Czujniki okablowania do rozwiązywania problemów z indukcyjnością, sprzężeniem elektrostatycznym i przewodzeniem

Wszystko, co ma charakter elektryczny i przechodzi przez kabel przemysłowy, a nie jest sygnałem, jest szumem - czyli zakłóceniami elektromagnetycznymi (EMI) i zakłóceniami o częstotliwościach radiowych (RFI) w takiej czy innej formie. Współczesne komponenty automatyki są domyślnie projektowane tak, aby unikać szumów poprzez ochronę sygnałów przed wpływem środowiska elektromagnetycznego, w którym komponenty te mają pracować. Zapobieganie degradacji sygnału wymaga jednak również starannej integracji zautomatyzowanych maszyn. Zwykle wiąże się to z połączeniem dobrych praktyk w zakresie projektowania i doświadczenia w połączeniach elektrycznych.

Ilustracja 1: podzespoły i podukłady przeznaczone wyłącznie do zapobiegania zakłóceniom elektromagnetycznym zwykle przybierają postać obwodów filtrujących lub elementów blokujących (ekranujących), takich jak pokazany tutaj rurowy ekran przewodowy z miedzi cynowanej. (Źródło ilustracji: Belden Inc.)

W niniejszym artykule przyjrzymy się kluczowym metodom projektowania pozwalającym:

• zmniejszyć generowanie wewnętrznych i zewnętrznych zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) przez komponenty
• zwiększyć odporność komponentów na zakłócenia elektromagnetyczne

Najważniejsze cele projektowe to zminimalizowanie wszelkich rozchodzących się wewnętrznie emisji dla każdego komponentu w projekcie, jak również zminimalizowanie jego podatności na emisje przewodzone zewnętrznie. W tym ostatnim przypadku, własna odporność na zewnętrznie sprzężone emisje musi chronić przed niepożądanymi sygnałami elektronicznymi przesyłanymi w drodze przewodzenia bezpośredniego, indukcyjności lub sprzężenia pojemnościowego.

Ilustracja 2: samoprzylepne arkusze absorbujące zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) firmy 3M z serii AB5000 zawierają metalowe płatki tłumiące promieniowane zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) z urządzeń mobilnych i sprzętu wojskowego. Arkusze serii AB6000 zawierają warstwy izolacyjne, pochłaniające, ekranujące i nieprzewodzące przeznaczone do zastosowań wymagających zarówno ekranowania, jak i absorpcji zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) - m.in. telefonów komórkowych, tunerów i urządzeń medycznych. Arkusze serii AB7000 doskonale sprawdzają się w urządzeniach elektronicznych wymagających kontroli zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) i poprawy integralności sygnału w zakresie od 50MHz do 10GHz. Arkusze redukują promieniowane szumy układów scalonych, a także zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) i przesłuchy w elektronice telefonów komórkowych oraz na kablach taśmowych i elastycznych. (Źródło ilustracji: 3M)

Specyficzne zagrożenia dla jakości sygnału

Większość wysiłków związanych z projektowaniem urządzeń automatyki przemysłowej koncentruje się na specyfikacjach komponentów, takich jak aktuatory i czujniki. Ale weźmy pod lupę te drugie: jeśli czujniki są uszami i oczami systemów zautomatyzowanych, to okablowanie jest układem nerwowym przenoszącym sygnały do mózgu (czyli kontrolera maszyny, kontynuując analogię). Okablowanie to jest narażone na różne potencjalne źródła zakłóceń, które mogą zaburzać funkcje sterowania układem.

Ilustracja 3: komponenty elektryczne, takie jak czujniki i aktuatory są rutynowo testowane pod kątem kompatybilności elektromagnetycznej (EMC) i podatności, chociaż rola okablowania i ich złączy w utrzymaniu i wspieraniu kompatybilności elektromagnetycznej jest często pomijana. Niektóre złącza kablowe mechanicznie zabezpieczają i elektromagnetycznie ekranują końce kabli i służą jako filtry EMI. Niektóre kondensatory płaskie są w stanie filtrować zakłócenia elektromagnetyczne w zakresach VHF, UHF, MF1, HF i innych w topologiach C, CL, LC, L oraz różnych topologiach pi. (Źródło ilustracji: Amphenol Industrial Operations)

Jeśli czujnik, aktuator lub inny komponent wykrywa i generuje sygnały na zasadzie indukcyjnej, pojemnościowej lub elektromagnetycznej, wszelkie płytki drukowane zawarte w tym układzie prawdopodobnie będą wymagały ekranowania, a także rozległych płaszczyzn masy. Te ostatnie omówiono szczegółowo w artykule DigiKey pt. „Ekranowanie częstotliwości radiowych: sztuka i technika eliminowania zakłóceń”. Ponadto natężenie i częstotliwość potencjalnych emisji do środowiska powinny być dobrze znane lub przynajmniej skodyfikowane w normie przemysłowej na początkowym etapie projektowania. Przykłady typowych i oczekiwanych zakresów zakłóceń:

• 50 lub 60Hz - częstotliwości linii w sieci energetycznej
• od 4 do 16kHz - na przykład w modulacji szerokości impulsu (PWM) indukowanej przez tranzystory IGBT z napędów o zmiennej częstotliwości do silników elektrycznych
• 2,4GHz - pasmo „przemysłowe, naukowe, medyczne” (ISM) do komunikacji bezprzewodowej.

Więcej informacji o wytwarzaniu pól elektromagnetycznych przez silniki, przekaźniki, elektromagnesy i aktuatory oraz o konkretnym przypadku zabezpieczenia magistrali szeregowych RS-485 przed tymi źródłami zakłóceń elektromagnetycznych można znaleźć w artykule DigiKey pt. „Zabezpieczenia magistrali RS-485 w środowiskach przemysłowych. Inne rodzaje zakłóceń to m.in. przepięcia, szybkozmienne stany nieustalone i wyładowania elektrostatyczne (np. z powodu „elektryczności statycznej” na personelu zakładowym w warunkach suchych lub bez antystatycznej podłogi), a także uderzenia piorunów wynikające z ekstremalnych warunków pogodowych w pobliżu zakładu.

Ilustracja 4: przedstawiony panel PC PC1321BP posiada interfejs typu człowiek-maszyna w postaci pojemnościowego ekranu dotykowego. Elektronika sterująca i ekran zawierają ekrany i inne elementy zapobiegające przewodzeniu i promieniowaniu zakłóceń o częstotliwościach radiowych (RFI). (Źródło ilustracji: Maple Systems)

Przeanalizujmy generujące zakłócenia elektryczne spawanie łukowe. Wiadomo jest, że spawanie generuje zakłócenia elektryczne o dużej szerokości pasma z następujących powodów:

• Wysoka energia (prąd) związana z procesem spawania
• Zmiany impedancji podczas spawania

Tak więc przemysłowy sprzęt spawalniczy, który działa w pobliżu jakichkolwiek linii energetycznych w obiekcie (lub nawet dzieli uziemienie masowe z innym sprzętem) może stać się znaczącym źródłem zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) i elektrycznie łączyć się z innymi urządzeniami - znajdującymi się nawet dziesiątki metrów dalej. W takich instalacjach należy uwzględnić specjalistyczny sprzęt i akcesoria (zwłaszcza kable) zapobiegające problemom operacyjnym związanym z zakłóceniami elektromagnetycznymi (EMI).

Specyfikacja urządzenia i błędy instalacyjne, których należy unikać

Po podłączeniu urządzenia do większego zautomatyzowanego systemu może ono wykazywać komunikację lub zachowania, które:

• pojawiają się tylko w związku z zakłóceniami elektromagnetycznymi
• właściwie są związane z zakłóceniami elektromagnetycznymi

Problemy wynikające z zakłóceń elektromagnetycznych objawiać się mogą zanikiem sygnału, niskim stosunkiem sygnału do szumu, zakłóceniami sygnału i niestabilnymi pętlami sterowania.

Czujniki generujące sygnały analogowe są najbardziej podatne na zakłócenia, dlatego często rozwiązaniem preferowanym są porównywalne urządzenia cyfrowe. Są to wersje czujników, które generują cyfrowe sygnały wyjściowe PWM, częstotliwościowe lub szeregowe, bardziej odporne na zakłócenia elektromagnetyczne. Jedynym zastrzeżeniem jest to, że wysokie częstotliwości przełączania niektórych sygnałów cyfrowych mogą powodować „dzwonienie” (oscylacje na wyjściu napięciowym lub prądowym) z wykładniczym zanikiem na przejściach. Takiemu dzwonieniu często zapobiega się za pomocą małego kondensatora odsprzęgającego lub rezystora tłumiącego w układzie czujnika po stronie odbiornika.

Więcej informacji o różnicach między analogowymi i cyfrowymi sygnałami urządzeń podano w opracowanym przez firmę DigiKey module edukacyjnym dotyczącym kabli.

Preferowane są czujniki, które mogą generować różnicowe sygnały wyjściowe, o ile są dostępne. Czujniki pracujące w trybie różnicowym (z sygnałem A i jego odwróconym sygnałem A/) skutecznie zapobiegają wszelkim szumom współbieżnym. Odporność na zakłócenia elektromagnetyczne jeszcze bardziej poprawiają skrętki dwużyłowe, które (o ile są prawidłowo zainstalowane) rejestrują indukowany szum w identyczny sposób na obu przewodach, zapewniając maksymalnie skuteczne tłumienie szumów.

Niska pojemność po stronie sygnałowej kabla czujnika ma kluczowe znaczenie dla zminimalizowania podatności na zakłócenia elektromagnetyczne (EMI). Inną zaletą jest to, że sygnały o niskiej pojemności przenoszące dane częstotliwościowe najlepiej utrzymują stabilność wyjściowych sygnałów sterujących wraz ze zmianami częstotliwości sygnału. Nadmierna pojemność z kolei może powodować spadek wzmocnienia sygnału a czasami zmniejszenie ogólnego sygnału wyjściowego poniżej progu wykrywalności. Takie krótkotrwałe zjawisko jest często dość subtelne, ale można je łatwo wykryć za pomocą oscyloskopu.

W idealnym świecie okablowanie przesyła do czujników mocy i aktuatorów czyste sygnały zasilania i wartości odniesienia. Następnie przesyła idealnie czyste sygnały stanu czujnika i aktuatora z powrotem do kontrolera. Choć może się to wydawać proste, kable podłączone do czujników lub aktuatorów są istotną i wrażliwą częścią obwodu elektrycznego - a także głównym obszarem zwiększonej podatności na zakłócenia elektromagnetyczne (EMI). Dzieje się tak, ponieważ w pewnych okolicznościach mogą zachowywać się jak długie anteny.

Wskazówka dotycząca projektowania: należy wziąć pod uwagę straty mocy spowodowane szczególnie długimi odcinkami kabli - przekraczającymi około 150m - zwłaszcza jeśli przewody zasilające mają przekrój nie przekraczający 22AWG, a prądy przenoszą moce 500mW lub więcej na każde urządzenie.

Kolejna wskazówka dotycząca prawidłowego podłączania czujników: należy rozeznać się w przewodach po stronie zasilania i uważnie je podłączyć, pomimo że sposób wykonania połączeń często wydaje się oczywisty. W przypadku wielu czujników i aktuatorów to złącze zasilania zapewnia napięcie odniesienia w zakresie od 5 do 28V do sterowania sygnałami ostatecznie zwracanymi do kontrolera. Dwa przewody po stronie zasilania kabla często nazywa się zasilaniem i masą. Nie jest to do końca poprawne - i (jeśli takie oznaczenia decydują o sposobie instalacji) może prowadzić do problemów z zakłóceniami. Bardziej poprawnie, masę po stronie zasilania czujnika powinno nazywać się sygnałem wspólnym. Dzieje się tak, ponieważ powrót zasilania kończy się na wewnętrznym odniesieniu zasilania, a nie na masie układu. Tutaj prawdziwa masa jest często połączona z:

• obudową szafki ściennej lub
• korytkiem kablowym prowadzącym do fizycznego uziemienia masowego

Takie uziemienie masowe może często mieć inny potencjał niż wspólny sygnał. Oznacza to, że jeśli sygnał powrotny zostanie podłączony bezpośrednio do masy, przez wspólny przewód sygnałowy będzie mógł przepływać prąd i będzie tworzyć pętlę masy - zbierając niepożądane szumy.

Oczywiście integralność instalacji po stronie zasilania może dodatkowo zwiększyć w pełni ekranowany kabel. Taki ekran jest zwykle pozostawiony bez podłączenia, aby służyć jako klatka Faradaya i ograniczyć moc indukowaną w przewodach zasilania. Ale czasami zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) są na tyle znaczące, że wymagają czegoś więcej niż tylko ekranowania. W tym przypadku jednym rozwiązaniem jest podłączenie odprowadzenia z ekranu do uziemienia masowego szafy lub rurki kablowej, które posłuży jako ścieżka upływu dla nadmiaru energii na ekranie do masy. Rzadko zaleca się podłączenie takiego ekranu na obu końcach, ponieważ koniec kabla z urządzeniem często ma inny potencjał niż koniec zasilania, co oznacza, że ekrany podłączone na obu końcach mogą faktycznie doświadczać przepływu nadmiernego prądu. Jest to najbardziej problematyczne podczas burz z piorunami, kiedy potencjał masy może się znacznie różnić, w wyniku uderzenia pioruna w ziemię w pobliżu zakładu. W przypadkach, gdy zespół kablowy jest budowany we własnym zakresie, należy zadbać o to, aby jego ekranowanie było na całej długości i łączyło się z korpusem złącza - zapewniając ciągłość właściwości ekranu Faradaya.

Ostatnia uwaga dotycząca utrzymania jakości sygnału zwrotnego automatyki: z biegiem czasu systemy automatyki są często modernizowane i rozbudowywane. Zwykle wiąże się to z dodawaniem kolejnych urządzeń zapewniających bardziej złożone i wyrafinowane możliwości. Ryzyko polega na podłączeniu do jednego istniejącego źródła zasilania nadmiernej liczby urządzeń, ponieważ może to z kolei spowodować spadek napięcia i utratę sygnałów. Przejawia się to jako chwilowy problem i wygląda jak zanik sygnału z powodu szkodliwych zakłóceń. Przeciążone zasilacze występują dość powszechnie, więc podczas wszelkich aktualizacji należy upewnić się, że istniejące zasilacze są w stanie obsłużyć obciążenie przy pracy wszystkich urządzeń.

Podsumowanie

Dokładne i przemyślane podejścia projektowe mogą zapewnić niezawodne działanie urządzeń odpowiednie dla środowisk automatyki przemysłowej. Zastrzeżenie polega na tym, że prawidłowa instalacja czujników i aktuatorów wymaga zwrócenia szczególnej uwagi na schematy połączeń oraz zapobiegania pogarszania jakości sygnału przez zakłócenia elektromagnetyczne (EMI). Wykonanie końcowych połączeń z wykorzystaniem wysokiej jakości kabli i złączy pozwala uniknąć problemów zarówno podczas uruchamiania, jak i eksploatacji zautomatyzowanych maszyn.