej i obudowy oraz rozdzielenie części mocy i sygnałowej w szafie.

Dzięki temu zakłócenia elektromagnetyczne generowane przez napędy i zasilacze nie będą zakłócać działania całej instalacji i poprawnej pracy czujników.

Parametryzacja czujników i wejść. Nieprawidłowe działanie nie zawsze wynika z uszkodzenia mechanicznego

Z punktu widzenia projektowania systemów i zwiększania skuteczności detekcji, ważne jest właściwe ustawienie czułości, histerezy i filtrów czasowych czujników, ponieważ zbyt wysoka czułość sensora lub zbyt szybka reakcja wejścia sterownika może powodować, w skrajnych przypadkach, potraktowanie praktycznie każdego impulsu zakłócającego jak zdarzenia wyzwalającego. Dlatego warto przemyśleć:

• Obniżenie czułości czujnika (jeśli jest taka możliwość) i niewielkie zwiększenie histerezy, które potrafią wyraźnie zmniejszyć liczbę fałszywych uaktywnień czujnika w przypadku wystąpienia zakłóceń.
• Włączenie filtrów czasowych na wejściach PLC (debouncing, minimalny czas trwania stanu), ponieważ pozwala to zmniejszyć wpływ krótkich impulsów EMI na logikę sterowania.
• Uśrednienie sygnałów analogowych i ustawienie odpowiednich progów alarmowych pozwalających na minimalizację skutków chwilowych szumów na liniach pomiarowych.

To często proste działania, które potrafią radykalnie poprawić stabilność sygnałów cyfrowych, a są znacznie tańsze, niż wymiana całej rodziny czujników na inne.

Patrz też: Czujniki ultradźwiękowe: kiedy wybrać je zamiast indukcyjnych, optycznych czy pojemnościowych?

Najczęściej zadawane pytania

Co może zakłócać działanie czujników ruchu?

Działanie czujników ruchu (optycznych, ultradźwiękowych, pojemnościowych) mogą zakłócać zarówno czynniki elektromagnetyczne, jak i środowiskowe. Do tych pierwszych należą przede wszystkim zakłócenia elektromagnetyczne generowane przez falowniki, silniki, zasilacze oraz źle ekranowane przewody, które powodują powstawanie fałszywych impulsów na wejściach sterownika lub samego czujnika.

Z kolei, od strony procesu, czujniki ruchu potrafią reagować na wibracje, odbicia światła od błyszczących powierzchni, zmiany temperatury, a w przypadku czujników pojemnościowych – na zmiany wilgotności oraz obecność innych obiektów w polu detekcji. Dlatego przy diagnozowaniu i eliminowaniu problemów zawsze warto sprawdzić jednocześnie: okablowanie, ekranowanie, sposób montażu czujnika oraz jego parametry.

Jakie są standardowe sygnały w automatyce?

W automatyce przemysłowej standardowe sygnały to przede wszystkim sygnały dyskretne (wejścia/wyjścia dwustanowe) oraz sygnały analogowe o standardowych poziomach. Do najczęściej stosowanych należą wyjścia typu PNP/NPN 24 V DC dla czujników przemysłowych i przycisków, a także sygnały analogowe 4–20 mA oraz 0–10 V stosowane w przypadku pomiaru ciśnienia, poziomu, temperatury lub położenia.

Coraz częściej stosuje się również komunikację cyfrową (np. IO-Link, Modbus, Profinet), która pozwala przesłać jednym przewodem większą ilość danych i skuteczniej kontrolować stan czujników.

Niezależnie jednak od standardu, każdy z tych sygnałów może być podatny na zakłócenia, jeśli nie zadba się o odpowiednie ekranowanie przewodów, filtrowanie sygnałów oraz poprawne uziemienie.

Jak zmniejszyć czułość czujki ruchu?

Zmniejszenie czułości czujnika ruchu to jeden z prostszych sposobów na zapobieganie fałszywym zadziałaniom wywołanym przez zakłócenia elektromagnetyczne lub bodźce z otoczenia. W wielu czujnikach można to zrobić bezpośrednio w samym urządzeniu, przez zmianę nastaw (potencjometr, przycisk, tryb pracy) albo zmianę parametrów ustawianych w sterowniku.

W praktyce najlepszym rozwiązaniem jest połączenie trzech działań:

• Nieznaczne obniżenie czułości i zwiększenie histerezy lub progu zadziałania czujnika, tak by reagował tylko na ruch, który jest istotny z punktu widzenia procesu.
• Dodanie filtru czasowego na wejściu PLC, aby krótkie impulsy nie wywoływały reakcji.
• Upewnienie się, że przewody są poprawnie ekranowane i nie biegną tuż obok przewodów silnikowych lub zasilających falowniki.

Takie podejście pozwala ograniczyć zarówno wpływ zakłóceń elektromagnetycznych, jak i przypadkowych bodźców, bez rezygnowania z czułości niezbędnej do poprawnego wykrywania ruchu.