Prądy błądzące w automatyce przemysłowej należą do tych zjawisk, które rzadko są rozpatrywane wprost, a jednocześnie bardzo często stoją u źródła problemów eksploatacyjnych. W przeciwieństwie do klasycznego podejścia znanego z energetyki czy trakcji kolejowej, gdzie prądy błądzące kojarzone są głównie z korozją elektrochemiczną,
w automatyce ich skutki mają charakter funkcjonalny. Objawiają się niestabilną pracą systemów sterowania, trudnymi do przewidzenia zakłóceniami oraz błędami, które pojawiają się jedynie w określonych warunkach pracy instalacji. To właśnie ta nieprzewidywalność sprawia, że problem bywa bagatelizowany lub przypisywany wadliwym urządzeniom.
Istota prądów błądzących
W automatyce prądy błądzące można opisać jako prądy elektryczne płynące poza zaprojektowanym torem przepływu. Oznacza to, że zamiast wracać przewodem masy lub przewodem zasilającym, prąd wykorzystuje inne dostępne ścieżki o niższej impedancji. Mogą to być ekrany kabli sygnałowych, przewody ochronne, metalowe obudowy urządzeń, konstrukcje nośne maszyn lub połączenia wyrównawcze. Zjawisko to jest szczególnie widoczne w instalacjach zasilanych prądem stałym, gdzie masa traktowana jest jako wspólny punkt odniesienia dla wielu urządzeń.
Kluczowym czynnikiem sprzyjającym powstawaniu prądów błądzących są różnice potencjałów pomiędzy punktami masy. Nawet niewielkie napięcia, rzędu pojedynczych woltów lub ich części, mogą powodować przepływ prądu przez obwody, które pierwotnie nie były do tego przeznaczone. W efekcie elementy instalacji zaczynają pełnić role, których projektant dla nich nie przewidział.
Źródła prądów błądzących
Współczesne systemy automatyki coraz częściej łączą w sobie obwody sterowania, pomiarów oraz zasilania urządzeń o dużej mocy. Szczególnym źródłem problemów są falowniki i inne przekształtniki energoelektroniczne, które generują zakłócenia o dużej stromości narastania napięcia i prądu. Zakłócenia te łatwo sprzęgają się z obwodami sygnałowymi, zwłaszcza gdy prowadzone są równolegle na długich odcinkach.
Istotnym czynnikiem jest również rozległość instalacji. W dużych obiektach przemysłowych zasilanie 24 V DC bywa rozprowadzane na dziesiątki, a nawet setki metrów. Spadki napięć na przewodach masy powodują powstawanie lokalnych punktów odniesienia, które nie są już elektrycznie równoważne. W takiej sytuacji prąd zaczyna płynąć pomiędzy tymi punktami przez dostępne połączenia metaliczne. Dodatkowo styczniki, przekaźniki oraz inne elementy łączeniowe wprowadzają do systemu impulsy zakłóceniowe, które mogą inicjować chwilowe, ale intensywne przepływy prądów błądzących.
Drogi przepływu prądów błądzących
Prąd zawsze wybiera drogę o najmniejszej impedancji. Oznacza to, że nie respektuje schematów ideowych. Bardzo często pierwszą ofiarą są ekrany kabli sygnałowych, które z elementów ochronnych stają się przewodami roboczymi. W podobny sposób wykorzystywane bywają przewody ochronne PE, metalowe koryta kablowe lub konstrukcje szaf sterowniczych. W skrajnych przypadkach prąd zamyka się przez grunt, szczególnie jeśli instalacja posiada wiele punktów uziemienia o różnej rezystancji.
Takie niekontrolowane drogi przepływu są szczególnie niebezpieczne dla obwodów niskonapięciowych i niskoprądowych. Sygnały analogowe oraz interfejsy komunikacyjne są projektowane z założeniem stabilnego potencjału odniesienia, a jego zaburzenie nawet w niewielkim stopniu prowadzi do błędów pomiaru lub transmisji danych.
Skutki w systemach sterowania
Obecność prądów błądzących w automatyce objawia się najczęściej jako niestabilność pracy systemu. Sygnały napięciowe 0–10 V potrafią zmieniać swoją wartość w zależności od obciążenia silników, a pętle prądowe 4–20 mA wykazują zwiększony szum lub chwilowe zaniki. Magistrale komunikacyjne działają poprawnie w stanie spoczynku, lecz zaczynają generować błędy podczas dynamicznej pracy maszyny.
Charakterystyczne są również trudne do wytłumaczenia restarty sterowników PLC, modułów wejść i wyjść lub urządzeń peryferyjnych. Często zanikają one po odłączeniu jednego odbiornika mocy lub po zmianie sposobu uziemienia, co dodatkowo utrudnia jednoznaczną diagnozę. Tego typu problemy bywają mylone z wadami sprzętowymi lub błędami oprogramowania.
Związek z kompatybilnością elektromagnetyczną
Prądy błądzące są ściśle powiązane z zagadnieniami kompatybilności elektromagnetycznej, choć nie zawsze są bezpośrednio uwzględniane w analizach EMC. Wiele z nich ma charakter prądów wspólnych, które nie są skutecznie tłumione przez klasyczne filtry przeciwzakłóceniowe. Oznacza to, że instalacja spełniająca wymagania norm może nadal wykazywać podatność na zakłócenia, jeśli koncepcja masy i uziemienia nie została poprawnie zaprojektowana.
Ograniczanie prądów błądzących
Skuteczne ograniczanie prądów błądzących wymaga podejścia systemowego
i uwzględnienia całej instalacji, a nie tylko pojedynczych urządzeń. Kluczowe znaczenie ma separacja galwaniczna obwodów sygnałowych oraz świadome zaprojektowanie uziemienia i połączeń wyrównawczych. W praktyce dużą poprawę daje stosowanie sygnałów prądowych zamiast napięciowych, właściwe prowadzenie ekranów kabli oraz rozdział tras kablowych mocy i sygnałów.
Równie istotne jest unikanie traktowania przewodu ochronnego jako elementu obwodu roboczego oraz eliminowanie pętli masy już na etapie projektu. Wiele problemów, które pojawiają się podczas uruchamiania, ma swoje źródło w decyzjach podjętych znacznie wcześniej.
Prądy błądzące w automatyce są zjawiskiem powszechnym, lecz często niedostrzeganym. Nie wynikają one z jednego błędu montażowego, lecz z całokształtu rozwiązań projektowych i wykonawczych. Świadome podejście do zagadnień masy, uziemienia i prowadzenia sygnałów pozwala znacząco ograniczyć ich wpływ. W efekcie system sterowania staje się bardziej stabilny, łatwiejszy w diagnostyce i mniej podatny na trudne do przewidzenia zakłócenia.
Gdy jednak profilaktyka zawiedzie i urządzenie padnie ofiarą prądów błądzących, kluczowa jest szybka i trafna diagnoza. W PLE Service mamy doświadczenie w radzeniu sobie
z awariami wywołanymi przez te nieuchwytne zjawiska. Nie tylko przywracamy sprawność uszkodzonym modułom, ale przede wszystkim pomagamy zidentyfikować i wyeliminować przyczynę problemu w samej instalacji, chroniąc Twój park maszynowy przed powtarzającymi się usterkami. Jeśli Twoja linia produkcyjna zmaga się z niestabilną pracą sterowników lub nagłymi awariami napędów, zgłoś naprawę naszym specjalistom, aby trwale zabezpieczyć ciągłość procesów w Twoim zakładzie.
