Вы находитесь в разделе Типовых решений систем безопасности
Заземление в системах промышленной автоматизации. часть 2 ,окончание,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, 1 . Чтобы пояснить, как корректно выполнить заземление, рассмотрим вариант неправильного (рис. 1 и правильного (рис. 1 монтажа.  Рис. 1 Пример неправильного заземления На рис. 17 допущены следующие ошибки:
Перечисленные ошибки приводят к тому, что напряжение на входе приёмника Vвх равно сумме напряжения сигнала 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, а именно:
 Рис. 1 Пример решения проблемы, показанной на рис. 17 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. Заземление в одной точке часто используется в военных и космических устройствах. Заземление гальванически развязанных цепей Радикальным решением описанных проблем (рис. 17 и 1 является применение гальванической изоляции с раздельным заземлением цифровой, аналоговой и силовой частей системы (рис. 1 . 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).  Рис. 1 Пример радикального решения проблемы, показанной на рис. 17 и 18 Заземление экранов сигнальных кабелей Вопросы передачи сигналов по кабелю подробно описаны в работе . 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). Если частота помехи не превышает 1 МГц, то кабель надо заземлять с одной стороны. Если его заземлить с двух сторон (рис. 2 , то образуется замкнутый контур, который будет работать как антенна, принимая электромагнитную помеху (на рис. 20 путь тока помехи показан штриховой линией). Ток помехи, проходя по экрану кабеля, будет наводить на центральных жилах кабеля помеху через взаимную индуктивность.  Рис. 2 Пример неправильного (с двух сторон) заземления экрана кабеля на низких частотах 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.  Рис. 2 Пример неправильного (со стороны приёмника сигнала) заземления экрана кабеля Поэтому заземлять оплётку надо со стороны источника сигнала (рис. 2 , в этом случае путь для прохождения тока помехи отсутствует.  Рис. 2 Правильное заземление экрана (дополнительное заземление справа используется для случая высокочастотного сигнала) 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 (рис. 2 . 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. 2 . 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 • XC), где f — верхняя частота границы спектра помехи, XC – 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. 2 . Внутренний экран заземляют с одной стороны — со стороны источника сигнала, чтобы исключить прохождение ёмкостной помехи по пути, показанному на рис. 21, а внешний экран уменьшат 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-S-62.5/125 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 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. 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. 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.  Рис. 2 Заземление экрана длинного кабеля на высоких частотах  Рис. 2 Двойное экранирование длинного кабеля 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. 2 .  Рис. 2 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. 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, поэтому полезный сигнал в них получается в форме напряжения, падающего на нагрузочном резисторе при протекании выходного тока датчика. Рассмотрим пример (рис. 2 .  Рис. 2 Неправильное 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. 2 Здесь ток цифровой земли не протекает через сопротивление R21 и поэтому не вносит шум в напряжение сигнала на нагрузке.  Рис. 2 Правильное заземление интеллектуальных датчиков 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.  Рис. 2 Пример неправильного заземления шкафов с аппаратурой системы автоматизации (красным цветом выделены неправильные соединения; GND — вывод для подключения заземлённого вывода питания) На рис. 28 приведён пример, в котором каждое отличие от рис. 29 увеличивает вероятность сбоев цифровой части и ухудшает погрешность аналоговой. На рис. 28 сделаны следующие неправильные соединения:
 Рис. 2 Пример правильного заземления шкафов системы автоматизацииПеречисленные недостатки устранены на рис. 2 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 цепейДля измерительных цепей с высокой чувствительностью в плохой электромагнитной обстановке лучшие результаты даёт применение плавающей земли (см. раздел Плавающая земля) совместно с батарейным питанием 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 обязателным применением модулей гальванической развязки (рис. 3 . Для небольших расстояний (порядка 10 м) при отсутствии поблизости источников помех экран можно не использовать.  Рис. 3 Заземление в промышленной сети на основе интерфейса RS-485 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-485заземляется 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, п. 6.3.5. . 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 искроопаснымии 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 тела100…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). Вертификация заземления Для обнаружения проблем заземления используют осциллографы с плавающим (батарейным) питанием и самописцы. Самописцы 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 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. 10.Цепи с существенно различающейся мощностью следует заземлять группами, в каждой группе – блоки с примерно равной мощностью. 11.Заземляющие проводники с большим током должны проходить отдельно от чувствительных проводников с малым измерительным сигналом. 12.Провод заземления должен быть по возможности прямым и коротким. 13.Не делайте полосу пропускания приёмника сигнала шире, чем это надо из соображений точности измерений. 14.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. 15.Для особо чувствительных измерений используйте плавающий батарейный источник питания. 16.Самая грязная земля – от сетевого блока питания. Не совмещайте её с аналоговой землёй. Читайте далее:  14 - 20 июля 2008 года ,рынок безопасности, 21 - 27 июля 2008 года ,рынок it, 28 - 31 июля 2008 года ,рынок it, Pos-инспектор- эффективное средство борьбы с воровством в торговле 01 - 03 августа 2008 года ,рынок безопасности, Особенности работы с видеограммами, полученными камерами видеонаблюдения Система цифровой записи архиватор речи dtr Зад и перед Информационно-психологическая война факторы, определяющие формат современного вооруженного конфликт Бормотания у костра. заметки бзиколога Принцип одного ключа Кадровая безопасность ,часть 2, Не свое Судебная психофизиологическая экспертиза с использованием полиграфа Как написать пресс-релиз
|
