Устранение помех в станке


Альтернативы, помогающие выбрать наилучший способ устранения электрических шумовых помех от двигателей и приводов, которые влияют на сигналы датчиков и контроллеры

Часто электрические шумовые помехи от двигателей и приводов влияют на сигналы датчиков и контроллеров. Даже устройства управления и контроля (УУК) металлорежущих станков могут поломаться из-за электромагнитных помех от  многих старых крупных двигателей и приводов, расположенных рядом и которые мы действительно не можем заменить. Одно из решений проблемы  - использовать волоконно-оптический кабель для передачи сигнала, но это решение не из дешевых. В качестве альтернативы, существуют десятки сетевых фильтров питания, источники бесперебойного питания и другие энергообразующие устройства, цены на них варьируются от менее 100 USD до более 1000 USD. Предоставляем краткую информацию об обеих альтернативах, дабы помочь выбрать наилучший вариант. 


ОТВЕТЫ


Сперва прочтите!


Ниже приведены несколько основных правил проектирования, которые могут помочь решить проблему:
  • Разделение между низковольтным комплектным механизмом управления и высоковольтными линиями электропередачи: если эти линии должны пересечься, они должны сделать это под углом 90 °.
  • Используйте экранированный кабель. Отметим, что иногда использование того, что обычно продается под видом экранированного кабеля датчика, может только усугубить проблему. Большинство таких кабелей не соединяют экран с соединительной гайкой и, как следствие, не обеспечивают беспрепятственный доступ к земле.
  • Обеспечьте надежное заземление машины. Это обязательное условие при использовании экранированных кабелей, в противном случае экран будет выравнивать потенциал между различными секциями машины.
  • Используйте ферритовые фильтры.
  • Уменьшите длину кабелей. В этом случае датчики подключаются к перефирийным модулям ввода / вывода, которые обмениваются данными с ПЛК по сети. Для этой цели удобно использовать AS-Interface, так как он прост и гибок. Кроме того, характер проекта придает этой сети высокую внутреннюю помехоустойчивость и надежное обнаружение ошибок в сочетании с автоматической повторной передачей данных.
  • Хорошее заземление. Убедитесь, что все оборудование заземлено в одну точку, также известную, как «нейтральная точка звезды». Точка звезды должна подходить к заземлению источника питания. Это поможет уменьшить ток в заземляющем контуре. Также используйте линейные тороидные фильтры с линиями питания для каждой единицы оборудования. Для датчиков используйте проходные фильтры L-C между датчиком и контроллерами или ПЛК. Диапазон частот фильтра должен быть от ПТ до 50 МГц с затуханием в 30 дБ или более. Заземление фильтра должно быть подключено к земле.



Выход есть – электрическая изоляция сигналов!


Необходимость в изоляции может выражаться по-разному в зависимости от типов сигналов и окружающего оборудования на конкретном участке. Существуют следующие типы изоляции: изоляция сигналов, изоляция питания и изоляция передачи данных. 

Чтобы уменьшить влияние электрических шумов на сигналы, управляющие машинами и другим оборудованием, следует использовать комбинацию двух технологий: оптическая изоляция и индуктивная. Как правило, для сигналов, полученных датчиками, характерны низкие уровни, поэтому они чувствительны к емкостным и индуктивным помехам, например, генерируемым двигателями, приводами и другими процессами. Один из способов защиты от шума подразумевает использование устройств изоляции сигналов, которые используют оптроны и трансформаторы. В идеале при передаче сигнала используют оптическую изоляцию между входными и выходными сигналами и индуктивную изоляцию источника питания от входа и выхода. Это обычно называют трехлинейной изоляцией.

Дополнительная изоляция может быть улучшена – это методы эффективной сетевой разводки. Сигналы напряжения зависят от длины прокладки кабеля датчика, они просты в использовании, но для них характерно падение напряжения, даже в то случае, когда длина кабеля превышает всего несколько футов. Они дорого обходятся, если использовать большие проводники.

Преобразование в сигналы тока может быть выгодным, поскольку экранированная витая пара проводников может передавать сигнал 4-20 мА на очень большие расстояния.  Заземление экрана на одном конце защитит от электрических шумов.

устранить помехи в станке.jpg



Изоляция питания


Второй тип изоляции - это изоляция питания. Для этого эффективно использовать преобразователь постоянного тока.

Например, входной сигнал преобразуется посредством широтно-импульсной модуляции в частотный сигнал и снова демодулируется на выходе для формирования аналогового значения. Затем усилитель генерирует обычный аналоговый сигнал. Гальванически изолированный преобразователь постоянного тока питает входную и выходную цепи с помощью беспотенциального напряжения питания. Он также определяет уровень изоляции при помощи данных, воздуха и пути утечки. Гальваническая изоляция подразумевает то, что цепь отделена от источника сигнала таким образом, чтобы постоянный ток не мог блокировать соединение.

Зачастую в машинах, электрической панели, производственном или любом оборудовании используется более мощный источник питания. Данная общая шина питания постоянного тока обычно содержит устройства, производящие электрический шум. Шум может мешать другому оборудованию на шине питания. Этот шум может быть изолирован с помощью преобразователя постоянного тока, использующего оптическую и магнитную изоляцию для ограничения проходящих электрических шумов. Такой вариант обойдется приблизительно в 250 $ за одну шину питания.

Как и при изоляции сигнала, изоляция питания может быть значительно улучшена за счет использования эффективных методов подключения. Этот фактор индуцированного шума очень часто упускают из виду.

Разделение сигнала и питания во внутренней сети кабеля - хорошая идея. Заземление только одного конца кабеля без использования изолятора сигнала является еще одним методом, про который часто забывают. Заземление двух концов сигнального кабеля очень часто приводит к петлевому заземлению и погрешностям сигнала, а также может представлять угрозу безопасности. Мы рекомендуем использовать сигнальные изоляторы, которые позволяют заземлять оборудование независимо от датчика.



Изоляция передачи данных


Последняя основная категория изоляции связана с передачей данных. Наиболее эффективным методом является использование волоконно-оптических кабелей. Оптоволокно не так чувствительно к электромагнитным помехам, как медные сетевые кабели, например витая пара.

Безусловно, использование волоконно-оптических кабелей - вариант в случае, если вы сообщаете информацию о датчике через какую-либо шинную систему или среду связи. В качестве примера можно привести датчик, измеряющий физическую характеристику, передачу сигнала на адрес связи и затем передачу информации через волоконно-оптический носитель Ethernet на регулятор или УУК. Недостатком данного метода является то, что обычно он очень дорого обходится. То же самое можно сказать и про DeviceNet, Profibus и Modbus. Но должен же быть какой-то тип интеллектуального устройства, использующего собственный протокол для помещения информации датчика в поток данных, который можно передать через оптоволоконный кабель.


Защита и фильтрация


Использование волоконной оптики - один из вариантов, но вряд ли он полностью решит проблему. Предположу, что шум наблюдается на линиях сигналов и линиях электропередач данного объекта.

Исходя из бюджета, лучше всего начинать с уменьшения шума, создаваемого низковольтными сигнальными проводами. Экранированы ли эти провода? Если нет, замените кабели на экранированные. Если да, то возникают другие вопросы: заземлена только одна сторона экрана? Работают ли эти кабели рядом с силовыми кабелями? Чем дальше они находятся друг от друга, тем лучше. В некоторых случаях это может оказаться невозможным, поэтому убедитесь, что кабели расположены не параллельно, но если они пересекаются, расположите их под углом в 90 °. Иногда могут возникнуть проблемы с одним или двумя датчиками и кабелями. Так что проверьте, возможен ли вариант установки оптического изолятора для этих кабелей и установите его в шкафу управления.

Помехи также хорошо передается от двигателей и приводов к вспомогательным панелям. Оттуда они распространяются на все подключенное оборудование. Я считаю, что  существует два метода, которые помогут уменьшить шум: защита от перенапряжения и фильтрация шума. Некоторые устройства сочетают в себе и то, и другое, что сокращает используемое пространство и стоимость установки. Установите данную защиту и фильтрацию на этих вспомогательных панелях. Такие устройства поглощают шум от линий и перенаправляют его в землю.

Последнее, что вам нужно сделать, это обеспечить хорошее заземление. Шум будет направляться на систему заземления посредством экранирования датчика, защиты от перенапряжений и фильтрации шума. Убедитесь в наличии хорошего механического соединение заземлителя. Проверьте это как можно быстрее.

Хороший совет: используйте системы подсоединения экрана

Системы подсоединения экрана - экономически эффективный метод снижения помех, они перехватывают, перенаправляют и рассеивают шум, влияющий как на цифровые, так и на аналоговые сигналы. Системы обычно оснащены зажимными хомутами экранирования, держателем, водительной планкой, лапками крепления с изолированным покрытием и монтажным оборудованием.

Данные системы подсоединения экрана гарантируют большую поверхность рассеяния шума посредством низкоимпедансного заземления экранирования линии. Эта поверхность поглощает интерферирующие сигналы, создаваемые чрезмерным шумом. Затем шум, который в противном случае влиял бы на экранирование линии, перенаправляется на функциональное заземление через хвостовик, и таким образом обеспечивается защита датчика. Чтобы квалифицировать экранирование кабеля как низкоимпедансное, даже для высокочастотных (ВЧ) сигналов, оно должно быть применено и подключено к функциональному заземлению с большой площадью поверхности посредством зажима экранирования. Зажимные хомуты экранирования также безопасно рассеивают токи ВЧ-помех через большую площадь поверхности и низкоимпедансное соединение.

Эти системы обеспечивают близость зажимного устройства к неэкранированной части кабеля, сохраняя целостность сигнала. Часть пружинного материала зажимного хомута обеспечивает надежную электрическую связь, компенсируя любой деформацию оплетки. Особенно чувствительные соединения можно экранировать в зависимости от установки либо непосредственно на входе, либо перед сигнальными клеммами. Система также выполняет функции компенсатора натяжения.

Использование волоконно-оптических кабелей влечет за собой помимо первоначальных материальных затрат  еще и выполнение определенных требований. Это гораздо более трудоемкий процесс, он требует особого подхода. Для волоконно-оптических кабелей требуется определенный радиус изгиба, но, если изгиб сделан неаккуратно, это может повредить кабель. И напротив, преимущество надлежащего экранирования заключается в большей прочности медных токопроводящих кабелей, а также в снижении материальных затрат и повышении эффективности установки. Хорошо интегрированная защитная система должна полностью соответствовать стандартам электромагнитной совместимости, и в то же время быть экономически эффективной.


Проверьте УУК


Убедитесь, что приводы и двигатели, даже если они старые, все же имеют отдельные изолированные заземления. Заземления должны быть протянуты непосредственно к строительной стали, а не к объединительной панели шкафа управления. Если так оно и есть, они будут направлять мегашум в землю.

Все приборы должны иметь постоянные экранированные средства связи, сигнальные и силовые кабели, которые обеспечат максимальную защиту. Не будьте зависимы от вашего шкафа управления при защите ваших устройств или кабелей. Предохранитель УУК - гигантская пробоина в экранирующей способности шкафа. К тому же, неметаллические шкафы не защищают от шума. Существуют и другие причины генерации шума, поэтому не отключайте экранированный кабель от клеммной колодки, а затем присоедините неэкранированный кабель к вашему прибору или УУК. Экранируйте его полностью, от устройства к устройству. Экранируйте и через клеммные колодки.

Экраны должны быть заземлены. В настоящее время существует два подхода. Мой способ - заземлить все экраны на одном конце. Если вы заземлите их с обоих концов, вы создадите большую антенну улавливания шума. Второй метод -  проложить провод заземления от одного шкафа к другому, дабы убедиться, что все они имеют одинаковый потенциал. Затем заземлить экраны с обоих концов. Не смотря на то, что данный метод уже становится рекомендуемым стандартом, я пока в него не верю.

Убедитесь, что кабель связи УУК экранирован. Хотя это и не требуется, но все же рекомендую убедиться, что кабель питания УКК экранирован. Также убедитесь, что источник питания и панель хорошо заземлены. Лучше, чтобы ПЛК имел то же заземление, что и УУК.

Убедитесь, что все коммуникационные линии  и сигнальные проводы находятся на расстоянии  от любых силовых кабелей, идущих или выходящих из приводов или двигателей. Если пересечения не избежать, убедитесь, что они пересекаются перпендикулярно. Никогда не проклдывайте их параллельно.

Заземлите все секции машины. Не будьте зависимы от шкафа для заземления. Используйте шину заземления. Лучше даже проложить шину заземления от двери до корпуса шкафа. Более тонкий витой провод обеспечит лучшее заземление, именно поэтому шины заземления изготавливаются из множества крошечных проводов, а не из проводов больших размеров. Поверхностный эффект - именно то, что обеспечивает хорошее шумовое заземление.

Используйте подходящие импедансы и согласующие резисторы для кабелей связи.