Przewody sterownicze i ekranowane – dobór przewodu i prawidłowe podłączenie ekranu

W skrócie: przewód sterowniczy przenosi nie energię, lecz informację, dlatego liczy się w nim co innego niż w przewodzie zasilającym: elastyczność, liczba i numeracja żył oraz odporność na zakłócenia. Tam, gdzie w pobliżu pracują falowniki, styczniki, zasilacze impulsowe albo instalacja fotowoltaiczna, sam przewód nieekranowany przestaje wystarczać – sygnał trzeba osłonić ekranem i, co równie ważne, prawidłowo ten ekran podłączyć. Najczęstszy błąd nie polega na wyborze złego przewodu, tylko na zakończeniu ekranu skręconym warkoczem zamiast połączenia obwodowego. Poniżej wyjaśniamy, jak czytać oznaczenia YSLY, YSLCY, LIYY i LIYCY, czym różni się ekran z folii od oplotu, kiedy uziemiać ekran jednostronnie, a kiedy obustronnie, oraz jak prowadzić trasy, żeby zakłócenia nie trafiły do sterownika.

Czym przewód sterowniczy różni się od instalacyjnego

Przewód instalacyjny ma przenieść moc przy określonej obciążalności długotrwałej i przy dopuszczalnym spadku napięcia. Przewód sterowniczy przenosi sygnał: stan czujnika, sygnał zezwolenia, wartość zadaną, pętlę prądową pomiaru. Konsekwencje tej różnicy widać w konstrukcji. Żyły są zwykle linkowe, o drobnym splocie, dzięki czemu przewód daje się układać w ciasnych korytach i w listwach szafy sterowniczej. Liczba żył bywa duża, od kilku do kilkudziesięciu, a identyfikacja opiera się na numeracji, nie na barwach. Szczegóły dotyczące barw i wykonań z żyłą ochronną omawiamy w osobnym poradniku o podziale i charakterystyce przewodów instalacyjnych.

Druga różnica dotyczy odporności. Sygnał o poziomie kilku woltów albo pętla prądowa 4-20 mA są wrażliwe na sprzężenia, których obwód zasilający w ogóle nie odczuwa. Dlatego w przewodach sterowniczych spotyka się rozwiązania nieobecne po stronie energetycznej: ekrany, skręcanie żył w pary, a przy transmisji danych także znormalizowaną impedancję falową.

Jak czytać oznaczenia: YSLY, YSLCY, LIYY, LIYCY

Symbole handlowe przewodów sterowniczych wywodzą się z oznaczeń niemieckich i są czytelne po rozbiciu na człony.

• YSLY – elastyczny przewód sterowniczy w izolacji i powłoce z PVC, żyły numerowane, bez ekranu, typowe napięcie znamionowe 300/500 V. Podstawowe rozwiązanie do połączeń w szafach i na obiekcie tam, gdzie nie ma silnych źródeł zakłóceń.
• YSLCY – ta sama konstrukcja z dodanym ekranem z oplotu miedzianego pod powłoką zewnętrzną. Litera C w symbolu oznacza właśnie ekran.
• LIYY – przewód do przesyłu danych i sygnałów o małej mocy, o mniejszych przekrojach żył i niższym napięciu znamionowym, zwykle 250 V, z żyłami identyfikowanymi kolorami.
• LIYCY – wersja ekranowana oplotem, stosowana przy transmisji sygnałów w środowisku przemysłowym.
• LIYCY-TP – wersja, w której żyły są dodatkowo skręcone w pary. Skręt jest tanim i bardzo skutecznym sposobem ograniczenia sprzężeń indukcyjnych, dlatego w pomiarach i w magistralach cyfrowych jest rozwiązaniem domyślnym.

Podobnie jak w przewodach instalacyjnych, przyrostek -J oznacza wykonanie z żyłą ochronną zielono-żółtą, a -O wykonanie bez niej. W obwodach sterowniczych maszyn kolory żył opisuje dodatkowo PN-EN 60204-1: czarny dla obwodów siłowych, czerwony dla sterowniczych prądu przemiennego, niebieski dla sterowniczych prądu stałego, a pomarańczowy dla obwodów blokad zasilanych ze źródła zewnętrznego, które nie są odłączane wyłącznikiem głównym.

Skąd biorą się zakłócenia w nowoczesnej instalacji

Trzydzieści lat temu w typowej instalacji przemysłowej dominowały odbiorniki liniowe. Dziś niemal każdy większy odbiornik jest sterowany elektroniką mocy: falownik silnika, zasilacz impulsowy sterownika, zasilacz oprawy LED, falownik fotowoltaiczny, ładowarka pojazdu. Wszystkie te urządzenia przełączają prąd z dużą szybkością, a każde takie przełączenie jest źródłem zaburzeń przewodzonych i promieniowanych.

Do tego dochodzą zjawiska łączeniowe: styczniki i przekaźniki generują przepięcia przy rozłączaniu obciążeń indukcyjnych, a operacje na sieci zasilającej dają impulsy o poziomach, przed którymi chroni się osobnym osprzętem – opisaliśmy to we wpisie o doborze ograniczników przepięć SPD. Wymagania dotyczące odporności urządzeń i dopuszczalnej emisji w środowisku przemysłowym opisują normy z rodziny PN-EN 61000-6, odpowiednio PN-EN 61000-6-2 i PN-EN 61000-6-4.

Rodzaje ekranów i co z nich wynika

Ekran jest przewodzącą warstwą otaczającą żyły. Jego skuteczność zależy od konstrukcji i od zakresu częstotliwości.

• Oplot z drutów miedzianych, zwykle cynowanych, o pokryciu optycznym rzędu 60-90 procent. Ma małą rezystancję wzdłużną, dobrze radzi sobie z zaburzeniami o niższych częstotliwościach i jest odporny na wielokrotne zginanie.
• Folia aluminiowa z nośnikiem z tworzywa, dająca pełne pokrycie obwodowe i bardzo dobrą skuteczność przy wyższych częstotliwościach, ale wrażliwa mechanicznie. Wymaga żyły spływowej, która umożliwia połączenie ekranu z zaciskiem.
• Folia z oplotem, czyli rozwiązanie łączące zalety obu. Stosowane tam, gdzie zakres zaburzeń jest szeroki, na przykład przy zasilaniu silników z falowników.

Uziemienie ekranu: jednostronne czy obustronne

To pytanie wraca przy każdym uruchomieniu i nie ma na nie jednej odpowiedzi, bo zależy od rodzaju zaburzenia, przed którym się bronimy.

Uziemienie jednostronne, zwykle po stronie szafy sterowniczej, chroni przed sprzężeniem pojemnościowym i nie tworzy zamkniętej pętli między dwoma punktami uziemienia. Jest rozwiązaniem typowym dla sygnałów analogowych o małym poziomie, tam gdzie prąd wyrównawczy płynący ekranem byłby groźniejszy od samego zakłócenia.

Uziemienie obustronne jest skuteczne wobec pola magnetycznego i zaburzeń wysokoczęstotliwościowych, bo dopiero zamknięty obwód ekranu pozwala popłynąć prądowi indukowanemu, który wytwarza pole przeciwne. Przy przewodach zasilających silniki sterowane falownikiem jest rozwiązaniem jedynym sensownym, ponieważ ekran przejmuje prąd doziemny wracający do przekształtnika. Warunek jest jeden: między obydwoma punktami uziemienia musi istnieć porządne połączenie wyrównawcze, prowadzone równolegle do trasy kabla. Bez niego ekran staje się przewodem wyrównawczym i grzeje się prądem różnicy potencjałów. Podstawy tego zagadnienia opisaliśmy we wpisie o projektowaniu i wykonaniu uziemienia w instalacji elektrycznej.

Warkocz kontra dławnica EMC, czyli błąd najczęstszy

Nawet prawidłowo dobrany przewód ekranowany traci swoje właściwości, jeśli ekran zostanie zakończony w postaci skręconego warkocza doprowadzonego do zacisku. Takie połączenie ma wyraźną indukcyjność, przez co jego impedancja rośnie wraz z częstotliwością i powyżej kilku megaherców skuteczność ekranowania spada dramatycznie. Ekran ma być połączony obwodowo, na pełnym obwodzie przewodu, przy użyciu dławnicy EMC albo klamry ekranowej przykręconej do szyny w szafie.

Praktyczne konsekwencje są proste: warstwę zewnętrzną ściąga się na odcinku odpowiadającym szerokości klamry, ekranu się nie rozplata, a długość odsłoniętych żył za punktem zamocowania utrzymuje możliwie krótką. Elementy montażowe, dławnice i akcesoria do zakańczania znajdą Państwo wśród akcesoriów do kabli i przewodów oraz w dziale osprzętu kablowego.

Prowadzenie tras, czyli druga połowa sukcesu

Ekran ogranicza skutki sprzężenia, ale najtańszym sposobem walki z zakłóceniem jest niedopuszczenie do niego. Zasada podstawowa mówi, że obwody sterownicze i sygnałowe prowadzi się w odstępie od kabli zasilających, a jeśli muszą się spotkać, to krzyżują się pod kątem prostym, bo wtedy odcinek równoległy jest najkrótszy z możliwych. Wymagane odstępy między okablowaniem zasilającym a sygnałowym, zależne od mocy obwodu i od zastosowania metalowej przegrody, opisuje PN-EN 50174-2.

W praktyce oznacza to osobne przedziały w korycie kablowym lub metalową przegrodę, konsekwentne rozdzielenie stron szafy na energetyczną i sterowniczą oraz unikanie prowadzenia sygnałów wzdłuż kabla zasilającego silnik przez kilkadziesiąt metrów. Dobre praktyki dotyczące samych tras zebraliśmy we wpisach o trasach kablowych, peszlach i rurach oraz o rurkach osłonowych w instalacjach elektrycznych.

Odcinek falownik – silnik jako przypadek szczególny

Kabel łączący przekształtnik z silnikiem jest najsilniejszym źródłem zaburzeń w całej instalacji. Napięcie na jego zaciskach zmienia się z bardzo dużą stromością, a pojemność doziemna kabla powoduje przepływ prądów o wysokiej częstotliwości. Dlatego na tym odcinku stosuje się przewód ekranowany o konstrukcji symetrycznej, z żyłami ochronnymi rozłożonymi symetrycznie wokół żył fazowych, a ekran łączy się obwodowo po obu stronach: przy falowniku i na dławnicy silnika.

Długość tego odcinka ma znaczenie także dla samego silnika, bo przy długich kablach odbicia napięcia podnoszą naprężenie izolacji uzwojeń. Producenci przekształtników podają dopuszczalne długości i wskazują, od kiedy wymagany jest dławik wyjściowy lub filtr. To parametr, który sprawdza się przed zamówieniem bębna, a nie po jego rozwinięciu.

Dobór przekroju, liczby żył i rezerwy

W obwodach sterowniczych przekrój rzadko wynika z obciążalności prądowej, a znacznie częściej ze spadku napięcia i z wytrzymałości mechanicznej. Przy zasilaniu 24 V DC dopuszczalny spadek jest w wartościach bezwzględnych bardzo mały, więc przy trasie liczonej w dziesiątkach metrów przekrój 0,75 mm kwadratowego bywa niewystarczający i przechodzi się na 1,0 lub 1,5 mm kwadratowego. Metodykę obliczeń opisaliśmy w poradniku o doborze przekroju przewodu do długości i obciążenia.

Przy liczbie żył warto przyjąć rezerwę rzędu 10-20 procent. Dołożenie dwóch wolnych żył przy zamówieniu kosztuje niewiele, a dociągnięcie nowego przewodu po zabudowaniu trasy kosztuje wielokrotnie więcej. Żyły linkowe zakańcza się tulejkami dobranymi do przekroju, co opisujemy we wpisie o zaciskach i końcówkach kablowych. Warto też sprawdzić deklarowany promień gięcia, osobny dla montażu stałego i dla zastosowań ruchomych, oraz stopień ochrony obudowy i dławnic, o czym piszemy w poradniku o stopniach ochrony IP.

Najczęstsze błędy w praktyce

• Ekran zakończony warkoczem zamiast połączenia obwodowego przez dławnicę lub klamrę.
• Ekran uziemiony obustronnie bez połączenia wyrównawczego prowadzonego równolegle do trasy.
• Ekran pozostawiony bez podłączenia z obu stron, który wtedy działa jak antena, a nie jak osłona.
• Sygnały analogowe w jednym przedziale koryta z zasilaniem silnika na długim odcinku równoległym.
• Przewód nieekranowany na odcinku falownik – silnik, zwykle powód zakłóceń w całej szafie, nie tylko w jednym obwodzie.
• Brak rezerwy żył, co przy pierwszej rozbudowie wymusza ponowne układanie trasy.
• Żyły linkowe wciśnięte do zacisku bez tulejek, prowadzące do poluzowania połączenia i do przegrzewania.

Co z tego wynika przy zamówieniu

Przy zapytaniu o przewód sterowniczy warto podać pięć rzeczy: typ i napięcie znamionowe, liczbę i przekrój żył, wykonanie z żyłą ochronną lub bez, rodzaj ekranu oraz informację, czy przewód będzie pracował w ruchu, w ziemi, czy na stałej trasie w korycie. Te dane przesądzają o wyborze konkretnej konstrukcji i pozwalają uniknąć sytuacji, w której zamówiony przewód formalnie zgadza się z opisem, ale nie nadaje się do warunków pracy.

W ofercie Elbud-Impex znajdą Państwo kable i przewody, osprzęt kablowy oraz rury i peszle do prowadzenia tras sterowniczych, a asortyment dla zakładów produkcyjnych zebraliśmy w dziale oferta dla przemysłu. W razie wątpliwości co do doboru konstrukcji ekranu zapraszamy do kontaktu.

FAQ – przewody sterownicze i ekranowane

Co oznacza litera C w symbolu przewodu, na przykład w LIYCY? Litera C oznacza ekran wykonany z oplotu miedzianego, umieszczony pod powłoką zewnętrzną. LIYY jest wersją nieekranowaną tej samej konstrukcji, a LIYCY wersją z ekranem.

Czy ekran uziemiać z jednej, czy z obu stron? Przy sygnałach analogowych o małym poziomie zwykle jednostronnie, po stronie szafy sterowniczej, aby nie powstała pętla. Przy zaburzeniach wysokoczęstotliwościowych i na odcinku falownik – silnik obustronnie, pod warunkiem wykonania połączenia wyrównawczego prowadzonego równolegle do trasy kabla.

Dlaczego nie wolno zakańczać ekranu warkoczem? Skręcony odcinek ekranu ma indukcyjność, przez co jego impedancja rośnie z częstotliwością. Powyżej kilku megaherców skuteczność ekranowania spada bardzo mocno. Ekran powinien być połączony obwodowo, przez dławnicę EMC albo klamrę ekranową.

Czy przewód sterowniczy można prowadzić w jednym korycie z zasilającym? Tylko przy zachowaniu odstępu lub metalowej przegrody, zgodnie z wytycznymi PN-EN 50174-2. Najbardziej szkodliwe są długie odcinki równoległe, dlatego krzyżowania wykonuje się pod kątem prostym.

Czym różni się YSLY od YSLCY? Konstrukcja jest ta sama, ale YSLCY ma dodatkowy ekran z oplotu miedzianego. YSLY stosuje się tam, gdzie nie ma istotnych źródeł zakłóceń, YSLCY w otoczeniu falowników, styczników i zasilaczy impulsowych.

Jaki przekrój żył wybrać w obwodzie 24 V DC? Decyduje spadek napięcia na trasie, a nie obciążalność. Przy krótkich połączeniach w szafie wystarcza 0,75 mm kwadratowego, przy trasach liczonych w dziesiątkach metrów stosuje się 1,0 lub 1,5 mm kwadratowego.

Czy skręcanie żył w pary zastępuje ekran? Nie zastępuje, ale bardzo skutecznie ogranicza sprzężenia indukcyjne. W praktyce najlepsze wyniki daje połączenie obu rozwiązań, czyli przewód w parach skręcanych z ekranem.