Obr. 1 Možné riešenie ochrany krytých diaľkových dátových liniek (nie PoE) proti bleskovému prepätiu, ESD, EFT, CDE a poruchám napájania. Uvedené štyri dátové linky (Tx± a Rx±) sú chránené proti prechodu bleskovej vlny vnútri budovy. TVS diódové pole LC03 rozptýli väčšinu energie mimo transformátora, pričom všetky ostatné druhy energie, ktoré by sa na transformátore objavili, sú cez TVS diódu SP3051 uzemnené. Tento komponent môže byť pripojený na uzemnenie alebo na fyzickú stranu transformátora, pretože už samotný transformátor spĺňa požiadavky na izoláciu podľa normy IEEE 802.3.

Avšak nárast prepojiteľnosti prevádzkových automatizačných zariadení, ktorý IIoT prináša, vystavuje tieto systémy najmä elektrickému zničeniu, a to hneď z niekoľkých strán. Medzi hrozby patria najmä elektrostatické výboje (ESD), rýchle prechodové javy (EFT), vybíjanie káblov (CDE), bleskové vlny či prechodové napätia, ktoré vznikajú pri zapínaní a vypínaní veľkých motorov. Uvedené situácie sa týkajú dátových aj napájacích vedení (napr. priemyselného ethernetu, napájania cez ethernet – PoE, zbernice CAN, RS-485, Profibus a ďalších prevádzkových zberníc). Návrhári a technici, ktorí nasadzujú automatizačné systémy v priemyselných prevádzkach, musia mať na pamäti správne riešenie na ochranu obvodov, napr. použitie diód na potlačenie prechodových napätí (TVS), diódových polí TVS, zvodičov prepätia a ochranných tyristorov, ktoré pomáhajú znižovať (alebo celkom odstrániť) možné riziká. Uvedený článok je prehľadom riešení na ochranu obvodov, ktoré sú obzvlášť vhodné pre rôzne priemyselné automatizačné aplikácie, pričom sú uvedené ich výhody pri zabezpečovaní spoľahlivosti systémov, od ktorých budú podniky budúcnosti závislé.

Priemyselný ethernet

Priemyselný ethernet (PE) kombinuje štandardné ethernetové protokoly s konektormi a prepínačmi odolnými proti vysokej teplote. Prvky používané v priemyselnom prostredí musia odolávať teplotným extrémom, vlhkosti a vibráciám, a to ďaleko za hranicou hodnôt, na ktoré sa stavané zariadenia používajú v bežnom kancelárskom prostredí.

Siete priemyselného ethernetu musia prepájať nové aj existujúce systémy a poskytovať predikovateľný výkon a udržiavateľnosť. Okrem kompatibility na fyzickej vrstve a prenosových protokolov na spodnej vrstve musia systémy priemyselného ethernetu používané v priemyselnej praxi poskytovať prepojiteľnosť aj na vyšších vrstvách v rámci modelu OSI. Priemyselná sieť musí poskytovať bezpečnosť z hľadiska prieniku z vonku, ako aj proti neúmyselnému či neautorizovanému prístupu z vnútra podniku. Na obr. 1 je naznačená ochrana krytých diaľkových dátových liniek (nie PoE) proti bleskovému prepätiu, ESD, EFT, CDE a poruchám napájania. Uvedené riešenie je vhodné pre prostredie výrobnej automatizácie.

Niektoré aplikácie ochrany obvodov priemyselného ethernetu predstavujú ešte väčší problém, hlavne pri prevádzkach skladajúcich sa s väčšieho počtu budov so zariadeniami a káblovaním umiestnenými aj mimo budov vo vonkajšom prostredí. Na obr. 2 je zobrazená schéma ochrany obvodov optimalizovaná pre aplikácie zahŕňajúce niekoľko vonkajších zariadení nachádzajúcich sa v prostredí so silným elektrickým rušením (napr. búrky).

Power over Ethernet (PoE)

Technológia Power over Ethernet opisuje mnohé štandardizované alebo samostatné systémy, v ktorých sa elektrické napájanie aj údaje prenášajú jedným ethernetovým káblovaním. Vďaka tomu možno použiť jeden kábel na prenos údajov aj na napájanie pre rôzne zariadenia, napr. IP bezpečnostné kamery. Na rozdiel od zbernice USB, ktorá takisto umožňuje súčasné napájanie zariadenia aj prenos údajov, PoE umožňuje použiť podstatne dlhšie káble. Napájanie možno prenášať tým istým vodičom ako údaje alebo aj samostatným vodičom v tom istom kábli. V rámci štruktúry PoE sa zariadenie, ktoré je napájané, nazýva klientské alebo napájané zariadenie (powered device – PD) a zariadenie dodávajúce napájanie zase zariadenie poskytujúce napájanie (power sourcing equipment – PSE). Napájanie označené v schéme ako Mode A je dodávané cez „aktívny“ dátový pár pripojený k rozhraniam 10BaseT alebo 100BaseTX. Napájanie označené ako Mode B sa prenáša cez nepoužitý pár pripojený k rozhraniam 10BaseT alebo 100BaseT. V prípade aplikácií využívajúcich 1000BaseT alebo 10GbE sa všetky páry vodičov používajú na prenos údajov, takže žiadne vodiče nie sú voľné. Obr. 3 zobrazuje ochranu obvodov pre zariadenie napájané cez PoE a napájacie zariadenie.

Zbernica CAN

Priemyselný ethernet a PoE nie sú zďaleka jedinými komunikačnými zbernicami určenými na použite v prostredí prevádzkových automatizačných systémov. Zbernica CAN (controller area network) štandardne umožňuje mikroregulátorom a zariadeniam navzájom komunikovať, a to bez nadriadeného počítača. Napriek tomu, že tento typ zbernice nie je taký rýchly ako ethernet, je vysoko odolný a schopný spoľahlivo prenášať údaje na podstatne väčšie vzdialenosti ako ethernet. Vďaka tomu je dobrou voľbou pre aplikácie, ktoré vyžadujú posielať inštrukcie alebo vracať údaje z oddelených zariadení rozmiestnených ďalej od seba. Na obr. 4 je naznačený typický príklad využitia zbernice CAN.

RS-485 (Profibus, priemyselné zbernice)

Podobne ako zbernica CAN, aj RS-485 je veľmi odolná a umožňuje používateľom z priemyslu prenášať údaje bez degradácie na dlhé vzdialenosti a pri vyššej rýchlosti ako v prípade CAN. V priemyselnom prostredí sa táto komunikačná technológia využíva na riadenie osvetlenia, bezpečnostných kamier, systémov na detekciu požiaru, ale aj riadiacich automatizačných systémov, prevádzkových meracích prístrojov a pod. Na obr. 5 je zobrazený jeden typ ochrany obvodov pre porty RS-485 proti ESD či nízkoenergetickým prechodovým javom, ktoré vznikajú indukciou pri výbojoch blesku. Obr. 6 už zobrazuje vyššiu úroveň ochrany.
Komunikácia prostredníctvom priemyselných sietí je chrbticou auto­matizačných systémov a vo fabrikách budúcnosti bude jej dôležitosť ešte narastať. Vhodne zvolená a nasadená technológia ochrany elektronických obvodov je mimoriadne dôležitá na udržanie komunikácie a ochrany zariadení.

O autorovi

Jim Colby je manažérom rozvoja obchodu na oddelení elektroniky v spoločnosti Littelfuse, Inc. Je zodpovedný za nachádzanie a rozvoj strategických trhov s ras-tovým potenciálom a zavádzanie nových produktov na týchto trhoch. Titul BSEE získal na Southern Illionis University (Carbondale) a titul MBA na Keller Graduate School of Management (Schaumburg). V spoločnosti Littlefuse, Inc., pracuje viac ako 17 rokov a v elektronickom priemysle viac ako 25 rokov.

Publikované so súhlasom ISA. International Society of Automation (ISA) Copyright © 2016. Translated and published by permission. All rights reserved.

Zdroj: Colby, J.: Don’t lose control of your factory automation. [online]. In: InTech, júl – august 2016. Citované 9. 1. 2017. Dostupné na: https://www.isa.org/intech/201608web/ .
www.isa.org