Awaria w automatyce rzadko jest spowodowana prostą usterką. Coraz częściej jest to efekt degradacji integralności sygnału i narastających zakłóceń elektromagnetycznych. Rosnąca złożoność systemów i szybkość przesyłania danych sprawiły, że pojawił się nowy cichy wróg - degradacja integralności sygnału i narastające zakłócenia elektromagnetyczne w skrócie EMI. Ten szum generowany przez falowniki zasilacze impulsowe czy styczniki wpływa na wszystko od precyzji napędów po stabilność komunikacji między sterownikami PLC a panelami HMI. Efektem są sporadyczne, ale trudne do zdiagnozowania błędy, które znikają równie szybko jak się pojawiają, prowadząc do frustracji i nieplanowanych przestojów. Aby skutecznie walczyć z tym niewidzialnym zagrożeniem, technicy muszą wyposażyć się w narzędzia, które pozwalają zobrazować te zjawiska. W tym artykule przedstawimy niezbędne techniki i sprzęt pomiarowy który jest kluczem do stabilności nowoczesnego, cyfrowego zakładu.
Pomiar jakości zasilania i źródła zakłóceń
Wiele problemów z niestabilnym działaniem automatyki i zakłóceniami sygnałów cyfrowych ma swoje źródło w sieci zasilającej. Jeśli energia dostarczana do szafy sterowniczej nie jest stabilna i czysta, żadne zaawansowane filtry i ekranowanie nie zagwarantują niezawodności.
Analizator jakości zasilania
Najważniejszym narzędziem do zbadania stanu sieci jest analizator jakości zasilania. To urządzenie pozwala technikom zobaczyć, co naprawdę dzieje się z napięciem, mierząc nie tylko jego wartość RMS, ale i zdarzenia chwilowe.
Jest niezbędny, ponieważ umożliwia pomiar:
-
Zapadów i przepięć - chwilowe, ostre zmiany napięcia, które mogą resetować sterowniki lub uszkadzać wrażliwe zasilacze.
-
Zniekształcenia przebiegu - to jest główny ukryty problem. Urządzenia takie jak falowniki i nowoczesne zasilacze zniekształcają idealny przebieg sinusoidalny z sieci i wprowadzają do instalacji szum o wysokiej częstotliwości. Ten szum rozprzestrzenia się po całej instalacji i atakuje niskonapięciowe linie komunikacyjne na przykład w sieciach Profinet. Te zniekształcenia odpowiadają za sporadyczne, losowe błędy komunikacji, które trudno jest przypisać konkretnej przyczynie.
Pomiary te służą do weryfikacji zgodności z normami takimi jak EN 50160, która określa dopuszczalną jakość napięcia. W kontekście szumów generowanych przez sam zakład kluczowe jest sprawdzanie zgodności z IEEE 519, która reguluje dopuszczalny poziom zniekształceń harmonicznych.
Analizator pozwala szybko zlokalizować problematyczne zasilacze filtry czy napędy, które wprowadzają najwięcej szumu do szafy sterowniczej. Umożliwia to podjęcie konkretnych działań technicznych.
Diagnostyka sygnałów cyfrowych
Weryfikacja fizycznego stanu sygnałów komunikacyjnych jest ważnym aspektem nowoczesnej diagnostyki Utrzymania Ruchu. Nie wystarczy wiedzieć, że komunikat nie dochodzi, trzeba również dowiedzieć się, z jakiego powodu. Do tego celu służy oscyloskop cyfrowy.
Oscyloskop jest niezbędny do obserwacji przebiegów sygnałów w domenie czasu. Umożliwia wgląd w faktyczną jakość sygnału przesyłanego w sieciach Profibus, Profinet czy EtherCAT. Bez niego technik widzi tylko błąd komunikacji. Z oscyloskopem widzi przyczynę błędu.
Podczas diagnostyki sieci przemysłowych za pomocą oscyloskopu weryfikuje się kształt i poziom napięcia sygnału w domenie czasu. Deformacja wskazuje na uszkodzenie filtra lub problem z masą. Kluczowy jest pomiar występowania odbić. Jeśli kabel jest zbyt długi, uszkodzony lub ma niewłaściwą terminację (rezystancję końcową), sygnał odbija się od końca linii. Na oscyloskopie jest to widoczne jako zjawisko ringing czyli drgania. Odbicia sygnału fałszują dane i powodują sporadyczne błędy komunikacji. Mierząc czas narastania i opadania zboczy można ocenić, czy kabel lub port komunikacyjny nie są przeciążone lub uszkodzone.
Warto pamiętać, że analizator protokołów dekoduje pakiety danych i sprawdza, czy są one logicznie poprawne. Natomiast oscyloskop weryfikuje warstwę fizyczną transmisji czyli to, czy impuls elektryczny, który niesie dane, jest zdrowy i czysty. Bez czystego sygnału fizycznego żaden protokół nie zadziała poprawnie.
Lokalizacja zakłóceń EMI
Choć oscyloskop jest niezbędny do weryfikacji jakości sygnału w czasie, nie jest to idealne narzędzie do lokalizowania źródeł zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) rozchodzących się w powietrzu lub po obudowach. Do tego potrzebna jest inna perspektywa.
Analizator widma i częstotliwości
Analizator widma, w przeciwieństwie do oscyloskopu, mierzy sygnał w domenie częstotliwości. Umożliwia on technikom zobaczenie, na jakich konkretnie częstotliwościach w szafie sterowniczej występuje szum i jak jest on intensywny. Pozwala to zidentyfikować znak rozpoznawczy danego urządzenia. Szum generowany przez wadliwy zasilacz impulsowy będzie miał inny rozkład częstotliwości niż szum generowany przez silnik.
Sonda bliskiego pola i normy EMC
Najbardziej precyzyjnym narzędziem do lokalizacji wycieku elektromagnetycznego są sondy bliskiego pola. Są to małe sondy pętlowe lub elektryczne, które w połączeniu z analizatorem widma pozwalają na dosłowne wyszukanie miejsca wycieku na poziomie płyty PCB, wiązki kabli lub ekranu szafy. Dzięki temu technik nie musi wymieniać wszystkich komponentów, ale może precyzyjnie usunąć źródło zakłóceń, np. poprzez lepsze uziemienie lub ekranowanie.
Pomiary te mają również odniesienie do norm IEC/EN 61000. Jeśli moduł działa niestabilnie w środowisku, które generuje zakłócenia, można zweryfikować, czy poziom tych zakłóceń nie przekracza norm, na które urządzenie zostało zaprojektowane.
W dzisiejszej automatyce poleganie wyłącznie na wiedzy o awariach mechanicznych i prostej diagnozie błędów jest niewystarczające. Szumy elektryczne, zniekształcenia przebiegu i problemy z integralnością sygnału stanowią coraz większe wyzwanie.
Opanowanie technik pomiaru szumów i sygnałów za pomocą analizatora jakości zasilania, oscyloskopu i analizatora widma to obecnie najwyższy poziom diagnostyki Utrzymania Ruchu. Właściwy sprzęt w rękach doświadczonego technika zamienia sporadyczne i losowe błędy w możliwe do przewidzenia i usunięcia problemy. Zdolność do zobaczenia niewidzialnych zakłóceń przyczynia się do stabilności i długoterminowej niezawodności nowoczesnej automatyki przemysłowej.
