Hướng Dẫn Thiết Kế Tủ Điện Điều Khiển Công Nghiệp

Hướng dẫn thiết kế tủ điện điều khiển công nghiệp: Sơ đồ và Tiêu chuẩn thiết kế

Tủ điện điều khiển công nghiệp bao gồm các mạch nguồn hoặc mạch điều khiển (hoặc cả hai) cung cấp các tín hiệu chỉ đạo hiệu suất của máy móc hoặc thiết bị. Bảng điều khiển công nghiệp không bao gồm nguồn điện chính cũng như không bao gồm thiết bị được điều khiển; thay vào đó, bảng điều khiển được gắn trên bảng điều khiển phía sau (hoặc bảng điều khiển phụ) hoặc trong một bao vây, tùy thuộc vào ứng dụng. Thiết kế bảng điều khiển công nghiệp bắt đầu với các yêu cầu và thông số kỹ thuật thiết kế cân và chuẩn bị sơ đồ, nhưng quá trình thiết kế có thể khá phức tạp để đảm bảo đáp ứng tất cả các tiêu chuẩn quy định hiện hành và yêu cầu an toàn.

CTI SUPPLY tạo nên quy trình hướng dẫn này để cung cấp tổng quan về các cân nhắc thiết kế chính áp dụng cho thiết kế tủ điện điều khiển công nghiệp, bao gồm sơ đồ, các tiêu chuẩn quy định liên quan và các cân nhắc thiết kế liên quan đến mọi khía cạnh của thiết kế bảng điều khiển hiệu quả cho thiết bị và máy móc công nghiệp.

Thiết kế Sơ đồ Tủ điện điều khiển công nghiệp

Thiết kế bảng tủ điện điều khiển cho thiết bị và máy móc công nghiệp là một công việc quan trọng vì một giao diện được thiết kế để điều khiển máy móc hoặc quy trình. Không phải vấn đề đơn giản là chọn một vỏ bọc thích hợp và một mặt sau chứa phần cứng điện. Vì vậy, phần cứng thích hợp phải được gắn trên mặt sau và được kết nối đúng cách và được tích hợp vào máy – bất kỳ cấu hình không phù hợp nào cũng có thể dẫn đến máy móc bị trục trặc, nhưng cũng có thể gây ra rủi ro không đáng có cho người vận hành. Sơ đồ thiết kế bảng điều khiển công nghiệp Quá trình này phải luôn bắt đầu bằng việc đánh giá các thông số kỹ thuật, yêu cầu và tiêu chuẩn quy định. Sau khi những cân nhắc này được đánh giá, các bản vẽ được tạo ra để phác thảo cấu hình cụ thể của hệ thống dây điện, mạch, điều khiển và mọi khía cạnh khác của bảng điều khiển cuối cùng. Thiết kế tốt đáp ứng được cả các yêu cầu về điện và vật lý. Các bản vẽ này nên bao gồm:

• Sơ đồ chức năng
• Sơ đồ I / O (Đầu vào / Đầu ra)
• Phân phối điện
• Bố trí tủ điều khiển
• Vật tư tủ điện

Vì có rất nhiều yếu tố trong một giản đồ thích hợp, nên mục lục cũng cần thiết. Sơ đồ là nền tảng cho sự phát triển tiếp theo của bảng điều khiển công nghiệp.

Tiêu chuẩn quy định liên quan đến thiết kế bảng điều khiển công nghiệp

Mặc dù có nhiều chu kỳ Code, nhiều bảng điều khiển công nghiệp vẫn không tuân thủ các tiêu chuẩn quy định được chấp nhận trong toàn ngành. Tuy nhiên, tuân thủ là rất quan trọng để đảm bảo rủi ro an toàn tối thiểu liên quan đến việc lắp đặt và vận hành thiết bị và máy móc công nghiệp.

Dưới đây là tổng quan về các quy định nổi bật nhất áp dụng cho thiết kế, sản xuất và lắp đặt bảng điều khiển công nghiệp. Giống như tất cả các tiêu chuẩn quy định, tiêu chuẩn bảng điều khiển công nghiệp có thể thay đổi theo thời gian và trên thực tế, một trong những tiêu chuẩn liên quan nhất, UL 508, gần đây đã bị loại bỏ và thay thế bằng tiêu chuẩn quốc tế hài hòa, cập nhật. Do tính chất thay đổi của các tiêu chuẩn quy định, điều quan trọng là phải luôn cập nhật các yêu cầu hiện tại.

NEC

Mã điện quốc gia (NEC), hoặc NFPA 70, là tiêu chuẩn được chấp nhận rộng rãi để lắp đặt an toàn thiết bị điện và hệ thống dây điện. NEC được thông qua bởi tiểu bang hoặc khu vực để tiêu chuẩn hóa việc thực thi các thực hành điện an toàn.

Điều 409 đề cập đến các bảng điều khiển công nghiệp và áp dụng cho các bảng được thiết kế để sử dụng chung ở 600 vôn trở xuống, ở các vị trí thông thường. Tiêu chuẩn quy định về thiết kế bảng điều khiển công nghiệp Điều 409 quy định rằng bảng điều khiển công nghiệp phải được đánh giá và đánh dấu về Đánh giá dòng điện ngắn mạch (SCCR), được thiết lập bằng cách đánh giá từng bộ cấp nguồn riêng lẻ cũng như tất cả các mạch nhánh. Giá trị kA nhỏ nhất được sử dụng làm giá trị kA cho toàn bộ bảng điều khiển. Giá trị kA phải lớn hơn giá trị kA của nguồn đến để có thể lắp đặt bảng điều khiển.

NFPA 79

NFPA (Hiệp hội Phòng cháy chữa cháy Quốc gia) 79 là một phần của NEC liên quan đến các tiêu chuẩn về hệ thống dây điện cho máy móc công nghiệp. Phạm vi của tiêu chuẩn này bao gồm các yếu tố điện và điện tử của tất cả các máy móc hoạt động ở mức 600V trở xuống, bao gồm máy ép phun, máy lắp ráp, máy công cụ và máy xử lý vật liệu, cùng với các máy khác, cũng như máy móc kiểm tra và thử nghiệm. NFPA 79 cung cấp các biện pháp bảo vệ cho máy móc công nghiệp nhằm bảo vệ người vận hành, thiết bị, cơ sở và công việc đang tiến hành khỏi các nguy cơ cháy và điện.

Các phần của NFPA 79 liên quan đến mạch điều khiển và chức năng điều khiển, giao diện người vận hành và thiết bị điều khiển, vị trí, cách lắp và vỏ cho thiết bị điều khiển và các chủ đề khác liên quan đến thiết kế bảng điều khiển công nghiệp.

UL 508 và UL 60947-4-1

UL 508 là một trong những tiêu chuẩn quan trọng nhất được công nhận trong nhiều năm, nhưng tiêu chuẩn này gần đây đã bị loại bỏ và được thay thế bằng UL 60947-4-1.

• Trước ngày 26 tháng 1 năm 2012, các bảng điều khiển được liệt kê đã được đánh giá theo tiêu chuẩn UL 60947-4. Nếu một khách hàng yêu cầu cụ thể rằng một bảng được đánh giá theo UL-508, điều này được phép.
• Từ ngày 26 tháng 1 năm 2012 đến ngày 26 tháng 1 năm 2017, các bảng điều khiển công nghiệp mới đã được đánh giá là UL 60947-4. Tuy nhiên, việc đánh giá các sửa đổi đối với các bảng điều khiển hiện có đối với UL-508 được cho phép nếu được yêu cầu.
• Sau ngày 27 tháng 1 năm 2017, tất cả các bảng điều khiển công nghiệp được liệt kê bắt buộc phải đáp ứng các thông số kỹ thuật UL 60947-4-1.

Việc chuyển đổi nhằm mục đích hài hòa các tiêu chuẩn từ UL và các tổ chức khác bao gồm Hiệp hội Tiêu chuẩn Canada (CSA) và Ủy ban Kỹ thuật Điện Quốc tế (IEC) ở Châu Âu. Cần lưu ý rằng UL 508 và UL 60947-4-1 phần lớn giống nhau về mặt kỹ thuật nhưng có sự kết hợp các khác biệt quan trọng của quốc gia để hài hòa và tạo ra một tiêu chuẩn quốc tế.

Các tác động chính của quá trình chuyển đổi liên quan đến cách sản phẩm được kiểm tra và đủ điều kiện theo tiêu chuẩn do sự khác biệt về điện áp được sử dụng trên khắp thế giới. Điện áp công nghiệp ở Hoa Kỳ là 480 V ở tần số 60Hz, trong khi điện áp công nghiệp ở châu Âu là 400 V ở tần số 50Hz.

Tiêu chuẩn mới UL 60947-4 “áp dụng cho các loại thiết bị được liệt kê trong 1.1.1 và 1.1.2 có các tiếp điểm chính được thiết kế để nối với mạch có điện áp danh định không vượt quá 1000 V xoay chiều hoặc 1 500 V một chiều ”

Một loạt các tiêu chuẩn khác được áp dụng cho một số loại tủ điện điều khiển công nghiệp, được trình bày trong bảng dưới đây:

Tiêu chuẩn	Phạm vi điều khiển
UL 218: Tiêu chuẩn cho Bộ điều khiển máy bơm chữa cháy	Bộ điều khiển máy bơm chữa cháy
UL 1203: Tiêu chuẩn cho Thiết bị Điện Chống Nổ và Chống Bụi-Cháy để Sử dụng ở Các Vị trí Nguy hiểm (Đã được Phân loại)	Thiết bị được thiết kế để sử dụng ở những nơi nguy hiểm
UL 698A: Tiêu chuẩn cho bảng điều khiển công nghiệp liên quan đến vị trí nguy hiểm (đã phân loại)	Bảng điều khiển công nghiệp với các rào cản an toàn bên trong nhằm mục đích kết nối với các mạch điện ở các vị trí nguy hiểm
UL 845: Tiêu chuẩn cho Trung tâm điều khiển động cơ	Trung tâm điều khiển động cơ
UL 864: Tiêu chuẩn cho Bộ điều khiển và Phụ kiện cho Hệ thống Báo cháy	Cụm bộ điều khiển điện hoặc thiết bị chứa bộ điều khiển điện cho hệ thống báo hiệu phòng cháy chữa cháy
UL 891: Tiêu chuẩn cho tổng đài	Cụm cầu dao tự do và các ứng dụng liên quan
UL 924: Tiêu chuẩn cho thiết bị điện và chiếu sáng khẩn cấp	Bất kỳ thiết bị nào cần thiết để cung cấp ánh sáng tự động và / hoặc nguồn điện cho các khu vực quan trọng và / hoặc thiết bị cần thiết cho sự an toàn của cuộc sống con người
UL 1563: Tiêu chuẩn cho Spa điện, Nhà lắp ráp thiết bị và Thiết bị liên kết	Thiết bị điều khiển cho bể bơi và spa
UL 1640: Tiêu chuẩn cho thiết bị phân phối điện di động	Bảng điều khiển di động cho các ứng dụng cụ thể
UL 1741: Tiêu chuẩn cho bộ biến tần, bộ chuyển đổi, bộ điều khiển và thiết bị hệ thống kết nối để sử dụng với nguồn năng lượng phân tán	Thiết bị điều khiển pin nhiên liệu, hệ thống quang điện hoặc hệ thống tương tác tiện ích
UL 1773: Tiêu chuẩn cho hộp kết thúc	Vỏ hoặc bệ có chứa các đầu nối để nối dây dẫn mạch nguồn
UL 2017: Tiêu chuẩn cho các thiết bị và hệ thống tín hiệu có mục đích chung	Bao gồm các bảng điều khiển có chứa thiết bị báo động khẩn cấp, cũng như thiết bị báo động thực tế
UL 2075: Tiêu chuẩn cho đầu dò và cảm biến khí và hơi	Thiết bị phát hiện khí hoặc hơi
UL 60950-1: Tiêu chuẩn về thiết bị công nghệ thông tin – An toàn – Phần 1: Yêu cầu chung	Che bảng điều khiển với thiết bị liên lạc chủ yếu
UL 294: Tiêu chuẩn cho các đơn vị hệ thống kiểm soát truy cập	Thiết bị điều khiển để sử dụng trong hệ thống kiểm soát truy cập vật lý
UL 1037: Tiêu chuẩn cho thiết bị và cảnh báo chống trộm	Thiết bị kiểm soát dành cho mục đích ngăn chặn hoặc cảnh báo trộm cắp
UL 916: Tiêu chuẩn cho thiết bị quản lý năng lượng	Thiết bị cung cấp năng lượng hoặc khử năng lượng cho các tải điện để đạt được mục đích sử dụng năng lượng điện

Các cơ quan khác cũng đã ban hành các tiêu chuẩn áp dụng, chẳng hạn như IEC 60204-1, liên quan đến sự an toàn của máy móc và thiết bị điện của máy móc. Với nhiều tiêu chuẩn áp dụng cho các loại bảng điều khiển công nghiệp cụ thể và những tiêu chuẩn được thiết kế để sử dụng trong các ứng dụng cụ thể, bắt buộc phải xác định các tiêu chuẩn thích hợp khi bắt đầu quá trình thiết kế.

Các cân nhắc thiết kế cho tủ điện điều khiển công nghiệp

Phải cân nhắc nhiều vấn đề về thiết kế trong suốt quá trình thiết kế để thiết kế bảng điều khiển đáp ứng các yêu cầu chức năng, thông số kỹ thuật ứng dụng và tiêu chuẩn quy định. Các quyết định thiết kế sau đây thể hiện các cân nhắc thiết kế chính trong việc phát triển bảng điều khiển công nghiệp, mặc dù có thể áp dụng các cân nhắc bổ sung dành riêng cho các ứng dụng riêng lẻ.

Yêu cầu về vỏ tủ điện và không gian

Cân nhắc về không gian cho bảng điều khiển công nghiệp: Môi trường dự kiến ​​chủ yếu quyết định loại vỏ bọc phù hợp cho bảng điều khiển công nghiệp. Bạn sẽ cần có đủ không gian để lắp đặt và nối dây các bộ phận và cũng nên có kế hoạch bố trí nhiều ổ cắm để giảm nhu cầu sử dụng dây nối khi cần cấp nguồn cho thiết bị hoặc thiết bị thử nghiệm.

Vị trí là một cân nhắc khác liên quan đến vỏ tủ điện. Tùy thuộc vào vị trí đặt bảng điều khiển, bạn có thể cần tính đến yêu cầu xoay của cửa tủ (nếu đang sử dụng vỏ tủ). Nếu bảng điều khiển được đặt ở khu vực có nhiệt độ môi trường cao, có thể cần phải có quạt thông gió hoặc điều hòa không khí để giữ cho bảng điều khiển nằm trong phạm vi nhiệt độ hoạt động lý tưởng. Nếu áp dụng kiểm soát nhiệt độ, cần phải cho phép dễ dàng tiếp cận các cửa hút không khí và lỗ thoát khí (giúp dễ dàng tiếp cận và thay thế bộ lọc). Cả khe hở yêu cầu của NEC xung quanh hệ thống dây điện và khe hở yêu cầu UL xung quanh các thiết bị sinh nhiệt phải được xem xét để có đủ chỗ thông gió.

Cân nhắc về không gian là điều rất quan trọng, vì một trong những vi phạm NEC phổ biến nhất liên quan đến bảng điều khiển quá nhỏ hoặc quá hạn chế để cho phép không gian thích hợp cho việc đi dây và uốn dây. Cũng nên xem xét các yêu cầu về không gian không chỉ đối với cấu hình hiện tại mà còn cả các nhu cầu có thể có trong tương lai, vì không gian hạn chế là một thách thức chung đối với các trang bị bổ sung khác.

Kích thước dây dẫn và các loại thành phần

Khi nói đến định cỡ dây và chọn loại thành phần thích hợp, có hai quy tắc quan trọng:

• Dây phải được định kích thước dựa trên dòng tải. Đổi lại, bảo vệ mạch phải dựa trên kích thước dây. Lựa chọn kích thước dây phù hợp là điều cần thiết để đảm bảo rằng mạch có khả năng cung cấp dòng tải cần thiết, đồng thời lựa chọn bảo vệ mạch tốt nhất làm giảm nguy cơ cháy bằng cách ngăn dây dẫn quá nóng.
• Các loại thành phần nên được chọn dựa trên các yêu cầu chức năng. Việc lựa chọn các thành phần có kích thước phù hợp là rất quan trọng, vì các yêu cầu về điện áp và dòng tải có thể bắt buộc các yêu cầu về kích thước tối thiểu. Các thành phần phải có khả năng xử lý các yêu cầu về điện áp và dòng tải một cách đáng tin cậy – nhưng chúng cũng phải hoạt động theo yêu cầu.

Tiêu chuẩn UL phác thảo các yêu cầu cụ thể đối với hệ thống dây điện, chẳng hạn như vật liệu đi dây, ghi nhãn cho dây dẫn, định cỡ dây dẫn mạch nguồn và định cỡ dây.

Các thành phần và mạch điều khiển

Loại điều khiển nào sẽ phù hợp với ứng dụng? Có nhiều lựa chọn từ rơ le đến bộ định thời đến khối thiết bị đầu cuối. Chọn các thành phần điều khiển đơn giản nhất có thể.

Các mạch điều khiển cung cấp cho hoạt động của các thành phần mạch nguồn theo tính logic. Các mạch này thường có điện áp thấp hơn để đảm bảo an toàn và các thành phần như máy biến áp điện điều khiển (CPT) và bộ nguồn được sử dụng để chuyển đổi điện áp mạch nguồn thành điện áp mạch điều khiển.

Dây dẫn cung cấp

Các dây dẫn cung cấp phải cho phép chịu tải cao nhất có thể xảy ra. Điều này thường được tính toán bằng cách xác định tổng của tất cả các động cơ và thiết bị được kết nối (lưu ý các chu kỳ làm việc và động cơ và thiết bị nào sẽ hoạt động đồng thời) và cộng tổng này vào dòng đầy tải cho tất cả các tải điện trở cộng với 125% toàn tải dòng điện của động cơ định mức cao nhất.

Xử lý bảo vệ quá dòng

Bạn cũng sẽ cần xem xét bảo vệ quá dòng trong giai đoạn thiết kế. Có hai lựa chọn: bảo vệ quá dòng có thể được đặt trước bảng điều khiển hoặc kết hợp một thiết bị bảo vệ chính duy nhất trong chính bảng điều khiển. Tùy thuộc vào ứng dụng, có thể không mong muốn tích hợp thiết bị bảo vệ trong bảng điều khiển để giảm thiểu nhu cầu mở vỏ bọc.

Thiết bị vận hành Bảng điều khiển công nghiệp với nút E-stop

Thiết bị điều hành bao gồm các thành phần như nút nhấn, đèn báo, bảng đồng hồ kỹ thuật số, đòn bẩy, v.v., nhưng những thiết bị này cũng có thể phức tạp hơn, màn hình cảm ứng. Những HMI như vậy (giao diện người-máy) cho phép có nhiều chức năng phức tạp hơn, nhưng cũng yêu cầu các thành phần tính toán và phát triển phần mềm, điều này có thể làm tăng thêm chi phí.

Khi nói đến điều khiển, K.I.S.S. cũ. áp dụng nguyên tắc (Keep It Simple, Stupid). Đơn giản hơn luôn tốt hơn, nhưng đơn giản hơn có thể không phải lúc nào cũng khả thi. Tuy nhiên, bạn nên chọn các thiết bị vận hành đơn giản nhất phù hợp với các yêu cầu chức năng để hỗ trợ dễ sử dụng.

Tất cả các tủ điện điều khiển công nghiệp phải bao gồm một dừng khẩn cấp (khác với một dừng chu kỳ), thường là một điều khiển tự chốt ở dạng nấm hoặc cọ. Các điểm dừng khẩn cấp, hoặc E-stop, cũng được OSHA (Cơ quan Quản lý An toàn và Sức khỏe Nghề nghiệp) yêu cầu, và chúng không thể là nút trên HMI; chúng phải là một thiết kế nút nhấn được nối dây cứng vào mạch an toàn. Ngoài ra, mọi nút khởi động hoặc công tắc phải được đặt ngay phía trên hoặc ngay bên trái của nút dừng được liên kết.

Ghi nhãn

Bắt buộc phải dán nhãn đúng cách cho tất cả dây dẫn, thiết bị đầu cuối và các thành phần khác trong bảng điều khiển công nghiệp. Đó là một chiến lược tiết kiệm thời gian cũng làm giảm khả năng xảy ra lỗi trong quá trình kiểm tra, bảo trì định kỳ và sửa chữa. Nhãn phải đủ bền để chịu được các điều kiện của môi trường mục tiêu để tránh phai màu và hư hỏng khiến chúng không thể đọc được.

Mặt trước vỏ tủ điện (Front Panels and Faceplates)

Những yếu tố này cũng quan trọng không kém đối với hoạt động tổng thể của máy móc như các thành phần chức năng bên trong. Mặt trước phải đủ bền để chịu được nhiệt độ khắc nghiệt, điều kiện thời tiết, các sản phẩm tẩy rửa và hóa chất để bảo vệ các thành phần bên dưới.

Mặt trước tủ điện có thể bao gồm nền kim loại hoặc nhựa, tùy thuộc vào thông số kỹ thuật của ứng dụng và có thể được gắn bằng đinh tán, chất kết dính hoặc dây buộc. Đồ họa kỹ thuật số hoặc in màn hình cung cấp hướng dẫn trực quan cho người vận hành và kết hợp việc dán nhãn các thiết bị của người vận hành để đảm bảo tính khả dụng. Do đó, các tấm mặt phải có độ bền cần thiết để có thể đọc được trong suốt thời gian sử dụng của tài sản.

Có rất nhiều thành phần và yếu tố riêng lẻ đi vào một bảng điều khiển công nghiệp. Hướng dẫn này CTI SUPPLY nhằm cung cấp một cái nhìn tổng quan về các cân nhắc thiết kế chính. Với chiều sâu và độ phức tạp của thiết kế bảng điều khiển, cũng như các thông số kỹ thuật ứng dụng và các cân nhắc về quy định, hợp tác với một chuyên gia có kinh nghiệm trong việc thiết kế và phát triển bảng điều khiển công nghiệp là một lựa chọn tiết kiệm thời gian và hiệu quả về chi phí cho các nhà sản xuất.