Основным видом носителя информации в современных АСУ ТП является электрический ток. В то же время трудно назвать технологический процесс, в котором в том или ином виде не используется электроэнергия. Информационные сигналы автоматизированных систем управления, как правило, слаботочные, а для работы машин используются сильные токи. Сочетание этих факторов выдвигает необходимость учитывать влияние электроустановок на элементы АСУ ТП и сигналы, циркулирующие в них. Такие мешающие воздействия принято называть помехами автоматизированных систем управления.
В общем случае помеху автоматизированных систем управления можно представить как посторонний сигнал, вносящий искажения в передаваемое сообщение систем управления технологическими процессами. Если полезный сигнал автоматизированных систем управления и помеху представить как функцию времени S(t) и Q(t), то результирующий сигнал, полученный при их. В случае имеем аддитивную помеху, а в случае — мультипликативную.
В обобщенном виде можно считать, что аддитивная помеха систем управления технологическими процессами вызывается внешними по отношению к рассматриваемой системе автоматизации факторами (нестационарными процессами в питающей сети, возмущениями электромагнитных полей, атмосферными разрядами и т. п.), а мультипликативная — случайными изменениями характеристик элементов самой системы (неоднородностью характеристик канала передачи, физическими явлениями в приборах систем управления технологическими процессами, такими как дробовой эффект, контактные термо- и гальвано-ЭДС, и т. п.).
Нестационарные помехи систем автоматизации описываются случайными функциями времени и подразделяются на флюктуационные и импульсные. Флюктуационные помехи образуются при наложении значительного числа следующих один за другим импульсов, причем каждый последующий импульс возникает до исчезновения переходного процесса, вызванного предыдущим. Импульсные помехи — это последовательность импульсов произвольной формы, амплитуды и длительности которых изменяются по случайному закону, причем длительность импульсов в совокупности с их переходными процессами меньше интервалов времени между смежными возмущениями. Деление помех систем автоматизации на флюктуационные и импульсные достаточно условно и определяется прежде всего полосой пропускания приемника информации систем автоматизации.
Регулярные помехи систем автоматического управления представляют собой модулированные или немодулированные гармонические колебания. В условиях промышленных предприятий — это синусоидальные колебания частотой 50 Гц и более высоких составляющих.
Характер помех систем автоматического управления определяется электрическими параметрами цепей, по которым протекает ток помехи: электрической емкостью, индуктивностью, сопротивлением или проводимостью изоляции. Будем называть помехи, определяемые преимущественно емкостной связью, электрическими. При этом токи помех систем автоматического управления зависят от емкости между токопроводящими элементами (межобмоточные, между жильные и т. п. емкости) и между токопроводящими элементами и землей. Емкости связи входного трансформатора, емкость связи силового трансформатора и емкость корпуса прибора относительно земли системы определяют напряжение помехи, которое через трансформатор, приложенного к входу усилителя. Электромагнитные помехи систем автоматического управления вызываются ЭДС, наведенной внешним полем.
Например, внешнее электромагнитное поле приводит к образованию напряжения на проводах от датчика ТП (термопара) к вторичному прибору (входной усилитель). Кондуктивные помехи зависят от проводимостей изоляции токопроводов (соединительные провода, обмотки) и изоляции между токопроводами и землей.
По способу включения генератора помех различают поперечные и продольные помехи систем промышленной автоматизации. Если напряжение электрической помехи приложено непосредственно к входным зажимам приемного прибора и включено последовательно с полезным сигналом, то такая помеха называется поперечной.
В системах автоматизации может иметь место разность потенциалов между одним из входных зажимов приемного устройства систем промышленной автоматизации, или, что-то же самое, между одним из измерительных проводов и заземленным датчиком (периферийным элементом) системы. При этом возникает помеха, называемая продольной.
Генератор поперечных помех систем промышленной автоматизации, имеющий ЭДС Е1 и внутреннее сопротивление r1, включен последовательно с источником полезного сигнала Ед, а генератор продольных помех Е2 с внутренним сопротивлением r2 включен между заземленной точкой системы и одним из измерительных входов приемника ВП. Возможны различные варианты-такой схемы:
- датчик не заземлен, один входной зажим приемника (усилителя) соединен с корпусом и заземлен;
- датчик заземлен, входные зажимы не имеют непосредственного соединения с корпусом, а соединяются с ним через емкости цепей прибора (это равнозначно влиянию емкостей цепей жила — земля измерительных приборов).
Наиболее опасной является поперечная помеха систем промышленной автоматизации. Продольные помехи в значительной степени зависят от разности потенциалов точек заземления датчика и вторичного прибора или его корпуса.
Возможны случаи преобразования продольной помехи систем промышленной автоматизации в помеху поперечную. Действительно, если принять, что сам вторичный прибор надежно изолирован от земли, то в случае полной симметрии емкостей входных цепей С1, С2 помеха продольная вызывает протекание двух взаимно компенсирующих токов наводки. При неравенстве С1 и С2 появляется разность потенциалов, приложенная к входным зажимам.
В зависимости от взаимного расположения источника помех и подверженного воздействию помех устройства или системы, различают внешние помехи и внутренние.
Для промышленного предприятия наиболее часты внешние помехи — индустриальные и атмосферные, наводимые на элементах системы (соединительных линиях, датчиках), либо проникающие в цепи приборов и систем по сети питания или через заземления промышленных систем управления. Внутренние помехи обусловлены воздействием электрических цепей одних элементов данной системы автоматизации на другие элементы этой же системы. Наиболее распространенный случай — это генерирование токов помех проводами питающих линий четырехпроводной (в общем случае п- проводной) системы в измерительные линии этой же системы. Особенно велики помехи при совместной прокладке проводов. Такие помехи будем называть внутрисистемными. Широко известно влияние одних цепей на другие, вызывающие внутри- приборные помехи промышленных систем управления. Примером их является протекание паразитных токов через емкости связи элементов одного и того же прибора.
Способы защиты от воздействия электрических помех для систем, работающих с непрерывными сигналами промышленных систем управления, и для систем, работающих с дискретными сигналами, отличаются. Если для первых основные решения реализуются при проектировании датчиков, вторичных приборов, соединительных линий | и выборе соответствующих правил монтажа элементов, а также во многом определяются конструктивным выполнением приборов, то для дискретных систем основным методом защиты от помех является помехоустойчивое кодирование информации.
Основные рекомендации, позволяющие повысить помехозащищенность систем, работающих с непрерывными сигналами промышленных систем управления.
В системах технологического контроля электрические помехи приводят к отказам. В распространенной на практике схеме технологического контроля промышленных систем управления, работающей на переменном токе промышленной частоты, число проводов соединительной линии от датчиков состояния Д до приемных устройств ПУ определяется по выражению N=n+ 1, где n— число сообщений (сигналов или команд).
Очевидна возможность ложного срабатывания приемного устройства автоматизированных систем управления Р через темы, паразитные связи в соединительном контрольном кабеле. Если электрический ток, протекающий через приемное устройство, превысит ток срабатывания, произойдет ложное включение (отключение) системы. Для проверки схемы на вероятность такого нарушения необходимо знать километрическую емкость кабеля и ток (напряжение) срабатывания приемного устройства.
В расчетных схемах автоматизированных систем управления не учитываются омические и индуктивные сопротивления соединительных проводов. Это первое допущение.
Второе допущение автоматизированных систем управления состоит в том, что распределенные емкости проводов учитываются как сосредоточенные. При создании АСУ ТП на производствах с очень большими помехами (сварочное оборудование, высокочастотные печи и т. п.) для предотвращения сбоев программируемых логических контроллеров (ПЛК) они экранируются.