На электрических подстанциях на оплетке (экране) сигнального кабеля автоматики, проложенного под высоковольтными проводами на уровне земли и заземленного с одной стороны – может наводиться напряжение величиной в сотни вольт во время коммутации тока выключателем. Поэтому с целью электробезопасности оплетку кабеля заземляют с двух сторон.

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.

Если источник сигнала не имеет сопротивления на землю, то при дифференциальном измерении образуется «плавающий вход». На плавающем входе может наводиться статический заряд от атмосферного электричества или входного тока утечки операционного усилителя. Для отведения заряда и тока на землю потенциальные входы модулей аналогового ввода обычно содержат внутри себя резисторы сопротивлением от 1 до 3 МОм, соединяющие аналоговые входы с землей. Однако при большом уровне помех или большом сопротивлении источника сигнала сопротивление 3 МОм может оказаться недостаточным и тогда необходимо дополнительно использовать внешние резисторы сопротивлением от десятков килоом до 1 МОм или конденсаторы с таким же сопротивлением на частоте помехи.

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.

Монтаж шкафов автоматики должен учитывать всю вышеизложенную информацию, Однако заранее нельзя сказать однозначно, какие требования являются обязательными, какие — нет, поскольку набор обязательных требований зависит от требуемой точности измерений и от окружающей электромагнитной обстановки. Поэтому нижеприведенные примеры заземления разделены на «правильные» и «ошибочные» условно. При этом «правильный» пример всегда дает меньший уровень помех, чем «неправильный».

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.

В системах управления, распределенных но некоторой территории с характерными размерами в десятки и сотни метров, нельзя использовать модули ввода без гальванической развязки. Только гальваническая развязка позволяет соединять цепи, заземленные в точках с разными потенциалами.

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).

На взрывоопасных промышленных объектах при монтаже цепей заземления многожильным проводом не допускается обслуживание проводов кабеля, поскольку вследствие хладотекучести припоя возможно ослабление мест контактного давления в винтовых зажимах.

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.

Гальваническая развязка (изоляция) цепей является радикальным решением большинства проблем, связанных с заземлением, и ее применение фактически стало стандартом в системах промышленной автоматизации.

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.

Во время разрядов молнии появляется сильное магнитное и электростатическое поле, а также резко повышается потенциал земли в области заземления молниеотвода при ударе молнии. Все зги явления приводят к возникновению опасных для аппаратуры напряжений на кабелях промышленных сетей и цепей питания.

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.

Эффективной защитой кабелей от магнитного поля молнии являются стальные трубы (нельзя использовать трубы из нержавеющей стали, которая не является ферромагнитным материалом).

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,

В области электромагнитной совместимости (ЭМС) действует более 100 государственных стандартов, основные из которых приведены в списке литературы. Стандарты делятся на гармонизированные с международными стандартами и негармонизированные, принятые до 1999 г. Б стандартах устанавливаются как ограничения на излучаемую энергию, так и требования к помехоустойчивости.

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.

После выполнения мер по защите от помех осуществляется проверка их эффективности или соответствия проекту (верификация). Соответствие государственным стандартам устанавливается в процессе сертификационных испытаний на соответствие комплексу стандартов по электромагнитной совместимости.

Однако до испытаний, в процессе разработки и экспериментальной доводки проектируемых изделий обычно используют осциллографы, преимущественно с «плавающим» (батарейным) питанием и самописцы.

Самописцы помогают найти плохие («шуршащие») контакты в цепи заземления и питания аппаратуры, а также редко появляющиеся сбои в системах автоматизации. Для этого с помощью многоканального компьютерного самописца (например, серии RealLab!) контролируют интересующий параметр, напряжение в цепи низковольтного питания, в питающей сети к разности напряжений между несколькими точками системы заземления. Непрерывная запись параметров процесса и напряжений позволяет установить причинно-следственную связь между сбоями технологических параметров и выбросами напряжения в цепи питания и заземления.