Separacja sygnałów w instalacjach przemysłowych są podstawą prawidłowej pracy maszyn, linii produkcyjnych oraz systemów automatyki. Dobrze zaprojektowana instalacja pozwala na minimalizowanie wpływu niepożądanych zjawisk lecz do końca ich nie eliminuje. W praktyce środowisko przemysłowe nie jest „laboratoryjne” – występują w nim zakłócenia elektromagnetyczne, różnice potencjałów, przepięcia oraz zjawiska, które mogą prowadzić do błędnych odczytów lub uszkodzeń urządzeń.
Dlatego jednym z kluczowych elementów projektowania i modernizacji systemów sterowania jest separacja sygnałów.
1. Jakie zjawiska wymuszają konieczność stosowania separacji.
1.1 Różnice potencjałów i prądy wyrównawcze
W rozległych instalacjach (hale produkcyjne, linie technologiczne, instalacje zewnętrzne) różnice potencjałów pomiędzy punktami masy mogą osiągać wartości od kilkudziesięciu mV do kilku V.
Jeżeli dwa urządzenia są połączone przewodem sygnałowym bez izolacji galwanicznej:
- powstaje pętla masy,
- pojawia się prąd wyrównawczy,
- sygnał referencyjny zostaje zaburzony.
W przypadku sygnałów:
- 0–10 V – nawet 100–200 mV błędu może oznaczać istotne przekłamanie pomiaru,
- 4–20 mA – różnice potencjałów mogą powodować błędy wskazań lub niestabilność przetwornika.
Separacja galwaniczna eliminuje bezpośrednie połączenie elektryczne pomiędzy stroną wejściową i wyjściową, przerywając drogę przepływu prądu wyrównawczego.
1.2 Zakłócenia elektromagnetyczne (EMI)
Środowisko przemysłowe generuje szerokopasmowe zakłócenia a ich źródłem mogą być:
- przełączanie styczników,
- praca falowników (PWM),
- szybkie zbocza napięć (dv/dt),
- silniki dużej mocy,
- spawarki i zgrzewarki.
Zakłócenia mogą być sprzęgane:
- indukcyjnie (sprzężenie magnetyczne),
- pojemnościowo,
- przez wspólną impedancję masy.
Efektem są:
- losowe zmiany stanu wejść cyfrowych,
- zakłócenia sygnałów analogowych,
- błędne zliczanie impulsów.
Separator działa jako bariera o wysokiej odporności na zakłócenia wspólne (CMR – Common Mode Rejection), poprawiając odporność systemu.
1.3 Przepięcia i udary (transienty)
Podczas wyłączania obciążeń indukcyjnych generowane są impulsy o bardzo krótkim czasie narastania i wysokiej amplitudzie (zgodnie z IEC 61000-4-5).
Bez separacji mogą one:
- przekroczyć dopuszczalne napięcie wejścia PLC,
- uszkodzić tranzystory wejściowe,
- skrócić żywotność elektroniki.
Izolacja galwaniczna (np. optyczna) znacząco ogranicza przenoszenie energii impulsu na stronę sterownika.
1.4 Separacja funkcjonalna i bezpieczeństwo
W wielu aplikacjach zachodzi potrzeba:
- oddzielenia obwodów różnych systemów (np. maszyna – system nadrzędny),
- izolacji części niskonapięciowej od obwodów sterowania maszyną,
- ochrony interfejsów komunikacyjnych.
Separacja zwiększa bezpieczeństwo eksploatacyjne oraz ułatwia diagnostykę.
2. Korzyści techniczne wynikające z separacji
Najlepszą metodą zapobiegania powstawania tych niepożądanych zjawisk jest takie projektowanie instalacji i urządzeń aby ryzyka ich powstawania minimalizować. Łatwiej jest tego uniknąć w przypadku nowej instalacji, natomiast w istniejącej może być to trudne albo ekonomicznie nieuzasadnione. Nawet w przypadku projektowania nowej instalacji stosowanie niektórych rozwiązań może być droższe od zastosowania separacji.
Zastosowanie separatorów sygnałów zapewnia:
- eliminację pętli masy,
- poprawę stabilności pomiarów analogowych,
- zwiększenie odporności EMC,
- ochronę wejść/wyjść PLC,
- modularność i łatwość serwisowania,
- większą niezawodność całego systemu sterowania.
W praktyce przekłada się zwiększeni odporności to na mniejszą liczbę nieplanowanych przestojów.
3. Kryteria doboru separatora sygnału
Dobór separatora powinien wynikać z analizy parametrów aplikacji.
3.1 Typ sygnału
- sygnały cyfrowe 24 V DC,
- sygnały impulsowe,
- sygnały analogowe (0–10 V, 4–20 mA),
- sygnały z czujników PNP/NPN.
Separator musi być dopasowany do parametrów sygnałowych wejść/wyjść systemu.
3.2 Parametry dynamiczne
Ważne są:
- czas narastania/opadania,
- maksymalna częstotliwość przełączania,
- opóźnienie propagacji.
W aplikacjach szybkich (np. zliczanie impulsów) zbyt duże opóźnienie może prowadzić do błędów.
3.3 Napięcie izolacji
Parametr określający wytrzymałość dielektryczną pomiędzy stroną wejściową i wyjściową. W środowisku przemysłowym należy uwzględnić:
- poziom zakłóceń,
- źródła zakłóceń,
- długość linii,
- obecność falowników.
- występujące obciążenia indukcyjne
3.4 Warunki środowiskowe
- temperatura pracy,
- wilgotność,
- poziom zapylenia,
- sposób montażu np. na szynie DIN.
4. Separatory sygnałów w naszej ofercie.
W naszej ofercie znajdują się jednokanałowe separatory sygnałów VC-02 i VC-04 przeznaczone do izolacji pojedynczych linii sygnałowych.
Cechy istotne z punktu widzenia projektanta:
- optyczna izolacja galwaniczna pomiędzy wejściem i wyjściem,
- montaż na szynie DIN,
- kompaktowa konstrukcja,
- dedykowane do sygnałów przemysłowych w zakresie 5-30V DC/AC,
- Dowolna biegunowość na wejściu i wyjściu
- stała wartość prądu wejściowego niezależnie od napięcia.
- możliwość stosowania punktowo – dokładnie tam, gdzie występuje problem.
Kiedy stosować VC-02 lub VC-04?
- przy separacji pojedynczych sygnałów czujników,
- gdy wymagane jest rozdzielenie masy dwóch systemów,
- przy ochronie wejść PLC przed zakłóceniami z części mocy,
- w modernizacjach istniejących instalacji (rozwiązanie lokalne, bez przebudowy całej szafy),
- Izolacja sygnałów wejściowych w systemach monitorowania pracy maszyn,
- translacja poziomów np. sterowanie napięciem 5V DC sterownika PLC z napięciem wejściowym 24V DC,
- odwracanie sygnałów,
- w przypadku VC-04 możliwość załączania obciążeń sygnałami z czujników (wzmacniacz prądu).
Oprócz w/w separatorów funkcję tę mogą spełniać rozwiązania radiowe LoRa-NET. Które oprócz separacji sygnałów pozwalają na budowanie elastycznych sieci telemetrycznych oraz integracji urządzeń rozproszonych na obiektach i poza nimi.
Podsumowanie
Separacja sygnałów w instalacjach przemysłowych jest odpowiedzią na realne zjawiska fizyczne:
- różnice potencjałów,
- prądy wyrównawcze,
- zakłócenia elektromagnetyczne,
- przepięcia.
Brak izolacji może prowadzić do niestabilnych pomiarów i uszkodzeń automatyki. Zastosowanie jednokanałowych separatorów, takich jak VC-02 i VC-04, pozwala skutecznie zabezpieczyć newralgiczne linie sygnałowe, zwiększyć odporność systemu na zakłócenia i poprawić niezawodność instalacji.
🔹 Kierunek transmisji
- wejście → wyjście
- dwukierunkowy
- liczba kanałów
🔹 Napięcie izolacji
Im wyższa odporność izolacyjna, tym większe bezpieczeństwo systemu.
🔹 Czas reakcji
W aplikacjach dynamicznych (np. sygnały z enkoderów, szybkie czujniki) zbyt wolny separator może powodować opóźnienia.
🔹 Warunki środowiskowe
Temperatura, wilgotność, poziom zakłóceń, długość przewodów.