Гальванически развязанные цепи

Радикальным решением описанных выше проблем является применение гальванической изоляции с раздельным заземлением цифровой, аналоговой и силовой части системы (рис.17.12). Применение гальванической изоляции позволяет разделить аналоговую и цифровую земли, что исключает протекание по аналоговой земле токов помехи от силовой и цифровой земли (рис. 17.12).

Аналоговая земля может быть соединена с защитным заземлением через сопротивление R_AGND.

Рис.17.12. Пример радикального решения проблемы, показанной на рис.15.5, 6

Экраны кабелей на электрических подстанциях

На электроподстанциях 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 2-х сторон.

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

Экраны кабелей для защиты от молнии

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. Нержавеющая сталь как неферромагнитный материал не используется. Трубы прокладывают под землей, а при наземном расположении они должны быть заземлены примерно через каждые 3 м. Кабель должен быть экранирован, а экран заземлен 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 [НИЛ АП].

Заземление при дифференциальных измерениях

Если источник сигнала не имеет сопротивления на землю, то при дифференциальном измерении образуется плавающий вход (рис.17.13). На плавающем входе может наводиться статический заряд от атмосферного электричества или входного тока утечки ОУ. Для отведения заряда и тока на землю потенциальные входы модулей аналогового ввода обычно содержат резисторы сопротивлением 1 …20 МОм, соединяющие аналоговые входы с землей. Однако при большом уровне помех или большом сопротивлении источника сигнала сопротивление 20 МОм может оказаться недостаточным и необходимо дополнительно использовать внешние резисторы сопротивлением от десятков кОм до 1 МОм или конденсаторы с таким же сопротивлением на частоте помехи (рис.17.13).

Рис.17.13. Заземление аналоговых входов через сопротивления для уменьшения синфазной помехи

Интеллектуальные датчики

В последнее время получили быстрое распространение и развитие. Содержат микроконтроллер для линеаризации характеристики преобразования датчика, выдают сигнал в цифровой или аналоговой форме. Поскольку 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 требуют подключения внешнего сопротивления нагрузки (порядка 20 кОм). Полезный сигнал генерируется в форме напряжения, падающего на нагрузочном резисторе при протекании выходного тока датчика.

Пример. На рис.17.14 напряжение на нагрузке:

V_НАГР = V_ВЫХ — I_НАГР-R₁ + I₂R₂, (17.8)

т.е. V_НАГР зависит от тока I₂, который содержит ток цифровой земли, включающий шум и в соответствии с (15.8) влияет на напряжение на нагрузке. Чтобы устранить этот эффект, цепи заземления надо выполнить так, как показано на рис.1.50 - ток цифровой земли не протекает через сопротивление R₂₁ и поэтому не вносит шум в напряжение сигнала на сопротивлении нагрузки.

Рис.17.14. Неправильное заземление интеллектуального датчика

Рис.17.15. Правильное заземление интеллектуального датчика

Монтажные шкафы

Монтаж шкафов автоматики должен учитывать все изложенные рекомендации. Однако заранее нельзя сказать однозначно, какие требования являются обязательными, какие - нет, поскольку набор обязательных требований зависит от требуемой точности измерений и от окружающей э-м обстановки. Поэтому нижеприведенные примеры заземления разделены на правильные и ошибочные условно. При этом правильный пример (рис.18.16) всегда дает меньший уровень помех, чем неправильный.

Рис.17.16. Пример правильного заземления шкафов автоматики

На рис.17.17 приведен пример, в котором каждое отличие от рис.17.15 увеличивает вероятность сбоев цифровой части и ухудшает погрешность аналоговой. На рис.17.17 сделаны следующие неправильные соединения:

1) заземление шкафов выполнено в разных точках, поэтому потенциалы их земель отличаются;

2) шкафы соединены между собой, что создает замкнутый контур в цепи заземления;

3) 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;

4) 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 (рис. 18.17);

5) используется один блок питания на 2 шкафа, что увеличивает длину и индуктивность проводника заземления;

6) в правом шкафу выводы земли подсоединены не к клемме заземления, а непосредственно к корпусу шкафа. При этом корпус шкафа становится источником индуктивной наводки на все провода, проходящие вдоль его стен;

7) в правом шкафу, в среднем ряду, аналоговая и цифровая земли соединены прямо на выходе блоков, что неправильно.

Перечисленные недостатки устранены на рис. 17.16. Дополнительным улучшением разводки в этом примере было бы применение отдельного проводника заземления для наиболее чувствительных аналоговых модулей ввода.