603107, г. Нижний Новгород, проспект Гагарина, дом 178Ч

Посмотреть на карте
Контактная информация

603107, г. Нижний Новгород, проспект Гагарина, дом 178Ч Посмотреть на карте

+7 (831) 288 96 70
+7 (831) 288 96 71

пн-пт — 7:30-16:30
сб, вс — выходные

info@elteco.su

Заземление в системах промышленной автоматизации

Определения и терминология

Под защитным заземлением понимают электрическое соединение проводящих частей оборудования с грунтом Земли через заземляющее устройство с целью защиты людей от поражения электрическим током.

Заземляющим устройством называют совокупность заземлителя (то есть проводника, соприкасающегося с землёй) и заземляющих проводников.

Общим проводом (проводником) - это проводник в системе, относительно которого отсчитываются потенциалы. Обычно он является общим для источника питания и подключённых к нему электронных устройств.

Сигнальным заземлением называют соединение с землёй общего провода цепей передачи сигнала.

Сигнальная земля делится на цифровую землю и аналоговую. Сигнальную аналоговую землю иногда делят на землю аналоговых входов и землю аналоговых выходов.

Силовой землёй будем называть общий провод в системе, соединённый с защитной землей, по которому протекает большой ток (большой по сравнению с током для передачи сигнала).

Глухозаземлённой нейтралью называется нейтраль трансформатора или генератора, присоединённая к заземлителю непосредственно или через малое сопротивление (например, через трансформатор тока).

Нулевым проводом называется провод сети, соединённый с глухозаземлённой нейтралью.

Изолированной нейтралью  нейтраль трансформатора или генератора, не присоединённая к заземляющему устройству.

Занулением называют соединение оборудования с глухозаземлённой нейтралью трансформатора или генератора в сетях трёхфазного тока или с глухозаземлённым выводом источника однофазного тока.

Цели заземления

Защитное заземление служит исключительно для защиты людей от поражения электрическим током.

Необходимость выполнения защитного заземления часто приводит к увеличению уровня помех в системах автоматизации, однако это требование является необходимым, поэтому исполнение сигнальной и силовой земли должно базироваться на предположении, что защитное заземление имеется и оно выполнено в соответствии с ПУЭ. Защитное заземление можно не применять только для оборудования с напряжением питания до 42 В переменного или 110 В постоянного тока, за исключением взрывоопасных зон.

Правила заземления для уменьшения помехи от сети 50 Гц в системах автоматизации зависят от того, используется ли сеть с глухозаземлённой или с изолированной нейтралью. Заземление нейтрали трансформатора на подстанции выполняется с целью ограничения напряжения, которое может появиться на проводах сети 220/380 В относительно Земли при прямом ударе молнии или в результате случайного соприкосновения с линиями более высокого напряжения, или в результате пробоя изоляции токоведущих частей распределительной сети.

Электрические сети с изолированной нейтралью применяются для избежания перерывов питания потреби теля при единственном повреждении изоляции, поскольку при пробое изоляции на землю в сетях с глухозаземлённой нейтралью срабатывает защита и питание сети прекращается.

Кроме того, в цепях с изолированной нейтралью при пробое изоляции на землю отсутствует искра, которая неизбежна в сетях с глухозаземлённой нейтралью.

В зависимости от целей применения сигнальные земли можно разделить на:

  • Базовые

Базовая земля используется для отсчёта и передачи сигнала в электронной цепи.

  • Экранные

Экранная земля используется для заземления экранов.

Автономное заземление

К системе защитного заземления промышленного объекта могут быть подключены силовые установки, которые поставляют большой ток помехи в провод заземления. Поэтому для точных измерений может потребоваться отдельная земля, выполненная по технологии искусственного заземления в грунт. Такое заземление соединено с общим заземлением здания только в одной точке для целей выравнивания потенциала между разными землями, что важно при ударе молнии.

Второй вариант автономной, «чистой» земли можно получить с помощью изолированного провода, который нигде не соединяется с металлическими конструкциями здания, но соединяется с основной клеммой заземления у ввода нейтрали питающего фидера в здание. Шину такого заземления делают из меди, её поперечное сечение составляет не менее 13 кв. мм.

Заземляющие проводники

Проводники, соединяющие оборудование с заземлителем, должны быть по возможности короткими, чтобы снизить их активное и индуктивное сопротивление. Для эффективного заземления на частотах более 1 МГц проводник должен быть короче 1/20, а лучше 1/50 длины волны самой высокочастотной гармоники в спектре помехи.

При частоте помехи 10 МГц (длина волны 30 м) и длине проводника 7,5 м (1/4 от длины волны) модуль его комплексного со противления на частоте помехи будет равен бесконечности, то есть такой проводник можно использовать в качестве изолятора, но не для заземления.

При наличии фильтров в системе автоматизации за максимальную частоту влияющей помехи можно принимать верхнюю граничную частоту фильтра.

Чтобы снизить падение напряжения на заземлителе, надо уменьшать его длину. Индуктивное сопротивление провода заземления на частоте помехи  равно:

 формула 1

где L — по гонная индуктивность провода, в типовых случаях равная примерно 0,8 мкГн/м,

l – длина провода.

Если провода заземления располагаются близко один от другого, то ме жду ними возникает передача помехи через взаимную индуктивность, что особенно существенно на высоких частотах.

Провода заземления не должны образовывать замкнутых контуров, которые являются приёмниками (антеннами) электромагнитных наводок.

Заземляющий проводник не должен касаться других металлических предметов, поскольку такие случайные не стабильные контакты могут быть источником дополнительных помех.

Модель земли

На основании изложенного можно предложить электрическую модель системы заземления, показанную на рис. 1. При составлении модели пред полагалось, что система заземления состоит из заземляющих электродов, соединённых между собой сплошной шиной заземления, к которой приварена пластина (клемма) заземления. К клемме заземления подсоединяются, к примеру, две шины (два проводника) заземления, к которым в разных местах подключается заземляемое оборудование.

рисунок 1Рис. 1. Электрическая модель системы заземления

Если шины заземления или заземляющие проводники проходят близко один от другого, то между ними существует магнитная связь с коэффициентом взаимной индукции M (рис. 1).

Каждый участок проводника (шины) системы заземления имеет индуктивность Lij, сопротивление Rij, и в нём наводится эдс Eij путём электромагнитной индукции. На разных участках шины заземления к ней подсоединено оборудование системы автоматизации, которое поставляет в шину заземления ток помехи In21In23, и ток питания, возвращающийся к источнику питания по шине земли.

На рис. 1 изображено также сопротивление между заземляющими электродами Rземли и ток помехи InЗемли, протекающий по земле, например, при ударах молнии или при коротком замыкании (к.з.) на землю мощного оборудования.

Если шина сигнального заземления используется одновременно для питания системы автоматизации (этого нужно избегать), то необходимо учитывать её сопротивление. Сопротивление медного провода длиной 1 м и диаметром 1 мм равно 0,022 Ом. В системах промышленной автоматизации при расположении датчиков на большой площади, например в элеваторе или цехе, длина заземляющего проводника может достигать 100 м и более. Для проводника длиной 100 м сопротивление составит 2,2 Ом. При количестве модулей системы автоматизации, питаемых от одного источника, равном 20, и токе потребления одного модуля 0,1 А падение напряжения на сопротивлении заземляющего проводника составит 4,4 В.

При частоте помехи более 1 МГц возрастает роль индуктивного сопротивления цепи заземления, а также ёмкостной и индуктивной связи между участками цепей заземления. Провода заземления начинают излучать электромагнитные волны и сами становятся источниками помех.

На высоких частотах проводник заземления или экран кабеля, проложенный параллельно полу или стене здания, образует совместно с заземлёнными металлическими конструкциями здания длинную линию с волновым сопротивлением порядка 500...1000 Ом, короткозамкнутую на конце. Поэтому сопротивление про водника для высокочастотных помех определяется не только его индуктивностью, но и явлениями, связанными с интерференцией между падающей волной помехи и отражённой от заземлённого конца провода. Зависимость модуля комплексного сопротивления проводника заземления ме жду точкой его подключения к заземляемому оборудованию и ближайшей точкой железобетонной конструкции здания от длины этого проводника можно приблизительно описать формулой для двухпроводной воздушной линии передачи: 

формула 2

где Rв – волновое сопротивление, L – длина проводника заземления,  – длина волны помехи.

Таким образом, шина земли является в общем случае «грязной» землёй, источником помех, имеет активное и индуктивное сопротивление. Она является эквипотенциальной только с точки зрения защиты от поражения

электрическим током, но не с точки зрения передачи сигнала. Поэтому если в контур, включающий источник и приёмник сигнала, входит участок «грязной» земли то напряжение помехи будет складываться с напряжением источника сигнала и прикладываться ко входу приёмника.

Виды заземлений

Силовое заземление в системах автоматизации могут использоваться электромагнитные реле, микромощные серводвигатели, электромагнитные клапаны и другие устройства, ток потребления которых существенно превышает ток потребления модулей ввода/вывода и контроллеров. Цепи питания таких устройств выполняют отдельной парой свитых проводов (для уменьшения излучаемых помех), один из которых соединяется с шиной защитного заземления. Общий провод такой системы (обычно провод, подключённый к отрицательному выводу источника питания) является силовой землёй.

Аналоговая и цифровая земля системы промышленной автоматизации являются аналогоцифровыми.

Поэтому одним из источников погрешностей аналоговой части является помеха, создаваемая цифровой частью системы. Для исключения про хождения помех через цепи заземления цифровую и аналоговую землю выполняют в виде несвязанных про водников, соединённых вместе только в одной общей точке. Для этого моду ли ввода/вывода и промышленные контроллеры имеют отдельные выводы аналоговой земли (AGND) и цифровой (DGND).

"Плавающая" земля образуется в случае, когда общий провод небольшой части системы электрически не соединяется с шиной защитного заземления (то есть с Землёй). Типовыми примерами таких систем являются батарейные измерительные приборы, автоматика автомобиля, бортовые системы самолёта или космического корабля. «Плавающая» земля может быть получена и с помощью DC/DC или AC/DC преобразователей, если вывод вторичного источника питания в них не заземлён. Такое решение позволяет полностью исключить кондуктивные наводки через общий провод заземления. Кроме того, допусти мое синфазное напряжение может достигать 300 вольт и более, практически 100-процентным становится по давление прохождения синфазной по мехи на выход системы, снижается влияние ёмкостных помех. Однако на высоких частотах токи через ёмкость на землю существенно снижают последние два достоинства.

Если «плавающая» земля получена с помощью устройств гальванической развязки на оптронах и DC/DC преобразователях, то надо принять особые меры для предотвращения накопления заряда в ёмкости между Землёй и «плавающей» землёй, которое может привести к пробою оптрона.

В качестве защитных мер при использовании «плавающей» земли можно рекомендовать соединение «плавающей» части с землёй через со противление величиной от десятков килоом до единиц мегаом. Вторым способом является применение бата рейного питания и передачи информации через оптический кабель.

 

Модели компонентов систем автоматизации

 

Для дальнейшего анализа и синтеза систем заземления необходимо представлять структуру модулей систем промышленной автоматизации. Такое представление дают модели типовых модулей аналогового и дискретного ввода и вывода, представленные на рисунках ниже.

рис 2        рис 3       рис 4     

а.                                             б                                                    в       

Рис. 2. Обобщённые модели аналоговых модулей ввода и дискретного вывода для анализа систем заземления.

рис 5     рис 6     рис 7

 а                                     б                                             в

Рис. 3. Обобщённые модели дискретных модулей для анализа систем заземления

 

В этих рисунках использованы следующие обозначения:

 

AGND – аналоговая земля,

 

DGND – цифровая земля,

 

GND – земля источника питания порта связи,

 

Data – информационный порт модуля (вход/выход данных),

 

Ain – аналоговый вход,

 

Dout – дискретный выход,

 

Di– дискретный вход,

 

Aout – аналоговый выход,

 

Vпит – клемма подключения источника питания; разрыв в изображении модуля означает гальваническую изоляцию между «разорванными» частями.

 

Модули аналогового ввода и дискретного вывода бывают:

  • без гальванической изоляции (рис. 2a);
  • с изоляцией аналоговых входов и без изоляции дискретных выходов (рис. 2б);
  • с изоляцией одновременно как аналоговых входов, так и дискретных выходов (рис. 2в).

 

Аналогично модули с дискретными или счётными входами и дискретными выходами могут быть:

  • без гальванической изоляции (рис. 3а);
  • с изоляцией входов (рис. 3б);
  • с изоляцией как входов, так и выходов (рис. 3в).

 

 Модули аналогового вывода делают обычно с гальванической изоляцией выходов (рис. 4).

рис 8 Рис. 4. Обобщённая модель модулей аналогового вывода для анализа систем заземления

 

Таким образом, один модуль ввода/вывода может содержать до трёх различных выводов земли.

 

В моделях на рис. 2, 3 и 4 с целью упрощения не показаны входные сопротивления, которые иногда нужно учитывать.

 

Задать вопрос

Имя
Телефон
Email
Сообщение
Прикрепить файл
Код