Opublikowano: 11.04.2023

Poprawiono: 13.03.2025

Uziemianie obwodów sterowniczych maszyn

Uziemianie obwodów sterowniczych zasilanych ze źródła zasilania, takiego jak transformator, zasilacz itp., to „oczywista oczywistość”, każdy kto zna zasady elektrotechniki rozumie o co chodzi. Zasady elektrotechniki znają, rozumieją i stosują w praktyce, projektanci maszyn produkowanych za granicą, w przypadku maszyn krajowych, bywa różnie.
Można wyróżnić alternatywną metodę projektowania i montażu „poprawnych instalacji” – nieznajomość i/lub ignorowanie norm i zasad wiedzy technicznej.

Obwód sterowania wykonany wadliwie, w którym nie wykonano wymaganego uziemienia jednego z biegunów zasilana, jest narażony na:

• zakłócenia elektromagnetyczne – jest to szczególnie ważne w przypadku urządzeń elektronicznych;
• niespodziewane uruchomienie w wyniku podwójnego uszkodzenia izolacji, urządzeń takich jak łączniki samoczynne, zawory elektromagnetyczne, a w konsekwencji niebezpieczne, niespodziewane ruchy elementów maszyn;
• nieprawidłowe działanie urządzeń sygnalizacyjnych,  w przypadku podwójnego uszkodzenia izolacji, prowadzące do błędów w ocenie działania maszyny;
• nieprawidłowe sygnały sterujące, w przypadku podwójnego uszkodzenia izolacji, które mogą doprowadzić do różnych konsekwencji.

Dlatego w wielu normach, znajduje się wymaganie uziemiania obwodów sterowniczych m.in.:

• PN-EN 60204:2010 Bezpieczeństwo maszyn – Wyposażenie elektryczne maszyn – Część: 1 Wymagania ogólne;
• PN-EN 61439:2011 Sterownice i rozdzielnice niskonapięciowe – Część: 1 Postanowienia ogólne;
• PN-EN ISO 13849-2:2013-04 Bezpieczeństwo maszyn -- Elementy systemów sterowania związane z bezpieczeństwem -- Część 2: Walidacja

Powyższa lista nie jest przeznaczona dla elektryków, którzy wiedzą o co chodzi, i nie popełniają podstawowych błędów. Ta lista jest przeznaczona dla tych „fachowców”, którzy wykonują instalacje wadliwie, kompromitują siebie, zagrażają bezpieczeństwu innych osób i nie potrafią przyznać się do błędu.
To powoduje również niestety, promowanie partactwa – naśladowcy zawsze się znajdą...

Większość obwodów sterowniczych maszyn wymaga uziemienia, choć są oczywiście są wyjątki. Norma grupowa, na bezpieczeństwo maszyn elektrycznych, PN-EN 60204-1 przewiduje kilka rodzajów układów zasilania obwodów sterowniczych, różniących się sposobem połączenia z ziemią (uziemienie lub izolowanie).
Na Rysunku 1a został przedstawiony prawidłowy sposób zasilania obwodów sterowniczych z uziemionym biegunem zasilania. Urządzenia takie jak: łączniki samoczynne, zawory elektromagnetyczne, lampki sygnalizacyjne itp. przyłącza się do przewodu wspólnego, który jest uziemiony (2). Drugi biegun przyłącza się do przewodu (1), który jest przełączany łącznikiem (3). Rysunek 1b przedstawia nieprawidłowy sposób zasilania obwodów sterowniczych.
Prawidłowe i nieprawidłowe wykonanie obwodu sterowniczego. 

Rysunek 1.

Jeżeli uziemienie nie może być stosowane w obwodach sterowniczych, norma PN-EN 60204-1:2018-12 podaje dwa sposoby zasilania. Na Rysunku 2a został przedstawiony wariant z urządzeniem IMD (ang. insulation monitoring device) przeznaczonym do kontroli stanu izolacji, który w przypadku pierwszego zwarcia (uszkodzenia izolacji) wyłącza zasilanie lub sygnalizuje stan zwarcia, jeżeli natychmiastowe wyłączenie zasilania jest niepożądane.
W wariancie przedstawionym na Rysunku 2b, urządzenia takie jak łączniki samoczynne, zawory elektromagnetyczne, lampki sygnalizacyjne itp. mają oba bieguny przyłączone do przewodów przełączanych (1) łącznikami (3). W przypadku podwójnego zwarcia, „zmostkowany” zostanie tylko jeden z łączników i urządzenie nie zostanie uruchomione.

Rysunek 2.

Zwarcia doziemne w uziemionych i poprawnie wykonanych obwodach sterowniczych spowodują zadziałania zabezpieczenia zwarciowego. Taka sytuacja została przedstawiona na Rysunku 3, zwarcie o pomijalnej rezystancji w miejscu oznaczonym Z1 spowoduje przepływ prądu zwarciowego o maksymalnej wartości, który powinien spowodować zadziałanie zabezpieczenia zwarciowego F1. Obwód dotknięty uszkodzeniem zostanie odłączony od zasilania.

 Rysunek 3.

Na Rysunku 4 zostało przedstawione podwójne zwarcie w nieuziemionym obwodzie sterowniczym, wykonanym w sposób wadliwy. Podwójne zwarcie wydaje się mało prawdopodobne, ale w instalacjach maszyn sprzyjają mu:

• brak objawów pierwszego zwarcia – wszystkie urządzenia działają poprawnie i stan uszkodzenia może utrzymywać się przez długi okres czasu;
• niewielka grubość izolacji przewodów stosowanych w obwodach sterowniczych;
• kontakt przewodów z przewodzącymi, ruchomymi elementami maszyn;
• ignorowanie złego stanu technicznego izolacji w obwodach o niebudzącym respektu napięciu (np. 24 V DC).

Rysunek 4.

Pierwsze zwarcie (uszkodzenie izolacji) w miejscu oznaczonym Z1 spowoduje, pojawienie się napięcia bieguna, w którym nastąpiło uszkodzenie izolacji (L+), na przewodzących elementach konstrukcyjnych. Drugie zwarcie w miejscu Z2 spowoduje podanie napięcia znajdującego się na przewodzących częściach konstrukcyjnych, na urządzenia takie jak: przekaźniki, styczniki, zawory elektromagnetyczne, lampki kontrolne itp. i spowoduje uruchomienie tych urządzeń.
Łączniki, łącznie z łącznikiem zatrzymania awaryjnego w obwodzie sterowniczym nie będą działać. Nie zadziała również zabezpieczenie zwarciowe, ponieważ prąd zwarciowy będzie miał wartość prądu roboczego urządzenia, które zostanie uruchomione.
Na Rysunku 4 został przedstawiony prosty układ sterujący, również układy o większym poziomie niezawodności, zostaną „zmostkowane”. Tylko układy bezpieczeństwa, w których urządzenie uruchomione w wyniku podwójnego uszkodzenia izolacji mają redundancję, będą odporne na takie uszkodzenie. Taka redundancja, z reguły nie jest stosowana w przypadku wszystkich łączników samoczynnych i zaworów elektromagnetycznych, a jeżeli nawet jest, to błąd, nie przestaje być błędem.

Rysunek 5.

Ku przestrodze „fachowcom”, którzy nie widzą różnicy (i nie widzą problemu), na Rysunku 5 został przedstawiony uziemiony obwód sterowania, w którym zamieniono bieguny zasilania i cewka przekaźnika K1 została przyłączona do nieuziemionego bieguna. W wyniku pojedynczego zwarcia (Z1), nastąpi samoczynne, niespodziewane uruchomienie przekaźnika K1, bez możliwości zatrzymania łącznikiem S1. W wyniku zwarcia nie zadziała zabezpieczenie zwarciowe F1, ponieważ prąd zwarciowy będzie miał niewielką wartość, równą prądowi roboczemu cewki przekaźnika K1.

Fotografie 1 i 2 przedstawiają oznaczenia ostrzegawcze wewnątrz rozdzielnic, informujące o konieczności monitorowania izolacji doziemnej w obwodach pomocniczych izolowanych od ziemi. Wszystkie obwody pomocnicze w tych maszynach są uziemione, więc ostrzeżenie dotyczy modyfikacji i napraw.

Fotografia 1.

Fotografia 2.

Bibiografia:

1. PN-EN 60204-1:2010 Bezpieczeństwo maszyn -- Wyposażenie elektryczne maszyn -- Część 1: Wymagania ogólne
2. IFA List of the safety testing of machines - Electrical equipment -
3. PN-EN 61439-1:2011 Sterownice i rozdzielnice niskonapięciowe – Część: 1 Postanowienia ogólne
4. ISOMETER® IR425 Insulation monitoring device for unearthed AC/DC control circuits (IT systems)
5. E. Musiał Zasilanie i zabezpieczanie obwodów sterowniczych