Aktuální vydání

celé číslo

12

2021

Automatizace v chemickém a petrochemickém průmyslu

Průtokoměry a regulační ventily

celé číslo

Ochrana sběrnicových systémů před přepětím

číslo 3/2006

Ochrana sběrnicových systémů před přepětím

Článek stručně uvádí do problematiky ochrany systémů průmyslových komunikačních sběrnic využívajících fyzickou vrstvu definovanou v normě IEC 61158-2 a jejich prvků před přechodovými přepětími v jejich přívodních i propojovacích kabelech. Za nejvýznamnější, a tudíž pro dimenzování příslušných ochran (svodičů) rozhodující zdroj přechodových přepětí v průmyslových instalacích je přitom pokládán bleskový výboj. Předmětem zájmu není obvodové řešení svodičů, ale výhradně způsob jejich správného použití při projektování a realizaci shora specifikovaných sběrnicových systémů. Uvedená obecně platná doporučení jsou doprovázena ukázkami vybraných konkrétních zapojení uskutečněných s použitím produktů firmy MTL Surge Technologies (zdrojem doprovodných schémat je [1]).

1. Úvod

Elektrická a elektronická zařízení pro sběr dat a řízení technologických procesů, místně i na dálku, jsou vesměs pospojována napájecími a signálovými, resp. datovými (při použití průmyslových komunikačních sběrnic) kabely, různě vedenými v kabelových kanálech a žlabech, pod zemí i nadzemním vedením apod. Všechna tato zařízení a kabely jsou, ve větší či menší míře, vystaveny elektromagnetickému rušení. Zvlášť kritická je situace signálových a datových (dále jen signálových) kabelů. Typickými zdroji indukovaných rušivých napětí, která se mohou objevit na vodičích signálových kabelů a po nich proniknout do elektronického zařízení, jsou bleskové výboje, statické výboje a silové vodiče. Používané provozní převodníky i nejrůznější řídicí zařízení přitom v současné době vesměs obsahují mikroprocesory a jiné citlivé polovodičové součástky, které mohou být poškozeny napětími dosahujícími i jen několika málo desítek voltů.

Čím jsou kabely delší, tím větší jsou rušivá napětí v nich indukovaná nebo vzniklá v důsledku rozdílu zemních potenciálů geograficky vzdálených stanovišť, a tím více jsou spolupracující zařízení ohrožena přepětím. Jsou-li obvody nebo prvky zvláště citlivé, může dojít k jejich značnému poškození i při relativné krátkých kabelech.

Elektronické systémy mohou být v běžném provozu poškozeny nebo zničeny tzv. přepětím. Termín přepětí označuje jakékoliv elektrické napětí v systému větší než jmenovité napětí. Přepětí se charakterizuje zejména vrcholovou hodnotou, strmostí náběhu a poklesu a dobou trvání. Předmětem zájmu v systémech komunikační sběrnice jsou především přepětí s velmi krátkou dobou trvání do několika mikrosekund, označovaná jako tranzientní (přechodná) přepětí. Přechodná přepětí (dále v článku, není-li řečeno jinak, jen přepětí) vznikají např. při spínání silových elektrických zařízení nebo při přerušení vedení (např. přepálením pojistky v důsledku zkratu), ale jejich nejvydatnějším zdrojem je bleskový výboj.

Je důležité si uvědomit, že přímý úder blesku do budovy sice může být příčinou velmi rozsáhlých škod na jejím zařízení, ale že jde o relativně řídký úkaz. Daleko častější příčinou závažného poškození elektronických komponent je úder blesku do země, a to i ve vzdálenosti až asi do jednoho kilometru. Takový bleskový výboj může způsobit vznik přepětí v přívodních kabelech k citlivému elektronickému zařízení a jeho následné poškození. Typickým poškozením desky elektroniky jsou spálené a odpařené měděné plošné spoje, spálené a přerušené rezistory, integrované obvody s vystřelenou částí pouzdra a zkraty polovodičových přechodů. Při nižších úrovních přepětí, např. při elektrostatickém výboji, dochází k latentnímu poškození polovodičových součástek, které pak mohou selhat třeba až o několik měsíců později.

K ochraně před přepětím se používají hardwarové prvky zvané svodiče přepětí. Jejich úkolem je zamezit vzniku přepětí nebo omezit úroveň již vzniklého přepětí na mez, která je pro dané zařízení nebo instalaci bezpečná. K tomu musejí být svodiče přepětí správně vybrány a poté umístěny a zapojeny v systému, který mají chránit.

2. Základy techniky průmyslových sběrnic

Uživatelé systémů pro řízení technologických procesů mohou nyní budovat potřebné sítě řídicích jednotek a provozních přístrojů (snímačů a akčních členů) s použitím ověřených a standardizovaných průmyslových komunikačních sběrnic. Nejoblíbenější jsou sběrnice využívající pro přenos dat i napájení zařízení společný pár vodičů. V oblasti řízení spojitých technologických procesů jsou to sběrnice Foundation Fieldbus a Profibus-PA. Vlastnosti fyzické vrstvy (přenosového média), kterou používají, specifikuje mezinárodní norma IEC 61158-2.

Ekonomická efektivnost komunikačních sběrnic závisí zejména na počtu provozních přístrojů, které lze připojit na jeden segment sběrnice, a tedy k jednomu I/O kanálu řídicí jednotky. V jednotlivých případech se uživatel může rozhodnout, že v určitém segmentu bude zapojen jen malý počet přístrojů, např. s cílem zkrátit skenovací cyklus nebo zachovat integritu systému. Ekonomická hlediska, ve většině případů převažující, však vedou k požadavku připojit k jednomu kabelu (segmentu sběrnice, sběrnicovému portu) co možná největší počet přístrojů.

Norma IEC 61158-2 dovoluje připojit k jednomu páru vodičů tvořících hlavní vedení segmentu sběrnice až 32 přístrojů (tab. 1).

V současné praxi se však počet přístrojů zapojených v jednom segmentu napájených ze sběrnice pohybuje mezi šesti a dvanácti. Vedle možných omezení daných vlastnostmi hostitelského systému je počet přístrojů napájených ze sběrnice v jednom jejím segmentu v praxi omezen také hledisky jiskrové bezpečnosti.

Tab. 1. Počet provozních přístrojů a délka odbočky sběrnice podle IEC 61158-2 (pro kabel se standardními vlastnostmi)

Počet přístrojů v segmentu

Maximální délka odbočky při jednom přístroji na odbočce

1 až 12

120 m

13 až 14

90 m

15 až 18

60 m

19 až 24

30 m

25 až 32

odbočky jsou nepřípustné, přístroj musí být připojen přímo k hlavnímu vedení

Tab. 2. Délka vedení sběrnice podle IEC 61158-2 (pro standardní sběrnicový kabel typu A a některé další používané kabely při zachování kvality signálu na sběrnici)

Typ kabelu

Vzdálenost (m)

Charakteristická impedance (W)

Odpor (W/km)

Útlum (dB/km)

Popis

A

1 900

100

22

3

každý splétaný pár má stínění

B

1 200

100

56

5

několik splétaných párů se společným stíněním

C

400

neznámá

132

8

několik splétaných párů bez stínění

D

200

neznámá

20

8

mnohožilový kabel bez párování vodičů

Úbytek napětí podél kabelu sběrnice také znamená pokles napájecího napětí u vzdálenějších přístrojů (tab. 2), čemuž je třeba věnovat pozornost zejména v jiskrově bezpečných systémech. Jiskrově bezpečné napájecí zdroje obecně poskytují nižší napětí a některá jejich provedení navíc obsahují rezistory, určené k omezení proudu, které také významně zvětšují úbytek napětí.

3. Co je to ochrana před přepětím?

Elektronická zařízení lze před potenciálními destruktivními účinky přepětí ochránit již zmíněnými svodiči přepětí (Surge Protection Device – SPD, dále jen svodič). Ideální svodič by měl veškerý elektrický proud zapříčiňující přepětí (proudovou vlnu) okamžitě svést do země a omezit napětí na vedení na úroveň, která nepoškodí připojené zařízení. Jakmile přepětí odezní, měl by svodič automaticky obnovit normální činnost obvodu a nastavit se do stavu, v němž je schopen „zlikvidovat„ další proudovou vlnu.

Jak již bylo uvedeno, není tématem tohoto článku obvodové řešení svodičů, ale jejich použití v systémech komunikačních sběrnic. Pro další výklad je nicméně třeba definovat následující základní parametry svodičů a také základní podmínku jejich použití:

  • pracovní napětí svodiče odpovídá normálnímu pracovnímu napětí chráněného zařízení, při němž svodič nijak neovlivňuje činnost obvodu, do něhož je zapojen; je to také maximální napětí mezi vodiči nebo mezi vodičem a zemí pro daný svodový proud,

  • zbytkové napětí svodiče (let-through voltage) je mírou účinnosti svodiče při odstraňování rázové vlny: jde o špičkové napětí vyskytující se v obvodu chráněném svodičem po vyslání zkušební vlny v podobě kombinovaného impulsu s parametry např. 6 kV/3 kA a 8/20 µs, vytvořeného vhodným generátorem (obr. 1).

Zbytkové napětí svodiče je vhodné volit tak, aby nebylo o mnoho vyšší než pracovní napětí zařízení. V praxi se obecně používá asi dvojnásobek pracovního napětí.

Správně zvolený svodič by neměl měnit vlastnosti ani spolehlivost chráněného zařízení, ať už jde o ochranu systémů střídavého napájení, signálových vedení (komunikační sběrnice, proudové smyčky 4 až 20 mA), antén nebo telekomunikačních systémů.

Hodnoty bleskových proudů naměřené po světě se pohybují od 2 do více než 200 kA při době potřebné k dosažení vrcholné hodnoty kratší než 10 µs. Norma IEC 61024 uvádí, že u 1 % bleskových výbojů překračuje proud 200 kA, u poloviny 28 kA a u 99 % výbojů je proud větší než 3 kA.

4. Potřeba ochrany proti přepětí

Ze samotné podstaty prostředí, v němž pracuje, vyplývá, že sběrnicový systém je vystaven riziku přepětí indukovaného jak ve vodičích sběrnice, tak v systémech jeho střídavého i stejnosměrného napájení.

Postiženy přepětím mohou být řídicí jednotky, napájecí zdroje a provozní přístroje spolu s ukončovacími členy, odbočkami, rozšiřovacími bloky a moduly pro úpravu napájení.

Protože sběrnicový systém řídí i provádí transakce s daty současně po jediném sdíleném vedení, je svrchovaně důležitým požadavkem zabezpečit integritu systému tak, aby nemohlo dojít k přerušení v něm probíhajících mnohonásobných procesů. Při špatně navržené nebo provedené ochraně před přepětím je nejenom nebezpečí vystavena samotná sběrnice, ale mohou být také negativně ovlivněny (přerušeny) jak přenosy dat, tak popř. i schopnost systému podporovat provozní přístroje.

Naznačené průběhy poruch je třeba brát v potaz zejména při použití sběrnicových systémů k řízení technologických procesů v průmyslu, kde narušení integrity komunikační sběrnice může mít za následek újmu na zdraví i ztrátu života osob, škodu na technologickém zařízení anebo narušení životního prostředí.

Nárůstu elektromagnetického rušení v instalacích řídicích systémů nad přípustnou mez se úspěšně zabraňuje především používáním těchto osvědčených způsobů zapojení a vedení kabeláže:

  • k dosažení měřitelné úrovně indukční vazby musí bleskové proudy procházet v poměrně těsné blízkosti signálových kabelů; k omezení vlivu elektromagnetického rušení se u venkovních signálových kabelů všeobecně používá stínění,

  • ke snížení rušivého napětí mezi jednotlivými vodiči na úroveň, která nezpůsobí chyby při komunikaci, se běžně používají kabely se splétanými páry vodičů; ty však neodstraní rozdíly v zemních potenciálech, které mohou být příčinou poškození citlivých komponent v systémech,

  • k zajištění trvalého chodu technologického zařízení je třeba v nejvyšší možné míře chránit hostitelské zařízení každého sběrnicového systému; je tudíž nezbytné chránit jak přívody střídavého i stejnosměrného napájení, tak i signálová vedení,

  • střídavé napájecí napětí pro sběrnicový systém lze vést z velínu nebo odebírat na místě v provozu; sběrnicový systém je třeba chránit před přepětím v obou případech,

  • vedle přívodu střídavého napájení je nutné chránit proti přepětí i hlavní (páteřní) vedení sběrnice (např. je-li dvouvodičový hlavní kabel veden na vzdálenost delší než 50 m horizontálně nebo 10 m vertikálně, je-li snímač nebo převodník umístěn na vertikální konstrukci, potrubí anebo sloupu atd.).

Při úvahách o ochraně před přepětím na místní úrovni je třeba se zaměřit zejména na běžně se vyskytující situace, jako např.:

  • odbočky z hlavního kabelu sběrnice k jednotlivým přístrojům: u čehokoliv delšího než 50 m je třeba ochranu zvážit a cokoliv delšího než 100 m je nutné chránit,

  • instalace představující vhodné cesty pro průtok bleskových proudů (např. přístroje instalované podél potrubí křižujícího nevodivý povrch, jako je suchý písek apod.),

  • instalace s výskytem dlouhých vertikální úseků na konstrukcích, do kterých může udeřit blesk (klasickým příkladem je anemometr na vrcholu vysoké konstrukce),

  • snímače instalované v prostředí výkonových elektrických zařízeních napájených vysokým napětím (např. snímače teploty vsazené do vinutí vysokonapěťových motorů).

Při výběru svodičů je třeba rozlišovat mezi obyčejným prostředím a prostředím s nebezpečím výbuchu. Svodiče nesmí ve vedení způsobovat žádný útlum a musí být konstrukčně uzpůsobeny k montáži na provozní přístroje.

Stručně lze shrnout, že má-li být zajištěna integrita, a tím i spolehlivý chod sběrnicových systémů, je třeba v každém případě chránit před přepětím vyvolaným bleskovými proudy hlavní vedení sběrnice a přívody napájení jejích uzlů. Místní odbočky z uzlů k přilehlým provozním přístrojům, obvykle dosti krátké, jsou z hlediska vzniku přepětí obecně méně citlivé, nicméně je třeba je jednotlivě posoudit.

Velmi důležitý je při ochraně sběrnicových systémů také výběr vhodných svodičů. Svodiče nevhodné konstrukce mohou výrazně degradovat provozní vlastnosti sběrnice, a sice omezením maximální délky vedení anebo počtu zařízení, která lze ke sběrnici připojit.

Obr. 1.

Obr. 1. Proudový impuls 8/20 µs (impuls proudu s dobou čela 8 µs a dobou poklesu týlu na 50 % vrcholové hodnoty 20 µs)

V následující hlavní části článku jsou ukázána některá konkrétní řešení ochrany před přepětím vhodná pro systémy průmyslových komunikačních sběrnic. Jsou to řešení využívající produkty od firmy MTL Surge Technologies, specializované na vývoj a výrobu svodičů a jejich systémů a pokrývající svou nabídkou téměř všechny případy jejich použití.

5. Svodiče přepětí v systémech průmyslových sběrnic

5.1 Ochrana napájecího vedení
Při návrhu strategie ochrany před přepětím se často přehlíží ochrana přívodu střídavého napájení. Uživatelé mají sklon věnovat se především signálovým vedením, převodníkům a dalším zařízením, z jejich pohledu nejdůležitějším. Zapomínají však, že obvyklým zdrojem přepětí je přívod střídavého napájecího napětí. Je důležité upozornit, že otevřenou bránou pro vstup proudu indukovaného bleskem, který může způsobit nedozírné škody, je každý přívod do elektronického zařízení, napájení nevyjímaje.

Obecně platí, že většina napájecích systémů nn (240/415 V AC) a k nim připojených elektrických a elektronických zařízení dokáže odolat přepětí o hodnotě dvoj- až trojnásobku jejich jmenovitého špičkového provozního napětí po dobu trvání typického přepětí způsobeného bleskem.

Obr. 2.

Obr. 2. Základní uspořádání sběrnicového systému podle normy IEC 61158-2 se třemi provozními přístroji (značení A až G, viz text)

Přepětí při bleskovém výboji uvedené hodnoty překračuje, a tudíž je nutné použít svodič i v přívodu napájení.

5.2 Ochrana sběrnic

5.2.1 Ochrana převodníků
Převodníky technologických veličin se umísťují v provozech různě podle potřeby. Často i tam, kde mohou být naplno nebo zčásti vystaveny působení proudů způsobených bleskovým výbojem (např. na vysoké konstrukce, potrubí, destilační kolony atd.). Jde o prostředí elektricky velmi drsná, v nichž mohou být převodníky vystaveny napětím desetitisíců voltů a tisícům ampérů přepěťových proudů. V tomto případě jsou nabízené možnosti ochrany takovéto:

  • prvky ochrany před přepětím instalované výrobcem převodníku (varianta s vestavěnou ochranou, tzv. the surge option),

  • prvky ochrany před přepětím vestavěné do rozvodného bloku sběrnice, v němž je odbočka k převodníku napojena na hlavní vedení,

  • komerčně dostupné přídavné svodiče,

  • jednoúčelový svodič určený pro sběrnici, přišroubovaný k převodníku.

Ochrana nabízená výrobcem má typicky podobu speciální diody přidané do převodníku. Toto opatření selže při několika stovkách ampérů výbojového proudu, a udeří-li blesk blízko, určitě převodník neochrání.

Prvky ochrany vestavěné do rozvodného bloku jsou užitečně tam, kde je převodník fyzicky nedaleko od bloku. Čím dále je převodník od hlavního vedení, tím nižší je úroveň ochrany. Převodník umístěný sice 10 m od hlavního vedení, avšak na věži, nicméně bude úderem blesku poškozen.

Obr. 3.

Obr. 3. Ochrana před přepětím v prostoru hostitelské stanice

Má-li být na sběrnici použit komerčně dostupný přídavný svodič, je třeba postupovat dosti opatrně. Mnoho takových zařízení obsahuje sériový rezistor a kapacitu, které významně degradují výkonnost sběrnice. Jejich použití se tudíž obecně nedoporučuje.

Nejlepším řešením je použít jednoúčelovou ochranu sběrnice před přepětím v podobě přišroubovaného svodiče. Vhodný je např. pro daný účel speciálně zkonstruovaný svodič s označením TP32, vyznačující se velkým přípustným svodovým proudem (10 kA), malým spínacím napětím a současně transparentním chováním k signálům na sběrnici. V praxi přidává svodič TP32 ke sběrnici kapacitu pouhých 40 pF, odpovídající délce sběrnicového kabelu asi 35 cm.

5.2.2 Ochrana hlavního vedení
Hlavní vedení sběrnice je na účinky přechodných přepětí zvlášť citlivé v místě připojení k hostitelskému zařízení. Elektronická zařízení, která se zde nacházejí (zdroj napájení s přídavnými obvody, hostitelské zařízení), představují jeden společný zdroj poruchy celého segmentu jedné sběrnice. Ochrana před přepětím na tomto místě tedy má zcela zásadní význam, a to přes všechny její průvodní problémy.

Úrovně ochrany před přepětím obsažené v napájecích zdrojích ovšem nemusí stačit k ochraně při výskytu extrémních přechodových událostí a následná ztráta celého segmentu sběrnice může být z hlediska chodu technologického zařízení nepřijatelná. Je tedy třeba instalovat doplňkovou ochranu, ovšem opět obezřetně, neboť nahodile vybraný standardní svodič se může stát příčinou nestandardního chování sběrnice.

Obr. 4.

Obr. 4. Zakončovací člen sběrnice s ochranou před přepětím

Velmi vysokou úroveň ochrany v tomto ohledu nabízí svodič FP32, speciálně určený k použití především na hlavním vedení, popř. i na odbočce sběrnice. Je konstruován na výbojový proud 20 kA v jenom vodiči, tj. celkem na 40 kA v hlavním vedení, a jeho hybridní konstrukce redukuje až 20kV impulsy na úroveň desítek voltů. Dopad svodiče FP32 na sběrnici spočívá v přidání odporu 1 , což je ekvivalent 20m sběrnicového kabelu se splétaným párem vodičů (s měrným odporem 50 /km).

5.3 Sběrnicové systémy

5.3.1 Základní uspořádání
Na obr. 2 je ukázán jednoduchý sběrnicový systém s připojenými třemi provozními přístroji. Při jeho analýze z hlediska odolnosti proti přepětí je třeba vzít v úvahu všechny vodiče, tj. vedoucí jak dovnitř, tak ven ze systému (viz kap. 5.1, 5.2).

5.3.2 Efektivní vzdálenost
Při analýze odolnosti sběrnicového systému proti přepětí je třeba uvažovat tzv. efektivní vzdálenosti. Efektivní vzdálenost znamená délku kabelu mezi dvěma samostatnými přístroji. Obecně platí, že ochranu před přepětím je třeba použít při vzdálenosti přístrojů větší než 100 m horizontálně nebo 10 m vertikálně. Horizontální vzdálenosti mezi 50 až 100 m je třeba pokládat za potenciálně nebezpečné, vyžadující potřebný kontrolní výpočet. Současně je zapotřebí vhodně přihlédnout k povaze systému a k tomu, zda narušení jeho funkce povede (jen) k provozním obtížím, nebo skutečně může nastat nebezpečná situace.

Vztah pro výpočet napětí generovaného podél jakéhokoliv vodivého povrchu je

U = lL(di/dt)          (1)

kde U je napětí (V), l délka povrchu vodiče (m), L indukčnost vztažená na jednotku délky (H·m–1), di/dt změna proudu v čase (A·s–1).

Obr. 5.

Obr. 5. Ochrana provozních přístrojů

Jako příklad lze uvést výpočet pro vedení mezi bloky A a B na obr. 2 za podmínek:

  • délka kabelu sběrnice 100 m,
  • efektivní indukčnost 0,1 µH·m–1,
  • přechodový proud 10 kA (uveden pro horizontální vzdálenost za předpokladu existence paralelních vodivých cest),
  • doba náběhu 10 µs,

kdy po dosazení (1) vyjde U = 10 000 V.

Uvedený příklad ukazuje, že i středně velký bleskový proud o hodnotě 10 kA může při průchodu okolní konstrukcí vyvolat v kabelu sběrnice mezi body A a B rozdíl potenciálů o velikosti asi 10 000 V. U vertikálních vedení je třeba počítat s až asi desetinásobkem (z důvodu omezeného počtu vodivých cest při umístění přístrojů např. na sloupu nebo stožáru).

Obr. 6.

Obr. 6. Ochrana inteligentních rozvodných bloků

Vztah (1) je třeba použít i pro kontrolu přechodových přepětí v ostatních částech systému, např. na trasách E–F a E–G podle obr. 2 (vazba mezi zařízeními B, C a D je tak těsná, že je lze považovat za jediný blok).

5.3.3 Ochrana hostitelské stanice
Na obr. 3 je ukázán způsob ochrany hostitelského zařízení (hostitelské stanice) sběrnice. Svodič se instaluje v hlavním vedení sběrnice a v napájení. V případě, že hlavní vedení sběrnice vychází ven z budovy, doporučuje se jeho ochrana před přepětím v rámci hostitelské stanice (svodič FP 32 na obr. 3). Před účinky přepětí s původem ve venkovním prostředí se tím ochrání zakončovací člen, napájecí obvody i karta s rozhraním sběrnice v počítači. Dále se doporučuje chránit přívod střídavého napájení i všechna komunikační rozhraní směrem k nadřazenému systému (modem, LAN), a to i tehdy, kdy hlavní kabel sběrnice nevychází z budovy. Hostitelská stanice umístěná ve venkovním prostředí by měla být vždy chráněna před přepětím.

5.3.4 Ochrana provozních přístrojů
Zda se budou chránit před přepětím provozní přístroje, závisí na mnoha okolnostech. Svodiče by se rozhodně měly použít při délce vedení 100 m a větší, jde-li o přístroje kritické pro činnost technologického zařízení anebo obtížně vyměnitelné a také u zařízení, jejichž porucha by znamenala výpadek celého segmentu sběrnice. Po výběru tras podle uvedených kritérií je třeba provést jejich kontrolní výpočet (kap. 5.3.2).

Obr. 7.

Obr. 7. Ochrana systému s několika rozvodnými bloky

Na obr. 4 je ukázán způsob ochrany hlavního vedení sběrnice poskytující dostatečnou ochranu přístrojům E, F a G a zakončovacímu členu, a to jestliže přepětí pochází z hostitelského konce vedení a odboček kratších než 50 m (horizontálně), popř. 10 m (vertikálně). Horizontální odbočku delší než 50 m je třeba co do odolnosti proti přepětí zkontrolovat. Překonává-li odbočka vzdálenost delší než 100 m horizontálně nebo 10 m vertikálně, je nutné příslušný provozní přístroj opatřit svodičem.

Ochrana provozního přístroje podle obr. 5 se použije v případě, kdy jde o zařízení určitým způsobem kritické anebo bylo kontrolním výpočtem zjištěno, že existuje velké riziko jeho poškození přepětím (vzdálenost mezi přístroji E a G je větší než 100 m). Tatáž situace by mohla nastat v případě hlavního vedení s maximální (popř. maximu blízkou) délkou, kdy přidáním svodiče k rozvodnému bloku by byly ovlivněny provozní parametry komunikace po sběrnici. Je-li efektivní vzdálenost mezi hostitelskou stanicí a provozním přístrojem F větší než 100 m, je třeba chránit i tento přístroj (jak je také na obr. 5 naznačeno).

Na obr. 6 je sběrnicový systém s inteligentními rozvodnými bloky (s vestavěnou ochranou pro případ zkratu), jejichž poškození by znamenalo výpadek segmentu. Při efektivní vzdálenosti větší, než je zde doporučená mez, je třeba instalovat svodiče na oba konce odbočky. K ochraně integrity rozvodného bloku se svodič instaluje také do hlavního vedení.

Obr. 8.

Obr. 8. Obvyklé zakončení hlavního vedení sběrnice propojovacím blokem a zakončovacím členem

Sběrnicový systém s několika rozvodnými bloky a hlavním vedením délky maximální hodnoty je na obr. 7. Svodiče se instalují na provozní přístroje, což je nejefektivnější řešení. Použitý způsob ochrany zakončovacího členu neovlivňuje efektivní délku hlavního vedení sběrnice.

5.4 Použití svodiče TP32-T k zakončení hlavního vedení
Svodič TP32-T je prvotřídní náhradou typického zakončovacího členu připojovaného k rozvodným blokům sběrnice. V některých případech může TP32-T současně požadovanou ochranou před přepětím přinést úsporu času i nezbytných zakončovacích členů (obr. 8, obr. 9).

5.5 Ochrana před přepětím v prostředí s nebezpečím výbuchu

5.5.1 Zóna 2: nejiskřící/nezápalný obvod
Zařízení vhodná pro použití v zóně 2 se volí podle povahy chráněného obvodu – nezápalného (nL) nebo nejiskřícího (nA).

Obr. 9.

Obr. 9. Zakončení sběrnice s použitím svodiče TP32-T, eliminujícím potřebu zvláštního propojovacího bloku a zakončovacího členu

Vlastní ochrana před přepětím se provede takto (důrazně se přitom doporučuje použití ochrany před přepětím na konci hlavního vedení u hostitelské stanice):

  • instalací svodiče FP32 na konci hlavního vedení u hostitelské stanice a svodiče TP32 na provozním konci u zakončovacího členu,

  • při trase A–B na obr. 10 delší než 100 m instalací svodičů FP32 na vstupu a výstupu spojovací skříňky na ochranu obvodů pro úpravu napájení,

  • instalací svodiče TP32-x (kde x je odpovídající typ závitu) na všechny převodníky s přívodními kabely překonávajícími vzdálenost delší než 100 m horizontálně a 10 m vertikálně (viz kap. 5.3.3),

  • instalací svodičů MA4000 nebo MA15 na přívodech střídavého napájení do hostitelské stanice a do spojovacích skříněk umístěných v provozu.

Na obr. 10 je ukázáno celkové provedení ochrany před přepětím při umístění spojovací skřínky sběrnice v prostoru v zóně 2, kde lze bez snížení úrovně bezpečnosti použít standardní svodič TP32.

Obr. 10.

Obr. 10. Sběrnicový systém pro zónu 2 s ochranou před přepětím

Před přepětím je v uvedeném případě v budově s velínem třeba chránit hlavní vedení sběrnice i přívod střídavého napájení. Ve spojovací skříňce sběrnice umístěné v provozu je nutné tuto ochranu duplikovat s umístěním svodiče jak na vstup, tak i na výstup hlavního vedení. Střídavé napájení lze přivést z místního rozvodu i z velínu. V obou případech musí být zajištěna ochrana před účinky přechodových přepětí zapříčiněných blízkým úderem blesku. Přestože nejsou nijak spojeny se zemí, může být – podle délky příslušné odbočky – nutná i ochrana provozních přístrojů. Důvodem je, že izolační napětí typického přístroje je řádu 500 až 1 500 V. Jestliže v jeho blízkosti udeří blesk, může být tato hodnota snadno překročena a přístroj bude poškozen v důsledku vnitřního elektrického výboje.

5.5.2 Pevný závěr/zajištěné provedení
V případě použití pevného závěru a zajištěného provedení je v prostředí s nebezpečím výbuchu nutné použít také patřičné kabely a spojovací skříňky. Ochrana před přepětím pak spočívá v (obr. 11, opět se důrazně doporučuje použití ochrany před přepětím u hostitelské stanice):

  • instalaci svodičů FP32 na konci hlavního vedení u hostitelské stanice a TP32 u zakončovacího členu v provozu,

  • instalaci svodiče TP32-x-NDI na všechny převodníky s přívodními kabely překonávajícími vzdálenost delší než 100 m horizontálně a 10 m vertikálně (viz kap. 5.3.3),

  • instalaci svodiče MA4000 nebo MA15 v přívodu střídavého napájení do hostitelské stanice.

Obr. 11.

Obr. 11. Pevný závěr/zajištěné provedení s ochranou před přepětím

Svodič chránící převodník musí být v tomto případě buď certifikován na závěr Ex d, nebo sám uzavřen ve vhodném závěru. V závěru Ex d musí být umístěna i spojovací skříňka sběrnice instalovaná v zóně 1. Totéž platí pro odbočovací a zakončovací prvky sběrnice.

5.5.3 Jiskrově bezpečný systém
Profil fyzické vrstvy sběrnice Foundation Fieldbus (FF) označený FF816 definuje dva jiskrově bezpečné profily fyzické vrstvy sběrnice: entitu a FISCO (Fieldbus Intrinsically Safe Concept). Příslušné svodiče je nutné certifikovat tak, aby byly kompatibilní s oběma profily a tím byla zaručena flexibilita v instalaci systému.

Jiskrově bezpečné systémy mohou být typu „ia„ nebo „ib„. Ochrana před přepětím se volí tak, aby neměla vliv na úroveň jiskrové bezpečnosti systému; provede se např. podle obr. 12 a kap. 5.3.3 (opět s důrazným doporučením instalace ochrany před přepětím u hostitelské stanice).

Obr. 12.

Obr. 12. Jiskrově bezpečný systém s ochranou před přepětím

Jiskrově bezpečná verze svodičů řady TP32 je certifikována organizací BASEEFA a lze ji dodat s různými závity odpovídajícími použitému provoznímu převodníku. Není-li k dispozici jiskrově bezpečná verze TP32, je možné využít svodič FP32 ve vhodném závěru (podle okolního prostředí).

6. Závěr

Současné sběrnicové komunikační systémy umožňují ekonomicky realizovat velmi výkonné a flexibilní distribuované řídicí systémy, jejichž provozní spolehlivost, a tím i bezpečnost řízených zařízení a technologických provozů, ovšem do značné míry závisí na úrovni ochrany jejich prvků před přepětími všeho druhu. Článek ukazuje, čím jsou přepětí sběrnicovým systémům nebezpečná a jakými způsoby lze v praxi toto nebezpečí eliminovat.

Literatura:
[1] Lightning & surge protection for fieldbus systems. Application note TAN 1010, MTL Surge Technologies, 2005.
[2] Přepěťové ochrany pro sběrnicové systémy. In: Sborník přednášek ze semináře Myslivna 2006, D-Ex Limited, s. r. o., Brno, listopad 2005.

Internetové odkazy:
http://www.mtlsurge.com

Ing. Jaromír Uher, D-Ex Limited, s. r. o.,
Ing. Karel Suchý

D-Ex Limited, spol. s r. o.
Optátova 37
637 00 Brno
tel.: 541 423 211
fax: 541 423 219
e-mail: medc@dex.cz
http://www.dex.cz