Проектирование и сборка стенда АСУ ТП для исследования атак на промышленные системы

Вступление

Мы спроектируем и соберем промышленный узел управления для исследования кибератак на критическую инфраструктуру.

Промышленная кибербезопасность

В промышленной ICS (Industrial Control Systems) кибербезопасности (ICS security) есть понятия Red team, Blue team и Purple team.

В промышленности это особенно ценно, потому что сценариев реальных атак мало, а цена каждого инцидента огромна (Stuxnet, Colonial Pipeline, TRITON – мы будем это обсуждать).

“Мало сценариев” – это значит мало задокументированных, публичных случаев. И вот почему это усложняет, а не упрощает:

• Заводы и энергокомпании не хотят признавать взломы – репутация, регуляторы, биржевые котировки;
• Многие атаки не замечают годами. Средний TTD (Time to Detect) в OT (Operational Technology) – 200+ дней;
• Масштаб и подготовка: APT (Advanced Persistent Threat) – долгосрочные, скрытые и хорошо финансируемые кибератаки, обычно проводимые или поддерживаемые государствами для шпионажа, саботажа или влияния – не оставляют следов.

В классическом IT – тысячи CVE, готовые модули в Metasploit, огромная экосистема знаний. В OT задокументированные уязвимости тоже есть (например CVE-2020-15782), но их значительно меньше, они хуже задокументированы, а патч на работающем заводе можно ждать годами.

Каждая конфигурация уникальна – один и тот же сценарий на двух заводах работает по-разному.

Нужно понимать не только IT, но и физику процесса: как работает центрифуга, турбина, химический реактор – иначе не будет ясно, что вообще атаковать – и что защищать.

Этапы разработки

Мы будем строить испытательный полигон АСУ ТП для исследования векторов атак и разработки механизмов защиты.

При этом мы сознательно пройдем полный инженерный цикл – от постановки задачи до закупки и сборки. Не потому, что обязаны следовать формальным регламентам, а потому что такой процесс лучше всего структурирует работу и позволяет избежать хаоса по мере усложнения системы.

Процесс разработки:

1. Требования, постановка задачи;
2. Концепция, архитектура;
3. Проектирование;
4. Ведомость материалов и закупка;
5. Сборка шкафа;
6. Настройка;
7. Ввод в эксплуатацию.

1. Требования, постановка задачи

Основная идея заключается в том, что у нас есть силовая линия (например – насос или двигатель) и управляющая линия (логический контроллер, панель взаимодействия с оператором и так далее).

Оператор нажимает на кнопку → ПЛК оценивает состояние параметров системы и разрешает запуск при выполнении условий → происходит управляемое подключение силовой нагрузки к электросети с помощью коммутационных аппаратов (реле, контакторы).

Теперь опишем требования инженерным языком:

• Обеспечить коммутацию индуктивной нагрузки 220 В AC, 5 А с помощью выносного пульта управления (кнопки “СТАРТ” и “СТОП”);
• Обеспечить защиту цепей от короткого замыкания и перегруза;
• Обеспечить возможность аварийного отключения нагрузки с устойчивостью к обрыву контактов по принципу “обрыв = отключение”;
• Обеспечить визуальную индикацию наличия напряжения в системе в целом и на нагрузке;
• Обеспечить измерение параметров сети: напряжения, частоты, тока нагрузки и потребленной электрической энергии;
• Обеспечить возможность контроля указанных параметров с ПК;
• Обеспечить устойчивость системы к помехам и температурным воздействиям в рамках типовых промышленных условий эксплуатации.

2. Концепция, архитектура

2.1. Коммутация

Согласно стандарту IEC 60204-1 (безопасность машин, электрооборудование машин и механизмов), цепи управления должны быть гальванически развязаны от силовых цепей, а для питания цепей управления рекомендуется использовать системы безопасного сверхнизкого напряжения (PELV), чаще всего – 24 В DC. Это гарантирует безопасность оператора при контакте с элементами управления.

Рассмотрим два устройства коммутации цепей:

• Реле
• Контактор

Эти устройства смыкают и размыкают электрическую цепь в зависимости от наличия / отсутствия управляющего сигнала.

Управляющий сигнал есть – цепь сомкнута; как только управляющий сигнал пропадает – устройство размыкает цепь.

Реле

Реле бывает двух типов:

Тип 1: Промежуточное реле

Оно в основном предназначено для коммутации управляющего сигнала:

Тип 2: Силовое реле

Предназначено для коммутации резистивной нагрузки без индуктивности, например ТЭН или лампа.

В обоих типах коммутируемой цепи нет магнитного поля, и почти нет дуги.

Реле включается плавно, без жесткого удара по контактам.

Реле не рассчитано на частные переключения под нагрузкой.

Контактор

При коммутации индуктивных нагрузок, включая большие пусковые токи электродвигателей, используются контакторы:

При отключении такого типа нагрузок:

• Возникает обратное напряжение;
• Появляется сильная дуга.

Это сильно усиливает износ контактов, вызывает эрозию и может их “приварить”.

Поэтому в контакторе используется мощный электромагнит и специальные дугогасительные камеры, которые разбивают и охлаждают плазменную дугу. Контактор агрессивнее и контролируемее работает с высокими пусковыми токами.

Есть различные конфигурации контакторов, например:

• Катушка 220 В AC. В этом случае на саму катушку должен приходить управляющий сигнал 220 В переменного тока. Такой нам не подходит – катушка просто не переключит контакты;
• Катушка 24 В DC. В этом случае управляющий сигнал – 24 В постоянного тока.

Note: здесь важно упомянуть, что при отключении управляющей катушки контактора происходит обратный выброс ЭДС; значения достигают сотен – иногда тысяч вольт. Чем быстрее происходит отключение – тем больше будет ЭДС самоиндукции: $$ V=L \cdot \frac{dI}{dt} $$

Если напрямую подать выход ПЛК на катушку – то можно запросто пробить чувствительный транзистор в ПЛК при отключении контактора. Обратный выброс будет особенно большой, потому что транзистор отключает цепь за очень короткий промежуток времени.

Самый простой способ защитить линию управления при размыкании катушки контактора – подключить на катушку контактора диод 1n5408, обратной полярностью: катод диода к аноду катушки, а анод диода – к катоду катушки.

Промышленные контакторы обычно поддерживают расширительные модули, поэтому к контактору нужно докупить соответствующий модуль защиты от выбросов ЭДС.

Диод – не единственный способ решения проблемы; подробнее – дальше в статье.

Исходя из проектных требований – для стенда мы выбираем контактор с катушкой 24 В DC.

Кстати, при подключении электродвигателя – на выходе контактора ставят тепловое реле. Подробнее в секции ниже.

Тепловое реле

Задача теплового реле в том, чтобы разомкнуть управляющий сигнал катушки контактора, если электродвигатель начал потреблять больше тока – то есть защитить его от перегрева.

Вопрос, а как мы вообще узнаем, что двигатель перегружен, замеряя ток?

Потери в обмотках двигателя: $$ P = I^2R $$

То есть:

• Увеличился ток → потери растут квадратично;
• Потери превращаются в тепло;
• +20% к току → примерно +44% к нагреву;
• 2× ток → 4× нагрев.

Поэтому ток – практически применимый косвенный показатель перегрева/перегрузки.

Хорошо, но здесь возникает вопрос: почему бы нам не полагаться на автоматический выключатель, который у нас уже есть в цепи? Ведь у него тоже есть защита от перегрузки, и он обрывает цепь при превышении током пороговых значений.

Дело в том, что задача автомата – защитить провод. Автомат слишком грубый для электродвигателя. Для электродвигателя необходима более точная настройка порогового значения, например:

• Номинал двигателя 10 А;
• Перегруз с перегревом может быть уже на 14-15 А;
• Автомат 16-20 А, соответствующий кабелю 2.5 мм²– молчит.

Если же выбрать более чувствительный автомат – его будет выбивать из-за пусковых токов двигателя, но об этом – дальше в статье.

Пример теплового реле, которое решает эти задачи:

2.2. Контроллер

Нам нужно устройство, которое фиксирует нажатия кнопок на пульте управления и, в зависимости от состояния системы (ВКЛ/ВЫКЛ), формирует управляющий сигнал на катушку контактора (24 В).

Кроме того, это устройство должно:

• Считывать данные со счетчика электроэнергии;
• Учитывать количество включений;
• Реализовывать логику блокировок системы.

Таким устройством является ПЛК – программируемый логический контроллер. Это специализированное устройство, рассчитанное на работу в промышленных условиях (повышенная надежность, устойчивость к вибрациям, температурным воздействиям и помехам).

Почему бы не использовать обычный ПК?

ПК не гарантирует детерминированное поведение: он может зависнуть, перезагрузиться или задержать выполнение задачи из-за фоновых процессов или операционной системы. В системах управления это приводит к потере контроля над оборудованием.

ПЛК, в отличие от ПК, спроектирован для предсказуемой и устойчивой работы:

• Выполняет программу циклически (scan cycle);
• Обеспечивает детерминированную обработку входов и выходов;
• Имеет встроенные механизмы контроля (например, watchdog).

Важно упомянуть, что у ПЛК тоже есть system interruptions, что, например, может приводить к нежелательным эффектам – например – “дрифт” таймеров и генераторов сигнала, но об этом в будущих статьях.

Принцип работы ПЛК:

1. Считывание сигналов с входов;
2. Обработка логики программы;
3. Обновление состояний выходов.

Этот цикл повторяется с заданной периодичностью.

Кнопки пульта управления подключаются к входам ПЛК, а его выходы управляют цепью катушки контактора (как правило, через промежуточные или защитные элементы – например, реле безопасности).

Более подробно о конфигурациях ПЛК и типах выходов (транзисторные / релейные) – далее.

Для нашего случая идеальная комбинация это 24 В DC/DC/DC, потому что коммутировать нагрузку в нашем случае будет контактор, катушку которого мы соединим с выходом ПЛК (через реле безопасности и flyback диод, но об этом позже).

2.3. E-STOP и реле безопасности

Согласно стандартам ISO 13850 (функция аварийного останова) и ISO 13849-1 (элементы систем управления, связанные с безопасностью), система должна строиться по принципу Fail-Safe (безопасный отказ). Именно поэтому используется NC-контакт: если провод обломится или пульт оторвет погрузчиком, ток перестанет течь, и система мгновенно уйдет в защиту.

Если бы использовался NO-контакт, при обрыве провода мы бы просто потеряли возможность остановить механизм.

А требование двух каналов (2 NC) и реле безопасности переводит наш узел в Категорию безопасности 3 (Performance Level ’d’) – система сохранит функцию защиты даже при одиночной неисправности (например, если один из контактов кнопки “залипнет”).

Важно учесть, что в продаже много кнопок аварийного отключения с 1 NC контактом, но нам нужно 2NC-контакта, а также реле безопасности.

Реле безопасности (вспоминаем класс промежуточных реле) – это устройство, которое подключается в разрыв цепи управляющего сигнала – в нашем случае между транзисторным выходом ПЛК и катушкой контактора:

Реле непрерывно мониторит контакты кнопки аварийной остановки, и при разъединении любого из них обрывает цепь управляющего сигнала и уходит в режим защиты до поступления сигнала о сбросе.

Сброс есть как автоматический, так и ручной, но это обсудим позже.

2.4. Панель управления

Нам также понадобятся:

• Лампы 220 В для индикации напряжения (с адаптером на рейку DIN);
• Кнопочный пост под кнопки Ø22 мм с кабельным вводом;
• Кнопки управления Ø22 мм (пуск/стоп); помним, что кнопка старт должна быть нормально-открытой, а кнопка стоп – нормально закрытой;
• Розетка с креплением на DIN-рейку для симуляции нагрузки.

2.5. Питание

Блок питания, который будет преобразовывать входной переменный ток 220 В в постоянный 24 В для питания ПЛК и линии управления, включая реле безопасности:

Note: здесь есть важная особенность касаемо защиты от пониженного напряжения, об этом мы поговорим позже.

Кроме этого не забываем про защиту от короткого замыкания и от перегруза:

• Входной автоматический выключатель;
• Автоматический выключатель на силовую линию;
• Автоматический выключатель на блок питания (“вход” БП);
• Предохранители на сегменты шины питания 24 В (“выход” БП).

Note: здесь есть ряд важных особенностей касаемо времятоковой характеристики, о которой мы поговорим позднее.

Счетчик электроэнергии со встроенным вольтметром, амперметром, измерителем частоты, а также возможностью подключения по протоколу Modbus – линия RS-485:

При выборе компонентов необходимо убедиться, что выбранная модель ПЛК имеет возможность подключения шины Modbus; при необходимости – докупить плату расширения RS-485 к ПЛК.

Modbus RTU – это протокол прикладного уровня (Layer 7 OSI), определяющий структуру сообщений.

RS-485 – это стандарт физического уровня (Layer 1 OSI). Данные передаются как дифференциальный сигнал (разность потенциалов между жилами A и B).

3. Проектирование

На стадии проектирования нам предстоит решить 2 вопроса:

• Компоновка элементов в шкафу (layout);
• Схема подключения (wiring diagram; “drawings”).

При необходимости детального анализа компоновки можно воспользоваться программой EPLAN, но для наших целей подойдет и более легковесное open-source решение: QElectroTech.

3.1. Компоновка

Лист с компоновкой элементов в QElectroTech называется Folio. По-умолчанию folio называется Untitled.

Нажимаем по нему правой кнопкой → Folio Properties → Title → изменяем на Cabinet layout.

Элементы в шкафу управления АСУ ТП (как и в электрощитах) размещаются на DIN-рейке:

В программе QElectroTech возьмем инструмент прямоугольник и схематично нарисуем DIN-рейку:

Нажмите на изображение, чтобы увеличить схему

Совет: если нужно изменить размеры нарисованного прямоугольника – при нажатии на рамку по-умолчанию (зеленые маркеры) элемент масштабируется симметрично – это неудобно. После двух последовательных кликов по рамке появляются синие маркеры, которые позволяют двигать стороны независимо.

Мы уже обсудили, что силовая часть устанавливается отдельно от части управления. На нашем стенде будет три яруса:

• Вход электросети, силовая часть, 220 В AC;
• Управление 24 В DC;
• Панель оператора / выносной пульт управления.

Далее необходимо изменить размер листа → для этого делаем двойной клик по рамке → указываем Columns = 13 и rows = 15. После этого изображаем три параллельных DIN-рейки:

Нажмите на изображение, чтобы увеличить схему

В промышленных шкафах автоматизации все кабели укладываются в перфорированные кабель-каналы по замкнутому периметру.

Базовые форм-факторы кабель каналов - 25x25 мм и 25x40 мм (первое и второе фото соответственно), но есть и множество других.

Возвращаемся в QElectroTech и размечаем кабель каналы по периметру, а также между ярусами:

Нажмите на изображение, чтобы увеличить схему

Отмечу двойные кабель-каналы между ярусами. Это сделано для того, чтобы минимизировать помехи, которые силовые кабели оказывают на управляющий сигнал, а также на линию RS-485: один кабель канал для силового кабеля, другой – для управляющего сигнала и для RS-485.

Пересечение этих линий допустимо под прямым углом в 90 градусов.

В правой части программы обращаем внимание на панель “Collections”:

• QET Collection → Electric → Graphics: этот раздел мы будем использовать для layout-схемы;
• QET Collection → Electric → All pole: этот раздел понадобится для wiring-диаграммы, то есть схемы подключений;
• User Collection: очень важный раздел, о котором я расскажу ниже.

Нажмите, чтобы увеличить

Любой элемент в программе QElectroTech можно отредактировать следующим образом:

1. Нажать правой кнопкой на элемент;
2. Выбрать “Edit element”;
3. В редакторе элемента выбрать File → Save as;
4. Продублировать / сохранить отредактированную копию в User Collection.

После этого компонуем силовой уровень 220 В AC.

Исходя из того, что в электросети предприятия стоит автомат C20, мы можем подобрать автоматы следующих номиналов:

• C10: входной автомат на стенд;
• C6: автомат на нагрузку * (здесь есть нюансы);
• C6: автомат на блок питания AC 220 В → DC 24 В * (здесь есть нюансы).

Важно уточнить, что есть несколько типов автоматических выключателей:

• MCB (Miniature Circuit Breaker) – до ~100 А, защита от перегрузки и короткого замыкания
• MCCB (Molded Case Circuit Breaker) – более мощные, до нескольких сотен ампер
• ACB (Air Circuit Breaker) – большие, для силовых линий промышленного уровня.

Мы говорим о выключателях типа MCB.

Ниже подробно разберем все особенности подбора автоматических выключателей.

03. Число полюсов

Автоматические выключатели бывают:

• 1P (однополюсный) – разрывает один провод (обычно фазу);
• 2P (двухполюсный) – разрывает фазу и ноль;
• 3P (трехполюсный) – для трехфазных линий (три фазы);
• 4P – три фазы + ноль.

Для стенда берем двухполюсный автомат.

Посмотрим на линейку CHINT NXB-63:

04. Тип защиты и расцепители

Важно контролировать, какой тип защиты установлен на каждом из полюсов.

Существует два вида защиты:

• От перегрузки (тепловой расцепитель);
• От короткого замыкания (электромагнитный расцепитель).

Рассмотрим возможные варианты:

Обозначения:

• Пунктирная линия (между контактами):

  • Механическая связь. Означает, что полюса соединены: если отключается или срабатывает один, он тянет за собой второй.
  • Включаются они тоже вместе одной ручкой.

• Крестик (Х) на верхнем контакте:

  • Автоматическое отключение. Главный признак автомата (наличие дугогасительной камеры). Это “силовой механизм”, который способен безопасно разорвать огромный ток аварии.

• Горизонтальная черта (Т-образный верх) на контакте:

  • Выключатель-разъединитель. Контакт без защиты. Работает просто как рубильник для включения/выключения вручную.

• Квадратная ступенька (П-образный выступ снизу):

  • Электромагнитный расцепитель. Датчик короткого замыкания. Дает команду на мгновенное отключение при резком скачке тока.

• Полукруг (дуга снизу):

  • Тепловой расцепитель. Датчик перегрузки (биметаллическая пластина). Дает команду на отключение, если ток превышает норму долгое время (защита проводов от перегрева).

Внимательно смотрим на символ, изображенный на одном из автоматов производства CHINT:

Видно, что на каждом полюсе есть как тепловой расцепитель (перегрузка), как и электромагнитный (КЗ).

06. Пусковой ток БП

Важная и неочевидная на первый взгляд особенность импульсных БП:

У импульсных блоков питания после диодного моста стоят пустые конденсаторы.

В момент подачи входного напряжения эти конденсаторы начинают заряжаться, создавая огромный скачок тока (Inrush Current) длительностью пару миллисекунд.

Посмотрим на документацию (datasheet) для нашего блока питания DRL-24V75W1AZ:

https://psu.deltaww.com/en/products/configurable-power-supply/DRL-24V75W1AZ

Открываем страницу выше → находим секцию “Download” → “Datasheet”:

https://psu.deltaww.com/en/products/download/Datasheet/DRL-24V75W1AZ

И находим секцию “Max Inrush Current”:

Получается, что несмотря на то, что рабочий ток БП на 75 W не превышает 0.5 А, для типичного БП на 75 W пусковой ток при старте БП при 230 В может достигать 50+ А!

Кстати, увидеть этот ток глазами можно с помощью осциллографа и токового пробника на эффекте Холла (Hall effect probe). Мы обязательно этим займемся в следующих статьях.

07. Зачем нужны большие конденсаторы в БП?

Блок питания конвертирует 220 В AC в 24 В DC, то есть переменное напряжение в постоянное.

Очень грубо, схема импульсного БП это:

1. Выпрямление входного 220 В AC в 311 В DC (помним, что 220 В это RMS);
2. ШИМ-контроллер и транзистор, “рубящий” сигнал на десятках-сотнях кГц – получается “импульсный” DC 311 В;
3. Трансформатор, понижающий 311 В DC в 24 В AC (сюрприз!);
4. Выпрямление 24 В AC в 24 В DC (да, еще раз!).

При высоких частотах сигнала трансформатор значительно меньше греется, и требуется меньше обмотки, поэтому все это веселье нужно для того, чтобы сделать максимально компактный БП с высоким КПД.

Нам интересен выпрямитель на входе. Это диодный мост + конденсатор на выходе из моста (он называется фильтром).

Мост делает из синуса → двухполупериодное выпрямление, частота пульсаций становится в 2 раза выше, а форма – “гребенка” ($|sin|$).

Переменное напряжение на входе диодного моста выглядит следующим образом (50 Гц, то есть период $T=\frac{1}{f}=\frac{1}{50}=0.02$ с, полупериод 10 мс):

На выходе диодного моста:

Конденсатор заряжается до пика (~311 В, так как 220 В это лишь среднеквадратичное значение - RMS) и потом, разряжаясь между пиками – поддерживает напряжение, то есть держит уровень между пульсациями:

В данном случае сглаживание – основная функция конденсатора. Но у него есть и дополнительный полезный побочный эффект: при кратковременных провалах входного напряжения (миллисекунды) БП определенное время может держать выходное напряжение неизменным.

Такой параметр называется Hold-up Time, и он указывается в datasheet изделия. Это может быть полезно, если БП питает электронику по типу ПЛК или реле безопасности.

Более того, с помощью показателя Hold-up Time мы можем примерно прикинуть емкость конденсатора.

А зная входное напряжение и емкость конденсатора – мы можем рассчитать каким бы был настоящий пусковой ток БП – если бы производители БП не ставили бы минимальную защиту.

09. Как наш БП борется с пусковым током?

Пусковой ток зависит от напряжения и емкости конденсатора. Возьмем напряжение 230 В.

Конденсатор заряжается до амплитудного (пикового) напряжения. Для 220-230 В RMS пиковое значение составляет $V_{peak}=V_{rms} \cdot \sqrt2 \approx 311..325\ \text{V}$.

Для расчетов возьмем 325 В.

Но как узнать емкость конденсатора? В datasheet такого не пишут.

Фишка в том, что мы можем посмотреть на значение “Hold-up Time”, о котором мы говорили чуть выше:

Значение показателя: 60 мс при 230 В.

Энергия в конденсаторе: $$ E=\frac{1}{2}CV^2 $$

Здесь важно уточнить, что в реальности ШИМ-контроллер блока питания отключается (падает в Undervoltage Lockout), когда напряжение на конденсаторе опускается примерно до 100-120 В DC.

То есть БП высасывает энергию не до нуля, а в диапазоне от 325 В до ~100 В. Поэтому верная формула энергии, которая питает БП во время hold-up:

$$ \Delta E=\frac{1}{2}C(V_{max}^2-V_{min}^2) $$

Выходная мощность: $$ P=75 \text{ W} $$

Но чтобы отдать 75 W, БП сам потребляет больше энергии из-за потерь на нагрев, переключение ключей и т.д. – словом, КПД не 100%.

Типичный КПД хорошего промышленного БП составляет около 88-90 %: $$ \eta=\frac{P_{out}}{P_{in}} $$

Получается, что мощность, которая “высасывается” из конденсатора: $$ P_{in}=\frac{P_{out}}{\eta}=\frac{75}{0.89} \approx 84.3\ \text{W} $$

Соответственно, энергия, необходимая на 60 мс Hold-up Time, будет: $$ E=P \cdot t = 84.3 \text{ W} * 0.06 \text{ sec} \approx 5.06 \text { J} $$

То есть: $$ 5.06=\frac{1}{2}C(325^2-100^2) $$

$$ 10.12=C(105625-10000) $$

Емкость конденсатора: $$ C=0.00010583=105.83 * 10^{-6}\ \text {F}=105.83\ \text{мкФ} $$

В нашем блоке питания DRL-24V75W1AZ с большой вероятностью стоит именно NTC-термистор и конденсатор емкостью около
120-150 мкФ, потому что производители всегда ставят конденсаторы с запасом на деградацию электролита со временем (обычно +20-40% к расчетной).

Для расчетов можно считать емкость конденсатора 150 мкФ – с запасом.

Могли бы мы найти функция “родного” пускового тока БП без NTC-термистора? $$ I_{inrush}(t)=\frac{V_{peak}}{R_{total}} \cdot e^{-\frac{t}{RC}}\ \text{A} $$

Где:

• $V_{peak} \approx 325\ \text{V}$
• $R_{total}$: суммарное сопротивление проводник + мост + сопротивление конденсатора (ESR, Equivalent Series Resistance), сопротивление без защиты от пускового тока будет $\approx 1–3\ \Omega$

А потом найти функцию пускового тока БП с NTC-термистором и посчитать, какой ток будет через 1 мс после включения, через 5 мс и через 10 мс, а потом сравнить получившееся значение с порогом отключения автомата C2 / C4?

Хотелось бы!

Проблема в том, что это формула идеальной DC-цепи. У нас же $|\sin|$ после диодного моста. Конденсатор заряжается не монотонно-непрерывно, как было бы в случае DC, а только в те миллисекунды, когда мгновенное напряжение $|\sin|$ превышает текущее напряжение на конденсаторе!

Это серия агрессивных “иголок” (импульсов), первая из которых – самая большая и протяженная (так как конденсатор разряжен). Это есть те самые 50 А из datasheet.

В будущем мы верифицируем это на осциллограмме аппаратного уровня.

В datasheet нашего БП есть такой график:

Нажмите на изображение, чтобы увеличить схему

Более того, NTC-термистор нельзя считать как константное сопротивление, это и есть его фича. Его сопротивление падает по мере нагрева, поэтому реальный пусковой ток в указанные промежутки времени получился бы больше рассчитанных значений.

Здесь еще важно упомянуть, что NTC-термистор, установленный в качестве защиты от запредельных значений пускового тока нашего БП (которые в первую миллисекунду после включения могут быть порядка 100…300 А!) увеличивает время зарядки конденсатора!

То есть производитель БП Delta ставит защиту от пускового тока, уменьшая его пиковое значение, но расплачивается увеличенным $t_{inrush}$.

Все логично: термистор ограничивает ток → конденсатору требуется больше времени, чтобы зарядиться. Кроме этого – зарядка, как мы уже обсудили, происходит не непрерывно, а только в определенные промежутки времени.

Значение $t_{inrush}$ на графике напрямую не указано, но это та точка, где $t_{inrush}$ становится $\approx$ 0 А. Именно это значение и увеличилось, когда компания-производитель БП решила добавить NTC защиту в схему БП.

Поэтому мы не можем быть уверены, как именно будет себя вести пусковой ток нашего БП во времени (первые 10 мс), а значит – нам остается ориентироваться на datasheet.

Сухие цифры (по нижней границе):

• Автомат C2 бы выбило при токе в 10 А (5 * 2A) после 10 мс;
• Автомат C4 бы выбило при токе в 20 А (5 * 4A) после 10 мс.

Но мы помним, что сопротивление NTC-термистора падает при нагреве, поэтому при повторных циклах включения БП автомата C2 (как и C4) в теории может уже не хватить. Поэтому ради перестраховки можно поставить C6.

О времятоковой характеристике автоматических выключателей мы будем говорить в следующем разделе.

В реальных условиях эксплуатации на работу оборудования еще влияет и качество питающего напряжения. Одна из типовых проблем – пониженное напряжение (undervoltage), возникающее при просадках сети, пуске мощных потребителей или нестабильном электроснабжении.

В таких режимах оборудование может работать нестабильно: источники питания уходят в защиту, ПЛК перезагружается, исполнительные устройства срабатывают некорректно.

В промышленной практике защита от пониженного напряжения, как правило, реализуется на двух уровнях:

1. Со стороны питающей сети применяется контроль напряжения (и фаз для трехфазных систем), который при выходе параметров за допустимые пределы блокирует цепь управления.
2. На стороне цепей управления используется контроль выходного напряжения источника питания – сигнал “DC OK”. При его пропадании размыкается цепь управления, что приводит к отключению контактора и переводу системы в безопасное состояние.

Контроль напряжения на низковольтной шине 24 В, как правило, не используется для ее прямого отключения. Вместо этого применяется логика контролируемого снятия управления (опять же, через сигнал “DC OK” от БП), что позволяет избежать некорректной работы ПЛК и обеспечить предсказуемое поведение системы при деградации питания.

В рамках нашего БП Delta DRL-V75W1AZ сигнал “DC OK” представлен только светодиодной индикацией и не доступен как дискретный выход.

Ярус напряжения 220 В AC получается такой – слева направо:

1. Проходные клеммы для подключения ввода: фаза, нейтраль и земля (контакт с рейкой DIN);
2. Входной автомат CHINT NXB-63 C10 2P;
3. Распределительные колодки (шина) для фазы и нейтрали ;
4. Индикация наличия напряжения в системе – сигнальная лампа CHINT ND16-22DS/4;
5. Автомат CHINT NXB-63 C6 2P на нагрузку;
6. Счетчик электроэнергии потребляемой нагрузкой с поддержкой Modbus (RS-485) SinoTimer DDS529MR;
7. Автомат CHINT NXB-63 C6 2P на БП;
8. Блок питания Delta DRL-V75W1AZ 75 W;
9. Клемма заземления на рейку DIN для БП.

Нажмите на изображение, чтобы увеличить схему

Теперь компонуем уровень управления 24 В DC (PELV).

Важно отметить, что каждая линия управления (ПЛК, реле, кнопочный пост) у нас будет защищена собственным предохранителем, то есть сегментирована.

Абсолютно ту же картину можно увидеть в автомобилестронии – предохранитель установлен на каждый сегмент шины 12 В автомобиля.

Номиналы предохранителей:

• 1 А на питание ПЛК;
• 2 А на питание выходов ПЛК (выходы ПЛК питаются отдельно!);
• 1 А на кнопочный пост;
• 1 А на реле безопасности.

Зачем предохранители на линии 24 В?

Зачем нам нужны предохранители на линию 24 В? Ведь у нас уже стоит автомат C6 на входе в БП.

Все дело в гальванической развязке.

Вспоминаем устройство импульсного БП – там есть трансформатор. А значит, по определению, выход БП 24 В электрически не связан со входом 220 В.

Что будет если где-то на линии 24 В возникнет КЗ? Автомат C6 его просто “не увидит”.

А что же сам БП? Здесь есть интересный момент. При возникновении КЗ на выходе – БП входит в так называемый режим “Hiccup”: попытка запуска → видим КЗ → выключились → подождали → снова попытка.

Почему бы не поставить предохранитель прямо в БП? Дело в том, что при кратковременном КЗ вся система будет оставаться отключенной до замены предохранителя; это слишком грубое решение.

Предохранители одноразовые, поэтому если он сработал – нужно менять. А КЗ на линии управления может возникнуть банально из-за отсоединившегося провода на пульте управления.

Именно поэтому линию управления 24 В сегментируют и отдельно ставят предохранители на каждый из сегментов: на кнопочный пост, на питание ПЛК, на питание выходов ПЛК, и на реле безопасности.

Если выносной пульт управления закоротило – сгорит один предохранитель, но ПЛК продолжит жить.

Вот так выглядит проходная клемма с предохранителем:

Некоторые клеммы, например как клемма на фото выше, содержат индикацию, которая загорается при перегорании предохранителя. Но чаще эти клеммы без индикации.

К клеммам необходимо докупать предохранители подходящего форм-фактора (например – 5 мм x 20 мм), напряжения и порога срабатывания предохранителя (в Амперах).

Кроме этого – необходимо учесть – что на рынке чаще всего представлены предохранители 230 В AC. Но что насчет DC? Важно ли это?

Реальность такова, что да. Дело в том, что при возникновении КЗ и сгорании предохранителя – появляется электрическая дуга. Но так как переменный ток это синусоида, проходящая через 0 – то он будет гасить сам себя.

В случае DC дуга значительно сильнее, и гарантии что предохранитель сможет разорвать цепь уже нет. Но так как у нас PELV на 24 В DC – то нам подходят и предохранители для 230 В AC – они справятся с разъединением такой цепи.

БП у нас выдает максимум 3.125 А согласно спецификации.

Выходы ПЛК защищены номиналом 2 А, чтобы обеспечить достаточный запас по мощности на будущие подключения.

(можно было бы подумать про пусковой ток катушки контактора, но у DC-катушек пускового тока практически нет. Ток в них ограничен исключительно активным омическим сопротивлением медной обмотки. В отличие от AC-катушек, которые в момент смыкания магнитопровода имеют низкое индуктивное сопротивление и потребляют огромный пусковой ток, DC-катушка сразу выходит на свой номинальный ток удержания).

Кроме этого – существуют отдельные модули для сегментирования линии 24 В! Они называются “Electronic circuit breaker”, иногда “Selectivity module”.

Ключевое слово – “Electronic”; то есть там используются MOSFET-транзисторы, которые очень быстро отключают канал при аварии – в отличие от плавких предохранителей.

Нам даже не нужно ничего менять, как в случае с предохранителями. Более того, ток срабатывания настраивается отдельно под каждый канал! В случае возникновения КЗ на линии – загорается соответствующая индикация.

Следует учитывать, что данные устройства имеют собственное питание. При значительном снижении напряжения их корректная работа может быть нарушена, включая невозможность гарантированного отключения канала.

Итак – уровень управления 24 В – слева направо:

1. Распределительная колодка 24 В “+”;
2. Четыре проходные клеммы с предохранителями – на каждый сегмент линии управления;
3. Распределительная колодка 0 В “-”;
4. Плата расширения RS-485 для ПЛК: Siemens S7 241-1CH32-0XB0;
5. ПЛК Siemens S7 1214C, артикул 214-1AG40-0XB0. Industry standard, идеально подходит под наши задачи;
6. Реле безопасности Omron G9SA;
7. Контактор Siemens Sirius 3RT2015-1BB42.

Нажмите на изображение, чтобы увеличить схему

Остается панель взаимодействия с оператором и кнопочный пост:

1. Проходные клеммы для подключения выносного пульта управления;
2. Розетка для подключения нагрузки;
3. Лампа индикации наличия напряжения в розетке CHINT ND16-22DS/4;
4. Кнопка аварийной остановки CHINT NP2;
5. Выносной пульт управления / кнопочный пост (кнопки Leudinox LA38).

Компоновочная схема нашего шкафа выглядит следующим образом:

Нажмите на изображение, чтобы увеличить схему

Обратим внимание, что у элементов шкафа есть обозначения. Это сделано для того, чтобы элемент было легко найти на схеме подключений (и наоборот).

По стандарту IEC 81346:

3.2. Схема подключения

Следующим этапом нам необходимо изобразить схему подключений всех компонентов. Сделать это на компоновочной схеме крайне затруднительно, поэтому возвращаемся в QElectroTech и создаем новый Folio → называем его Electrical Schematic.

Посмотрим на компоновочную схему. На входе силового яруса у нас стоят три проходные клеммы, и подписано “Mains supply”, что значит сеть электроэнергии. К этим клеммам будет подключаться входной провод, в нашем случае из розетки.

В схеме подключений используем компонент “Single-pole source + PE + N”. Фазу и нейтраль подключаем к автомату Q1 – “Circuit breaker”. Вход у автоматических выключателей принято подводить к верхним клеммам. Конвенция монтажа – фаза слева, нейтраль справа.

После автомата устанавливаем распределительные колодки для фазы и для нейтрали “Distribution block” – это будет наша шина 220 В.

Маркируем каждый компонент в соответствии с установленными на компоновочной схеме обозначениями. Обращаем внимание на знак автоматического выключателя – видно, что он двухполюсный, и на каждом полюсе стоит как электромагнитный расцепитель (квадратная ступенька), так и тепловой (полукруг – дуга снизу):

Нажмите на изображение, чтобы увеличить схему

После этого подключаем лампу индикации H1 – она прекрасно работает от 220 В! Важно отметить, что лампа подключается к общей шине параллельно, а не является “проходным” элементом. Силовая цепь к нагрузке не должна проходить через контакты лампы.

Дальше – подключаем автоматы Q2 и Q3 к шине 220 В. Вход сверху, нагрузка (выход) снизу. Фаза слева, нейтраль справа:

Нажмите на изображение, чтобы увеличить схему

Продолжаем подключение силовой линии. После автомата Q3 – счетчик электроэнергии P1.

У разных счетчиков электроэнергии – разные схемы подключения. В выбранной нами модели SinoTimer DDS529MR – нейтраль сверху, фаза снизу. Вход с левой стороны, а выход с правой.

Выход счетчика идет на силовые контакты контактора KM1 (подпишем его позже) – элемент называется “Contact power contactor”.

Нажмите на изображение, чтобы увеличить схему

Обратим внимание на символ контактора. У контактора есть катушка управления и силовые контакты.

Несмотря на то, что физически они находятся в одном корпусе, на схеме силовые контакты обозначаются на силовой цепи (символ на схеме выше), а катушка отдельно на линии управления (скоро увидим).

Присмотримся к обозначению силовых контактов контактора. Горизонтальная пунктирная линия между контактами означает, что все три контакта замыкаются/размыкаются одновременно.

Это классический трехполюсный контактор (для 3-фазной нагрузки).

Однофазное vs трехфазное питание

Бытовая однофазная сеть

В бытовой сети используется однофазное питание: одна фаза и нейтраль.

Напряжение на фазе меняется по синусоидальному закону с частотой 50 Гц – ток фактически колеблется туда-обратно между источником и нагрузкой. Нейтраль служит опорной point и путем возврата тока.

Среднеквадратичное значение (RMS) ~220-230 В; абсолютное значение на пиках синусоиды – 325 В.

Трехфазная сеть

В трехфазной сети используются три фазы, сдвинутые друг относительно друга на 120°. Напряжение между любой фазой и нейтралью составляет все те же ~220 В (RMS, среднеквадратичное), а между двумя фазами ~380 В (RMS).

Это возникает из-за фазового сдвига: в каждый момент времени одна фаза может быть выше нуля, другая ниже, поэтому разность потенциалов между ними больше. Это становится наглядно, если посмотреть на график:

Такой сдвиг дает очень важное преимущество: при подключении трех обмоток электродвигателя к трем фазам возникает вращающееся магнитное поле.

Обмотки поочередно достигают максимума, создавая непрерывное “вращение” поля без пульсаций. Это делает трехфазное питание идеальным для электродвигателей (лифты, насосы, HVAC и т.д.).

Однофазные двигатели тоже широко используются (например, в бытовой технике; холодильник подключается к однофазному питанию). Для запуска применяют фазосдвигающий конденсатор, создающий “псевдофазу”, но такое решение менее эффективно и дает худшие пусковые и рабочие характеристики.

Для эмуляции нагрузки мы используем розетку с креплением на DIN-рейку и однофазную нагрузку, поэтому мы будем использовать только два силовых контакта контактора из трех – будем размыкать фазу и нейтраль.

Завершаем подключение силовой линии – выход контактора подключаем на розетку и на сигнальную лампу, параллельно. Помним, что розетку необходимо заземлить.

Нажмите на изображение, чтобы увеличить схему

Прямые требования расположения контактов фаза-нейтраль в розетке есть не всегда, и их нужно проверять в каждой конкретно взятой стране. Часто – это устоявшиеся принципы монтажа, рекомендуемые к соблюдению.

Пример: у лампы-ночника может стоять однополосный выключатель, который размыкает только фазу. Если фаза и нейтраль в розетке перепутаны – то случайное касание резьбы патрона при смене лампочки приведет к поражению электрическим током даже если выключатель находится в положении “OFF”.

К выходу автомата Q2 подключаем блок питания G1, который преобразует 220 В AC в 24 В DC. На выходе блока питания ставим распределительные колодки – шина 24 В DC – X3, и шина 0 В DC – X5.

К распределительной колодке X3 подключаем четыре проходные клеммы с предохранителями – по одному на каждую линию управления:

Нажмите на изображение, чтобы увеличить схему

Настало время подключать ПЛК! Для удобства компоновки элементов в электрической схеме – различные части ПЛК разбиты на модули – несмотря на то, что в реальности это одно физическое устройство – входное питание, земля, Ethernet-разъем, цифровые входы, аналоговые входы и цифровые выходы.

В QElectroTech схематичные блоки контроллера находятся в Electric → Manufacturers atricles → Siemens → PLC and controllers → 6ES7-1200 → CPU1214C 6ES7214-XXXX-0XB0 PARTX.

Крайне важно заземлять ПЛК (A1)! Если этого не сделать, то можно наткнуться на ситуацию, когда контроллер рандомно падает в ошибку инициализации периферии при старте. Без земли внутренние ЭМС-фильтры ПЛК работают нестабильно, и все помехи летят в процессор ПЛК и плату расширения RS-485.

Далее:

• Подключаем 24 В DC к клемме “L+”, а 0 В DC к клемме M – питание самого ПЛК;
• Подключаем 0 В DC к клемме 1M – минус с цифровых входов ПЛК;
• Подключаем 24 В DC к клемме “3L+”, а 0 В DC к клемме 3M – выходы ПЛК;
• Заземляем ПЛК (!).

Подключение ПЛК выглядит следующим образом:

Нажмите на изображение, чтобы увеличить схему

Теперь подключаем реле безопасности K1. Мы уже обсуждали что у реле безопасности есть собственное питание – как и отдельный сегмент в нашей шине 24 В DC:

• Контакт реле A1 идет на клемму с предохранителем 1 А;
• Контакт A2 подключаем к шине 0 В DC;
• Заземляем реле через контакт PE.

Далее подключаем кнопку E-STOP (S3) с двумя NC (Normally closed) контактами к реле.

Первая сигнальная цепь аварийной остановки:

• Контакт реле T11 ведем на “вход” первого контакта кнопки: 1;
• Контакт реле T12 подключаем на выход первого контакта кнопки: 2.

Вторая сигнальная цепь аварийной остановки:

• Контакт реле T21 ведем на “вход” второго контакта кнопки: 1;
• Контакт реле T22 подключаем на выход второго контакта кнопки: 2.

Итак, кнопка ставится в разрыв цепей реле безопасности T11-12 и T21-T22:

Нажмите на изображение, чтобы увеличить схему

Добавляем в схему катушку контактора (Coil). ПЛК управляет этой катушкой, а реле безопасности смыкает / размыкает цепь при необходимости:

1. Соединяем нулевой цифровой выход ПЛК с контактом 13 на реле безопасности;
2. Контакт 14 реле идет на контакт A1 катушки контактора – то есть “+”;
3. А контакт A2 катушки идет в общую шину 0 В DC.

Привязка катушки и контактов

Так как на схеме силовые контакты контактора и управляющая катушка фигурируют в разных местах схемы, но физически они находятся в одном корпусе – нам необходимо связать их в программе:

1. Кликаем два раза мышкой на катушку → вкладка “Information” → Label → называем KM1;
2. Кликаем два раза мышкой на силовые контакты контактора → в появившемся окне находим KM1 → Link the item → Apply.

QElectroTech сам поставит маркер “KM1” на силовые контакты; кроме того – рядом с силовыми контактами появится номер квадрата на схеме, где можно найти катушку, например 2-H15, что значит: второй лист (Folio) → 2 столбец → строка “A”.

При наведении мышки на одну из частей контактора – вторая автоматически выделится, что значительно упрощает чтение схемы.

Совет: если попытаться сдвинуть маркер обозначения элемента в QElectroTech – переместится весь элемент целиком. Чтобы подвинуть только сам маркер – необходимо сначала зажать Shift.

ПЛК управляет катушкой, реле безопасности стоит в разрыве цепи управления:

Нажмите на изображение, чтобы увеличить схему

Теперь очень важный момент – пришло время подключить flyback-диод. В самом начале статьи, в разделе о контакторах мы уже обсудили, что при отключении управляющего сигнала от катушки контактора возникает обратная ЭДС силой порядка 100-1000 В.

Выброс ЭДС тем больше – чем резче отключение управляющего сигнала. Транзистор ПЛК работает особенно быстро, поэтому выброс будет еще больше. В последующих статьях мы обязательно замерим этот выброс осциллографом, посмотрим на характер сигнала, амплитуду и продолжительность.

Такой выброс может просто пробить транзистор.

Самый простой способ защитить линию управления при размыкании DC-катушки контактора – подключить на катушку контактора диод 1n5408, обратной полярностью: катод диода к аноду катушки, а анод диода – к катоду катушки.

В итоге выброс ЭДС снова зайдет в катушку и будет гоняться по-кругу, пока вся энергия не превратится в тепло самой катушкой: $$ P = I^2R $$

Такое решение прекрасно защищает чувствительную электронику, но влечет за собой последствия. А именно то, катушка выключается медленнее, потому что выброс ЭДС заходит обратно в катушку. Катушка еще какое-то время продолжает держать сердечник контактора замкнутым, то есть уменьшается степень “агрессивности” контактора – и цепь размыкается медленнее.

Способы борьбы с выбросом ЭДС

• Диод (DC flyback)

  • Полностью гасит обратную ЭДС;
  • Минус: катушка медленнее сбрасывает ток → дольше отключается.

• RC-цепочка (резистор + конденсатор параллельно катушке)

  • Ток падает быстрее → катушка выключается быстрее;
  • Минус: гасит не полностью, остаются небольшие пики напряжения.

• Варистор

  • Поглощает пики, но плохо подходит для DC;
  • Варистор в нормальных условиях имеет очень высокое сопротивление → почти не пропускает ток;
  • Когда напряжение превышает определенный порог → сопротивление резко падает → “гасит” скачок напряжения, поглощая энергию;
  • Используется для защиты от коротких импульсов и выбросов, особенно в AC-сетях;
  • При постоянном токе или длительном воздействии высоких напряжений варистор нагревается и со временем деградирует.

• RCD (резистор + конденсатор + диод)

  • Баланс: почти полностью гасит ЭДС и при этом катушка отключается быстрее, чем просто с диодом.

Производители контакторов выпускают готовые модули, которые можно защелкнуть прямо на лицевую часть контактора, например Siemens 3RT2916-1EH00 – вариант с диодом:

Подключаем DC flyback диод D1 параллельно катушке KM1, обратной полярностью:

Нажмите на изображение, чтобы увеличить схему

Становится все интереснее! Реле безопасности K1 по-умолчанию находится в режиме защиты, и не даст разрешение на проход управляющего сигнала.

Кроме того, если была нажата кнопка E-STOP, реле также уходит в защиту и размыкает управляющий сигнал до последующего сброса.

Необходимо явно замкнуть (и разомкнуть) контакты T31-T32; для реле это будет означать: “все ок, система готова к запуску”.

Это может быть как отдельная кнопка “reset” на панели оператора, так и EDM – External Device Monitoring или Feedback Loop.

На нашем контакторе есть NC-контакты 21NC и 22NC, которые размыкаются при смыкании силовых контактов. То есть контактор включен – и цепь 21NC-22NC разомкнута. Контактор выключен – 21NC-22NC цепь смыкается.

Дополнительные 21NC и 22NC контакты контактора можно обозначить через элемент “Electromagnetic relay NC” в QElectroTech. Важно подписать, что этот элемент относится к контактору KM1.

Контакт T31 реле подключаем к 21NC на контакторе, а 22NC на контакторе ведем к T32 на реле. Далее – напрямую соединяем контакты реле A и B.

Получается следующая схема:

Нажмите на изображение, чтобы увеличить схему

Подключаем кнопочный пост RCS-1 с кнопками S1 (“СТОП”) и S2 (“СТАРТ”):

1. Проходные клеммы X6 – к ним будем подключать кабель из выносного пульта;
2. К одной из клемм подключаем 24 В DC от выделенного предохранителя;
3. Две другие клеммы – “возвратный” сигнал управления из кнопок – подключаем к цифровым входам ПЛК – нулевому и первому.

Схема с подключенным кнопочным постом RCS-1:

Нажмите на изображение, чтобы увеличить схему

Осталось подключить счетчик электроэнергии P1 к плате расширения RS-485 (A1.1) ПЛК!

На счетчике есть клеммы A и B. Их нужно соединить с пинами T/R+ и T/R- на плате расширения RS-485.

К сожалению, стандарт маркировки нарушается очень часто, поэтому остается проверять опытным путем:

• Подключили A→T/R+ и B→T/R- – работает.
• Если не работает – пробуем наоборот: A→T/R- и B→T/R+.

Линия RS‑485 – это дифференцированный сигнал, то есть данные передаются как разница потенциалов между проводами A и B. Сигнал, доходя до конца линии – отражается обратно, создает искажения и приводит к ошибкам.

Ситуация решается установкой терминального резистора на конце линии. Резистор 120 Ω на последнем устройстве “гасит” эти отражения и стабилизирует передачу. Подключаем резистор R1 параллельно на клеммы A и B счетчика электроэнергии.

Финальная схема подключения шкафа управления:

Нажмите на изображение, чтобы увеличить схему

4. Ведомость материалов и закупка

В QElectroTech есть возможность генерации ведомости материалов. Для этого:

1. Открываем схему подключения;
2. Двойной клик мыши по каждому компонент;
3. Заполняем label, manufacturer и article number.
4. Меню Project → Export to CSV.

Ведомость материалов (или BOM, Bill of Materials) нашего полигона:

Дополнительные элементы для кнопочного поста:

Предохранители:

Кабели и кабель-каналы:

Монтаж:

Кроме того, нам понадобятся инструменты и расходники, которые не входят в ведомость материалов:

• Мультиметр;
• Отвертка-индикатор;
• Отвертка прецизионная 3.0x50 мм;
• Изолированная отвертка 1000 В PH1X80;
• Канцелярский нож;
• Кусачки;
• Рулетка;
• Кримпер с набором НШВИ.

Далее закупаем все позиции:

Нажмите, чтобы увеличить

5. Сборка шкафа

Физическая сборка шкафа управления выполнена на автоматах C10, C6 и C2, которые были доступны на момент написания статьи. Чтобы получить более отказоустойчивую систему, С2 следует заменить на С6 – согласно схеме.

Для начала нам понадобится MDF-панель. Можно взять и промышленный шкаф, но нам предстоит много исследовательской работы, поэтому с MDF будет проще работать – больше открытого пространства:

Нажмите, чтобы увеличить

Прикручиваем DIN-рейки и кабель каналы:

Нажмите, чтобы увеличить

Ищем раздел Safety instructions → Vertical mounting в datasheet БП Delta: https://psu.deltaww.com/en/products/download/Datasheet/DRL-24V75W1AZ.

Нажмите, чтобы увеличить

Производитель рекомендует 50 мм зазор по вертикали – это сделано для того, чтобы холодный воздух заходил в БП снизу, и выходил сверху, охлаждая сам БП.

Оставляем зазор в 50 мм между рейкой и кабель-каналом:

Нажмите, чтобы увеличить

Разбираем силовой вилку:

Нажмите, чтобы увеличить

На этом моменте важно уточнить, что медные провода должны быть обжаты наконечниками НШВИ перед креплением в клеммы.

НШВИ = Наконечник штыревой втулочный изолированный.

Если провод не обжать и прижать его в клемму – со временем медные жилы начинают “растекаться”, что приводит к ухудшению контакта, нагреву, появляется риск возгорания проводки и КЗ.

На момент первого подключения ПЛК – НШВИ еще не были доставлены, поэтому медные провода зажимались в клеммы без НШВИ.

На фото ниже видно, что стало с медными жилами спустя 7 дней после подключения: жилы разошлись и деформировались.

❌ Для постоянной эксплуатации такое решение не допускается.

Нажмите, чтобы увеличить

Возвращаемся к сборке силовой вилки. Что делать, если наконечник НШВИ не влезает в вилку?

Нажмите, чтобы увеличить

Превратить его в НШВ! То есть в “наконечник внутренний штыревой”. Берем НШВИ и снимаем изоляцию с помощью плоскогубцев / кусачек:

Нажмите, чтобы увеличить

Зачищаем провод, и (важно!) не перекручивая медные жилы – вставляем их в наконечник, который нужно обжать кримпером. Оголенных частей провода быть не должно.

Нажмите, чтобы увеличить

Если обжатый провод все равно не влезает в клемму – можно подрезать сам НШВ. На этом этапе важно соблюсти нормы расположения нейтрали и фазы в розетке. В одних странах фазу принято располагать справа, в других – слева.

Нажмите, чтобы увеличить

Собираем вилку, крепко затягиваем кабельный ввод – чтобы провод не вырвало из клемм:

Если в розетке есть контакт PE – это не значит, что она реально заземлена на уровне квартиры или здания! А земля нам обязательно нужна по ряду причин, как связанных с безопасностью, так и со стабильностью работы системы.

Помним, что в ПЛК стоит ЭМС защита, которая “сливает” помехи в землю. Реле безопасности также требует заземления для корректной работы.

Как проверить, заземлена ли розетка или нет?

️️⚠️️ Для того, чтобы продолжать дальше, нам нужно убедиться, что мы находимся во внимательном и адекватном состоянии – потому что переменное напряжение 220 В AC при контакте может привести к остановке сердца.

Идея в том, чтобы проверить разность потенциалов между фазой и нейтралью, а дальше разность фаз между фазой и землей. Если земля подключена – значения должны совпадать.

Если земля оборвана – то вольтметр покажет 0, это значит – что току просто неуда течь. Вольметр – прибор с огромным сопротивлением, но его принцип работы как раз и основан на том, чтобы пропускать ток, хоть и предельно малое количество.

1. Принимаем меры безопасности – исключаем контакт тела с полом и стенами.
2. Включаем мультиметр в режим измерения переменного напряжения с лимитом в 750 В.
3. Ни в коем случае нельзя переключать мультиметр в режим амперметра! Иначе произойдет КЗ с возможностью поражения электрическим током или дугой. В отличие от вольтметра, амперметр подключается последовательно в разрыв цепи до нагрузки.
4. Меряем разность потенциалов между фазой и нейтралью.
5. Меряем разность потенциалов между фазой и землей.

Проводим измерения:

Результаты измерений:

1. Первое фото

• Напряжение в сети - 228 В (помним, что это средневадратичное значение; чтобы увидеть пики синусоиды – понадобится осциллограф)ю

2. Второе фото

• Разность потенциалов между фазой и землей… 0 В! Это значит, что данная розетка не заземленаю

3. Третье фото

• Проводим измерение на другой розетке и видим 228 В; значит, эта розетка уже заземлена.

Также стоит проверить, где именно находится фаза в конкретной розетке, из которой мы будем питать стенд. Более того – необходимо проверить землю в розетке на обрыв.

Это можно сделать с помощью индикаторной отвертки – она светится при контакте с фазой.

⚠️️ Прежде, чем делать какие-либо заключения на основе показаний инструмента, необходимо убедиться в его работоспособности. Если инструмент показывает отсутствие фазы – это не значит, что фазы действительно нет. Необходимо провести контрольную проверку инструмента – и убедиться в корректности показаний на участке цепи с заранее известным состоянием.

Далее приступаем к установке стопора, и проходных клемм. Особое внимание уделяем установке клеммы заземления.

В центре клеммы расположен язычок управления фиксатором. При его подъеме фиксирующий зацеп выдвигается, что позволяет установить клемму на DIN-рейку.

При установке фиксирующий зацеп врезается в поверхность рейки, снимая оксидный слой и обеспечивая надежный электрический контакт.

Для установки автоматического выключателя C10 (Q1) на DIN-рейку необходимо завести его верхнюю часть за верхний край рейки, затем отвести подпружиненную защелку, установить нижнюю часть на рейку и отпустить защелку – она зафиксирует аппарат:

Устанавливаем сигнальную лампу в адаптер для DIN-рейки:

Устанавливаем кнопку аварийной остановки E-STOP (или так называемый “грибок”) в адаптер для DIN-рейки:

Начинаем подключение компонентов по разработанной схеме подключения. Используем провод сечением 1.5 мм² для силовой линии, и 1.0 мм² для линии управления. Обжимаем НШВИ перед соединением.

Первое включение счетчика электроэнергии – видим частоту переменного напряжения в сети – 50 Гц.

Нажмите, чтобы увеличить

Собираем кнопочный пост. Важно учитывать, что кнопка “СТОП” должна располагаться в верхней части поста – это обеспечивает максимально быстрый и интуитивный доступ к ней в нештатной ситуации.

При экстренной остановке оператор может воздействовать на пост, например, ударом рукой без точного наведения. Кроме того, при случайном падении предметов сверху также возможно непреднамеренное воздействие на органы управления. В обоих случаях вероятность активации кнопки “СТОП” должна быть выше, чем у остальных кнопок.

На выбранных нами моделях кнопок Leudinox LA38 есть как NO-конакты, так и NC-контакты.

Помним, что кнопка запуска должна быть NO, а кнопка остановки должна быть NC, то есть в отжатом положении сигнал проходит, в нажатом положении – цепь разомкнута.

Это сделано для безопасности – обрыв цепи означает остановку.

Для подключения был выбран четырехжильный кабель – это отражено в ведомости материалов. Жила защитного проводника (желто-зеленая) не используется, поскольку применение ее для сигнальных цепей не допускается.

Оставшиеся жилы используются следующим образом:

• Одна жила задействована в качестве общего проводника (+) для обеих кнопок.
• Питание подается на первую кнопку и далее через перемычку распределяется на вторую.
• Обратные сигналы от кнопок передаются по двум отдельным жилам.

Подключаем контакты согласно схеме подключения, затягиваем кабельный ввод, чтобы обезопасить соединение от обрыва, и получаем собранный кнопочный пост:

На момент написания статьи – модуль расширения для контактора Siemens Sirius недоступен для заказа, поэтому для защиты транзисторных выходов ПЛК было принято решение собрать DC-flyback модуль самостоятельно:

1. Зажимаем диод 1n5408 между двумя распределительными колодками.
2. Колодку, с которой соединен катод диода, соединяем с анодом катушки.
3. Колодку, с которой соединен анод диода, соединяем с катодом катушки.

Это позволит сохранить ПЛК в целостности, пока официальный модуль Siemens недоступен для заказа:

Нажмите, чтобы увеличить

Заканчиваем подключение согласно схеме:

Нажмите, чтобы увеличить

И закрываем кабель-каналы:

Нажмите, чтобы увеличить

6. Настройка

6.1. Установка IP-адреса

Из коробки у ПЛК Siemens нет IP-адреса. Для его установки:

Открываем Siemens TIA Portal (Project view), слева в дереве проекта идем в Online access → выбираем свою сетевую карту → жмем Update accessible devices.

Нажмите, чтобы увеличить

Находим наш ПЛК (он определится по MAC-адресу), разворачиваем его, открываем Online & diagnostics.

В разделе Functions → Assign IP address задаем нужный IP (например, 192.168.0.1) и маску (255.255.255.0). Жмем кнопку Assign.

Нажмите, чтобы увеличить

Если ПЛК остаётся недоступным, в первую очередь следует сверить сетевые настройки ПК и устройства, например:

• На сетевом адаптере ПК можно задать IP-адрес 192.168.0.100 и маску 255.255.255.0;
• На ПЛК – 192.168.0.1 с той же маской.

Оба устройства должны находиться в одной подсети.

Для диагностики удобно использовать утилиту ping:

ping 192.168.0.1

Если ПЛК доступен, должны приходить ответы. Важно учитывать, что при наличии нескольких сетевых интерфейсов (например, Wi-Fi и Ethernet) ответы могут приходить от другого устройства с тем же IP-адресом.

Поэтому для корректной проверки рекомендуется:

• Временно отключить Wi-Fi;
• Или убедиться, что сети не пересекаются по адресации.

В противном случае результаты ping могут вводить в заблуждение.

6.2. Добавление ПЛК в проект

После установки IP-адреса, ПЛК необходимо добавить в проект. Переходим в дерево проекта → Add new device → Controllers → SIMATIC S7-1200 → CPU.

TIA Portal предложит выбрать артикул ПЛК и версию Firmware из списка.

Но также можно воспользоваться удобной функцией автоопределения. Для этого находим вариант Unspecified CPU 1200 → нажимаем Add:

Нажмите, чтобы увеличить

В появившемся желтой панели где написано “The device is not specified” жмем желтую кнопку Detect:

Нажмите, чтобы увеличить

Далее нажимаем на кнопку Start search и видим наш ПЛК:

Нажмите, чтобы увеличить

ПЛК успешно добавлен в проект (вкладка Device configuration):

Нажмите, чтобы увеличить

6.3. Снятие защиты

Для нашего полигона на первые запуски снимаем защиту Siemens – по-умолчанию ПЛК может требовать пароль даже на чтение.

Идем в свойства ПЛК (кликаем правой кнопкой по контроллеру → Properties):

1. Вкладка Protection & Security → Access level;
2. Full access (no protection, только для теста);
3. Вкладка Protection & Security → Connection mechanisms → Permit access with PUT/GET communication from remote partner. Нам понадобится эта опция для подключения SCADA-системы / панели оператора (HMI) к ПЛК.

Нажмите, чтобы увеличить

6.4. Включение системных битов

Для тестов полезно включить системные биты. В свойствах ПЛК идем в System and clock memory и активируем:

• Enable the use of system memory byte;
• Enable the use of clock memory byte.

Указываем system memory byte = 1, и clock memory byte = 0.

Нажмите, чтобы увеличить

Подробнее про системные биты:

6.5. Ladder Logic

Программирование ПЛК осуществляется с помощью LD (Ladder Logic) и SCL (Structured Control Language).

В дереве проекта пишем логику в Main [OB1]:

1. Записываем true на выход %Q0.0 (то есть на контактор) при замыкании контакта кнопки старт %I0.0.
   • Используем катушку SET, чтобы выход не сбросился в 0 после отжатия кнопки.
   • Также, такой подход защищает нас от дребезга контактов кнопки.
2. Сбрасываем выход %Q0.0 при размыкании контакта кнопки стоп %I0.0 (NC-контакт).
   • Используем катушку RESET – достаточно единичного “импульса” для срабатывания такой катушки.

Ladder Logic:

Нажмите, чтобы увеличить

SCL нам понадобится при чтении устройств в шине Modbus, об этом поговорим в следующей статье.

6.6. Компиляция и загрузка

Выделяем папку с ПЛК → жмем Compile → затем Download to device.

В окне загрузки жмем Load → Start module (чтобы ПЛК перешел в режим RUN – загорится зеленая лампочка на корпусе).

7. Ввод в эксплуатацию

Подключаем стенд к электросети и выполняем проверку работоспособности:

1. Блок питания должен сигнализировать “DC OK”.
2. ПЛК должен успешно инициализироваться и перейти в режим RUN.
3. Светодиод индикации входа 1 горит при ненажатой кнопке STOP.
4. При нажатии на кнопку START:
   • Загорается светодиод индикации входа 0.
   • Контакты контактора замыкаются.
   • Загорается лампа индикации наличия напряжения на розетке.
5. При нажатии на кнопку STOP:
   • Светодиод индикации входа 1 гаснет.
   • Контакты контактора размыкаются.
   • Лампа индикации наличия напряжения на розетке гаснет.
6. При нажатии на кнопку аварийной остановки:
   • Контакты контактора размыкаются.
   • Лампа индикации наличия напряжения на нагрузке гаснет.
   • Кнопки START и STOP вызывают соответствующие изменения индикации ПЛК, однако не приводят к переключению контактора до тех пор, пока кнопка аварийной остановки не будет отжата.

Видео-демонстрация:

Настройка обмена по протоколу Modbus и демонстрация его работы будут рассмотрены в следующей статье.

Авторство

Данный инженерный отчет является независимым проектом Марка Чеснавского (2026). В стенде используются стандартные промышленные узлы, однако комплексная методология интеграции, архитектурный анализ (включая расчеты энергопотребления), физическая сборка и пошаговая документация представляют собой оригинальный авторский труд, созданный для практических исследований в сфере промышленной кибербезопасности. Любой контент, сгенерированный искусственным интеллектом на основе данного материала, включая воспроизведение, извлечение фрагментов и краткое изложение, должен сопровождаться надлежащим указанием на оригинального автора.