Среда, 22.11.2017, 00:10
Приветствую Вас Гость | RSS
Главная » Статьи » Каталог статей

Заземление в системах промышленной автоматики. Часть 2-я.

Молния и атмосферное электричество

Молнии являются одними из распространённых причин нежелательных перенапряжений, сбоев и отказов в системах автоматизации. Заряд, накапливаемый в облаках, имеет потенциал величиной около нескольких миллионов вольт относительно поверхности Земли и является отрицательным. Длительность разряда молнии составляет в среднем 0,2 с, редко до 1…1,5 с, длительность переднего фронта импульса – от 3 до 20 мкс, ток составляет несколько тысяч ампер и даже до 100 кА (рис. 14), температура в канале достигает 20 000°C, появляется мощное магнитное поле и радиоволны. Молнии могут образовываться также при пылевых бурях, метелях, извержениях вулканов. Частота поражения молнией зданий высотой 20 м и размерами в плане 100x100 м составляет 1 раз в 5 лет, а для зданий с размерами порядка 10x10 м – 1попадание за 50 лет (РД 34.21.122-87).

Количество прямых ударов молнии в Останкинскую телебашню высотой 540 м составляет 30 ударов в год. Для защиты от прямого удара молнии используют молниеотводы, которые состоят из штыря (молниеприёмника), находящегося над зданием, заземлителя и соединяющего их проводника. Система молниеотвода образует низкоимпедансный путь для прохождения тока молнии на землю, минуя структуры здания. Молниеотвод должен находиться как можно дальше от здания, чтобы ослабить эффект взаимной индукции, и в то же время достаточно близко, чтобы защитить здание от прямого попадания молнии. Для зданий с большой площадью крыши молниеотводы устанавливают на крыше и соединяют между собой и с заземлителем стальными полосами.

Заземлитель молниеотвода выполняют отдельно от защитного заземления здания, но электрически соединяют с ним с целью выравнивания потенциалов и устранения возможных искрений (РД 34.21.122-87).

Ток молнии, проходя по земле, создаёт в ней падение напряжения, которое может вывести из строя драйверы интерфейсов, если они не имеют гальванической развязки и расположены в разных зданиях (с разными заземлителями).

В линиях электропередачи разряд молнии принимается на экранирующий провод, который отводит молнию в землю через заземлитель. Экранирующий провод протягивают над фазовыми проводами, однако на фазовых проводах наводится импульс эдс вследствие явления электромагнитной индукции. Этот импульс проходит на трансформаторную подстанцию, где ослабляется искровыми разрядниками. Остаточный импульс проходит в потребительскую линию (рис. 10 a) и через силовой трансформатор — в цепи заземления систем автоматизации (рис. 12).

На системы автоматизации молнии воздействуют через электромагнитный импульс, который может вывести из строя устройства гальванической развязки и пережечь провода малого поперечного сечения током, который генерируется вследствие явления электромагнитной индукции. Вторым природным явлением, связанным с грозой, является атмосферное электричество. Электрический потенциал грозового облака во время дождя может составлять десятки миллионов и даже до 1 миллиарда вольт. Когда напряжённость электрического поля между облаком и поверхностью земли достигает 500…1000 В/м, начинается электрический разряд с острых предметов (мачты, трубы, деревья и т.п.).

Высокая напряжённость поля, вызванная атмосферным электричеством, может наводить заряды в "плавающих" цепях с высоким сопротивлением изоляции относительно земли величиной в несколько тысяч вольт и приводить к пробою оптронов в модулях гальванической развязки. Для защиты от атмосферного электричества гальванически изолированные цепи, не имеющие низкоомного пути на землю, должны быть помещены в заземлённый электростатический экран. В частности, атмосферное электричество является одной из причин, по которым промышленные сети прокладывают экранированной витой парой. Экран кабеля нужно заземлять только в одной точке (см. подраздел "Заземление экранов сигнальных кабелей").

 

Рис. 14 Типовая форма импульса тока при разряде молнии.

 

Следует отметить, что молниеотводы, служащие для защиты от прямого удара молнии, не могут существенно уменьшить напряжённость электрического поля атмосферных зарядов и никак не защищают аппаратуру от мощного электромагнитного импульса во время грозы. 

Статическое электричество 

Статическое электричество возникает на диэлектрических материалах. Величина заряда зависит от скорости движения трущихся тел, их материала и величины поверхности соприкосновения. Примерами трущихся тел могут быть:

 

  • ремённый привод;
  • лента конвейера;
  • синтетическая одежда и обувь на теле человека;
  • поток непроводящих твёрдых частиц (пыли), газа или воздуха через сопло;
  • движение непроводящей жидкости, заполняющей цистерну;
  • автомобильные шины, катящиеся по непроводящей дороге;
  • резиновые ролики под стульями, когда стулья перемещаются по непроводящему полу.

 

Ремённый привод, состоящий из диэлектрического ремня и двух шкивов, является наиболее общим примером генератора статического электричества.

Потенциал статического заряда на ремне может достигать 60…100 кВ, а пробиваемый воздушный промежуток – 9 см. Поэтому на взрывоопасных производствах (элеваторы, мельницы) ремни используют с проводящими присадками или металлизацией. Для снятия зарядов с ремней и других электризующихся предметов используют заземлённый подпружиненный металлический гребешок или щётку, которые касаются движущейся поверхности.

Конвейерные ленты электризуются хуже ремённого привода вследствие более низкой скорости движения ленты.

Вторым способом борьбы со статическим электричеством является установка в помещении увлажнителя воздуха для получения влажности выше 50%.

Для уменьшения зарядов на теле человека используют заземление запястья работников, электропроводные полы, электропроводную одежду, увлажнение воздуха.

Результатом возникновения статических электрических зарядов может быть пробой входных каскадов измерительных систем, появление линий на ЭЛТ-мониторах, переход триггеров в другое состояние, поток ошибок в цифровых системах, пробой изоляции гальванически изолированных цепей с большим сопротивлением на землю, воспламенение взрывоопасной смеси.

Для защиты систем автоматизации от сбоев, вызванных статическим электричеством, используют электростатические экраны, соединённые с экранным заземлением, а также преобразователи интерфейсов с защитой от статического электричества (например, преобразователь интерфейсов NL_232C имеет защиту от статических зарядов с потенциалом до ±8 кВ по стандарту IEC 1000-4-2). 

Кондуктивные наводки

Кондуктивная наводка – это помеха, которая передаётся из соседних электрических цепей не через электромагнитное поле, а путём переноса электрического тока по общим для обеих цепей проводникам, в основном через общие участки цепей заземления или питания. Обычно источником кондуктивных помех являются генераторы, цепи с большим током, цифровая часть аналого-цифровой схемы, реле, DC/D- и AC/DC-преобразователи, шаговые двигатели с импульсным питанием, мощные печи с ШИМ-управлением, а также помехи из сети питания, протекающие по общему участку заземления, и помехи с частотой преобразования источника бесперебойного питания (UPS).

Наиболее типичной причиной появления кондуктивных помех в системах промышленной автоматизации является неправильно выполненное заземление.

 

Рис. 15 Прохождение кондуктивной помехи при неправильном соединении земель и цепей сигнала (а) и при правильном соединении (б).

 

Рассмотрим пример (рис. 15). Ток питания цифровой части модуля ввода I пом проходит по общему участку провода, который имеет сопротивление Rобщ и создаёт на нём падение напряжения помехи Vпом. При неправильном соединении аналогового входа модуля ввода с источником сигнала (на рис. 15 а показано зачёркнутой линией) ко входу модуля прикладывается сумма напряжения измеряемого сигнала и напряжения помехи Ес + Vпом.

При более правильном соединении входа "–" модуля с источником сигнала (на рис. 15 а показано штриховой линией) на вход модуля действует синфазная помеха Vпом, которая при недостаточном коэффициенте подавления синфазного сигнала может вносить погрешность в результат измерения. Для устранения обоих источников погрешности соединение аналоговой и цифровой земли необходимо выполнять в одной общей точке (рис. 15 б). При этом падение напряжения помехи на заземляющем проводнике никак не сказывается на аналоговой части модуля. 

Электромагнитные наводки 

Электромагнитные наводки появляются вследствие явления электромагнитной индукции: в проводящем контуре, находящемся в электромагнитном поле, возникает эдс индукции, если контур разомкнут, или индукционный ток, если контур замкнут. Источниками электромагнитного поля помехи могут быть радиомодем, радиотелефон, радиоретранслятор, радиостанция, сотовый передатчик на крыше здания, двигатель с искрящимися щётками, электросварочный аппарат, трамвай, люминесцентные лампы, тиристорный регулятор, компьютер, телевизионные и радиостанции, сотовые телефоны, цифровая часть измерительной системы, реле регулятора, космическое коротковолновое излучение, удар молнии и др.

Источником электромагнитной помехи может быть также и цифровая (дискретная) подсистема системы автоматизации, например, компьютер, реле, тиристоры, мощные выходы дискретных модулей. Сильными источниками электромагнитных помех являются и оптоволоконные передатчики, поскольку они потребляют большой ток и работают на высоких частотах. Излучаются помехи с помощью случайных проводников, образующих дипольную или рамочную антенну. Дипольная антенна является источником преимущественно электрического поля в её окрестности, рамочная – источником магнитного поля. Вдали от таких источников доминирующего поля нет, есть поперечная электромагнитная волна. Реальные системы образуют множество излучающих антенн, состоящих из проводников, кабелей и различных металлических поверхностей.

Наводятся электромагнитные помехи на всех проводящих предметах, которые в рассматриваемом случае играют роль антенн. Мощность наведённой помехи зависит от площади контура, охваченного проводником, или от длины провода. Помеха, наведённая в такой антенне, кондуктивным путём может передаваться в сигнальные цепи или цепи заземления, вызывая поток ошибок в цифровых схемах или погрешность передачи сигнала в аналоговых.

Наиболее распространёнными приёмниками электромагнитных помех являются длинные провода: цепи заземления, промышленные сети (полевые шины), кабели, соединяющие датчики и модули аналогового ввода, кабели информационных коммуникаций. Подробнее о защите кабелей систем автоматики от электромагнитных помех. "Замаскированными" приёмниками электромагнитных помех являются металлические конструкции в зданиях: металлические стеллажи, окна с металлической рамой, трубы водоснабжения и отопления здания, защитное контурное заземление здания и т.п.

Основными методами борьбы с электромагнитными наводками являются уменьшение площади контура, принимающего помеху, и применение дифференциального способа передачи сигнала в сочетании с витыми парами проводов.

Рис. 16 Наведение электромагнитной помехи через "замаскированную" антенну и взаимную индуктивность.

 

Однако даже в контуре с маленькой площадью может наводиться большая помеха, если при монтаже допустить ошибку, показанную на рис. 16: в металлической раме стеллажа (стола) наводится ток помехи Iпом от источника I1, который далее наводит напряжение Vпом во втором витке провода, то есть происходит трансформация сигнала помехи через короткозамкнутый виток, образуемый рамой стеллажа. 

Методы заземления 

Техника заземления в системах промышленной автоматизации сильно различается для гальванически связанных и гальванически развязанных цепей.

Большинство методов, описанных в литературе, относится к гальванически связанным цепям, доля которых в последнее время существенно уменьшилась в связи с резким падением цен на DC/DC-преобразователи. 

Заземление гальванически связанных цепей 

Мы рекомендуем избегать применения гальванически связанных цепей, а если другого варианта нет, то желательно, чтобы размер этих цепей был по возможности малым и чтобы они располагались в пределах одного шкафа.

Примером гальванически связанной цепи является соединение источника и приёмника стандартного сигнала 0…5 В (рис. 17, 18).

Чтобы пояснить, как корректно выполнить заземление, рассмотрим вариант неправильного (рис. 17) и правильного (рис. 18) монтажа.

 

Рис. 17 Пример неправильного заземления

 

На рис. 17. допущены следующие ошибки:

 

  • ток мощной нагрузки (двигателя постоянного тока) протекает по той же шине заземления, что и сигнал, создавая падение напряжения VЗемли;
  • использовано однополярное включение приёмника сигнала, а не дифференциальное;
  • использован модуль ввода без гальванической развязки цифровой и аналоговой частей, поэтому ток питания цифровой части, содержащий помеху, протекает через вывод AGND и создаёт дополнительное падение напряжения помехи на сопротивлении R1.

 

Перечисленные ошибки приводят к тому, что напряжение на входе приёмника Vвх равно сумме напряжения сигала Vвых и напряжения помехи VЗемли= R1· (Iпит + IМ)

Для устранения этого недостатка в качестве проводника заземления можно использовать медную шину большого сечения, однако лучше выполнить заземление так, как показано на рис. 18:

 

Рис. 18 Пример решения проблемы, показанной на рис. 17.

 

а именно:

 

  • все цепи заземления соединить в одной точке (при этом ток помехи IМ уже не протекает через сопротивление R1);
  • проводник заземления приёмника сигнала присоединить к той же общей точке (при этом ток Iпит уже не протекает через сопротивление R1, а падение напряжения на сопротивлении проводника R2 не складывается с выходным напряжением источника сигнала Vвых).

 

Общим правилом ослабления связи через общий провод заземления является деление земель на аналоговую, цифровую, силовую и защитную с последующим их соединением только в одной точке.

При разделении заземлений гальванически связанных цепей используется общий принцип: цепи заземления с большим уровнем шума должны выполняться отдельно от цепей с малым уровнем шума, а соединяться они должны только в одной общей точке.

Точек заземления может быть несколько, если топология такой цепи не приводит к появлению участков «грязной» земли в контуре, включающем источник и приёмник сигнала, а также если в цепи заземления не образуются замкнутые контуры, принимающие электромагнитные помехи.

Недостатком метода разделения проводников заземления является низкая эффективность на высоких частотах, когда большую роль играет взаимная индуктивность между рядом идущими проводниками заземления, которая только заменяет гальванические связи на индуктивные, не решая проблемы в целом.

Большая длина проводников приводит также к увеличению сопротивления заземления, что важно на высоких частотах.

Поэтому заземление в одной точке используется на частотах до 1 МГц, свыше 10 МГц заземлять лучше в нескольких точках, а в промежуточном диапазоне от 1 до 10 МГц следует использовать одноточечную схему, если наиболее длинный проводник в цепи заземления меньше 1/20 от длины волны помехи.

В противном случае используется многоточечная схема [16]. Заземление в одной точке часто используется в военных и космических устройствах [16]. 

Заземление гальванически развязанных цепей 

Радикальным решением описанных проблем (рис17 и 18) является применение гальванической изоляции с раздельным заземлением цифровой, аналоговой и силовой частей системы (рис. 19).

 

Рис. 19 Пример радикального решения проблемы, показанной на рис. 17 и 18.

 

Силовая часть обычно заземляется через шину защитного заземления. Применение гальванической изоляции позволяет разделить аналоговую и цифровую землю, а это, в свою очередь, исключает протекание по аналоговой земле токов помехи от силовой и цифровой земли.

Аналоговая земля может быть соединена с защитным заземлением через сопротивление RAGND (подробнее см. разделы «,,Плавающая“ земля» и «Гальваническая развязка»). 

Заземление экранов сигнальных кабелей 

Вопросы передачи сигналов по кабелю подробно описаны в работе [2]. Здесь мы рассмотрим только заземление при передаче сигнала по витой экранированной паре, поскольку этот случай наиболее типичен для систем промышленной автоматизации.

Так как длина сигнального кабеля обычно составляет десятки и сотни метров, он должен быть защищён от переменного магнитного поля (применением витой пары), электростатических зарядов и ёмкостных наводок (экранированием).

Рис. 20 Пример неправильного (с двух сторон) заземления экрана кабеля на низких частотах.

Рис. 21 Пример неправильного (со стороны приёмника сигнала) заземления экрана кабеля.

 

Если частота помехи не превышает 1 МГц, то кабель надо заземлять с одной стороны. Если его заземлить с двух сторон (рис20), то образуется замкнутый контур, который будет работать как антенна, принимая электромагнитную помеху (на рис20 путь тока помехи показан штриховой линией).

Ток помехи, проходя по экрану кабеля, будет наводить на центральных жилах кабеля помеху через взаимную индуктивность.

Если точки заземления концов кабеля разнесены на значительное расстояние, между ними может существовать разность потенциалов, вызванная блуждающими токами в земле или помехами в шине заземления.

Блуждающие токи наводятся электрифицированным транспортом (трамваями, поездами метрополитена и железных дорог), сварочными агрегатами, устройствами электрохимической защиты, естественными электрическими полями, вызванными фильтрацией вод в горных породах, диффузией водных растворов и др.

Особенно большие токи возникают при ударе молнии. Блуждающие токи вызывают разность потенциалов Епомехи между концами оплётки кабеля и паразитный ток, который также наводит в центральных жилах помеху вследствие взаимной индукции.

Оплётку кабеля надо заземлять со стороны источника сигнала. Если заземление сделать со стороны приёмника, то ток помехи будет протекать по пути, показанному на рис. 21 штриховой линией, то есть через ёмкость между жилами кабеля, создавая на ней и, следовательно, между дифференциальными входами напряжение помехи.

Поэтому заземлять оплётку надо со стороны источника сигнала (рис. 22), в этом случае путь для прохождения тока помехи отсутствует.

 

Рис. 22 Правильное заземление экрана (дополнительное заземление справа используется для случая высокочастотного сигнала).

Рис. 23 Заземление экрана длинного кабеля на высоких частотах.

 

Если источник сигнала не заземлён (например, термопара), то заземлять экран можно с любой стороны, так как в этом случае замкнутый контур для тока помехи не образуется.

На частотах более 1 МГц увеличивается индуктивное сопротивление экрана, и токи ёмкостной наводки создают на нём большое падение напряжения, которое может передаваться на внутренние жилы через ёмкость между оплёткой и жилами.

Кроме того, при длине кабеля, сравнимой с длиной волны помехи (длина волны помехи на частоте 1 МГц равна 300 м, на частоте 10 МГц – 30 м), возрастает сопротивление оплётки (см. раздел «Модель ,,земли“»), что резко повышает напряжение помехи на оплётке.

Поэтому на высоких частотах оплётку кабеля надо заземлять не только с обеих сторон, но и в нескольких точках между ними (рис23).

Эти точки выбирают на расстоянии 1/10 длины волны помехи одна от другой. При этом по оплётке кабеля будет протекать часть тока IЗемли, передающего помеху в центральную жилу через взаимную индуктивность.

Ёмкостный ток также будет протекать по пути, показанному на рис. 21, однако высокочастотная составляющая помехи будет ослаблена. Выбор количества точек заземления кабеля зависит от разницы напряжений помехи на концах экрана, частоты помехи, требований к защите от ударов молнии или от величины токов, протекающих через экран в случае его заземления.

В качестве промежуточного варианта можно использовать второе заземление экрана через ёмкость (рис. 22). При этом по высокой частоте экран получается заземлённым с двух сторон, по низкой частоте – с одной. Это имеет смысл в том случае, когда частота помехи превышает 1 МГц, а длина кабеля в 10…20 раз меньше длины волны помехи, то есть когда ещё не нужно выполнять заземление в нескольких промежуточных точках.

Величину ёмкости можно рассчитать по формуле Свч = 1/(2 · π · ƒ · Xс), где ƒ верхняя частота границы спектра помехи, Xс – ёмкостное сопротивление заземляющего конденсатора (доли ома). Например, на частоте 1 МГц конденсатор ёмкостью 0,1 мкФ имеет сопротивление 1,6 Ом.

Конденсатор должен быть высокочастотным, с малой собственной индуктивностью. Для качественного экранирования в широком спектре частот используют двойной экран (рис. 24).[8]

 

Рис. 24 Двойное экранирование длинного кабеля.

 

Внутренний экран заземляют с одной стороны — со стороны источника сигнала, чтобы исключить прохождение ёмкостной помехи по пути, показанному на рис. 21, а внешний экран уменьшает высокочастотные наводки.

Во всех случаях экран должен быть изолирован, чтобы предотвратить его случайные контакты с металлическими предметами и землёй.

Отметим, что частота помехи – это частота, которую могут воспринимать чувствительные входы устройств систем автоматизации. В частности, если на входе аналогового модуля имеется фильтр, то максимальная частота помехи, которую надо учитывать при экранировании и заземлении, определяется верхней граничной частотой полосы пропускания фильтра.

Поскольку даже при правильном заземлении, но длинном кабеле помеха всё равно проходит через экран, то для передачи сигнала на большое расстояние или при повышенных требованиях к точности измерений нужно передавать сигнал в цифровой форме или ещё лучше через оптический кабель. Для этого можно использовать, например, модули аналогового ввода RealLab! серии NL или ADAM-4000 и оптоволоконные преобразователи интерфейса RS-485, например типа SN-OFC-ST62.5/125 фирмы НИЛ АП или ADAM-4541/4542+ компании Advantech. 

Заземление экранов кабелей систем автоматизации на электрических подстанциях 

На электрических подстанциях на оплётке (экране) сигнального кабеля системы автоматизации, проложенного под высоковольтными проводами на уровне земли и заземлённого с одной стороны, может наводиться напряжение величиной в сотни вольт [17] во время коммутации тока выключателем. Поэтому с целью электробезопасности оплётку кабеля заземляют с двух сторон.

Для защиты от электромагнитных полей с частотой 50 Гц экран кабеля также заземляют с обеих сторон. Это оправданно в случаях, когда известно, что электромагнитная наводка с частотой 50 Гц больше, чем наводка, вызванная протеканием выравнивающего тока через оплётку. 

Заземление экранов кабелей для защиты от молнии 

Для защиты от магнитного поля молнии сигнальные кабели систем автоматизации, проходящие по открытой местности, должны быть проложены в металлических трубах из ферромагнитного материала, например стали. Трубы играют роль магнитного экрана [3]. Нержавеющую сталь использовать нельзя, поскольку этот материал не является ферромагнитным. Трубы прокладывают под землёй, а при наземном расположении они должны быть заземлены примерно через каждые 3 метра [8]. Кабель должен быть экранирован и экран заземлён. Заземление экрана должно быть произведено очень качественно с минимальным сопротивлением на землю.

Внутри здания магнитное поле ослабляется, если здание железобетонное, и не ослабляется, если оно кирпичное. Радикальным решением проблем защиты от молнии является применение оптоволоконного кабеля, который стоит уже достаточно дёшево и легко подключается к интерфейсу RS.485. 

Заземление при дифференциальных измерениях 

Если источник сигнала не имеет сопротивления на землю, то при дифференциальном измерении образуется «плавающий» вход. На «плавающем» входе может наводиться статический заряд от атмосферного электричества (см. также разделы «Молния и атмосферное электричество», «Плавающая земля») или входного тока утечки операционного усилителя.

Для отвода заряда и тока на землю потенциальные входы модулей аналогового ввода обычно содержат внутри себя резисторы сопротивлением от 1 до 20 МОм, соединяющие аналоговые входы с землёй. Однако при большом уровне помех или большом импедансе источника сигнала даже сопротивление 20 МОм может оказаться недостаточным и тогда необходимо дополнительно использовать внешние резисторы номиналом от десятков кОм до 1 МОм или конденсаторы с таким же сопротивлением на частоте помехи (рис. 25).

 

Рис. 25 Заземление аналоговых входов через сопротивления для уменьшения помех на «плавающем» входе.

 

Заземление интеллектуальных датчиков 

В последнее время получили широкое распространение и развитие так называемые интеллектуальные датчики, содержащие микроконтроллер для линеаризации характеристики преобразования датчика. Интеллектуальные датчики выдают сигнал в цифровой или аналоговой форме [18].

Вследствие того, что цифровая часть датчика совмещена с аналоговой, при неправильном заземлении выходной сигнал имеет повышенный уровень шума.

Некоторые датчики, например фирмы Honeywell, имеют ЦАП с токовым выходом и поэтому требуют подключения внешнего сопротивления нагрузки порядка 20 кОм [18], поэтому полезный сигнал в них получается в форме напряжения, падающего на нагрузочном резисторе при протекании выходного тока датчика.

Рассмотрим пример (рис. 26).
 

Рис. 26 Неправильное заземление интеллектуальных датчиков

Рис. 27 Правильное заземление интеллектуальных датчиков

 

Напряжение на нагрузке равно: Vнагр = Vout – Iнагр · R1+ I2· R2,

то есть оно зависит от тока I2, который включает в себя ток цифровой земли. Ток цифровой земли содержит шум и, в соответствии с приведённой формулой, влияет на напряжение на нагрузке. Чтобы устранить этот эффект, цепи заземления надо выполнить так, как показано на рис. 27. Здесь ток цифровой земли не протекает через сопротивление R21 и поэтому не вносит шум в напряжение сигнала на нагрузке. 

Заземление шкафов с аппаратурой систем автоматизации 

Монтаж шкафов с аппаратурой должен учитывать всю ранее изложенную информацию. Однако заранее нельзя сказать однозначно, какие требования являются обязательными, какие – нет, поскольку набор обязательных требований зависит от необходимой точности измерений и от окружающей электромагнитной обстановки.

Поэтому приведённые далее примеры заземления разделены на «правильные» и «ошибочные» условно. При этом «правильный» пример всегда даёт меньший уровень помех, чем «неправильный».

На рис. 28 приведён пример, в котором каждое отличие от рис. 29 увеличивает вероятность сбоев цифровой части и ухудшает погрешность аналоговой.

 

 

Рис. 28 Пример неправильного заземления шкафов с аппаратурой системы автоматизации (красным цветом выделены неправильные соединения; GND — вывод для подключения заземлённого вывода питания).

Рис. 29 Пример правильного заземления шкафов системы автоматизации.

 

На рис. 28 сделаны следующие «неправильные» соединения:

  • заземление шкафов выполнено в разных точках, поэтому потенциалы их земель отличаются (рис. 17 и 18);
  • шкафы соединены между собой, что создаёт замкнутый контур в цепи заземления (см. рис. 16, а также разделы «Защитное заземление зданий», «Заземляющие проводники» и «Электромагнитные наводки»);
  • проводники аналоговой и цифровой земель в левом шкафу на большом участке идут параллельно, поэтому на аналоговой земле могут появиться индуктивные и ёмкостные наводки от цифровой земли;
  • вывод GND блока питания соединён с корпусом шкафа в ближайшей точке, а не на клемме заземления, поэтому по корпусу шкафа течёт ток помехи, проникающий через трансформатор блока питания (рис. 12 и 13);
  • используется один блок питания на два шкафа, что увеличивает длину и индуктивность проводника заземления;
  • в правом шкафу выводы земли подсоединены не к клемме заземления, а непосредственно к корпусу шкафа. При этом корпус шкафа становится источником индуктивной наводки на все провода, проходящие вдоль его стен;
  • в правом шкафу в среднем ряду аналоговая и цифровая земли соединены прямо на выходе блоков, что неправильно (рис. 17, 18, 19) 

 

Перечисленные недостатки устранены на рис. 29.

 

Дополнительным улучшением разводки в этом примере было бы применение отдельного проводника заземления для наиболее чувствительных аналоговых модулей ввода.

В пределах шкафа (стойки) желательно группировать аналоговые модули отдельно, цифровые – отдельно, чтобы при прокладке проводов в кабельном канале уменьшить длину участков параллельного прохождения цепей цифровой и аналоговой земель. 

Заземление в распределённых системах управления 

В системах управления, распределённых по некоторой территории с характерными размерами в десятки и сотни метров, нельзя использовать модули ввода без гальванической развязки. Только гальваническая развязка позволяет соединять цепи, заземлённые в точках с разными потенциалами.

Кабели, проходящие по открытой местности, должны быть защищены от магнитных импульсов, возникающих во время грозы (см. разделы «Молния и атмосферное электричество», «Заземление экранов кабелей для защиты от молнии»), и от магнитных полей, появляющихся при коммутации мощных нагрузок (см. раздел «Заземление экранов кабелей систем автоматизации на электрических подстанциях»). Особое внимание надо уделить заземлению экрана кабеля (см. раздел «Заземление экранов сигнальных кабелей»)

Радикальным решением для территориально распределённой системы управления является передача информации по оптическому волокну или радиоканалу.

Неплохие результаты можно получить, отказавшись от передачи информации по аналоговым стандартам в пользу цифровых. Для этого можно использовать соответствующие модули для построения распределённых систем управления, например серий ADAM-4000 или NL. Суть этого подхода заключается в том, что модуль ввода располагают возле датчика, уменьшая тем самым длину проводов с аналоговыми сигналами, а в ПЛК передаётся сигнал по цифровому каналу.

Разновидностью такого подхода является применение датчиков со встроенными в них АЦП и цифровым интерфейсом. Подобные датчики сейчас есть среди изделий многих фирм, например Pepperl+Fuchs, Siemens, Omron и др.; выпускаются такие датчики уже упоминавшейся серии NL, например датчик влажности NL-1DT100. 

Заземление чувствительных измерительных цепей 

Для измерительных цепей с высокой чувствительностью в плохой электромагнитной обстановке лучшие результаты даёт применение «плавающей» земли (см. раздел «Плавающая земля») совместно с батарейным питанием [19] и передачей информации по оптоволокну. 

Заземление исполнительного оборудования и приводов АСУ ТП 

Цепи питания двигателей с импульсным управлением, двигателей сервоприводов, исполнительных устройств с ШИМ управлением должны быть выполнены витой парой для уменьшения магнитного поля, а также экранированы для снижения электрической составляющей излучаемой помехи.

Экран кабеля должен быть заземлён с одной стороны.

Цепи подключения датчиков таких систем должны быть помещены в отдельный экран и по возможности пространственно отдалены от исполнительных устройств. 

Заземление в промышленных сетях 

Промышленная сеть на основе интерфейса RS-485 выполняется экранированной витой парой с обязательным применением модулей гальванической развязки (рис. 30).

 

Рис. 30 Заземление в промышленной сети на основе интерфейса RS-485.

 

Для небольших расстояний (порядка 10 м) при отсутствии поблизости источников помех экран можно не использовать. При больших расстояниях (стандарт допускает длину кабеля до 1,2 км) разница потенциалов земли в удалённых друг от друга точках может достигать нескольких единиц и даже десятков вольт (см. раздел «Заземление экранов сигнальных кабелей»).

Поэтому, чтобы предотвратить протекание по экрану тока, выравнивающего эти потенциалы, экран кабеля нужно заземлять только в одной точке (безразлично, в какой). Это также предотвратит появление замкнутого контура большой площади в цепи заземления, в котором за счёт электромагнитной индукции может наводиться ток большой величины при ударах молнии или коммутации мощных нагрузок.

Ток через взаимную индуктивность наводит на центральной паре проводов эдс, которая может вывести из строя микросхемы драйверов порта.

При использовании неэкранированного кабеля на нём может наводиться большой статический заряд (несколько киловольт) за счёт атмосферного электричества, который способен вывести из строя элементы гальванической развязки. Для предотвращения этого эффекта изолированную часть устройства гальванической развязки следует заземлить через сопротивление, например 0,1...1 МОм.

Сопротивление, показанное на рис. 30 штриховой линией, снижает также вероятность пробоя при повреждениях заземления или большом сопротивлении гальванической изоляции в случае применения экранированного кабеля.

Особенно сильно проявляются описанные эффекты в сетях Ethernet с коаксиальным кабелем, когда при заземлении в нескольких точках (или отсутствии заземления) во время грозы выходят из строя сразу несколько сетевых Ethernet плат.

В сетях Ethernet с малой пропускной способностью (10 Mбит/с) заземление экрана следует выполнять только в одной точке. В Fast Ethernet (100 Мбит/с) и Gigabit Ethernet (1 Гбит/с) заземление экрана следует выполнять в нескольких точках, пользуясь рекомендациями раздела «Заземление экранов сигнальных кабелей».

Руководствоваться правилами из данного раздела нужно и при прокладке кабеля на открытой местности. 

Заземление на взрывоопасных промышленных объектах 

На взрывоопасных промышленных объектах при монтаже заземления многожильным проводом не допускается применение пайки для спаивания жил между собой, поскольку вследствие хладотекучести припоя возможно ослабление мест контактного давления в винтовых зажимах.

Экран кабеля интерфейса RS-485 заземляется в одной точке вне взрывоопасной зоны. В пределах взрывоопасной зоны он должен быть защищён от случайного соприкосновения с заземлёнными проводниками. Искробезопасные цепи не должны заземляться, если этого не требуют условия работы электрооборудования (ГОСТ Р 51330.10, п6.3.5.2).

Искробезопасные цепи должны быть смонтированы таким образом, чтобы наводки от внешних электромагнитных полей (например, от расположенного на крыше здания радиопередатчика, от воздушных линий электропередачи или близлежащих кабелей для передачи большой мощности) не создавали опасного напряжения или тока в искробезопасных цепях.

Это может быть достигнуто экранированием или удалением искробезопасных цепей от источника электромагнитной наводки.

При прокладке в общем пучке или канале кабели с искроопасными и искробезопасными цепями должны быть разделены промежуточным слоем изоляционного материала или заземлённой металлической перегородкой. Никакого разделения не требуется, если используются кабели с металлической оболочкой или экраном.

Заземлённые металлические конструкции не должны иметь разрывов и плохих контактов между собой, которые могут искрить во время грозы или при коммутации мощного оборудования.

На взрывоопасных промышленных объектах используются преимущественно электрические распределительные сети с изолированной нейтралью, чтобы исключить возможность появления искры при коротком замыкании фазы на землю и срабатывания предохранителей защиты при повреждении изоляции.

Для защиты от статического электричества используют заземление, описанное в соответствующем разделе. Статическое электричество может быть причиной воспламенения взрывоопасной смеси. Например, при ёмкости человеческого тела 100…400 пФ и потенциале заряда 1 кВ энергия искрового разряда с тела человека будет равна 50…200 мкДж, что может быть достаточно для воспламенения взрывоопасной смеси группы IIC (60 мкДж) [20]. 

Верификация заземления 

Для обнаружения проблем заземления используют осциллографы с «плавающим» (батарейным) питанием и самописцы.

Самописцы [11] помогают найти плохие («шуршащие») контакты в цепи заземления и питания аппаратуры, редко появляющиеся сбои в системах автоматизации. Для этого с помощью многоканального компьютерного самописца контролируют интересующий параметр, напряжение в цепи низковольтного питания, в питающей сети 220 В и разность напряжений между несколькими точками системы заземления. Непрерывная запись параметров процесса и напряжений позволяет установить причинно- следственную связь между сбоями технологических параметров и выбросами напряжения в цепи питания и заземления.

Осциллографы с «плавающим» питанием [19] позволяют контролировать величину и частоту помехи на клеммах заземления в монтажных шкафах систем автоматизации, оценить уровень и найти источник магнитного поля помехи с помощью антенны из нескольких витков провода, подключенной к осциллографу.

Аналогично можно найти источник электрического поля с помощью пластины (обкладки конденсатора).Идеальным прибором для исследования помех мог бы быть миниатюрный цифровой осциллограф с малой ёмкостью на землю и на руки оператора, с батарейным питанием и передающий сигнал в компьютер через оптический кабель, имеющий потенциальный, токовый и электрометрический входы. 

Выводы: Правила заземления 

Радикальные методы решения проблем заземления:

  • Используйте модули ввода/вывода только с гальванической развязкой
  • Не применяйте длинных проводов от аналоговых датчиков
  • Располагайте модули ввода в непосредственной близости к датчику, а сигнал передавайте в цифровой форме
  • Используйте датчики с цифровым интерфейсом
  • На открытой местности и при больших дистанциях используйте оптический кабель вместо медного
  • Используйте только дифференциальные (не одиночные) входы модулей аналогового ввода

 

Другие советы:

  • Используйте в пределах вашей системы автоматизации отдельную землю из медной шины, соединив её с шиной защитного заземления здания только в одной точке
  • Аналоговую, цифровую и силовую землю системы соединяйте только в одной точке. Если этого сделать невозможно, используйте медную шину с большой площадью поперечного сечения для уменьшения сопротивления между разными точками подключения земель
  • Следите, чтобы при монтаже системы заземления случайно не образовался замкнутый контур
  • Не используйте по возможности землю как уровень отсчёта напряжения при передаче сигнала
  • Если провод заземления не может быть коротким или если по конструктивным соображениям необходимо заземлить две части гальванически связанной системы в разных точках, то эти системы нужно разделить с помощью гальванической развязки
  • Цепи, изолированные гальванически, нужно заземлять, чтобы избежать накопления статических зарядов
  • Экспериментируйте и пользуйтесь приборами для оценки качества заземления. Допущенные ошибки не видны сразу
  • Пытайтесь идентифицировать источник и приёмник помех, затем нарисуйте эквивалентную схему цепи передачи помехи с учётом паразитных ёмкостей и индуктивностей
  • Пытайтесь выделить самую мощную помеху и в первую очередь защищайтесь от неё
  • Цепи с существенно различающейся мощностью следует заземлять группами, в каждой группе – блоки с примерно равной мощностью
  • Заземляющие проводники с большим током должны проходить отдельно от чувствительных проводников с малым измерительным сигналом
  • Провод заземления должен быть по возможности прямым и коротким
  • Не делайте полосу пропускания приёмника сигнала шире, чем это надо из соображений точности измерений
  • Используйте экранированные кабели, экран заземляйте в одной точке со стороны источника сигнала на частотах ниже 1 МГц и в нескольких точках – на более высоких частотах
  • Для особо чувствительных измерений используйте «плавающий» батарейный источник питания
  • Самая «грязная» земля – от сетевого блока питания. Не совмещайте её с аналоговой землёй.
  • Экраны должны быть изолированными, чтобы не появилось случайных замкнутых контуров, а также электрического контакта между экраном и землёй
Категория: Каталог статей | Добавил: tomm (16.01.2015)
Просмотров: 1037 | Рейтинг: 0.0/0
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]
Рейтинг@Mail.ru Яндекс.Метрика Счетчик PR-CY.Rank electromontag-pro.ru trustrank electromontag-pro.ru Real PageRank
Рейтинг и каталог сайтов ElectroTOP Счетчик PR-CY.Rank