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

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

Внутри здания магнитное поле ослабляется в железобетонных зданиях и не ослабляется в кирпичных.

Радикальным решением проблем защиты от молнии является применение оптоволоконного кабеля, который стоит уже достаточно дешево и легко подключается к интерфейсу RS-485, например, через преобразователи SN-OFC-ST-62.5/125 (RealLab.ru).

В последнее время получили быстрое распространение и развитие так называемые интеллектуальные датчики, содержащие микроконтроллер для линеаризации характеристики преобразования датчика. Интеллектуальные датчики выдают сигнал в цифровой или аналоговой форме. Вследствие того> что цифровая часть датчика совмещена с аналоговой, при неправильном заземлении выходной сигнал имеет повышенный уровень шума.

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

Пример. Напряжение на нагрузке зависит от тока, который включает в себя ток цифровой земли. Ток цифровой земля содержит шум и в соответствии с вышеприведенной формулой влияет на напряжение на нагрузке. Чтобы устранить этот эффект, цепи заземления надо выполнить так. Здесь ток цифровой земли не протекает через сопротивление Вы и поэтому не вносит шум в напряжение сигнала на сопротивлении нагрузки.

Ниже приведен пример, в котором каждое отличие увеличивает вероятность сбоев цифровой части и ухудшает погрешность аналоговой. Ниже сделаны следующие «неправильные» соединения:

• заземление шкафов выполнено в разных точках, поэтому потенциалы их земель отличаются;
• шкафы соединены между собой, что создает замкнутый контур в цепи заземления;
• проводники аналоговой и цифровой земли в левом шкафу на большом участке идут параллельно, поэтому на аналоговой земле могут появиться индуктивные и емкостные наводки от цифровой земли;
• блок питания (точнее, его отрицательный вывод) соединен с корпусом шкафа в ближайшей точке, а не на клемме заземления, поэтому по корпусу шкафа течет ток помехи, проникающий через трансформатор блока питания;
• используется один блок питания на два шкафа, что увеличивает длину и индуктивность проводника заземления;
• в правом шкафу выводы земли подсоединены не к клемме заземления, а непосредственно к корпусу шкафа. При этом корпус шкафа становится источником индуктивной наводки н все провода, проходящие вдоль его стен;
• в правом шкафу, в среднем ряду, аналоговая и цифровая земли соединены прямо на выходе блоков, что неправильно.

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

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

Кабели, проходящие по открытой местности, должны быть защищены от магнитных импульсов во время грозы (см. п. 3.1-3, 3.5-5) и магнитных полей при коммутации мощных нагрузок (см. п. 3.5.4). Особое внимание надо уделить заземлению экрана кабеля (см, п. 3,5,2) Радикальным решением для территориально распределенной системы управления является передача информации по оптическому волокну или радиоканалу.

Неплохие результаты можно получить, отказавшись от передачи информации по аналоговым стандартам в пользу цифровых. Для этого можно использовать модули распределенной системы управления RealLab! серии NL фирмы НИЛ АП. Суть этого подхода заключается в том, что модуль ввода располагают возле датчика, уменьшая тем самым длину проводов с аналоговыми сигналами, а в ПЛК передается сигнал по цифровому каналу. Разновидностью этого подхода является применение датчиков со встроенными в них АЦП и цифровым интерфейсом (например, датчиков серии NL-lS фирмы НИЛ АП).

Цепи питания двигателей с импульсным управлением, двигателей сервоприводов, исполнительных устройств с ШИМ-управлением должны быть выполнены ВИТОЁ парой для уменьшения магнитного поля, а также экранированы для снижения электрической компоненты излучаемой помехи. Экран кабеля должен быть заземлен с одной стороны. Цепи подключения датчиков таких систем должны быть помещены в отдельный экран и по возможности пространственно отдалены от исполнительных устройств.

Заземление в промышленных сетях. Промышленная сеть на основе интерфейса RS-485 выполняется экранированной витой парой с обязательным применением модулей гальванической развязки. Для небольших расстояний (порядка Юм) при отсутствии поблизости источников помех экран можно не использовать. При больших расстояниях (стандарт допускает длину кабеля до 1,2 км) разность потенциалов земли в удаленных друг от друга точках может достигать несколько единиц и даже десятков вольт (см. п. 3.5.2), Поэтому, чтобы предотвратить протекание по экрану тока, выравнивающего эти потенциалы, экран кабеля нужно заземлять только в одной точке (безразлично в какой). Это также предотвратит появление замкнутого контура большой площади в цепи заземления, в котором за счет электромагнитной индукции может наводится ток большой величины при ударах молнии или коммутации мощных нагрузок. Этот ток через взаимную индуктивность наводит на центральной паре проводов э.д.с, которая может вывести из строя микросхемы драйверов порта.

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

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

В сетях Ethernet с малой пропускной способностью (10 Мбит/с) заземление экрана следует выполнять только в одной точке. В Fast Ethernet (100 Мбит/с) и Gigabit Ethernet (1 Гбит/с) заземление экрана следует выполнять в нескольких точках, пользуясь рекомендациями п. 3.5.2.

При прокладке кабеля на открытой местности нужно использовать все правила, описанные в п. 3.5.2.

Экран кабеля интерфейса RS-485 заземляется в одной точке, вне взрывоопасной зоны, В пределах взрывоопасной зоны он должен быть защищен от случайного соприкосновения с заземленными проводниками. Искробезопасные цепи не должны заземляться, если этого не требуют условия работы электрооборудования (ГОСТ Р 51330,10, п, 3.5.2),

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

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

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

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

Для защиты от статического электричества используют заземление, описанное в п. 3.1.4, Статическое электричество может быть причиной воспламенения взрывоопасной смеси Например, при емкости человеческого тела 100…400 пФ и потенциале заряда 1 кВ энергия искрового разряда с тела человека будет равна 50…200 мкДж, что может быть достаточно для воспламенения взрывоопасной смеси группы ПС (60 мкДж).

Для осуществления гальванической развязки необходимо выполнить подачу энергии в изолированную часть цепи л обмен с ней сигналами. Подача энергии выполняется с помощью развязывающего трансформатора (в DC-DC или AC-DC-преобразователях) или с помощью автономных источником питания: гальванических батарей и аккумуляторов. Передача сигнала осуществляется через оптроны и трансформаторы, элементы с магнитной связью, конденсаторы или оптоволокно.

Основная идея гальванической развязки заключается в том, что в электрической цепи полностью устраняется путь, по которому возможна передача кондуктивной помехи.

Гальваническая изоляция позволяет решить следующие проблемы:

• исключает появление паразитных токов по шине земли, вызванных разностью потенциалов отдаленных друг от друга земель, и тем самым снижает индуктивные наводки, вызванные этими токами;
• уменьшает практически до нуля напряжение синфазной помехи на входе дифференциального приемника аналогового сигнала (например, синфазное напряжение на термопаре относительно земли не влияет на дифференциальный сигнал на входе модуля ввода);
• защищает входные и выходные цепи модулей ввода и вывода от пробоя большим синфазным напряжением (например, синфазное напряжение на термопаре относительно земли может быть как угодно большим, если оно не превышает напряжение пробоя изоляции).

Для применения гальванической развязки система автоматизации делится на автономные изолированные подсистемы, обмен информацией между которыми выполняется с помощью элементов гальванической развязки. Каждая подсистема имеет свою локальную землю и локальный источник питания.Подсистемы заземляют только для обеспечения электробезопасности и локальной защиты от помех.

Наибольшая величина наводки получается при ударе молнии в близко расположенный молниеотвод. Поскольку напряженность магнитного поля спадает обратно пропорционально расстоянию от источника поля, одним из способов решения проблемы может быть отдаление кабелей от молниеотвода. Используются также электромагнитное экранирование, полупроводниковые и газоразрядные защитные элементы.

Оценим напряжение и ток, наводимые молнией в кабелях промышленной автоматики. Предположим, что ток молнии проходит по длинному вертикально расположенному молниеотводу, а здание не имеет экранирующих железобетонных конструкций. Также предположим, что ширина рамки достаточно мала, чтобы можно было пренебречь неоднородностью поля внутри рамки, а напряженность поля однородна вдоль ее длины.

Неэкранированная витая пара промышленной сети проходит параллельно молниеотводу и параллельно шине заземления, образуя контур площадью 5 на расстоянии R от молниеотвода. Кабель имеет гальваническую развязку с двух сторон. Молния наводит в контуре э.д.с, равную сумме напряжений на емкостях устройств гальванической развязки Vi + Ц = VK, величиной до 11 кВ при исходных данных, приведенных выше.

Оценим величину тока, который будет протекать в ков туре после пробоя изоляции. Молниеотвод и заштрихованный контур являются связанными индуктивностями.

При максимальном токе молнии 200 к А максимальный ток в контуре будет равен 380 А, Отметим, что при диаметре провода 1 мм омическое сопротивление контура составит 0,22 Ом и при э.д.с. в контуре 11 кВ ток короткого замыкания был бы равен 50 к А, т.е. активным сопротивлением контура можно пренебречь, что мы и сделали.

Для защиты от перенапряжений используются газонаполненные разрядники, варисторы, TVS-диоды я TVS-тириегоры (Transient Voltage Suppressor — подавитель переходных напряжений). Защитные элементы бывают двух типов: ограничивающие и шунтирующее (закорачивающие). Ограничивающие элементы стабилизируют напряжение в линии на некотором уровне, например на уровне напряжения стабилизации для ограничивающих стабилитронов (TVS-диодов). Шунтирующие элементы снижают напряжение в линии до напряжения открытого состояния защитного элемента, например до напряжения на тиристоре в открытом состоянии при защите TVS-тиристором.

В газонаполненных: разрядниках при некотором напряжении начинается лавинный пробой в газе и образуется канал с плазмой, имеющий низкое сопротивление. При этом напряжение на разряднике падает, энергия наведенного молнией импульса выделяется в виде тепла в подводящих проводах, на балластном резисторе (если он имеется) и на самом разряднике. Недостатком газовых разрядников является большое время срабатывания (от ОД мкс до единиц микросекунд), ограниченный срок службы и низкая надежность, которая связана с возможной разгерметизацией трубки при ее нагреве. Однако газовые разрядники выдерживают очень большой ток, что делает их пригодными для выполнения первой ступени защиты, с напряжением ограничения перенапряжения обычно от 90 В до 1 кВ. Несмотря на низкое быстродействие, газовые разрядники способны рассеять основную часть энергии, пропуская на выход только короткий выброс в начале импульса. Поэтому совместно с газовыми разрядниками в качестве второй ступени защиты используются более быстродействующие элементы — варисторы и TVS-диоды,

Металло-окисные варисторы (MOV — Metal-Oxide Varistor) изготавливаются в форме диска, площадь которого пропорциональна допустимому току. Материалом для изготовления служит порошкообразный карбид кремния и связующее вещество (жидкое стекло, лаки, смолы), Варистор можно упрощенно представить как множество полупроводниковых р-п-переходов, которые включены последовательно и параллельно. Поэтому сопротивление варистора падает с простом приложенного напряжения. Недостатком варисторов является сильная нестабильность напряжения срабатывания во времени и деградация параметров с каждым актом срабатывания. Напряжение срабатывания варисторной защиты лежит в диапазоне от нескольких вольт до 1,5 кВ, ток — от единиц ампер до десятков тысяч ампер, время срабатывания составляет несколько наносекунд.

Наилучшим элементом защиты являются TVS-диоды и TVS-тиристоры, которые известны также под торговыми марками Trans Zorb, Transit Insel.

Виды испытаний на помехоустойчивость установлены в общем стандарте ГОСТ Р 51317.4.1-2000. Для средств промышленной автоматизации существует специальный стандарт ГОСТ Р 51522-99 «Электрическое оборудования для измерения, управления и лабораторного применения. Требования и методы испытаний». Он распространяется на промышленные контроллеры, регуляторы, испытательное, измерительное и лабораторное оборудование.

В соответствии с этим стандартом для средств промышленной автоматизации используют следующие виды испытаний:

• на электростатические разряды по ГОСТ Р 51317,4,2;
• на излучаемое радиочастотное электромагнитное поле по ГОСТ Р 51317.4.3;
• на наносекундные импульсные помехи по ГОСТ Р 51317.4.4;
• на микросекундные импульсные помехи большой энергии но ГОСТ Р 51317.4.5;
• на кондуктивные помехи, наведенные радиочастотными электромагнитными полями, по ГОСТ Р 51317.4,6;
• на динамические изменения напряжения электропитания по ГОСТ Р 51317.4.11.

Стандарт ГОСТ Р 51522-99 устанавливает четыре критерия качества функционирования испытываемых устройств:

• критерий А: устройство нормально функционирует в процессе испытаний;
• критерий В — в процессе испытаний некоторые характеристики ухудшаются или некоторые функции не выполняются, но устройство полностью восстанавливает функционирование без вмешательства оператора;
• критерий С — аналогично критерию А, но для восстановления функций требуется вмешательство оператора, например перезапуск системы;
• критерий D — во время испытаний происходит ухудшен не характеристик или потеря функционирования, которые не восстанавливаются даже после вмешательства оператора. Это может произойти, например, вследствие повреждения элементов, потери части программного кода или данных.

Устанавливаются также нормы на помехоэмиссию (излучение помех) для оборудования разных классов.