Rodzaje szaf sterowniczych

Działanie maszyn i urządzeń przemysłowych wymaga stosowania odpowiedniego sterowania, które pozwoli na korzystanie z oferowanych przez nie funkcji. Do obsługi prostszych, pojedynczych urządzeń wystarczają zwykle pulpity sterownicze wmontowane w ich strukturę. Tam, gdzie maszyn jest więcej, a wykonywane przez nie poszczególne procesy bardziej złożone, do kontrolowania ich działania i uruchamiania konkretnych funkcji wykorzystuje się szafy sterownicze. Pozwalają one na realizowanie różnych zadań związanych z korzystaniem z urządzeń i odczytem parametrów ich pracy. Większe i bardziej złożone systemy szaf sterowniczych wymagają precyzyjnego projektowania, uwzględniającego nie tylko rozprowadzenie poszczególnych instalacji, ale także kwestie związane np. z odprowadzaniem ciepła czy ochroną przed czynnikami zewnętrznymi. Przyjrzyjmy się bliżej konstrukcji szaf sterowniczych i zobaczmy, jakie są ich rodzaje oraz sprawdźmy, z jakich komponentów mogą się składać.

Czym są i do czego służą szafy sterownicze?

Wszystkie maszyny i urządzenia wykorzystywane w działalności przemysłowej muszą być wyposażone w odpowiednie układy pozwalające na sterowanie ich pracą. Nawet najprostsze rozwiązania mechaniczne wymagają właściwego urządzenia, które pozwoli na przyłożenie siły w celu wywołania określonego efektu. W przypadku pompy może to być np. rączka przesuwająca tłok, a w zaworze pokrętło unoszące zasuwę, prosta maszyna napędzana energią elektryczną wymaga sterownia choćby w postaci włącznika, a przy korzystaniu z energii hydraulicznej lub pneumatycznej tę rolę będzie odgrywał dedykowany zawór. Oczywiście im bardziej skomplikowane będzie urządzenie i im bogatsze jego możliwości, tym bardziej złożony musi być system sterowania. W przypadku większych maszyn czy całych linii produkcyjnych całe zarządzanie różnymi funkcjami urządzeń wymaga zgromadzenia bardzo skomplikowanej automatyki.

Ponieważ w większości przypadków optymalnym sposobem zarządzania działaniem maszyn jest sterowanie ich pracą z jednego miejsca, wszystkie systemy automatyzacyjne oraz ich kontrolery – wskaźniki, włączniki, przyciski, przełączniki, ekrany czy lampki sygnalizujące działanie układów są umieszczane w jednym urządzeniu – szafie sterowniczej. Za pomocą doprowadzonego napięcia i wyprowadzonych przewodów sterujących i zasilających pozwala ona na obsługiwanie dowolnych operacji – w zależności od swoich funkcji oraz przeznaczenia. Przykładem pokazującym zasadę działania i logikę całej konstrukcji jest prosta rozdzielnica elektryczna, znajdująca się w każdym budynku lub lokalu mieszkalnym, do którego jest doprowadzona energia elektryczna.

Szafa sterownicza pełni funkcję stelaża dla poszczególnych modułów sterujących, jednocześnie będąc dla nich zabezpieczeniem przed czynnikami zewnętrznymi, a także stanowiąc ochronę przed nieuprawnionym dostępem i zmianą parametrów lub ustawień. Poza czynnościami kontrolno-sterowniczymi szafa jest również miejscem, w którym operator urządzenia czy systemu może uzyskać informacje na temat stanu poszczególnych podsystemów albo realizowanych przez nie zadań. W nowoczesnych urządzeniach szafa sterownicza stanowi często połączenie infrastruktury energetycznej, automatyzacyjnej oraz informatycznej, będąc podłączona do systemu zdalnego zarządzania produkcją lub gromadzenia danych.

Jakie są rodzaje obudów szaf sterowniczych i czym się charakteryzują?

Każda szafa sterownicza składa się z kilku podstawowych komponentów. Najważniejsza jest obudowa stanowiąca strukturę, w której umieszcza się pozostałe części. Obudowy mogą mieć różne rozmiary i konstrukcję. Zwykle jest to metalowy stelaż o określonych rozmiarach, który pozwala na zamontowanie wybranych komponentów – panelu zewnętrznego albo drzwi i zabezpieczonego nimi panelu sterowniczego, pleców, miejsc mocowania płyt montażowych, do których przytwierdza się okablowanie i poszczególne urządzenia, a także ścian bocznych, które mogą pełnić jedynie role osłon, ale także być przestrzenią montażową dla części podzespołów. Najprostsze rodzaje szaf sterowniczych mają postać niewielkich skrzynek, bardziej złożone to wielomodułowe zestawy o sporych rozmiarach. Podzespołami służącymi do montażu wyposażenia szaf są zwykle płyty montażowe lub specjalne wsporniki.

Dla ujednolicenia wymiarów i dostępnych podzespołów oraz ułatwienia prac montażowych konstrukcje szaf dzieli się na poszczególne grupy. Wg standardu EIA (Electronic Industries Association) EIA-310-D opisane są wszystkie wymagania wymiarowe i odnoszące się do mocowań dotyczących szaf, ich płyt czołowych, stelaży i nośników podzespołów. W ramach specyfikacji konstrukcja szaf może być opisana w jednej z trzech grup: typu A – bez limitów wymiarów, jednak z siatką umożliwiającą rozmieszczanie elementów o wielkościach będących wielokrotnością 25 mm; typu B – z ograniczeniem wymiarów zewnętrznych i wewnętrznych wg określonych szeregów oraz typu C – określającej szerokości modułów.

Warto pamiętać, że szafy sterujące niejednokrotnie są eksploatowane w ciężkich warunkach związanych z wysokim zapyleniem, ryzykiem uszkodzenia mechanicznego, dużą wilgotnością, podwyższoną albo obniżoną temperaturą czy narażeniem na opady atmosferyczne. Obudowy szaf nierzadko muszą więc gwarantować ochronę przed przedostawaniem się do wnętrza zanieczyszczeń w postaci pyłu czy kurzu, a także wody i wilgoci. W zależności od potrzeb obudowy mogą się odznaczać różnym IP (International Protection Rating) i współczynnikiem IK (Impact Protection Ratings) oznaczającym wytrzymałość na udary mechaniczne czy nawet jeśli sprzęt jest wykorzystywany w atmosferze grożącej wybuchem, spełniać wymogi dyrektywy ATEX.

Jakie komponenty składają się na wyposażenie szafy sterowniczej?

Wyposażenie szafy sterowniczej ściśle zależy od rodzaju obsługiwanego urządzenia. Najczęściej zawiera jednak komponent siłowy odpowiedzialny za rozdzielanie energii elektrycznej oraz układ sterująco-sygnalizacyjny składający się z odpowiednich przewodów sterowniczych. Układ siłowy rozprowadza zwykle prąd zmienny trójfazowy o napięciu 400 V lub w niektórych przypadkach znacznie wyższym, np. przy obsłudze dużych turbin czy pieców. W układzie sterowania płynie z reguły prąd stały o napięciu 12, 24 lub 48 V. Poza nimi coraz częściej rozprowadzane są przewody obsługujące informatykę przemysłową prowadzącą do sterowników PLC poszczególnych maszyn czy pojedynczych czujników.

Panel kontrolny szafy sterowniczej to najczęściej przynajmniej włączniki i przyciski pozwalające na uruchamianie określonych funkcji, a także lampki sygnalizacyjne pokazujące stan poszczególnych elementów. Bardzo często znajduje się na nim jednak znacznie więcej elementów w postaci rozmaitych regulatorów i wskaźników – zarówno jako tradycyjnych wskaźników i zegarów, jak i nowoczesnych wyświetlaczy czy wręcz komputerowych dotykowych paneli operatorskich.

Poszczególne komponenty szafy sterowniczej to również niezwykle rozbudowana kategoria obejmująca składniki od elementów typowo elektrycznych – transformatorów, styczników, bezpieczników wszelkiego rodzaju oraz infrastruktury z tym związanej, czyli szyn, listew i zacisków, a także potrzebnego okablowania – aż po urządzenia automatyzacyjne – regulatory pozwalające na dopasowywanie stanu poszczególnych obwodów i urządzeń do informacji pozyskiwanych z czujników lub komputerów sterujących, w tym np. sprawdzające temperaturę, ciśnienie, przepływ, ale także zliczające przebytą drogę czy położenie poszczególnych elementów.

Praca szafy sterowniczej często łączy się z powstawaniem dużych ilości ciepła. W jej wnętrzu musi więc być zapewnione odpowiednie chłodzenie, np. za pośrednictwem zainstalowanych wentylatorów. W wielu przypadkach – zwłaszcza przy elementach instalowanych na zewnątrz pojawia się sytuacja odwrotna i konieczność ogrzewania wnętrza urządzenia, tak żeby nie doszło do skroplenia się wewnątrz wody, co mogłoby prowadzić do zwarć. W przypadku, gdy w urządzeniach są zainstalowane wrażliwe układy elektroniczne, konieczne może być także regulowanie poziomu wilgotności.

W wielu przypadkach urządzenia sterownicze muszą być chronione przed dostępem osób nieupoważnionych. W takiej sytuacji drzwi szaf są wyposażane w odporne na próby otwarcia zamki, solidne zawiasy, a nierzadko także systemy sygnalizujące otwarcie drzwiczek lub obudowy. W dużych i skomplikowanych układach sterowniczych, gdzie jest generowana duża ilość ciepła, np. ze względu na wiele działających falowników czy transformatorów, konieczna może się okazać instalacja specjalnych urządzeń klimatyzacyjnych.