Энциклопедия АСУ ТП Спонсор проекта: Skip Navigation LinksЭнциклопедия АСУ ТП : 3 Защита от помех Соспонсор:




Робот BotEyes




Промышленные контроллеры RealLab!

3. Защита от помех

Дорогие и надежные контроллеры, модули ввода-вывода, датчики могут оказаться неработоспособными, если монтаж системы выполнен без учета требований электромагнитной совместимости и правил заземления. Месяцы работы, десятки командировок к заказчику могут оказаться бесполезными, если не разобраться глубоко в методах защиты от воздействия помех. Неправильное заземление в 40% случаев является причиной дорогостоящих простоев и порчи чувствительного оборудования, используемого в нефтяной, автомобильной и горной промышленности [Proper]. Следствием неправильного заземления могут быть изредка появляющиеся сбои в работе систем автоматики, повышенная погрешность измерений, выход из строя чувствительных элементов, замедление работы системы вследствие появления потока ошибок в каналах обмена, нестабильность регулируемых параметров, ошибки в собираемых данных.

ГОСТ 30372-95/ГОСТ Р 50397-92 дает следующее определение электромагнитной помехи: это электромагнитное явление, процесс, которые снижают или могут снизить качество функционирования технического средства. Для нормального функционирования электронных устройств необходимо обеспечивать их электромагнитную совместимость (ЭМС) с электромагнитной обстановкой (ЭМО) на объекте. Под электромагнитной обстановкой понимается совокупность электромагнитных процессов в заданной области пространства, частотном и временном диапазоне.

Тема заземления в промышленной автоматизации является ниаболее плохо разработанной. Сложность проблемы связана с тем, что источники помех, приемники и пути их прохождения распределены в пространстве, момент и факт их появления часто является случайной и ненаблюдаемой величиной, а местонахождение априори неизвестно. Сложно также провести измерения помех, практически невозможно сделать достаточно точный теоретический анализ, поскольку задача обычно является трехмерной и описывается системой дифференциальных уравнений в частных производных. Поэтому обоснование того или иного метода заземления, которое, строго говоря, должно опираться на математические расчеты, на практике приходится делать на основании опыта и интуиции. Решение проблем заземления в настоящее время находится на грани между пониманием, интуицией и везением [Денисенко , Vijayaraghavan].

Понимание причин возникновения помех при проектировании систем автоматизации позволяет избежать ряд ошибок в выборе оборудования, его размещении, экранировании и кабельной разводке, а также ускорить процесс внедрения системы. Подключение датчиков к измерительной системе является очень непростым делом и часто выявляет неожиданные проблемы, причина которых кроется в том, что источники погрешностей, вызванных паразитными связями, являются скрытыми от проектировщика - они не нарисованы на электрической схеме. Об их местонахождении можно только догадываться, их появление трудно предсказать, а устранить можно только в процессе эксперимента. Тем не менее, ряд типовых условий возникновения помех и методов их устранения достаточно хорошо изучен. О них и пойдет речь в настоящей главе.

3.1. Источники помех

Все помехи, воздействующие на кабели, датчики, исполнительные механизмы, контроллеры и металлические шкафы автоматики, в большинстве случаев протекают в виде тока по заземляющим проводникам, создавая вокруг них паразитное электромагнитное поле и падение напряжения помехи на проводниках. Источниками и причинами помех может быть молния, статическое электричество, электромагнитное излучение, "шумящее" оборудование, сеть питания 220 В 50 Гц, переключаемые сетевые нагрузки, трибоэлектричество, гальванические пары, термоэлектрический эффект, электролитические процессы, движение проводника в магнитном поле и др.

Государственные центры стандартизации и сертификации во всех странах мира не допускают к производству оборудование, являющееся источником помех недопустимо высокого уровня. Однако уровень помех невозможно сделать равным нулю. Кроме того, на практике встречается достаточно много источников помех, связанных с неисправностями или применением не сертифицированного оборудования.

В России допустимый уровень помех и устойчивость оборудования к их воздействию нормируются 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 51317.4.4, ГОСТ Р 51317.4.11, ГОСТ Р 51522, ГОСТ Р 50648.

При конструировании электронной аппаратуры для снижения уровня помех используют микромощную элементную базу с невысоким быстродействием, уменьшение длины проводников и экранирование. Особые меры принимаются для снижения помех от радиопередающих устройств беспроводных сетей (подробнее см. раздел "Промышленные сети и интерфейсы".

Паразитные воздействия помех на процесс передачи сигнала в системах промышленной автоматизации можно разделить на следующие группы:

Рис. 3.1. Относительный уровень спектральной плотности мощности и частота основных источников электромагнитных помех

  • воздействия через кондуктивные связи;
  • влияние неэквипотенциальности "земли";
  • наводки через взаимную индуктивность;
  • наводки через емкостные связи;
  • высокочастотные электромагнитные наводки.

3.1.1. Характеристики помех

Основной характеристикой помехи является зависимость спектральной плотности мощности от частоты. Помехи, воздействующие на системы автоматизации, имеют спектр от постоянного тока до единиц гигагерц (см. рис. 3.1) [Low]. Помехи, лежащие в полосе пропускания аналоговых систем автоматики, имеют частоты до десятков килогерц. На цифровые цепи воздействуют помехи в полосе до сотен мегагерц. Помехи гигагерцевого диапазона непосредственного влияния на системы автоматизации не оказывают, однако после преобразования в нелинейных элементах или вследствие алиасного эффекта (см. главу "Измерительные каналы") они могут порождать низкочастотные помехи, лежащие в границах воспринимаемого спектра.

Устройства, в которых происходит переключение уровня тока или напряжения за короткий промежуток времени, являются источниками широкополосных помех (двигатели, выключатели, реле и контакторы, трамвайные токосъемники и т. п.). Устройства, в которых происходит периодическое изменение тока или напряжения с ограниченной скоростью нарастания, дают узкополосные помехи (например, сотовые телефоны, радиопередатчики, генераторы сигналов, микроволновые печи, микропроцессорные системы).

В сигнальных цепях и цепях заземления систем автоматизации содержится весь спектр возможных помех. Однако паразитное влияние оказывают только помехи, частоты которых лежат в полосе пропускания устройств автоматики. Среднеквадратическое значение напряжения или тока помехи определяется шириной ее спектра:

,

(3.1)

Рис. 3.2. АЧХ фильтра, входящего в состав аналоговых модулей RealLab! серии NL

где - спектральная плотность мощности помехи, ; и - нижняя и верхняя границы спектра помехи. В частном случае, когда слабо зависит от частоты, приведенное соотношение упрощается:

.

Таким образом, для уменьшения влияния помех на системы автоматизации нужно сужать ширину полосы пропускания аналоговых модулей ввода и вывода. Например, если известно, что постоянная времени датчика составляет 0,3 сек, что приблизительно соответствует полосе пропускания сигнала =0,5 Гц, то ограничение полосы пропускания модуля ввода величиной 0,5 Гц позволит уменьшить уровень помехи и тем самым повысить точность измерений, снизить требования к заземлению, экранированию и монтажу системы.

Однако фильтр вносит динамическую погрешность в результаты измерения, которая зависит от формы (спектра) входного сигнала. Динамическая погрешность свойственна всем известным методам ослабления помехи нормального вида, хотя она часто не указывается в характеристиках аналоговых модулей, что может вводить пользователя в заблуждение. Подробнее динамические погрешности рассматриваются в разделе "Измерительные каналы".

Наиболее мощной в системах автоматизации является помеха с частотой питающей сети 50 Гц. Поэтому для ее подавления используют узкополосные фильтры, настроенные точно (с помощью кварца) на частоту 50 Гц. На рис. 3.2 в качестве примера приведена амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) цифрового фильтра, использованного в модулях RealLab! серии NL. Фильтр настроен таким образом, что он ослабляет на 120 дБ (на 6 порядков) помеху с частотой 50 Гц.

При еще большей инерционности датчиков или контролируемой системы (например, когда датчик стоит в печи, время выхода на режим которой составляет несколько часов) можно использовать процедуру многократных измерений или дополнительную цифровую фильтрацию в управляющем контроллере или компьютере. В общем случае, чем больше время измерения, тем точнее можно выделить сигнал на фоне шума и тем сильнее ослабить требования к уровню помех.

Следует отметить, что наличие фильтра не всегда спасает от влияния помех. Например, если высокочастотная помеха, перед тем как попасть на вход модуля ввода, детектируется или выпрямляется на нелинейных элементах, то из сигнала помехи выделяется постоянная или низкочастотная составляющая, которая уже не может быть ослаблена фильтром модуля ввода. В качестве нелинейных элементов могут выступать, например, контакты разнородных металлов, защитные диоды, стабилитроны, варисторы.

3.1.2. Помехи из сети электроснабжения

а)

б)

в)

Рис. 3.3. Виды помех, проникающих из сети питания: а) - от вспышки молнии; б) - при переключении индуктивной нагрузки; в) - помехи от радиостанций

Питающая сеть 220/380 В с частотой 50 Гц и подключенные к ней блоки питания являются источниками следующих помех:

  • фон с частотой 50 Гц;
  • выбросы напряжения от вспышки молнии (рис. 3.3, а);
  • кратковременные затухающие колебания при переключении индуктивной нагрузки (рис. 3.3, б);
  • высокочастотный шум, наложенный на синусоиду 50 Гц (рис. 3.3, в);
  • инфранизкочастотный шум, проявляющийся как нестабильность во времени величины среднеквадратического значения сетевого напряжения (рис. 3.4);
  • долговременные искажения формы синусоиды и гармоники при насыщении сердечника трансформатора и по другим причинам.

Наибольшее влияние на системы промышленной автоматики оказывают первые три вида помех (рис. 3.3). Для уменьшения кратковременных выбросов напряжения используют специальные защитные диоды и варисторы. Инфранизкочастотный шум и искажения синусоиды отфильтровываются стабилизатором и сглаживающим фильтром сетевого источника питания и практически не проходят сквозь паразитные емкости сетевого трансформатора.

Рис. 3.4. Изменения действующего значения сетевого напряжения в течение суток (измерено 12.11.2005 г. с помощью модуля NL-8AI в НИЛ АП)

Причинами и источниками сетевых помех могут быть разряды молнии при попадании в линию электропередачи, включение или выключение электроприборов, тиристорные регуляторы мощности, реле, электромагнитные клапаны, электродвигатели, электросварочное оборудование и др.

Путь проникновения сетевой помехи показан на рис. 3.5. Силовой или развязывающий трансформатор включен в сеть 220 В, 50 Гц. Сеть представлена эквивалентным источником напряжения и эквивалентным источником помех . Нулевой провод источника сетевого напряжения заземлен на главном щите у ввода в здание. Если выход источника питания тоже заземлен, что часто необходимо для целей электробезопасности, то возникает путь протекания тока помехи, показанный на рис. 3.5, включающий сопротивление заземляющего проводника . Основным звеном в этой цепи является паразитная емкость между обмотками силового трансформатора , для уменьшения влияния которой часто используют заземленный электростатический экран (рис. 3.6). Ток помехи протекает по общему проводу источника питания и заземляющему проводнику (рис. 3.5), создавая на их сопротивлении падение напряжения помехи, о котором речь пойдет в следующих разделах (на рис. 3.5 эти участки цепи выделены жирной линией). Ток источника помехи может замыкаться не на трансфораторной подстанции, а через внутреннее сопротивление других электроприборов, подключенных к электрической сети, а также через емкость кабеля. Таким образом, на шине заземления падает паразитное напряжение помехи, делая ее "грязной", и часть напряжения помехи попадает на выход источника питания через участок провода, выделенный жирной линией на рис. 3.5.

Наиболее значительной помехой, проникающей в шину заземления из сети 220 В 50 Гц, является емкостной ток, протекающий через емкость между обмоткой двигателя и его корпусом; ток между сетевой обмоткой трансформатора и сердечником, ток через конденсаторы сетевых фильтров.

рис. 3.5. Пути проникновения помехи их сети 220 В, 50 Гц в систему заземления и общий провод источника питания

Путь тока помехи через емкость между первичной обмоткой трансформатора и его заземленным сердечником показан на рис. 3.5. Этот ток также протекает через общий провод источника питания и заземляющий проводник. Именно эта емкость является причиной того, что незаземленные электроприборы "бьют током". При отсутствии заземления потенциал металлического корпуса приборов, подключенных к сети 220В, составляет от нескольких десятков до 220В в зависимости от сопротивления утечки на землю. Для уменьшения этого напряжения корпуса приборов, включенных в сеть 220 В, должны быть заземлены.

При использовании DC-DC (Direct Current-Direct Current) и AC-DC (Alternating Current-Direct Current) преобразователей напряжения, которые содержат внутренний генератор, к источнику помехи добавляется емкостная и индуктивная наводка от собственного генератора преобразователя. Поэтому уровень помех на общем проводе у DC-DC и AC-DC преобразователей выше, чем в источниках с обычным силовым трансформатором, хотя проходная емкость в преобразователях может быть уменьшена до единиц пикофарад по сравнению с сотнями пикофарад для обычного силового трансформатора.

Для уменьшения проникновения помехи в источниках питания используют раздельное экранирование первичной и вторичной обмотки трансформатора, а также разделение защитной, сигнальной и корпусной (экранной) земли (рис.3.6). На рисунке сплошной жирной линией нарисован металлический корпус прибора; кружочками обозначены клеммные соединители, изолированные от корпуса. Методы соединения различных земель между собой описаны ниже, в разделе "Методы экранирования и заземления".

Рис. 3.6. Источник питания с тремя типами земель. Слева направо: защитная земля, экранная земля и сигнальная. Экран показан штриховой линией


© RLDA Ltd. info@rlda.ru  Рейтинг@Mail.ru Спонсоры проекта: , а также