Правила заземлення шаф керування частотними електроприводами. Заземлення у системах промислової автоматики. Заземлення для ВІТ

10.17. Введення від заземлювача у службово-технічний будинок може виконуватися сталевим провідником діаметром не менше 6 мм, джгутом із трьох сталевих оцинкованих проводів діаметром не менше 5 мм кожен, силовим або контрольним кабелем з алюмінієвими жилами перерізом не менше 25 мм. Сталеві провідники приварюються безпосередньо до заземлювача. Алюмінієві жили силових або контрольних кабелів з'єднують із сталевою шиною за допомогою сталеалюмінієвої перехідної вставки, один кінець якої попередньо алітований (покритий шаром алюмінію). Перехідну вставку на місці пристрою заземлення приварюють неалітованою частиною до сполучної шини контуру, а алітованою - до алюмінієвих жил кабелю. Місце з'єднання жил кабелю з перехідною вставкою двічі покривають гліфталевою емаллю і укладають у чавунну муфту, що заливається бітумною масою.

Застосовують таку технологію з'єднання. Один кінець сталевої смуги залужують з відривом 90 мм, потім виготовляють подовжений алюмінієвий наконечник під кабель необхідного перерізу. Залужені смуги та наконечник стягують трьома болтами і місце стику пропаюють. Сталеву смугу приварюють до сполучної смуги контуру, а наконечник вставляють жили кабелю і опресовують прес-кліщами в 5-6 місцях. Після закінчення стикування місце з'єднання сталевої смуги та наконечника поміщають у чавунну муфту МЧ-70 і заливають бітумною масою.

10.18. У разі, якщо проектом не передбачається прокладання шин заземлення у будинках, заземлення устаткування необхідно проводити в такий спосіб. Один безперервний провідник із джгута заземлювальних провідників, що йдуть від заземлювача або від щитка трьох земель, підключається до заземлюючих болтів усіх крайніх стативів, утворюючи кільце, яке замикається перед місцем підключення провідника до першого стативу; інші безперервні провідники підключаються до заземлюючих болтів панелей електроживлення, секцій пульта керування та виносного табло.

Заземлення стативів одного ряду провадиться відповідно до п.10.16. Підключення провідників, що заземляють стативи одного ряду, а також провідників, що йдуть від трансформаторів ТС, кабельних шаф та іншої апаратури до заземлюючих провідників, що йдуть від заземлювачів, здійснюється за допомогою болтових плашкових затискачів.

10.19. Послідовне підключення до заземлюючого провідника кількох заземлюючих стативів, панелей електроживлення, секцій пультів та іншого обладнання забороняється.

10.20. Для заземлення постових пристроїв СЦБ забороняється використовувати труби опалення, рейки, оболонки та броню кабелю.

Заземлювальні провідники захисного заземлення під час прокладання у будівлі мають бути ізольовані від інших заземлюючих провідників, кабелів та металевих конструкцій.

Заземлення світлофорних містків, консолей, світлофорів, релейних шаф на ділянках залізниць з електротягою та автономною тягою

На ділянках залізниць з електротягою постійного та змінного струму

10.21. Заземлення металевих частин світлофорних містків та консолей, світлофорів та релейних шаф проводиться шляхом їх приєднання до середніх висновків колійних дросель-трансформаторів.

У тих випадках, коли поблизу немає дросель-трансформаторів, заземлюючий провідник підключається до тягової рейки за допомогою спеціального затискача-скоби.

Металева оснастка світлофорів на залізобетонних щоглах повинна бути з'єднана між собою заземлюючими провідниками (рис.53 і 54).

https://pandia.ru/text/80/297/images/image071_4.gif" width="463" height="596 src=">

Рис.54. Заземлення оснастки світлофорів на залізобетонній центрифугованій щоглі довжиною 10 м

Поперечка світлофорного містка або ригель консолі заземлюючим провідником з'єднуються зі сходами.

Заземлюючий провідник, що йде від середнього виведення колійного дросель-трансформатора до світлофора з металевою щоглою або релейною шафою, підключається під гайку одного з болтів для кріплення світлофора до фундаменту або під головку болта кріплення релейної шафи до основи. Заземлюючий провідник, що йде від середнього виведення колійного дросель-трансформатора до світлофора із залізобетонною щоглою, світлофорного містка або консолі, підключається під гайку болта, привареного до нижньої частини сходів.

При заземленні поруч релейної шафи і світлофора, що стоять, заземлюючий провідник від середнього виведення колійного дросель-трансформатора підключається під головку болта кріплення релейної шафи; заземлення світлофора проводиться заземлюючим провідником, що відкрито прокладається між світлофором і релейною шафою.

Для підвищення надійності заземлення металоконструкцій світлофорних містків вздовж стійки прокладається другий провідник, що заземлює. Один кінець цього провідника закріплюється за допомогою болта, привареного до поперечки містка, а інший йде до середнього виведення дросель-трансформатора. Випуск оголовка приварюється до заземлюючого провідника. За наявності двох оголовків, тобто при спарених стійках містка, випуски обох оголовків зварюються.

Дублювання заземлення консолі здійснюється аналогічно до дублювання заземлення світлофорного містка. В цьому випадку заземлюючий провідник підключається до болта, привареного до нижньої частини стійки консолі.

10.22. Як заземлюючий провідник повинна застосовуватися кругла сталь діаметром не менше 12 мм на ділянках з електротягою постійного струму і не менше 10 мм на ділянках з електротягою змінного струму. Кінці заземлювального провідника для підключення під болт повинні мати наконечник із смугового заліза або кільце (рис.55).

0 " style="border-collapse:collapse">

10.26. У релейній шафі затискачі для заземлення розрядників повинні бути найкоротшим шляхом приєднані до металевого корпусу релейної шафи мідним провідником перерізом не менше 20 мм.

На ділянках залізниць із автономною тягою

10.27. Релейні шафи заземлюються шляхом з'єднання металевого корпусу шафи із заземлюючим пристроєм кабельного ящика.

Як сполучний провод слід використовувати перепаяні між собою металеву оболонку і броню кабелю, прокладеного між релейною шафою і кабельним ящиком.

Мідний заземлюючий провід діаметром не менше 20 мм припаюється до місця з'єднання броні та оболонки кабелю та підключається до металевого корпусу релейної шафи та кабельного ящика.

При кабелях без металевої оболонки це з'єднання може виконуватися джгутом із трьох сталевих оцинкованих дротів діаметром 5 мм. Джгут проводів прокладається в землі на глибині не менше 30-40 см і з'єднується із заземлюючими провідниками низьковольтного заземлювача кабельного ящика на відстані не менше ніж 0,4 м над поверхнею землі.

Приєднання слід проводити електричним або термічним зварюванням або за допомогою металевих затискачів.

10.28. Для вирівнювання та зниження потенціалів, що виникають на струмопровідних частинах сигнальних та колійних приладів автоблокування, автоматичної локомотивної та переїзної сигналізації, необхідно об'єднати заземлюючими перемичками металеві корпуси релейних шаф з металевими частинами світлофорів або світлофорних містків та консолей.

Заземлення кабельних ящиків

10.29. Для заземлення кабельних ящиків застосовуються типові заземлювальні пристрої, що складаються з одного сталевого стрижня діаметром не менше 20 мм, довжиною 2,5 м - заземлювача і привареного до нього провідника, що заземлює, з двох звитих між собою сталевих оцинкованих дротів діаметром 5 мм. Для встановлення заземлювача та прокладки заземлювального провідника має бути викопана траншея глибиною не менше 0,6 м.

10:30. Допускається влаштування загального заземлювача для заземлення низьковольтного та високовольтного обладнання силових опор високовольтно-сигнальних ліній автоблокування, що обладнуються захистом, що діє на відключення при однофазних замиканнях на землю.

При загальному заземлювачі спуски до нього від високовольтного (напругою вище 1 кВ) та низьковольтного (до 1 кВ) обладнання повинні бути роздільними та приварюватися до різних стрижнів заземлювача або (у разі глибинного заземлювача) до одного стрижня, але у різних місцях.

10.31. Заземлювальний провідник підводиться до опори дном траншеї, прокладається по опорі і підключається до болта заземлюючого кабельного ящика. До дерев'яної опори провідник закріплює скобами, а до залізобетонної - хомутами з дроту діаметром 2,5-4 мм, що встановлюються на відстані 0,5-0,6 м один від одного.

10.32. Опір заземлювальних пристроїв має перевищувати значень, наведених у табл.39.

Існуючі ланцюги заземлення засобів обчислювальної техніки та автоматизації прийнято поділяти на:

1. Ланцюги захисного заземлення (ЗЗ).
2. Ланцюги робочого заземлення (РЗ).

1. Захисне заземлення

Зазначений тип заземлення захищає людину від ймовірного ураження у разі пошкодження ізоляції електроустановки, що експлуатується. У існуючих електроустановках об'єктів, що належать до АСУ ТП, заземлення (занулення) потрібно виконувати на:

• виконаних з металу корпусах наступних пристроїв: КВП, АУ (апаратів управління), РУ (регулювальних пристроїв), освітлювальних приладів, пристроїв сигналізації та елементів захисту, електроприводів засувок тощо, електричних двигунів МУ (механізмів управління);
• виконані з металу пульти, а також щити будь-якого призначення, якщо на них змонтовані електроапарати, прилади, інші засоби, що належать до елементів обчислювальної техніки та автоматизації. При цьому зазначена вимога поширюється на і/або знімні деталі зазначених пультів і щитів, що відкриваються у випадках, коли на них розміщена будь-яка апаратура з напругою понад 42В по (~) або 110В по const струму, а також на виготовлені з металу допоміжні конструкції, призначенням яких є монтаж на них АУ та електроприймачів;
• муфти та броня кабелів, як силових, так і контрольних, їх оболонки, виготовлені з металу; аналогічні оболонки та металорукави провідників (проводів та/або кабелів); труби для електропроводки, виготовлені зі сталі та інші елементи електропроводки, виготовлені з металу;
• оболонки провідників, виготовлені з металу, а також броня кабелів, складових ланцюга, «U» в яких не перевищує значення 42В по (~) або 110В const струму, які розташовуються на єдиних конструкціях, виготовлених з металу, разом з провідниками, елементи конструкції яких, виконані з металу, потрібно заземлювати чи занулювати.

Деякі провідники для заземлення не потрібно використовувати для таких елементів мережі:

• засоби та прилади, що використовуються для автоматизації, які змонтовані на вже заземлених металоконструкціях, якщо між їх корпусами та зазначеними конструкціями є стійкий електроконтакт;
• знімні частини огорож, пультів і т.п. у тих випадках, коли на них змонтована апаратура з напругою не більше 42В (~) або 110В const струму; · Корпуса електроприймачів, які підключені в мережу через спеціальні розділові тр-ри, або мають подвійну ізоляцію. Подібні приймачі заборонено з'єднувати із системою заземлення. Відповідно до вимог ПУЕ (п.1.7.70) нульовими провідниками в аналізованих електроустановках (заземлюючими) можуть виступати:
• лотки, виготовлені з металу, а також металеві короби;
• оболонки кабелів, виготовлені з Al;
• труби, що захищають електропроводку, виготовлені з металу;
• провідники, що використовуються для подібних цілей типу мідних або сталевих смуг тощо;
• для систем TN для зазначених цілей використовуються «0» робочі провідники, крім тих випадків, коли йдеться про відгалуження, що йдуть до однофазних електроприймачів. Занулення останніх виконується по нульовому (3-му) захисному провіднику.

Елементи заземлення

Всі з'єднання заземлювальних провідників дозволено виконувати лише зварюванням, паянням, болтовими з'єднаннями, з використанням спеціальних прапорців та хомутів.
У тих випадках, коли виконується підключення до вузлів заземлення захисних провідників, виготовлених з кольорових металів, вони повинні закінчуватись спеціальними наконечниками, а гнучкі перемички з міді повинні мати двостороннє закінчення.
При використанні з'єднань за допомогою болтів обов'язково потрібно застосовувати пружинні шайби (варіант - стопорні).

Види захисного заземлення АСУ ТП

Такі вироби, як електроприймачі, пульти та щити обладнані вузлами заземлення, до яких захисний провідник безпосередньо підключається, а опорні рами, які мають багатосекційні щити, з'єднують смуговою сталлю, що проходить через вузли заземлення всіх рам. У тих випадках, коли йдеться про заземлення схильних до вібрацій електроприймачів використовується гнучка перемичка з міді.

Заземлення технічних засобів

Захисне заземлення АСУ ТП прийнято починати з магістралі, яка підключається до існуючого заземлювача, що є у системі електропостачання об'єкта. Магістралі захисного заземлення (як СВТ, так і СА) підключають до захисного заземлення в єдиній точці, яка повинна бути максимально близько до самого заземлювача. У єдиному вузлі занулення з нульовим дротом TN-C (TN-C-S, TN-S) з'єднується магістраль захисного заземлення АСУ ТП. Зазначений вузол розташовується на щитах живлення СВТ чи СА.
Якщо даний розподільний щит (РЩ) досить далеко від ТП з глухозаземленной нейтраллю, то на зазначеній ділянці використовується 4-ехпроводная схема (три фазних і один робочий «0» провідник, TN-C). Починаючи зі щита розподільного, вже 5-ти провідна (три фазні, TN-c і нульовий захисний, TN-S).
Сам щит має бути обладнаний повторним заземленням. Зазначена вимога випливає їх необхідності зниження коливань потенціалу самого щита щодо землі, які обумовлені змінами струму, що тече по TN-C між ТП та РЩ.

Заземлення для ВІТ

У будь-яких технічних засобах АСУ ТП обов'язково є обладнання ОТІ (інформаційних технологій). Сюди включається:

• обладнання, що виконує базову функцію (введення, пошук, відображення, зберігання тощо) або управлінням повідомлень і даних;
• обладнання, напруга живлення якого не перевищує 600 Ст.

Загалом до числа ВІТ включаються такі типи (види) обладнання, які, більшою чи меншою мірою, використовуються для функціонування всієї АСУ ТП:

• обчислювальні пристрої, що використовуються у складі ПК або спільно з ними (як в окремих корпусах, так і без них);
• кінцеве обладнання;
• термінали;
• ПК тощо.

2. Робоче заземлення

Інше найменування зазначеної системи «нуль система» технічних засобів, які у АСУ ТП. Крім цього у низці джерел інформації робоче заземлення називається також функціональним, фізичним, логічним, інформаційним, схемним тощо.

У нуль-систему входять лише два елементи: заземлюючі провідники і власне заземлювач. Наявність персонального заземлювача для даної системи необхідна у зв'язку з виникненням струмів розтікання великих значень. Останні можуть виникнути при КЗ, у процесі електрозварювання тощо. Це створює значні різниці потенціалів між окремими точками заземлювального пристрою, а також суттєві коливання потенціалів тих чи інших точок природних та/або штучних заземлювачів по відношенню до землі.

Робота будь-якого електрообладнання призводить до виникнення магнітних полів великої потужності, які є джерелами перешкод у лініях, призначених для передачі інформації, які з'єднують СВТ з електроприводами, технологічними агрегатами, локальними системами управління тощо. Потужність згаданих вище сигналів всього частки вата, а значення напруги від кількох, до кількох десятків мВ і навіть менше. Саме цим пояснюється той факт, що створювані перешкоди можна порівняти за своїми показниками з корисними сигналами, що може призвести до серйозних спотворень останніх. Тому захист від цих перешкод украй необхідний. І якісне вирішення питань заземлення є одним із найважливіших методів захисту АСУ ТП та ліній зв'язку.

Дивіться також.

Щодо вимог щодо заземлення електротехнічних виробів до яких належать і щити (шафи) автоматизації, то необхідно ознайомитися додатково з такими НТД:
1) ГОСТ Р 12.1.019-2009 "Система стандартів безпеки праці. Електробезпека. Загальні вимоги та номенклатура видів захисту" п.4.2.2 (прим.-для РФ), де перераховані способи для забезпечення захисту від ураження електричним струмом при дотику до металевих нетоковедучих частин, які можуть опинитися під напругою внаслідок пошкодження ізоляції, що для щитів (шаф) дуже актуально.
2) ГОСТ 12.2.007.0-75 "Система стандартів безпеки праці. Вироби електротехнічні. Загальні вимоги безпеки" з ізмами п.3.3. Вимоги до захисного заземлення, зокрема. п.3.3.7, п.3.3.8, в якому вказується на необхідність обладнання елементами для запозичення оболонок, корпусів, шаф тощо.
3) РМ 4-249-91 "Системи автоматизації технологічних процесів. Влаштування мереж заземлення. Посібник", а там все про заземлення, в т.ч. п.2.12, п.3.15, . Є п.2.25, в якому надається посилання на вимоги РМ3-82-90 "Щити та пульти систем автоматизації технологічних процесів. Конструкція. Особливості застосування".
4)РМ3-54-90 "Щити та пульти систем автоматизації. Монтаж електричних проводок. Посібник" п.1.4 Вимоги до занулення (заземлення) з прикладами з'єднань елементів щита (шафи) всередині щита (шафи).
5)РМ 4-6-92 Частина 3 "Системи автоматизації технологічних процесів. Проектування електричних і трубних проводок. Вказівки з виконання документації. Посібник" п.3.6 Захисне заземлення та занулення та п.3.7.1 у частині виконання вказівок щодо захисного заземлення та занулення електроустановок з прикладами у додатках.
6) і т.д. і т.п.
7) ГОСТ 21.408-2013 "СПДС. Правила виконання робочої документації автоматизації технологічних процесів" п.5.6.2.1 та п.5.6.2.5 та п.5.6.2.7 у частині виконання захисного заземлення та занулення обладнання систем автоматизації.
Звертаю увагу, є поняття ознайомитись та перевірка на предмет діючих НТД, головне де взяти корисну інформацію та вміти її фільтрувати та застосовувати.
А при комплексному проектуванні зазвичай кабель для підключення електроприймача, яким і є щит (шафа) автоматизації, до розподілу системи електропостачання та облаштування контурів заземлення і вузлів заземлення в щитових і операторних, а також підключення цих вузлів до контурів заземлення, враховуються в комплекті силовий частини (прим.-марка "ЕС"), а ось саме розлучення цього кабелю вже наводиться на кресленнях відповідних схем у комплекті з автоматизації, у комплекті з автоматизації вказуються (враховується) та вимоги та (або) показується на кресленнях (прим.-звичайно це схеми зовнішніх з'єднань або таблиці з'єднань зовнішніх проводок) підключення заземлюючих провідників до вузлів та контурів заземлення від корпусів приладів та щитів тощо.

Неправильне заземленняу 40% випадків є причиною дорогих простоїв та псування чутливого обладнання, що використовується в нафтовій, автомобільній та гірничій промисловості. Наслідком неправильного заземлення можуть бути збої в роботі систем, що зрідка з'являються, підвищена похибка вимірювань, вихід з ладу чутливих елементів, уповільнення роботи системи внаслідок появи потоку помилок в каналах обміну, нестабільність регульованих параметрів, помилки в даних, що збираються. Питання заземлення тісно пов'язані з проблемами екранування та методами боротьби з перешкодамиу електронних системах.

Заземлення є найбільш поганою темою в автоматизації.

Складність проблеми пов'язана з тим, що джерела перешкод, приймачі та шляхи їх проходження розподілені у просторі, момент їхньої появи часто є випадковою величиною, а місцезнаходження апріорі невідоме. Важко також провести вимірювання перешкод. Практично неможливо зробити і досить точний теоретичний аналіз, оскільки завдання зазвичай є тривимірним та описується системою диференціальних рівнянь у приватних похідних.

Тому обґрунтування того чи іншого методу заземлення, яке, строго кажучи, має спиратися на математичні розрахунки, практично доводиться робити на підставі досвіду та інтуїції. Вирішення проблем заземлення в даний час знаходиться на межі між розумінням, інтуїцією та везінням.

Вивчення впливу перешкод, пов'язаних із неправильним заземленням, зводиться до складання правдоподібних спрощених моделей системи, що включає джерела, приймачі та шляхи проходження перешкоди, з подальшим аналізом їх впливу на характеристики системи та синтезом методів боротьби з ними.

Ми не розглядатимемо питання заземлення енергетичних електроустановок. Це окрема тема, досить докладно розглянута в літературі з електроенергетики. У цій статті йдеться тільки про заземленні, що використовується в системах промислової автоматизаціїдля забезпечення їхнього стабільного функціонування, а також про заземлення з метою захисту персоналу від ураження електричним струмом, оскільки ці два питання неможливо розглядати ізольовано одне від одного, не порушуючи стандартів системи безпеки праці.

Визначення

Під заземленнямрозуміють як з'єднання з ґрунтом Землі, так і з'єднання з деяким "загальним проводом" електричної системи, щодо якого вимірюють електричний потенціал. Наприклад, у космічному кораблі чи літаку "землею" вважають металевий корпус. У приймачі з батарейним живленням за "землю" приймають систему внутрішніх провідників, які є загальним дротом для всієї електронної схеми. Надалі ми використовуватимемо саме таке поняття "землі", не укладаючи більше це слово у лапки, оскільки воно давно стало фізичним терміном. Потенціал землі в електричній системі не завжди дорівнює нулю щодо ґрунту Землі. Наприклад, у літаку, що летить, за рахунок генерації електростатичного заряду потенціал землі (корпусу) літака може становити сотні і тисячі вольт щодо поверхні Землі.

Аналогом землі космічного корабля є "плаваюча" земля"- Не з'єднана з ґрунтом Землі система провідників, щодо якої відраховується потенціал в електричній підсистемі. Наприклад, у модулі аналогового введення з гальванічною розв'язкою внутрішня аналогова земля модуля може не з'єднуватися з ґрунтом Землі або з'єднуватися з ним через великий опір, скажімо, 20 МОм.

Під захисним заземленнямрозуміють електричне з'єднання провідних частин обладнання з ґрунтом Землі через заземлюючий пристрій з метою захисту персоналу від ураження електричним струмом.

Заземлюючим пристроємназивають сукупність заземлювача (тобто провідника, що стикається із землею) та заземлюючих провідників.

Загальним проводом(провідником) називають провідник у системі, щодо якого відраховуються потенціали. Зазвичай він є спільним для джерела живлення та підключених до нього електронних пристроїв.

Прикладом може бути провід, загальний всім 8 входів 8 канального модуля аналогового введення з одиночними (недиференціальними) входами. Загальний провід у багатьох випадках є синонімом землі, але він може бути взагалі не з'єднаний із ґрунтом Землі.

Сигнальним заземленнямназивають з'єднання із землею загального дроту ланцюгів передачі сигналу.

Сигнальна земля поділяється на цифрову землю та аналогову. Сигнальну аналогову землю іноді поділяють на землю аналогових входів та землю аналогових виходів.

Силовий землеюбудемо називати загальний провід у системі, з'єднаний із захисною землею, яким протікає великий струм (великий проти струмом передачі сигналу).

В основі такого поділу земель лежить різний рівень чутливості до перешкоданалогових та цифрових ланцюгів, а також сигнальних та потужних (силових) ланцюгів і, як правило, гальванічна розв'язка між зазначеними землями у системах промислової автоматизації.

Глугозаземленою нейтраллюназивається нейтраль трансформатора або генератора, приєднана до заземлювача безпосередньо або через мале опір (наприклад, через трансформатор струму).

Нульовим дротомназивається провід мережі, з'єднаний з глухозаземленою нейтраллю.

Ізольованою нейтраллюназивається нейтраль трансформатора або генератора, не приєднана до заземлюючого пристрою.

Зануленняназивають з'єднання обладнання з глухозаземленной нейтраллю трансформатора або генератора в мережах трифазного струму або з глухозаземленним виведенням джерела однофазного струму.

Далі ми також використовуватимемо термін "кондуктивний"- від слова conductor (провідник), тобто пов'язаний із провідністю матеріалу. Наприклад, кондуктивна перешкода наводиться через провідник, що з'єднує два ланцюги.

Цілі заземлення

Захисне заземленняслужить виключно для захисту людей від ураження електричним струмом.

Необхідність виконання захисного заземлення часто призводить до збільшення рівня перешкоду системах автоматизації, проте ця вимога є необхідною, тому виконання сигнальної та силової землі має базуватися на припущенні, що захисне заземлення є і воно виконане відповідно до ПУЕ. Захисне заземлення можна не застосовувати тільки для обладнання з напругою живлення до 42 В змінного або 110 В постійного струму, за винятком вибухонебезпечних зон.

Докладніше див. розділ "Заземлення на вибухонебезпечних промислових об'єктах" та ПУЕ (гл. 1.7).

Правила заземленнядля зменшення перешкоди від мережі 50 Гц у системах автоматизації залежать від того, чи використовується мережа з глухозаземленою або ізольованою нейтраллю. Заземлення нейтралітрансформатора на підстанції виконується з метою обмеження напруги, яке може з'явитися на проводах мережі 220/380 щодо Землі при прямому ударі блискавки або в результаті випадкового зіткнення з лініями більш високої напруги, або в результаті пробою ізоляції струмопровідних частин розподільної мережі.

Електричні мережі з ізольованою нейтраллювикористовуються для уникнення перерв живлення споживача при єдиному пошкодженні ізоляції, оскільки при пробою ізоляції на землю в мережах з глухозаземленою нейтраллюспрацьовує захист та живлення мережі припиняється.

Крім того, в ланцюгах з ізольованою нейтраллю при пробої ізоляції на землювідсутня іскра, яка неминуча в мережах із глухозаземленою нейтраллю. Ця властивість дуже важлива при живленні обладнання у вибухонебезпечній зоні. У США в нафтогазовій та хімічній промисловості використовується також заземлення нейтралі через опір, що обмежує струм на землю у разі короткого замикання.

Сигнальна земляслужить для спрощення електричної схеми та здешевлення пристроїв та систем промислової автоматизації. При використанні сигнальної землі як загальний дроти для різних ланцюгів з'являється можливість застосування одного загального джерела живлення для всього електричного ланцюга замість кількох "плаваючих" джерел живлення. Електричні ланцюги без загального проводу (без землі) завжди можна перетворити на ланцюги із загальним проводом і навпаки за правилами, викладеними у роботі.

Залежно від цілей застосування сигнальні землі можна поділити на базові та екранні. Базова землявикористовується для відліку та передачі сигналу в електронному ланцюзі, а екранна землявикористовується для заземлення екранів.

Екранна землявикористовується для заземлення екранів кабелів, екрануючих перегородок, корпусів приладів, а також для зняття статичних зарядів з частин транспортерних стрічок, що труться, ременів електроприводів і т.п.

Загальні питання заземлення

Захисне заземлення будівель

Як захисні заземлюючі провідники використовують природні та штучні заземлювачі. До природних заземлювачів відносяться, наприклад, сталеві та залізобетонні каркаси виробничих будівель, металеві конструкції виробничого призначення, сталеві труби електропроводок, алюмінієві оболонки кабелів, металеві стаціонарні відкрито прокладені трубопроводи всіх значень, за винятком трубопроводів горючих та вибухонебезпечних речовин, каналізації та центрального опалення. Якщо їх провідність відповідає вимогам до заземлення, то додаткові провідники для заземлення не використовуються. Можливість використання залізобетонного фундаменту будівлі пояснюється тим, що питомий опір вологого бетону приблизно дорівнює питомому опору землі (150...300 Ом.м).

Штучні (спеціально виготовлені) заземлювачівикористовують, коли опір заземлення перевищує встановлені ПУЕ норми.

Конструктивно вони являють собою труби, куточки, прути, поміщені в землю вертикально на глибину 3 м або горизонтально на глибину не менше 50...70 см. Для поліпшення рівномірності розподілу потенціалу землі (для зменшення напруги кроку) використовують кілька заземлювачів, з'єднуючи їх сталевий смугою. На електричних підстанціях використовують сітку заземлювачів.

При з'єднанні заземлювачів між собою не рекомендується утворювати замкнутий контурвеликий площі, оскільки він є "антеною", в якій може циркулювати великий струм під час розрядів блискавки.

Найкращі результати виходять приєднанні заземлювачів у формі сітки, коли площа кожного контуру сітки набагато менша від загальної площі, що охоплюється заземлювачами. Різні конструкції заземлювальних пристроїв наведені у Довіднику: "Заземлювальні пристрої електроустановок" Р.Н. Каракін.

Незважаючи на рекомендації багатьох авторів уникати контурів при виконанні розведення шин заземлення по будівлі, на практиці, наприклад, при використанні природних заземлювачів, уникнути цього часто не вдається. Залізобетонні конструкції промислових будівель містять металеві арматурні лозини, які з'єднуються між собою зварюванням. Таким чином, система заземлення будівлі є металевою клітиною, нижня частина якої електрично з'єднана з грунтом. Монтажна організація забезпечує надійний контакт між собою всіх металевих конструкцій будівлі та оформляє акти на приховані роботи.

Заземлюючий контактдля підключення обладнання при цьому є болтом заземлення, привареним до металевої заставної конструкції елемента колони або фундаменту будівлі.

При монтажі систем заземлення потрібно уникати проміжків у контурах, на які може наводитися ЕДС магнітним полем блискавки, щоб уникнути появи іскри та можливого загоряння горючих речовин у будівлі.

У будівлях розміщення зв'язного устаткування систему провідників заземлення виконують як сітки. Сітка виконує одночасно функції заземлення та електромагнітного екрану будівлі. На електростанціях у приміщенні з пристроями промислової автоматики стіни та стеля екранують сталевими плитами, вікна та отвори для кондиціювання закривають мідною сіткою, підлогу виконують з електропровідного пластику. Необхідно звертати увагу на якість контактів у ланцюзі заземлення.

У статті: Burleson J. Wiring and grounding to prevent power quality problems with industrial equipment// Textile, Fiber and Film Industry Technical Conference, 89 May,1991. Р. 5/15/6 описаний випадок, коли погано затягнутий болт у ланцюзі заземлення призводив до збоїв у роботі системи, причину яких шукали кілька років. При конструюванні заземлення не можна використовувати контакти різнорідних металівщоб не утворювалися гальванічні пари, які є місцями швидкої корозії.

При монтажі апаратури в побудованому будинку система заземлюючих провідників, як правило, вже змонтована, і шина захисного заземлення розведена по будівлі.

Автономне заземлення

До системи захисного заземленняпромислового об'єкта можуть бути підключені силові установки, які постачають великий струм перешкодиу провід заземлення. Тому для точних вимірів може знадобитися окрема земля, виконана за технологією штучного заземлення у ґрунт. Таке заземлення з'єднане із загальним заземленням будівлі лише в одній точці для вирівнювання потенціалу між різними землями, що важливо при ударі блискавки.

Другий варіант автономної, "чистої" землі можна отримати за допомогою ізольованого дроту, який ніде не з'єднується з металевими конструкціями будівлі, але з'єднується з основною клемою заземлення біля введення нейтралі фідера живлення в будинок. Шину такого заземлення роблять із міді, її поперечний переріз становить не менше 13 кв. мм.

Заземлюючі провідники

Провідники, що з'єднують обладнання із заземлювачем, повинні бути по можливості короткими, щоб знизити їх активний та індуктивний опір. Для ефективного заземлення на частотах більше 1 МГц провідник повинен бути коротшим за 1/20, а краще за 1/50 довжини хвилі самої високочастотної гармоніки в спектрі перешкоди (див. також розділ "Модель землі"). При частоті перешкоди 10 МГц (довжина хвилі 30 м) і довжині провідника 7,5 м (1/4 від довжини хвилі) модуль його комплексного опору на частоті перешкоди дорівнюватиме нескінченності, тобто такий провідник можна використовувати як ізолятор, але не для заземлення.

При наявності фільтрів у системі автоматизації за максимальну частоту перешкод, що впливає, можна приймати верхню граничну частоту фільтра.

Щоб знизити падіння напруги на заземлювачі, треба зменшувати його довжину. Індуктивний опір дроту заземленняна частоті перешкоди f дорівнює:

XL = 2 π f L l ,

де L- погона індуктивність дроту, у типових випадках дорівнює приблизно 0,8 мкГн/м, l- Довжина дроту.

Якщо дроти заземлення розташовуються близько друг від друга, між ними виникає передача перешкоди через взаємну індуктивність, що особливо на високих частотах.

Провід заземлення не повинен утворювати замкнутих контурів, які є приймачами (антенами) електромагнітних наведень.

Заземлювальний провідник не повинен торкатися інших металевих предметів, оскільки такі випадкові нестабільні контакти можуть бути джерелом додаткових перешкод.

Модель землі

З викладеного можна запропонувати електричну модель системи заземлення, показану на рис. 1. При складанні моделі передбачалося, що система заземлення складається із заземлюючих електродів, з'єднаних між собою суцільною шиною заземлення, до якої приварена пластина (клема) заземлення. До клеми заземлення приєднуються, наприклад, дві шини (два провідники) заземлення, яких у різних місцях підключається заземлюване устаткування.

Якщо шини заземлення або заземлювальні провідники проходять близько один від одного, то між ними існує магнітний зв'язок коефіцієнтом взаємної індукції M(Рис. 1).

Кожна ділянка провідника (шини) системи заземлення має індуктивність. Lij,опір Rij, і в ньому наводиться ЕДС Eijшляхом електромагнітної індукції. На різних ділянках шини заземлення до неї приєднано обладнання системи автоматизації, яке постачає в шину заземлення струм перешкоди. In21... In23, викликаний описаними у розділі "Джерела перешкод на шині землі"причинами, а також струм живлення, що повертається до джерела живлення по шині землі. На рис. 1 зображено також опір між заземлюючими електродами RЗемліі струм перешкоди InЗемлі, що протікає по землі, наприклад, при ударах блискавки або короткому замиканні (к.з.) на землю потужного обладнання.

Якщо шина сигнального заземленнявикористовується одночасно для живлення системи автоматизації (цього потрібно уникати), необхідно враховувати її опір. Опір мідного дроту довжиною 1 м і діаметром 1 мм дорівнює 0,022 Ом. У системах промислової автоматизаціїпри розташуванні датчиків на великій площі, наприклад в елеваторі або цеху, довжина провідника заземлення може досягати 100 м і більше. Для провідника довжиною 100 м опір становитиме 2,2 Ом. При кількості модулів системи автоматизації, що живляться від одного джерела, що дорівнює 20, і струм споживання одного модуля 0,1 А падіння напруги на опорі заземлювального провідника складе 4,4 В.

При частоті перешкоди більше 1 МГц зростає роль індуктивного опору ланцюга заземлення, а також ємнісного та індуктивного зв'язку між ділянками ланцюгів заземлення. Проводи заземлення починають випромінювати електромагнітні хвилі і самі стають джерелами перешкод.

На високих частотах провідник заземлення або екран кабелю, прокладений паралельно підлозі або стіні будівлі, утворює спільно із заземленими металевими конструкціями будівлі довгу лінію з опором хвильовим порядку 500...1000 Ом, короткозамкнуту на кінці. Тому опір провідника для високочастотних перешкод визначається як його індуктивністю, а й явищами, пов'язаними з інтерференцією між падаючою хвилею перешкоди і відбитої від заземленого кінця проводу.

Залежність модуля комплексного опору провідника заземлення між точкою його підключення до заземлюваного обладнання та найближчою точкою залізобетонної конструкції будівлі від довжини цього провідника можна описати формулою для двопровідної повітряної лінії передачі:

Zвх ≈ Rв tg (2π L/λ),

де Rв- хвильовий опір, L- Довжина провідника заземлення, λ - Довжина хвилі перешкоди (λ ≈ c/f, с- швидкість світла у вакуумі, що дорівнює 300 000 км/с, f- Частота перешкоди).

Графік, побудований за даною формулою для типового провідника заземлення (екрана) діаметром 3 мм на відстані до найближчого прута залізобетонної арматури будівлі 50 см (при цьому хвильовий опір становить 630 Ом), наведено на рис. 2.

Зазначимо, що коли довжина провідника наближається до 1/4 довжини хвилі перешкоди, його опір прагне нескінченності.

Таким чином, шина землі є в загальному випадку "брудною" землею, джерелом перешкод, має активний та індуктивний опір. Вона є еквіпотенційною лише з погляду захисту від ураження електричним струмом, але з погляду передачі сигналу. Тому якщо в контур, що включає джерело і приймач сигналу, входить ділянка "брудної" землі, то напруга перешкоди складатиметься з напругою джерела сигналу і прикладатиметься до входу приймача (див. розділ "Кондуктивні наведення").

Види заземлень

Одним із шляхів ослаблення шкідливого впливу ланцюгів заземлення на системи автоматизації є роздільне виконання систем заземлень для пристроїв, що мають різну чутливість до перешкод або джерел перешкод різної потужності.

Роздільна виконання заземлюючих провідників дозволяє виконати їх з'єднання із захисною землею в одній точці.При цьому різні системи земель є променями зірки, центром якої є контакт до шини захисного заземлення будівлі. Завдяки такій топології перешкоди "брудної" землі не протікають провідниками "чистої" землі. Таким чином, незважаючи на те, що системи заземлення розділені і мають різні назви, в кінцевому рахунку всі вони з'єднані із Землею через систему захисного заземлення.

Виняток становить лише "плаваюча" земля (див. розділ "Плаваюча" земля").

Силове заземлення

У системах автоматизаціїможуть використовуватися електромагнітні реле, мікропотужні серводвигуни, електромагнітні клапани та інші пристрої, струм споживання яких суттєво перевищує струм споживання модулів вводу/виводу та контролерів. Ланцюги живлення таких пристроїв виконують окремою парою звитих проводів (для зменшення випромінюваних перешкод), один з яких з'єднується із шиною захисного заземлення. Загальний провід такої системи (зазвичай провід, підключений до негативного виведення джерела живлення) є силовою землею.

Аналогова та цифрова земля

Системи промислової автоматизації є аналого-цифровими. Тому одним із джерел похибок аналогової частини є перешкода, створювана цифровою частиною системи. Для виключення проходження перешкод через ланцюги заземлення цифрову та аналогову землю виконують у вигляді незв'язаних провідників, з'єднаних разом лише в одній спільній точці. Для цього модулі вводу/виводу та промислові контролери мають окремі висновки аналогової землі (A.GND)та цифровий (D.GND).

"Плаваюча" земля

"Плаваюча" земля утворюється у разі, коли загальний провід невеликої частини системи електрично не з'єднується з шиною захисного заземлення (тобто із Землею). Типовими прикладами таких систем є акумуляторні вимірювальні прилади, автоматика автомобіля, бортові системи літака або космічного корабля. "Плаваюча" земля може бути отримана і за допомогою DC/DC або AC/DC перетворювачів, якщо виведення вторинного джерела живлення в них не заземлено. Таке рішення дозволяє повністю виключити кондуктивні наведення через загальний провід заземлення. Крім того, допустима синфазна напруга може досягати 300 вольт і більше, практично 100 відсотковим стає придушення проходження синфазної по міхи на вихід системи, знижується вплив ємнісних перешкод. Однак на високих частотах струми через ємність на землю суттєво знижують останні дві переваги.

Якщо "плаваюча" земля отримана за допомогою пристроїв гальванічної розв'язки на оптронах і DC/DC перетворювачах, то треба вжити особливих заходів для запобігання накопиченню заряду в ємності між Землею і "плаваючою" землею, що може призвести до пробою оптрона (див. розділи "Гальванічна розв'язка"і "Статистична електрика"). Приклад утворення "плаваючої" землі показано на рис. 3.

Умовні позначення: AGND- аналогова земля; DGND- Цифрова земля; Data- Інформаційний порт модуля (вхід/вихід даних); Dout- дискретний вихід; Сплав- Еквівалентна ємність на землю; I витоку- Струм витоку; Vпит- Клема підключення джерела живлення.

Висновок AGND модуля введення сигналів термопар не з'єднаний із землею. Умовно показаний розрив у зображенні модуля символізує гальванічну розв'язку між його частинами. Аналогова частина модуля має еквівалентну ємність на землю Сплав, яка включає ємність вхідних ланцюгів на землю, ємність провідників друкованої плати на землю, прохідну ємність DC/DC перетворювача і оптронів гальванічної розв'язки.

Розмір цієї ємності може становити близько 100 пФ і більше. Оскільки повітря та інші діелектрики, з якими контактує ємність Сплав, мають нескінченний електричний опір, то ємність може повільно, протягом хвилин або годин, зарядитися струмом витоку I витоку до потенціалу електризованих тіл, високовольтних джерел живлення або потенціалу, пов'язаного з атмосферною електрикою (див. розділи "Блискавка та атмосферна електрика" та "Статична електрика").

Потенціал на "плаваючій" землі може перевищити напругу пробою ізоляції оптронів і вивести систему з ладу.

Як захисні заходи при використанні "плаваючої" землі можна рекомендувати з'єднання "плаваючої" частини з землею через опір величиною від десятків кілоом до одиниць мегаом. Другим способом є застосування батарейного живлення та передачі інформації через оптичний кабель.

"Плаваюча" земля частіше використовується в техніці вимірювань малих сигналів і рідше - у системах промислової автоматизації .

Моделі компонентів систем автоматизації

Для подальшого аналізу та синтезу систем заземлення необхідно представляти структуру модулів систем промислової автоматизації. Таке уявлення дають моделі типових модулів аналогового та дискретного введення та виведення, представлені на рис. 4, 5 та 6.

У цих малюнках використані такі позначення: AGND- аналогова земля, DGND- цифрова земля, GND- земля джерела живлення порту зв'язку, Data- інформаційний порт модуля (вхід/вихід даних), Ain - аналоговий вхід, Dout- дискретний вихід, Din- дискретний вхід, Aout- аналоговий вихід, Vпіт - клема підключення джерела живлення; розрив у зображенні модуля означає гальванічну ізоляцію між "розірваними" частинами. Модулі аналогового введення та дискретного виведення бувають без гальванічної ізоляції (рис. 4 а - приклад моделі модуля CL8AI фірми НІЛАП), з ізоляцією аналогових входів та без ізоляції дискретних виходів (рис. 4 б - приклад моделі модуля ADAM-4016 фірми Advantech) та з ізоляцією одночасно як аналогових входів, і дискретних виходів (рис. 4 в - приклад моделі модуля NL8TI фірми НИЛ АП).

Аналогічно модулі з дискретними або рахунковими входами та дискретними виходами можуть бути без гальванічної ізоляції (рис. 5 а – приклад моделі модуля ADAM-4050 фірми Advantech), з ізоляцією входів (рис. 5 б – приклад моделі модуля ADAM4052 фірми Advantech) та з ізоляцією як входів, так і виходів (рис. 5 - приклад моделі модуля NL16DI фірми НІЛ АП).

Модулі аналогового виведення роблять зазвичай із гальванічною ізоляцією виходів (рис. 6). Таким чином, один модуль вводу/виводу може містити три різні висновки землі.

У моделях на рис. 4, 5 та 6 з метою спрощення не показані вхідні опори, які іноді потрібно враховувати.

Гальванічна розв'язка

Гальванічна розв'язкаланцюгів є радикальним рішенням більшості проблем, пов'язаних із заземленням, та її застосування фактично стало стандартом у системах промислової автоматизації.

Для здійснення гальванічної розв'язки (ізоляції) необхідно виконати подачу енергії та передачу сигналу в ізольовану частину ланцюга.

Подача енергії виконується за допомогою розв'язуючого трансформатора (DC/DC або AC/DC-перетворювачів) або за допомогою автономних джерел живлення (гальванічних батарей та акумуляторів). Передача сигналу здійснюється через оптрони та трансформатори, елементи з магнітним зв'язком, конденсатори або оптоволокно.

Для застосування гальванічної розв'язки система автоматизації поділяється на автономні ізольовані підсистемиміж якими відсутні провідники (гальванічні зв'язки). Кожна підсистема має власну локальну землю. Підсистеми заземлюють лише для забезпечення електробезпеки та локального захисту від перешкод.

Основним недоліком ланцюгів із гальванічною розв'язкою є підвищений рівень перешкод від DC/DC-перетворювача, який, однак, для низькочастотних схем можна зробити досить малим за допомогою цифрового та аналогового фільтрування (див. розділ "Характеристики перешкод"). На високих частотах ємність підсистеми на землю та ємність між обмотками трансформатора є факторами, що обмежують переваги гальванічно ізольованих систем. Ємність на землю можна зменшити, застосовуючи оптичний кабельта зменшуючи геометричні розміри гальванічно ізольованої підсистеми.

Поширеною помилкою при застосуванні гальванічно розв'язаних ланцюгів є неправильне трактування поняття "напруга ізоляції". Зокрема, якщо напруга ізоляції модуля введення становить 3 кВ, це не означає, що його входи можуть перебувати під такою високою напругою в робочих умовах.

Розглянемо способи опису параметрів ізоляції. У зарубіжній літературі для цього використовують три стандарти: UL 1577, VDE 0884 та IEC 61010-01але в описах пристроїв гальванічної розв'язки не завжди даються на них посилання. Тому поняття "напруга ізоляції" трактується у вітчизняних описах закордонних приладів неоднозначно. Головна відмінність полягає в тому, що в одних випадках йдеться про напругу, яка може бути прикладена до ізоляції необмежено довго (робоча напруга ізоляції), а в інших випадках йдеться про випробувальне напруження (напруга ізоляції), яке прикладається до зразка протягом часу від 1 хвилини до кількох мікросекунд. Випробувальна напруга може в 10 разів перевищувати робоче і призначене для прискорених випробувань у процесі виробництва, оскільки дія, що визначається цією напругою, на ізоляцію залежить також від тривалості тестового імпульсу.

Табл. 1 показує зв'язок між робочою та випробувальною (тестовою) напругою ізоляції за стандартом IEC 61010-01. Як видно з таблиці, такі поняття, як робоча напруга, постійна, середньоквадратична або пікова значення тестової напруги можуть відрізнятися дуже сильно.

Електрична міцність ізоляції вітчизняних засобів автоматизації випробовується по ГОСТ 51350або ГОСТ Р МЕК 60950-2002, тобто є синусоїдальною напругою з частотою 50 Гц протягом 1 хвилини при напрузі, що вказується в посібнику з експлуатації як напруга ізоляції. Наприклад, при випробувальній напрузі ізоляції 2300 В робоча напруга ізоляції складає всього 300 (табл. 1).

Джерела перешкод на шині землі

Джерелами і причинами перешкод можуть бути блискавка, статична електрика, електромагнітне випромінювання, "шумливе" обладнання, мережа живлення 220 В з частотою 50 Гц, мережеві навантаження, що перемикаються, трибоелектрика, гальванічні пари, термоелектричний ефект, електролітичні процеси, рух провідника в магнітному .

Державні центри стандартизації та сертифікації у всіх країнах світу не дозволяють виробництво обладнання, що є джерелом перешкод неприпустимо високого рівня.

Однак рівень перешкод неможливо зробити рівним нулю. Крім того, на практиці зустрічається багато джерел перешкод, пов'язаних з несправностями або застосуванням несертифікованого обладнання.

У Росії її допустимий рівень перешкод і стійкість устаткування їх впливу нормуються ГОСТ Р 51318.14.1, ГОСТ Р 51318.14.2, ГОСТ Р 51317.3.2, ГОСТ Р 51317.3.3, ГОСТ Р 51317.4.2, ГОСТ Р 51317.4.4, ГОСТ Р 51317.4.4, ГОСТ Р 51317.4.4.

При конструюванні електронної апаратури для зниження рівня перешкод використовують мікропотужну елементну базу з мінімально достатньою швидкодією, а також практикують зменшення довжини провідників та екранування.

Характеристики перешкод

Основна характеристика перешкод це залежність спектральної щільності потужності перешкоди від частоти.

Перешкоди, що впливають на системи промислової автоматизаціїмають спектр від нульової частоти до одиниць гігагерц (рис. 7). Перешкоди, що у смузі пропускання аналогових схем, мають частоти до десятків кілогерц. На цифрові ланцюги впливають перешкоди у смузі до сотень мегагерц. Перешкоди гігагерцевого діапазону безпосереднього впливу системи автоматизації не надають, проте після детектування в нелінійних елементах вони породжують низькочастотні перешкоди, що у межах сприйманого спектра.

У сигнальних ланцюгах та ланцюгах заземлення систем автоматизації міститься весь спектр можливих перешкод. Однак вплив мають лише перешкоди, частоти яких лежать у смузі пропускання систем автоматизації. Середньоквадратичне значення напруги (чи струму) перешкоди Е перешкоди визначається шириною її спектра:

де: e2 (f) - спектральна густина потужності перешкоди, В2/Гц; fн і fв нижня та верхня межі спектру перешкоди. В окремому випадку, коли e2(f) слабо залежить від частоти, наведене співвідношення спрощується:

Таким чином, для зменшення впливу перешкод на системи автоматизації потрібно звужувати ширину смуги пропускання (fв - fн) аналогових модулів введення та виведення. Наприклад, якщо постійна часу датчика становить 0,3 с, що приблизно відповідає смузі пропускання сигналу

то обмеження смуги пропускання модуля введення величиною 0,5 Гц дозволить зменшити рівень перешкоди і тим самим підвищити точність вимірювань, знизити вимоги до заземлення, екранування та монтажу системи. Однак фільтр вносить динамічну похибку результати вимірювання, що залежить від частоти (спектру) вхідного сигналу. Як приклад на рис. 8 наведено залежність похибки вимірювань модулів RealLab! серії NL від частоти: при частоті вхідного сигналу 0,5 Гц (як у прикладі) похибка, що вноситься фільтром, становить -0,05%.

Найбільш потужною в системах автоматизації є перешкода з частотою мережі живлення 50 Гц. Тому її придушення використовують вузькосмугові фільтри, налаштовані точно (з допомогою кварцу) на частоту 50 Гц. На рис. 9 як приклад наведена амплітудно-частотна характеристика (АЧХ) цифрового фільтра, використаного в аналогових модулях NL: фільтр налаштований таким чином, що він послаблює на 120 дБ (на 6 порядків) перешкоду з частотою 50 Гц. Слід зазначити, що динамічна похибка властива всім відомим методам ослаблення перешкоди нормального вигляду, хоча часто не вказується в характеристиках аналогових модулів, що може вводити користувача в оману.

При ще більшій інерційності датчиків або контрольованої системи (наприклад, коли датчик стоїть у печі, час виходу на режим якої становить кілька годин) можна суттєво знизити вимоги до рівня перешкод, ввівши процедуру багаторазових вимірювань і додаткову цифрову фільтрацію в контролері або комп'ютері. Загалом, що більше час виміру, то точніше можна виділити сигнал і натомість шуму.

Слід зазначити, що наявність фільтра який завжди рятує від впливу перешкод. Наприклад, якщо високочастотна перешкода, перед тим як потрапити на вхід модуля введення, детектується або випрямляється на нелінійних елементах, то сигналу перешкоди виділяється постійна або низькочастотна складова, яка вже не може бути ослаблена фільтром модуля введення. Як нелінійні елементи можуть виступати, наприклад, контакти різнорідних металів, захисні діоди, стабілітрони, варистори.

Перешкоди з електропостачання

Мережа живлення 220/380 В з частотою 50 Гц і підключені до неї блоки живлення є джерелами наступних перешкод:

• фоніз частотою 50 Гц;
• викиди напругивід розряду блискавки (рис. 10 а);
• короткочасні загасаючі коливанняпід час перемикання індуктивного навантаження (рис. 10 б);
• високочастотний шум(наприклад, перешкода від радіостанції, що працює), накладений на синусоїду 50 Гц (рис. 10 в);
• інфранізкочастотний шум,що виявляється як нестабільність у часі величини середньоквадратичного значення мережевої напруги (рис. 11);
• довготривалі спотворення форми синусоїдита гармоніки при насиченні сердечника трансформатора та з інших причин.

Причинами і джерелами перешкод можуть бути розряди блискавки при попаданні в лінію електропередачі, включення або вимкнення електроприладів, тиристорні регулятори потужності, реле, електромагнітні клапани, електродвигуни, електрозварювальне обладнання та ін.

Струм перешкоди протікає по загальному дроту джерела живлення та заземлювача (рис. 12), створюючи на їхньому опорі падіння напруги перешкоди, про яке йтиметься в наступних розділах (на рис. 12 ці ділянки ланцюга виділені жирною лінією). Струм перешкоди фактично може замикатися не на підстанції, а через внутрішній опір інших приладів, підключених до електричної мережі, а також через ємність кабелю.

Найбільш значною перешкодою, що проникає в шину заземлення з мережі 220 В (50 Гц), є ємнісні струми, що протікають через ємність між обмоткою двигуна та його корпусом, струми між обмоткою мережевого трансформатора і сердечником, струми через конденсатори мережевих фільтрів.

Шлях струму перешкоди через ємність між первинною обмоткою трансформатора та його заземленим сердечником Спар3 показаний на рис. 12. Цей струм також протікає через загальний провід джерела живлення та заземлювач.

Наявність ємності призводить до того, що незаземлені електроприлади б'ють струмом. За відсутності заземлення потенціал металевого корпусу приладів, підключених до мережі 220, становить від кількох десятків до 220 В залежно від опору витоку на землю. Тому корпуси приладів, включених до мережі 220 В, мають бути заземлені.

При використанні DC/DC та AC/DC-перетворювачів до джерела перешкоди Епомехи додається ємнісне та індуктивне наведення від власного генератора перетворювача. Тому в загальному випадку рівень перешкод на загальному дроті у DC/DC- та AC/DC-перетворювачів вищий, ніж у джерелах із звичайним силовим трансформатором, хоча прохідна ємність Спар1 у перетворювачах може бути зменшена до одиниць пикофарад порівняно з сотнями пикофарад для звичайного силового трансформатор.

Для зменшення проникнення перешкоди у джерелах живлення використовують роздільне екранування первинної та вторинної обмоток трансформатора, а також поділ сигнальної та корпусної землі (рис. 13).

Блискавка та атмосферна електрика

Блискавки є одними з поширених причин небажаних перенапруг, збоїв та відмов у системах автоматизації. Заряд, що накопичується в хмарах, має потенціал величиною близько кількох мільйонів вольт щодо Землі і є негативним. Тривалість розряду блискавки становить середньому 0,2 з, рідко до 1…1,5 з, тривалість переднього фронту імпульсу - від 3 до 20 мкс, струм становить кілька тисяч ампер і навіть до 100 кА (рис. 14), температура у каналі досягає 20 000°C, з'являється потужне магнітне поле та радіохвилі. Блискавки можуть утворюватися також при пилових бурях, хуртовинах, виверженнях вулканів. Частота ураження блискавкою будівель висотою 20 м і розмірами в плані 100x100 м становить 1 раз на 5 років, а для будівель з розмірами близько 10x10 м - 1попадання за 50 років (РД 34.21.122-87).

Кількість прямих ударів блискавки в Останкінську телевежу заввишки 540 м-коду становить 30 ударів на рік. Для захисту від прямого удару блискавки використовують блискавковідводи, які складаються зі штиря (блискавкоприймача), що знаходиться над будівлею, заземлювача і провідника, що з'єднує їх. Система блискавковідведення утворює низькоімпедансний шлях для проходження струму блискавки на землю, минаючи структури будівлі. Блискавковідвід повинен знаходитися якнайдалі від будівлі, щоб послабити ефект взаємної індукції, і в той же час досить близько, щоб захистити будівлю від прямого влучення блискавки. Для будівель з великою площею даху блискавковідводи встановлюють на даху і з'єднують між собою та із заземлювачем сталевими смугами.

Заземлювач блискавковідведення виконують окремо від захисного заземлення будівлі, але електрично з'єднують з ним з метою вирівнювання потенціалів та усунення можливих іскрінь (РД 34.21.122-87).

Струм блискавки, проходячи по землі, створює в ній падіння напруги, яке може вивести з ладу драйвери інтерфейсів, якщо вони не мають гальванічної розв'язки та розташовані в різних будинках (з різними заземлювачами).

У лініях електропередачі розряд блискавки приймається на провід, що екранує, який відводить блискавку в землю через заземлювач. Екрануючий провід протягують над фазовими проводами, проте на фазових проводах наводиться імпульс ЕДС внаслідок явища електромагнітної індукції. Цей імпульс відбувається на трансформаторну підстанцію, де послаблюється іскровими розрядниками. Залишковий імпульс проходить у споживчу лінію (рис. 10 а) і через силовий трансформатор – у ланцюзі заземлення систем автоматизації (рис. 12).

На системи автоматизації блискавки впливають через електромагнітний імпульс, який може вивести з ладу пристрою гальванічної розв'язки та перепалити дроти малого поперечного перерізу струмом, що генерується внаслідок явища електромагнітної індукції. Другим природним явищем, пов'язаним із грозою, є атмосферна електрика. Електричний потенціал грозової хмари під час дощу може становити десятки мільйонів і навіть до 1 мільярда вольт. Коли напруженість електричного поля між хмарою та поверхнею землі досягає 500…1000 В/м, починається електричний розряд із гострих предметів (щогли, труби, дерева тощо).

Висока напруженість поля, викликана атмосферною електрикою, може наводити заряди в "плаваючих" ланцюгах з високим опором ізоляції щодо землі завбільшки кілька тисяч вольт і призводити до пробою оптронів у модулях гальванічної розв'язки. Для захисту від атмосферної електрики гальванічно ізольовані ланцюги, які не мають низькоомного шляху на землю, повинні бути поміщені в заземлений електростатичний екран. Зокрема, атмосферна електрика є однією з причин, через які промислові мережі прокладають екранованою кручею парою. Екран кабелю слід заземлювати лише в одній точці (див. підрозділ "Заземлення екранів сигнальних кабелів").

Слід зазначити, що блискавковідводи, які служать захисту від прямого удару блискавки, що неспроможні істотно зменшити напруженість електричного поля атмосферних зарядів і не захищають апаратуру від потужного електромагнітного імпульсу під час грози.

Статистична електрика

Статична електрика виникає на діелектричних матеріалах. Величина заряду залежить від швидкості руху тіл, що труться, їх матеріалу і величини поверхні дотику. Прикладами тіл, що труться, можуть бути:

• ременний привід;
• стрічка конвеєра;
• синтетичний одяг та взуття на тілі людини;
• потік непровідних твердих частинок (пилу), газу або повітря через сопло;
• рух непровідної рідини, що заповнює цистерну;
• автомобільні шини, що котяться непровідною дорогою;
• гумові ролики під стільцями, коли стільці переміщаються по непровідній підлозі.

Ремінний привід, що складається з діелектричного ременя та двох шківів, є найбільш загальним прикладом генератора статичної електрики.

Потенціал статичного заряду на ремені може досягати 60...100 кВ, а повітряний проміжок, що пробивається, - 9 см. Тому на вибухонебезпечних виробництвах (елеватори, млини) ремені використовують з провідними присадками або металізацією. Для зняття зарядів з ременів та інших предметів, що електризуються, використовують заземлений підпружинений металевий гребінець або щітку, які стосуються поверхні, що рухається.

Конвеєрні стрічки електризуються гірше від ременного приводу внаслідок нижчої швидкості руху стрічки.

Другим способом боротьби зі статичною електрикоює установка у приміщенні зволожувача повітря для отримання вологості вище 50%.

Для зменшення зарядів на тілі людини використовують заземлення зап'ястя працівників, електропровідні підлоги, електропровідний одяг, зволоження повітря.

Результатом виникнення статичних електричних зарядів може бути пробою вхідних каскадів вимірювальних систем, поява ліній на ЕПТ-моніторах, перехід тригерів в інший стан, потік помилок у цифрових системах, пробою ізоляції гальванічно ізольованих ланцюгів з великим опором на землю, запалення вибухонебезпечної суміші.

Для захисту систем автоматизації від збоїв, спричинених статичною електрикою, використовують електростатичні екрани, з'єднані з екранним заземленням, а також перетворювачі інтерфейсів із захистом від статичної електрики (наприклад, перетворювач інтерфейсів NL_232C має захист від статичних зарядів з потенціалом до ±8 к0 за стандартом -4-2).

Кондуктивні наведення

Кондуктивне наведення- це перешкода, яка передається із сусідніх електричних кіл не через електромагнітне поле, а шляхом перенесення електричного струму за загальним для обох ланцюгів провідникам, в основному через загальні ділянки заземлення або живлення. Зазвичай джерелом кондуктивних перешкод є генератори, ланцюги з великим струмом, цифрова частина аналого-цифрової схеми, реле, DC/D- та AC/DC-перетворювачі, крокові двигуни з імпульсним живленням, потужні печі з ШІМ-керуванням, а також перешкоди з мережі живлення, що протікають загальним ділянці заземлення, і перешкоди з частотою перетворення джерела безперебійного живлення (UPS).

Найбільш типовою причиною появи кондуктивних перешкод у системах промислової автоматизації є неправильне заземлення.

Розглянемо приклад (рис. 15). Струм живлення цифрової частини модуля введення I пом проходить по спільній ділянці дроту, який має опір Rобщ і створює на ньому падіння напруги перешкоди Vпом. При неправильному з'єднанні аналогового входу модуля введення з джерелом сигналу (на рис. 15 а показано закресленою лінією) до входу модуля прикладається сума напруги сигналу, що вимірюється, і напруги перешкоди Ес + Vпом.

При більш правильному з'єднанні входу "-" модуля з джерелом сигналу (на рис. 15 а показано штриховою лінією) на вхід модуля діє синфазна перешкода Vпом, яка при недостатньому коефіцієнті придушення синфазного сигналу може вносити похибку результат вимірювання. Для усунення обох джерел похибки з'єднання аналогової та цифрової землі необхідно виконувати в одній спільній точці (рис. 15 б). При цьому падіння напруги на заземлюючому провіднику ніяк не позначається на аналоговій частині модуля.

Електромагнітні наведення

Електромагнітні наведенняз'являються внаслідок явища електромагнітної індукції: у провідному контурі, що знаходиться в електромагнітному полі, виникає ЕДС індукції, якщо контур розімкнуто, або індукційний струм, якщо контур замкнутий. Джерелами електромагнітного поля перешкоди можуть бути радіомодем, радіотелефон, радіоретранслятор, радіостанція, стільниковий передавач на даху будівлі, двигун з іскристими щітками, електрозварювальний апарат, трамвай, люмінесцентні лампи, тиристорний регулятор, комп'ютер, телевізійні та радіостанції, стільникові телефони реле регулятора, космічне короткохвильове випромінювання, удар блискавки та ін.

Джерелом електромагнітної перешкоди може бути також цифрова (дискретна) підсистема системи автоматизації, наприклад, комп'ютер, реле, тиристори, потужні виходи дискретних модулів. Сильними джерелами електромагнітних перешкод є оптоволоконні передавачі, оскільки вони споживають великий струм і працюють на високих частотах. Випромінюються перешкоди за допомогою випадкових провідників, що утворюють дипольну або рамкову антену. Дипольна антена є джерелом переважно електричного поля на її околиці, рамкова - джерелом магнітного поля. Вдалині від таких джерел домінуючого поля немає, є поперечна електромагнітна хвиля. Реальні системи утворюють безліч випромінюючих антен, що складаються з провідників, кабелів та різних металевих поверхонь.

Наводяться електромагнітні перешкоди всіх провідних предметах, які у разі грають роль антен. Потужність наведеної перешкоди залежить від площі контуру, охопленого провідником, або від довжини дроту. Перешкода, наведена в такій антені, кондуктивним шляхом може передаватися в сигнальні ланцюги або ланцюги заземлення, викликаючи потік помилок цифрових схемах або похибка передачі сигналу аналогових.

Найбільш поширеними приймачами електромагнітних перешкод є довгі дроти: ланцюги заземлення, промислові мережі (польові шини), кабелі, датчики, що з'єднують, і модулі аналогового введення, кабелі інформаційних комунікацій. Докладніше про захист кабелів систем автоматики від електромагнітних перешкод. "Замаскованими" приймачами електромагнітних перешкод є металеві конструкції у будинках: металеві стелажі, вікна з металевою рамою, труби водопостачання та опалення будівлі, захисне контурне заземлення будівлі тощо.

Основними методами боротьби з електромагнітними наведеннями є зменшення площі контуру, що перешкоджає, і застосування диференціального способу передачі сигналу в поєднанні з витими парами проводів.

Однак навіть у контурі з маленькою площею може бути велика перешкода, якщо при монтажі припуститися помилки, показаної на рис. 16: у металевій рамі стелажу (стола) наводиться струм перешкоди Іпомвід джерела I1, який далі наводить напругу Vпому другому витку дроту, тобто відбувається трансформація сигналу перешкоди через короткозамкнутий виток, утворений рамою стелажа.

Методи заземлення

Техніка заземлення в системах промислової автоматизації дуже відрізняється для гальванічно зв'язаних і гальванічно розв'язаних ланцюгів.

Більшість методів, описаних у літературі, відноситься до гальванічно зв'язаних ланцюгів, частка яких останнім часом істотно зменшилася через різке падіння цін на DC/DC-перетворювачі.

Заземлення гальванічно зв'язаних ланцюгів

Прикладом гальванічно зв'язаного ланцюга є з'єднання джерела та приймача стандартного сигналу 0…5 (рис. 17, 18).

Щоб пояснити, як коректно виконати заземлення, розглянемо варіант неправильного (рис. 17) та правильного (рис. 18) монтажу.

На рис. 17. Допущено такі помилки:

• Струм потужного навантаження (двигуна постійного струму) протікає по тій же шині заземлення, що і сигнал, створюючи падіння напруги VЗемлі;
• використано однополярне включення приймача сигналу, а чи не диференціальне;
• використано модуль введення без гальванічної розв'язки цифрової та аналогової частин, тому струм живлення цифрової частини, що містить перешкоду, протікає через висновок AGNDта створює додаткове падіння напруги перешкоди на опорі R1.

Перелічені помилки призводять до того, що напруга на вході приймача Vвхдорівнює сумі напруги сигала Vвихта напруги перешкоди VЗемлі = R1 · (Iпіт + IМ)

Для усунення цього недоліку як провідник заземлення можна використовувати мідну шину великого перерізу, проте краще виконати заземлення так, як показано на рис. 18:

а саме:

• всі ланцюги заземлення з'єднати в одній точці (при цьому струм перешкоди ІМ R1);
• провідник заземлення приймача сигналу приєднати до тієї ж загальної точки (при цьому струм Іпітвже не протікає через опір R1, а падіння напруги на опорі провідника R2не складається з вихідною напругою джерела сигналу Vвих).

Загальним правилом ослаблення зв'язку через загальний провід заземлення є поділ земель на аналогову, цифрову, силовуі захиснуз наступним з'єднанням тільки в одній точці.

При поділі заземлень гальванічно зв'язаних ланцюгів використовується загальний принцип: ланцюги заземлення з великим рівнем шуму повинні виконуватися окремо від ланцюгів з малим рівнем шуму, а з'єднуватися вони повинні лише в одній спільній точці.

Точок заземлення може бути кілька, якщо топологія такого ланцюга не призводить до появи ділянок «брудної» землі в контурі, що включає джерело та приймач сигналу, а також якщо в ланцюзі заземлення не утворюються замкнуті контури, що приймають електромагнітні перешкоди.

Недоліком методу поділу провідників заземлення є низька ефективність на високих частотах, коли велику роль відіграє взаємна індуктивність між провідниками заземлення, що йде, яка тільки замінює гальванічні зв'язки на індуктивні, не вирішуючи проблеми в цілому.

Велика довжина провідників призводить до збільшення опору заземлення, що важливо на високих частотах.

Тому заземлення в одній точці використовується на частотах до 1 МГц, понад 10 МГц краще заземлювати в декількох точках, а в проміжному діапазоні від 1 до 10 МГц слід використовувати одноточкову схему, якщо найбільш довгий провідник в ланцюзі заземлення менше 1/20 від довжини хвилі перешкоди .

В іншому випадку використовується багатоточкова схема. Заземлення в одній точці часто використовується у військових та космічних пристроях.

Заземлення гальванічно розв'язаних ланцюгів

Радикальним рішенням описаних проблем (рис17 і 18) є застосування гальванічної ізоляції з роздільним заземленням цифрової, аналогової та силової частин системи (рис. 19).

Силова частина зазвичай заземляється через шину захисного заземлення. Застосування гальванічної ізоляції дозволяє розділити аналогову та цифрову землю, а це, у свою чергу, виключає протікання по аналоговій землі струмів перешкоди від силової та цифрової землі.

Аналогова земля може бути з'єднана із захисним заземленням через опір RAGND(Докладніше див. розділи «Плаваюча земля» і «Гальванічна розв'язка»).

Заземлення екранів сигнальних кабелів

Питання передачі сигналів по кабелю докладно описані у роботі. Тут ми розглянемо лише заземлення під час передачі сигналу по кручений екранованої парі, оскільки цей випадок найбільш типовий для систем промислової автоматизації.

Так як довжина сигнального кабелю зазвичай становить десятки і сотні метрів, він повинен бути захищений від змінного магнітного поля (застосування кручений пари), електростатичних зарядів і ємнісних наведень (екрануванням).

Якщо частота перешкоди не перевищує 1 МГц, кабель треба заземлювати з одного боку. Якщо його заземлити з двох сторін (рис20), то утворюється замкнутий контур, який працюватиме як антена, приймаючи електромагнітну перешкоду (на рис20 шлях струму перешкоди показаний штриховою лінією).

Струм перешкоди, проходячи по екрану кабелю, наводитиме на центральних жилах кабелю перешкоду через взаємну індуктивність.

Якщо точки заземлення кінців кабелю рознесені на значну відстань, між ними може існувати різниця потенціалів, спричинена блукаючими струмами землі або перешкодами в шині заземлення.

Блукаючі струми наводяться електрифікованим транспортом (трамваями, поїздами метрополітену та залізниць), зварювальними агрегатами, пристроями електрохімічного захисту, природними електричними полями, спричиненими фільтрацією вод у гірських породах, дифузією водних розчинів та ін.

Обплетення кабелю треба заземлювати з боку джерела сигналу. Якщо заземлення зробити з боку приймача, то струм перешкоди протікатиме по шляху, показаному на рис. 21 штриховою лінією, тобто через ємність між жилами кабелю, створюючи на ній і, отже, між диференціальними входами напруга перешкоди.

Тому заземляти обплетення треба з боку джерела сигналу (рис. 22), у цьому випадку шлях для проходження струму перешкоди відсутня.

Якщо джерело сигналу не заземлене (наприклад, термопара), то заземлювати екран можна з будь-якої сторони, оскільки в цьому випадку замкнутий контур струму перешкоди не утворюється.

На частотах більше 1 МГц збільшується індуктивний опір екрану, і струми ємнісного наведення створюють на ньому велике падіння напруги, яке може передаватися на внутрішні жили через ємність між оплеткою та жилами.

Крім того, при довжині кабелю, порівнянної з довжиною хвилі перешкоди (довжина хвилі перешкоди на частоті 1 МГц дорівнює 300 м, на частоті 10 МГц - 30 м), зростає опір обплетення (див. розділ «Модель, землі»), що різко підвищує напругу перешкоди на обплетенні.

Тому на високих частотах обплетення кабелю треба заземлювати не лише з обох боків, а й у кількох точках між ними (рис23).

Ці точки вибирають на відстані 1/10 довжини хвилі перешкоди одна від одної. При цьому по обплетенню кабелю протікатиме частина струму IЗемлі, що передає перешкоду в центральну жилу через взаємну індуктивність

Ємнісний струм також протікатиме шляхом, показаним на рис. 21, проте високочастотна складова перешкоди буде ослаблена. Вибір кількості точок заземлення кабелю залежить від різниці напруги перешкоди на кінцях екрана, частоти перешкоди, вимог до захисту від ударів блискавки або від величини струмів, що протікають через екран у разі його заземлення.

Як проміжний варіант можна використовувати друге заземлення екрана через ємність(Рис. 22). При цьому по високій частоті екран виходить заземленим з двох сторін, низькою частотою - з однієї. Це має сенс у тому випадку, коли частота перешкоди перевищує 1 МГц, а довжина кабелю в 10...20 разів менша за довжину хвилі перешкоди, тобто коли ще не потрібно виконувати заземлення в декількох проміжних точках.

Величину ємності можна розрахувати за формулою СВЧ = 1/(2 · π · ƒ · Xс), де ƒ верхня частота межі спектру перешкоди, Xс- ємнісний опір заземлюючого конденсатора (частка ома). Наприклад, частоті 1 МГц конденсатор ємністю 0,1 мкФ має опір 1,6 Ом.

Конденсатор має бути високочастотним, з малою власною індуктивністю. Для якісного екранування широкому спектрі частот використовують подвійний екран (рис. 24).

Внутрішній екран заземлюють з одного боку - з боку джерела сигналу, щоб унеможливити проходження ємнісної перешкоди по шляху, показаному на рис. 21, а зовнішній екран зменшує високочастотні наведення.

У всіх випадках екран повинен бути ізольований, щоб запобігти його випадковим контактам з металевими предметами та землею.

Зазначимо, що частота перешкоди - це частота, яку можуть приймати чутливі входи пристроїв систем автоматизації. Зокрема, якщо на вході аналогового модуля є фільтр, то максимальна частота перешкоди, яку треба враховувати під час екранування та заземлення, визначається верхньою граничною частотою смуги пропускання фільтра.

Оскільки навіть при правильному заземленні, але довгому кабелі перешкода все одно проходить через екран, то для передачі сигналу на велику відстань або за підвищених вимог до точності вимірювань потрібно передавати сигнал у цифровій формі або краще через оптичний кабель. Для цього можна використати, наприклад, модулі аналогового введення RealLab! серії NL або ADAM-4000та оптоволоконні перетворювачі інтерфейсу RS-485наприклад типу SN-OFC-ST62.5/125 фірми НІЛ АП або ADAM-4541/4542+ компанії Advantech.

Заземлення екранів кабелів систем автоматизації на електричних підстанціях

На електричних підстанціях на обплетенні (екрані) сигнального кабелю системи автоматизації, прокладеного під високовольтними проводами на рівні землі та заземленого з одного боку, може наводитися напруга величиною сотні вольт під час комутації струму вимикачем. Тому з метою електробезпеки обплетення кабелю заземлюють із двох сторін.

Для захисту від електромагнітних полів із частотою 50 Гц екран кабелю також заземлюють з обох боків. Це виправдано у випадках, коли відомо, що електромагнітне наведення з частотою 50 Гц більше, ніж наведення, викликане протіканням струму, що вирівнює, через оплетку.

Заземлення екранів кабелів для захисту від блискавки

Для захисту від магнітного поля блискавки сигнальні кабелі систем автоматизації, що проходять відкритою місцевістю, повинні бути прокладені в металевих трубах з феромагнітного матеріалу, наприклад сталі. Труби грають роль магнітного екрана. Нержавіючу сталь використовувати не можна, оскільки цей матеріал не є феромагнітним. Труби прокладають під землею, а при наземному розташуванні вони повинні бути заземлені через кожні 3 метри. Кабель повинен бути екранований та екран заземлений. Заземлення екрана має бути дуже якісно з мінімальним опором на землю.

Всередині будівлі магнітне поле послаблюється, якщо будівля залізобетонна, і не послаблюється, якщо цегляна. Радикальним рішенням проблем захисту від блискавки є застосування оптоволоконного кабелю, який коштує досить дешево і легко підключається до інтерфейсу RS.485.

Заземлення при диференціальних вимірах

Якщо джерело сигналу немає опору на грішну землю, то при диференціальному вимірі утворюється «плаваючий» вхід. На «плаваючому» вході може наводитися статичний заряд від атмосферної електрики (див. також розділи «Блискавка та атмосферна електрика», «Плаваюча земля») або вхідного струму витоку операційного підсилювача.

Для відведення заряду і струму на землю потенційні входи модулів аналогового введення зазвичай містять у собі резистори опором від 1 до 20 МОм, що з'єднують аналогові входи з землею. Однак при великому рівні перешкод або великому імпеданс джерела сигналу навіть опір 20 МОм може виявитися недостатнім і тоді необхідно додатково використовувати зовнішні резистори номіналом від десятків ком до 1 МОм або конденсатори з таким же опором на частоті перешкоди (рис. 25).

Заземлення інтелектуальних датчиків

Останнім часом набули широкого поширення та розвитку так звані інтелектуальні датчики, що містять мікроконтролер для лінеаризації характеристики перетворення датчика. Інтелектуальні датчики видають сигнал у цифровій чи аналоговій формі.

Внаслідок того, що цифрова частина датчика поєднана з аналоговою, при неправильному заземленні вихідний сигнал має підвищений рівень шуму.

Деякі датчики, наприклад фірми Honeywell, мають ЦАП з струмовим виходом і тому вимагають підключення зовнішнього опору навантаження порядку 20 кОм, тому корисний сигнал у них виходить у формі напруги, що падає на резисторі навантаження при протіканні вихідного струму датчика.

Розглянемо приклад (рис. 26).

Напруга на навантаженні дорівнює: Vнагр = Vout - Iнагр · R1 + I2 · R2,

тобто воно залежить від струму I2що включає струм цифрової землі. Струм цифрової землі містить шум і, відповідно до наведеної формули, впливає на напругу на навантаженні. Щоб усунути цей ефект, ланцюги заземлення треба виконати так, як показано на рис. 27. Тут струм цифрової землі не протікає через опір R21і тому не вносить шуму у напругу сигналу на навантаженні.

Заземлення шаф з апаратурою систем автоматизації

Монтаж шаф з апаратурою має враховувати всю раніше викладену інформацію. Однак заздалегідь не можна сказати однозначно, які вимоги є обов'язковими, які - ні, оскільки набір обов'язкових вимог залежить від необхідної точності вимірювань і навколишньої електромагнітної обстановки.

На рис. 28 наведено приклад, в якому кожна відмінність від рис. 29 збільшує ймовірність збоїв цифрової частини та погіршує аналогову похибку.

На рис. 28 зроблено такі «неправильні» з'єднання:

• заземлення шаф виконано у різних точках, тому потенціали їх земель відрізняються (рис. 17 та 18);
• шафи з'єднані між собою, що створює замкнутий контур у ланцюзі заземлення (див. рис. 16, а також розділи «Захисне заземлення будівель», «Заземлювальні провідники» та «Електромагнітні наведення»);
• провідники аналогової та цифрової земель у лівій шафі на великій ділянці йдуть паралельно, тому на аналоговій землі можуть з'явитися індуктивні та ємнісні наведення від цифрової землі;
• висновок GNDблоку живлення з'єднаний з корпусом шафи в найближчій точці, а не на клемі заземлення, тому корпусом шафи тече струм перешкоди, що проникає через трансформатор блоку живлення (рис. 12 і 13);
• використовується один блок живлення на дві шафи, що збільшує довжину та індуктивність провідника заземлення;
• у правій шафі висновки землі приєднані не до клеми заземлення, а безпосередньо до корпусу шафи. При цьому корпус шафи стає джерелом індуктивного наведення на всі дроти, що проходять уздовж стін;
• у правій шафі в середньому ряду аналогова та цифрова землі з'єднані прямо на виході блоків, що неправильно (рис. 17, 18, 19)

Перелічені недоліки усунуті на рис. 29.

Додатковим поліпшенням розведення в цьому прикладі було б застосування окремого заземлення провідника для найбільш чутливих аналогових модулів введення.

У межах шафи (стійки) бажано групувати аналогові модулі окремо, цифрові - окремо, щоб під час прокладання проводів у кабельному каналі зменшити довжину ділянок паралельного проходження ланцюгів цифрової та аналогової земель.

Заземлення у розподілених системах управління

У системах управління, розподілених по деякій території з характерними розмірами десятки і сотні метрів, не можна використовувати модулі введення без гальванічної розв'язки. Тільки гальванічна розв'язка дозволяє з'єднувати ланцюги, заземлені у точках із різними потенціалами.

Кабелі, що проходять відкритою місцевістю, повинні бути захищені від магнітних імпульсів, що виникають під час грози (див. розділи «Блискавка та атмосферна електрика», «Заземлення екранів кабелів для захисту від блискавки»), та від магнітних полів, що з'являються при комутації потужних навантажень (Див. розділ «Заземлення екранів кабелів систем автоматизації на електричних підстанціях»). Особливу увагу слід приділити заземленню екрана кабелю (див. розділ «Заземлення екранів сигнальних кабелів»)

Радикальним рішенням для територіально розподіленої системи управління є передача інформації оптичного волокна або радіоканалу.

Непогані результати можна отримати, відмовившись від передачі інформації за аналоговими стандартами на користь цифрових. Для цього можна використовувати відповідні модулі для побудови розподілених систем керування, наприклад, серій ADAM-4000 або NL. Суть цього підходу полягає в тому, що модуль введення розташовують біля датчика, зменшуючи цим довжину проводів з аналоговими сигналами, а в ПЛК передається сигнал цифровим каналом.

Різновидом такого підходу є застосування датчиків із вбудованими в них АЦП та цифровим інтерфейсом. Подібні датчики є серед виробів багатьох фірм, наприклад Pepperl+Fuchs, Siemens, Omron та інших.; випускаються такі датчики вже згадуваної серії NL, наприклад, датчик вологості NL-1DT100.

Заземлення чутливих вимірювальних ланцюгів

Для вимірювальних ланцюгів з високою чутливістю в поганій електромагнітній обстановці найкращі результати дає застосування «плаваючої землі» (див. розділ «Плаваюча земля») спільно з батарейним живленням та передачею інформації по оптоволокну.

Заземлення виконавчого обладнання та приводів АСУ ТП

Ланцюги живлення двигунів з імпульсним керуванням, двигунів сервоприводів, виконавчих пристроїв з ШИМ керуванням повинні бути виконані кручений парою для зменшення магнітного поля, а також екрановані для зниження електричної складової випромінюваної перешкоди.

Екран кабелю має бути заземлений з одного боку.

Ланцюги підключення датчиків таких систем повинні бути поміщені в окремий екран і, по можливості, просторово віддалені від виконавчих пристроїв.

Заземлення у промислових мережах

Промислова мережа на основі інтерфейсу RS-485виконується екранованою кручений пароюз обов'язковим застосуванням модулів гальванічної розв'язки(Рис. 30).

Для невеликих відстаней (близько 10 м) за відсутності поблизу джерел перешкод екран не можна використовувати. При великих відстанях (стандарт допускає довжину кабелю до 1,2 км) різниця потенціалів землі у віддалених один від одного точках може досягати кількох одиниць і навіть десятків вольт (див. розділ «Заземлення екранів сигнальних кабелів»).

Тому, щоб запобігти протіканню екраном струму, що вирівнює ці потенціали, екран кабелю потрібно заземлювати тільки в одній точці (байдуже, в якій). Це також запобігатиме появі замкнутого контуру великої площі в ланцюгу заземлення, в якому за рахунок електромагнітної індукції може наводитися струм великої величини при ударах блискавки або комутації потужних навантажень.

Струм через взаємну індуктивність наводить на центральній парі проводів ЕДС, яка може вивести з ладу мікросхеми драйверів порту.

При використанні неекранованого кабелю на ньому може наводитись великий статичний заряд (кілька кіловольт) за рахунок атмосферної електрики, який здатний вивести з ладу елементи гальванічної розв'язки. Для запобігання цьому ефекту ізольовану частину пристрою гальванічної розв'язки слід заземлити через опір, наприклад, 0,1...1 МОм.

Опір, показаний на рис. 30 штриховою лінією, знижує також можливість пробою при пошкодженнях заземлення або великому опорі гальванічної ізоляції у разі застосування екранованого кабелю.

Особливо сильно проявляються описані ефекти в мережах Ethernet з коаксіальним кабелем, коли при заземленні в кількох точках (або відсутності заземлення) під час грози виходять з ладу кілька мережевих Ethernet плат.

У мережах Ethernet з малою пропускною здатністю (10 Mбіт/с) заземлення екрана слід виконувати лише в одній точці. У Fast Ethernet (100 Мбіт/с) та Gigabit Ethernet (1 Гбіт/с) заземлення екрана слід виконувати в кількох точках, користуючись рекомендаціями розділу "Заземлення екранів сигнальних кабелів".

Керуватися правилами цього розділу необхідно і при прокладанні кабелю на відкритій місцевості.

Заземлення на вибухонебезпечних промислових об'єктах

На вибухонебезпечних промислових об'єктах при монтажі заземлення багатожильним проводом не допускається застосування паяння для спаювання жил між собою, оскільки внаслідок охолодження припою можливе ослаблення місць контактного тиску в гвинтових затискачах.

Екран кабелю інтерфейсу RS-485заземляється в одній точці поза вибухонебезпечною зоною. У межах вибухонебезпечної зони він має бути захищений від випадкового зіткнення із заземленими провідниками. Іскробезпечні ланцюгине повинні заземлятися, якщо цього не вимагають умови роботи електроустаткування ( ГОСТ Р 51330.10, п6.3.5.2).

Іскробезпечні ланцюгиповинні бути змонтовані таким чином, щоб наведення від зовнішніх електромагнітних полів (наприклад, від розташованого на даху будівлі радіопередавача, повітряних ліній електропередачі або прилеглих кабелів для передачі великої потужності) не створювали небезпечної напруги або струму в іскробезпечних ланцюгах.

Це може бути досягнуто екранування або видалення іскробезпечних ланцюгів від джерела електромагнітного наведення.

При прокладанні в загальному пучку або каналі кабелі з іскронебезпечними та іскробезпечними ланцюгами повинні бути розділені проміжним шаром ізоляційного матеріалу або металевою заземленою перегородкою. Жодного поділу не потрібно, якщо використовуються кабелі з металевою оболонкою або екраном.

Заземлені металеві конструкції не повинні мати розривів та поганих контактів між собою, які можуть іскрити під час грози або при комутації потужного обладнання.

На вибухонебезпечних промислових об'єктах використовуються переважно електричні розподільні мережі із ізольованою нейтраллю, щоб унеможливити появу іскри при короткому замиканні фази на землю та спрацьовування запобіжників захисту при пошкодженні ізоляції.

Для захисту від статичної електрикивикористовують заземлення, описане у відповідному розділі. Статична електрика може бути причиною займання вибухонебезпечної суміші. Наприклад, при ємності людського тіла 100...400 пФ і потенціалі заряду 1 кВ енергія іскрового розряду з тіла людини дорівнюватиме 50...200 мкДж, що може бути достатньо для запалення вибухонебезпечної суміші групи IIC (60 мкДж) .

Верифікація заземлення

Для виявлення проблем заземлення використовують осцилографи з «плаваючим» (батарейним) живленням та самописці.

Самописці допомагають знайти погані («шелестіть») контакти в ланцюзі заземлення та живлення апаратури, рідко з'являються збої в системах автоматизації. Для цього за допомогою багатоканального комп'ютерного самописця контролюють параметр, що цікавить, напруга в ланцюгу низьковольтного живлення, в мережі живлення 220 В і різницю напруг між декількома точками системи заземлення. Безперервний запис параметрів процесу та напруг дозволяє встановити причинно-наслідковий зв'язок між збоями технологічних параметрів та викидами напруги в ланцюзі живлення та заземлення.

Осцилографи з «плаваючим» живленням дозволяють контролювати величину і частоту перешкоди на клемах заземлення в монтажних шафах систем автоматизації, оцінити рівень і знайти джерело магнітного поля перешкоди за допомогою антени з кількох витків дроту, підключеної до осцилографа.

Віктор Денисенко, співробітник НІЛ АП Статтю опубліковано в журналі "СТА" №2 за 2006 рік