15.1. Джерела перешкод
Всі перешкоди, що впливають на кабелі, датчики, виконавчі механізми, контроллери в більшості випадків протікають у вигляді струму|току| по заземляючих провідниках, створюючи навколо|навкруг,довкола| них паразитне електромагнітне поле і падіння напруги|напруження| перешкоди на провідниках. Джерелами і причинами перешкод може бути блискавка, статична електрика, електромагнітне випромінювання, «шумляче» устаткування|обладнання|, мережа|сіть| живлення|харчування| 220 В 50 Гц, перемикані мережеві|мережні| навантаження, гальванічні пари, термоелектричний ефект, електролітичні процеси, рух провідника в магнітному полі тощо.
Державні центри стандартизації і сертифікації у всіх країнах миру|світу| не допускають до виробництва устаткування|обладнання|, що є|з'являється,являється| джерелом перешкод неприпустимо|недопустимий| високого рівня. Проте|однак| рівень перешкод неможливо зробити рівним нулю|нуль-індикатору,нуль-множині,нуль-последовності,нуль-елементу|. Крім того, на практиці зустрічається достатньо|досить| багато джерел перешкод, пов'язаних з несправностями або застосуванням|вживанням| не сертифікованого устаткування|обладнання|.
При конструюванні електронної апаратури для зниження рівня перешкод використовують мікропотужню елементну базу з|із| невисокою швидкодією, зменшення довжини провідників і екранування. Особливі заходи приймаються для зниження перешкод від радіопередавальних пристроїв|устроїв| безпровідних мереж|сітей|.
Паразитні дії перешкод на процес передачі сигналу в системах промислової автоматизації можна розділити на наступні|слідуючі| групи:
дії через кондуктивні| зв'язки;
вплив нееквіпотенціальності «землі|грунту|»;
наведення через взаємну індуктивність;
наведення через ємнісні|місткість| зв'язки;
високочастотні електромагнітні наведення.
15.2. Характеристики перешкод
Основною характеристикою перешкоди є|з'являється,являється| залежність спектральної щільності потужності від частоти. Перешкоди, що впливають на системи автоматизації, мають спектр від постійного струму|току| до одиниць гігагерца (мал. 3.1). Перешкоди, що лежать в смузі пропускання аналогових систем автоматики, мають частоти до десятків кілогерц. На цифрові кола|цепи| впливають перешкоди в смузі до сотень мегагерц. Перешкоди діапазону гігагерца безпосереднього впливу на системи автоматизації не чинять, проте|однак| після|потім| перетворення в нелінійних елементах або унаслідок|внаслідок| аліасного| ефекту вони можуть породжувати низькочастотні перешкоди, лежачі у межах сприйманого спектру.
Пристрої|устрої|, в яких відбувається|походить| перемикання рівня струму|току| або напруги|напруження| за короткий проміжок часу, є|з'являються,являються| джерелами широкосмугових перешкод (двигуни, вимикачі, реле і контактори, тощо.). Пристрої|устрої|, в яких відбувається|походить| періодична зміна струму|току| або напруги|напруження| з|із| обмеженою швидкістю наростання, дають вузькосмугові перешкоди (наприклад, стільникові телефони, радіопередавачі, генератори сигналів, мікрохвильові печі, мікропроцесорні системи).
У сигнальних колах|цепах| і колах|цепах| заземлення систем автоматизації міститься|утримується| весь спектр можливих перешкод. Проте|однак| паразитний вплив роблять тільки|лише| перешкоди, частоти яких лежать в смузі пропускання пристроїв|устроїв| автоматики. Среднєквадратичне значення напруги|напруження| або струму|току| перешкоди Еперешк визначається шириною її спектру:
(15.1)
де
—
спектральна щільність потужності
перешкоди, В2/fгц; fн|
і fв|
— нижня і
верхня межі|кордони|
спектру перешкоди. У окремому випадку,
коли е2|(f)
слабо залежить від частоти, приведене
співвідношення спрощується:
Таким чином, для
зменшення впливу перешкод на системи
автоматизації потрібно звужувати ширину
смуги пропускання fв|
— fн|
аналогових
модулів введення і виведення. Наприклад,
якщо відомо, що стала часу датчика τ
складає 0,3 с|із|,
що приблизно відповідає смузі пропускання
сигналу
,
то обмеження смуги пропускання модуля
введення величиною 0,5 Гц дозволить
зменшити рівень перешкоди і тим самим
підвищити точність вимірювань|вимірів|,
понизити|знизити|
вимоги до заземлення, екранування і
монтажу системи.
Проте|однак| фільтр вносить динамічну похибку до результатів вимірювання|виміру|, яка залежить від форми (спектру) вхідного сигналу. Динамічна похибка притаманна всім відомим методам ослаблення|ослабіння| перешкоди нормального вигляду|виду|, хоча вона часто не указується|вказує| в характеристиках аналогових модулів, що може вводити|запроваджувати| користувача в оману.
|
Рис. 15.1. АЧХ sinc3| фільтру, що входить до складу аналогових модулів «RealLab|!» |
Найпотужнішою в системах автоматизації є|з'являється,являється| перешкода з|із| частотою живлячої|почувати| мережі|сіті| 50 Гц. Тому для її придушення використовують вузькосмугові фільтри, налаштовані точно (за допомогою кварцу) на частоту 50 Гц. На рис. 15.1 як приклад|зразок| приведена амплітудно-частотна характеристика (АЧХ) цифрового фільтру, використаного в модулях RealLab|! серії NL|. Фільтр настроєний|налагоджений| таким чином, що він послаблює на 120 дБ| (на 6 порядків|лади|) перешкоду з|із| частотою 50 Гц.
При ще більшій інерційності датчиків або контрольованої системи (наприклад, коли датчик стоїть в печі, час виходу на режим якої складає декілька годин) можна використовувати процедуру багаторазових вимірювань|вимірів| або додаткову цифрову фільтрацію в керуючому контролері, або комп'ютері. У загальному|спільному| випадку, чим більше час вимірювання|виміру|, тим точніше можна виділити сигнал на фоні шуму і тим сильніше ослабити вимоги до рівня перешкод.
Слід зазначити, що|слід відзначити , що,следует отметить | наявність фільтру не завжди рятує від впливу перешкод. Наприклад, якщо високочастотна перешкода, перш ніж потрапити|попадати| на вхід модуля введення, детектується|детектує| або випрямляється на нелінійних елементах, то із сигналу перешкоди виділяється постійна або низькочастотна складова, яка вже не може бути ослаблена фільтром модуля введення. Як нелінійні елементи можуть виступати|вирушати|, наприклад, контакти різнорідних металів, захисні діоди, стабілітрони.
15.3. Перешкоди з|із| мережі|сіті| електропостачання
Живляча|почувати| мережа|сіть| 220/380 В з|із| частотою 50 Гц і підключені до неї блоки живлення|харчування| є|з'являються,являються| джерелами наступних|слідуючих| перешкод:
фон з|із| частотою 50 Гц;
викиди напруги|напруження| від спалаху блискавки (рис. 15.2а);
короткочасні згасаючі коливання при перемиканні індуктивного навантаження (рис. 15.2б);
високочастотний шум, накладений на синусоїду 50 Гц (рис. 15.2в);
інфранизькочастотний| шум, що виявляється як нестабільність в часі середнєквадратичного| значення мережевої|мережної| напруги|напруження| ;
довготривалі спотворення форми синусоїди і гармоніки|гармошки| при насиченні осердя трансформатора і по інших причинах.
Найбільший вплив на системи промислової автоматики роблять перші три види перешкод (мал. 15.2).
|
Рис. 15.2. Види перешкод, проникаючих|проникних| з|із| мережі|сіті| живлення|харчування|: а — від спалаху блискавки; б — при перемиканні індуктивного навантаження; у — перешкоди від радіостанцій
|
|
Рис. 15.3. Зміни значення мережевої|мережної| напруги|напруження|, що діє, протягом доби |
Для зменшення короткочасних викидів напруги|напруження| використовують спеціальні захисні діоди і варістори|. Інфра-нізкочастотний шум і спотворення синусоїди фільтруються стабілізатором і згладжувальним фільтром мережевого|мережного| джерела живлення|харчування| і практично не проходять|минають,спливають| крізь паразитні ємності|місткості| мережевого|мережного| трансформатора.
Причинами і джерелами мережевих|мережних| перешкод можуть бути розряди блискавки при попаданні в лінію електропередачі, включення|приєднання| або виключення електроприладів, регулятори|регулювальники| тиристорів потужності, реле, електромагнітні клапани, електродвигуни, устаткування|обладнання| електрозварювання і ін.
Шляхи|колії,дороги| проникнення мережевої|мережної| перешкоди показані на рис. 15.4. Силовий або розв'язвальний трансформатор увімкнено в мережу|сіть| 220 В, 50 Гц. Мережа|сіть| представлена|уявляти| еквівалентним джерелом напруги|напруження| Е~220 В і еквівалентним джерелом перешкод Епер- Нульовий провід джерела мережевої|мережної| напруги|напруження| заземлений на головному щиті у|біля,в| вводу до будівлі. Якщо вихід джерела живлення|харчування| теж|також| заземлений, що часто необхідне для цілей електробезпеки, то виникає шлях|колія,дорога| протікання струму|току| перешкоди, що показаний на мал. 15.4, включає опір заземляючого провідника Rзем| Основною ланкою в цьому коліі|цепі| є|з'являється,являється| паразитна ємність|місткість| між обмотками| силового трансформатора Cпар1|, для зменшення впливу якої часто використовують заземлений електростатичний екран (мал. 15.5).
|
Рис. 15.4. Шляхи|колії,дороги| проникнення перешкоди з|із| мережі|сіті| 220 В, 50 Гц в систему заземлення і загальний|спільний| провід джерела живлення|харчування|
|
Струм|тік| перешкоди протікає по загальному|спільному| дроту|проводу| джерела живлення|харчування| і заземляючому провідникові, створюючи на їх опорі падіння напруги|напруження| перешкоди, про яку мова|промова| піде в наступних|таких| розділах (на рис.15.4 ці ділянки кола|цепу| виділені жирною лінією)
|
Рис. 15.5. Джерело живлення|харчування| з|із| трьома типами земель|грунтів|. Зліва направо: захисна земля|грунт|, екранна земля|грунт| і сигнальна. Екран показано штриховою лінією
|
Струм|тік| джерела перешкоди Епер може замикатися не на трансфораторной| підстанції, а через внутрішній опір інших електроприладів, підключених до електричної мережі|сіті|, а також через ємність|місткість| кабелю. Таким чином, на шині заземлення падає паразитна напруга|напруження| перешкоди, роблячи|чинити| її «брудною», і частина|частка| напруги|напруження| перешкоди потрапляє|попадає| на вихід джерела живлення|харчування| через ділянку проводу, виділену жирною лінією на рис. 15.4.
Найбільш значною перешкодою, що проникає в шину заземлення з|із| мережі|сіті| 220 В, 50 Гц, є|з'являється,являється| ємнісний|місткість| струм|тік|, що протікає через ємність|місткість| між обмоткою двигуна і його корпусом; струм|тік| між мережевою|мережною| обмоткою трансформатора і осердям, струм|тік| через конденсатори мережевих|мережних| фільтрів.
Шлях|колія,дорога| струму|току| перешкоди через ємність|місткість| між первинною обмоткою трансформатора і його заземленим осердям Спарз показано на рис. 15.4. Цей струм|тік| також протікає через загальний|спільний| дріт|провід| джерела живлення|харчування| і заземляючий провідник. Саме ця ємність|місткість| є|з'являється,являється| причиною того, що незаземлені електроприлади «б'ють струмом|током|». За відсутності заземлення потенціал металевого корпусу приладів, підключених до мережі|сіті| 220 В, складає від декількох десятків до 220 В залежно від опору витоку на землю|грунт|. Для зменшення цієї напруги|напруження| корпусу приладів, включених в мережу|сіть| 220 В, повинні бути заземлені.
При використанні DC-DC| (Direct| Current-Direct| Current|) і AC-DC| (Alternating| Current-Direct| Current|) перетворювачів напруга|напруження|, які містять|утримує| внутрішній генератор, до джерела перешкоди додається|добавляє| ємнісне|місткість| і індуктивне наведення від власного генератора перетворювача. Тому рівень перешкод на загальному|спільному| проводі у|біля,в| DC-DC| і AC-DC| перетворювачів вище, ніж в джерелах із|із| звичайним|звичним| силовим трансформатором, хоча прохідна ємність|місткість| Спар1 в перетворювачах може бути зменшена до одиниць пікофарад в порівнянні з сотнями пікофарад для звичайного|звичного| силового трансформатора.
Для зменшення проникнення перешкоди в джерелах живлення|харчування| використовують роздільне екранування первинної і вторинної|повторної| обмотки трансформатора, а також розділення|поділ| захисної, сигнальної і корпусної (екранною) землі|грунту| (див. рис. 15.4). На малюнку суцільною жирною лінією показано металевий корпус приладу; кружечками позначені клемні з'єднувачі, ізольовані від корпусу.