سیستم زمین تجهیزات الکترونیکی حساس

[seyed mehdi hoseyni 27119]

سیستم اتصال زمین تجهیزات الکترونیکی حساس نظیر کامپیوترها، کنترل‌کننده‌های قابل برنامه ریزی(PLC)، سیستم های کنترل گسترده (DCS) و مشابه این‌ها یکی از ضروری ترین بخش های عملکرد این سیستم ها بوده و جزء لاینفک آن‌ها محسوب می گردد.

از آنجا که تجهیزات الکترونیکی، نسبت به سایرتجهیزات برقی و خانگی معمولی با ولتاژهای پایین‌تری کار می کنند میزان حساسیت آن‌ها به ولتاژهای ناخواسته بیشتر خواهدبود. به‌طوری‌که برای مثال، آسیب پذیری یک کامپیوتر نسبت به سایر دستگاه‌های غیرالکترونیکی، درمقابل بارهای ساکن تولیدی به‌وسیله‌ی حرکت انسان که بعضاً ولتاژ ناچیزی هم دارند بیشتر است.

ممکن است صاعقه‌ای چند صد متر دورتر از محل استقرار دستگاه‌های حساس ما رخ دهد و ولتاژهای تزریق شده به زمین ناشی از این صاعقه موجب اخلال در اطلاعات این دستگاه‌ها گردیده یا موجب خسارت به آنها شود.

اگر نمی‌توانیم جلوی عوامل تداخل و نفوذ جریان‌های سرگردان و ناخواسته را بگیریم بایستی سیستم زمین و تجهیزات حفاظتی را طوری طراحی و نصب نمائیم که قابلیت حذف و اطفاء هرگونه اخلال و خسارت ناشی از ولتاژهای منتقل شده به زمین، داشته باشد.

تعاریف: کامپیوتر(computer) در این مبحث به طور کلی به همه‌ی تجهیزات حساس به جریان‌های ناخواسته، کامپیوتر گفته می‌شود.

به تمامی اجزای یک سیستم اتوماسیون صنعتی که شامل زیر سیستم های زیر است نیز تجهیزات الکترونیکی حساس گفته می‌شود:

 

• PLC
  
• Industrial computers
  
• Operator interface terminals
  
• Display devices
  
• Communication network
  

 

 

الکترود(electrode) به سازه های فلزی مدفون درخاک الکترود زمین می گویند که می‌توانند مسیر جریان‌های سرگردان زمین را تسهیل یا گرادیان پتانسیل زمین ناشی از این جریان‌ها را تغییر دهند.

این الکترودها می توانند شامل موارد زیر باشند:

1- لوله‌ی آب فلزی مدفون

2- شبکه‌های فلزی ساختمان که به‌طور موثر در زمین قرار گرفته است.

3- میل‌گردهای داخل بتن

4- شبکه های مسی موسوم به رینگ زمین

یکی از موثرترین الکترودهای زمین، یک رینگ یا شبکه‌ی فلزی است که به اسکلت ساختمان در فاصله‌های مناسب متصل گردیده است.

سیستم زمین قدرت(power system ground): شبکه‌ی زمین عمومی که جهتجلوگیری از خطرات ناشی از اتصال بدنه تجهیزات برقی معمولی و غیر حساس ایجاد می شود، به‌طور مثال به شبکه‌ی ارت ماشین‌‌آلات یک کارخانه، سیستم زمین قدرت گفته می شود.

نول(neutral)نقطه ای که پتانسیل در آن نقطه از لحاظ مقدار برابر با نقاط دیگر هادی است، نول گفته می شود. در استاندارد NEC نول به هادی معین معروف است . در سیستم تک‌فاز، به سیم برگشت جریان که پتانسیل آن نسبت به زمین صفر است و در سیستم سه فاز نقطه گره ستاره را نول می‌گویند. در این مبحث، نول سیمی است که می تواند در بعضی حالات به زمین متصل شود.

زمین نویزی(noisy ground)برخلاف زمین آرام، زمین نویزی، یک شبکه‌ی زمین الکتریکی است که استعداد القا یا تزریق ولتاژهای ناخواسته ومزاحم را به سیستم کامپیوتر دارد.

زمین آرام (Quiet ground یا (Clean earth استاندارد IEEE 100 ، زمین آرام را این‌گونه تعریف می‌کند: شبکه‌ی زمین ویژه که از بخش‌های قراردادی سیستم زمین قدرت system groundPower ایزوله می باشد و نویز الکترومغناطیسی و ولتاژهای ناخواسته موجود در لحظات خطا یا عادی زمین، روی آن اثر نمی کند و موجب اخلال در عملکرد مطلوب کامپیوتر نخواهد شد .

معیار دقیقی جهت تعیین مقاومت زمین آرام در دست نمی باشد و زمینی که ولتاژهای ناخواسته ناشی از جریانهای داخل زمین را به کامپیوتر منتقل نکند خواه یک الکترود باشد خواه یک شبکه وسیع ایزوله، زمین آرام می باشد.

تداخل ناشی از میدان الکترو مغناطیسیElectro Magnetic Interference (EMI)بهمیدانهای الکترومغناطیسی راه‌یافته در زمین، به‌خاطر وقوع صاعقه، اتصال کوتاه در زمین های مجاور و نظایر آن، که از سیگنال‌های با فرکانس پایین شهری تا فرکانسهای رادیویی(RF) و سیگنال‌های با فرکانس بالای صاعقه را شامل می شود EMIگویند.

Bonding : is the connecting together of metal parts of chasis,assemblies,frames shields and enclousers to reduce the effects of EMI & ground.

Grounding: is the connection to the grounding–electrode system to place equipment at earth ground potential.

تاریخچه‌ی اجرای سیستم زمین کامپیوتر:

در ابتدا ترمینال زمین کامپیوترها به سیستم زمین تجهیزات الکتریکی قدرت که در آن ساختمان وجود داشت متصل می شدند. هادی‌های زمین تجهیزات با یک سیم روکش‌دار سبز و زرد یا بدون روکش، پس از متصل شدن به کامپیوترها و دیگر تجهیزات غیرحساس مثل تهویه، لباسشویی، یخچال و غیره، به نقطه نول ورودی به ساختمان متصل می گردیدند و یک میله یا صفحه ارت هم در ساختمان دفن شده و به تمامی سیم‌ها از طریق یک باس متصل می شدند. سازه‌ی فولادی ساختمان نیز در داخل یا خارج به این شبکه ارت اضافه می گردید.

هیچ‌گونه اتصال مجزا و یا رابط خاصی بین شبکه ارت ایجاد شده و کامپیوترها وجود نداشت و کامپیوترها از طریق سوکت و پریز برق خود به ارت متصل می شدند این روش تنها می توانست از آسیب رسیدن به اشخاص در صورت تماس مستقیم با بدنه کامپیوتر و در هنگام وقوع اتصال فاز به زمین جلوگیری نماید.

با پیچیده تر شدن تنوع اجزاء و تجهیزات جانبی کامپیوتر که عمدتاً نیز به ولتاژهای پایین حساس بودند بایستی تمهیدات ویژه ای جهت غلبه بر ولتاژهای گذرا ( (EMIکه موجب وقوع خسارت به سخت افزار و نرم افزار کامپیوترها می گردید اندیشیده شود.

ولتاژهای گذرا و ناخواسته در وضعیت اتصال معمولی، از طریق هادی نول به تمامی اتصالات سیستم زمین اعمال می گردید.

در یک ساختمان تجاری و غیر صنعتی معمولاً نقطه نول خروجی ترانس تغذیه ساختمان به ارت متصل می گردد(سیستم(TN. این نحوه‌ی اتصال سیستم ارت حتی در ساختمان‌های تجاری هم روش مناسبی نمی باشد و از نظر استاندارد NEC تخلف محسوب می شود؛ یعنی تابلوهای برق که باس بار نول آنها به باس بار ارت آن وصل شده اند غیر ایمن می باشند.

یک مطالعه نشان داده که 20% هادیهای نول در مدارات روشنائی به زمین متصل می گردند (سیم نول از نظر تکنیسین برق‌کار خنثی است و آن‌را بدون عایقکاری و یا با عایقکاری ضعیف درون لامپها و کلیدها و غیره متصل می کند) دز این‌حالت و درصورتی‌که نحوه‌ی اتصال زمین نیز مانند روش سنتی بالا باشد، کامپیوترهای متصل به پریزهای برق، ولتاژ ناخواسته‌ی ناشی از اتصال نول به زمین را دریافت می کنند و در عملکرد آنها اخلال ایجاد می شود.

شکل زیر این گونه اتصال را نشان می دهد. در این شکل مشاهده می شود که بدنه‌ی ساختمان بر اثر جریان سرگردان 50 آمپری (مثلاً در چندین متر دورتر) به میزان 5 ولت پتانسیل برداشت کرده است که چون بدنه‌ی ساختمان به کامپیوترها نیز وصل است پس کامپیوترها و تجهیزات حساس نیز 5 ولت را دریافت خواهند کرد. حال اگر به فرض پرینتری با 12 ولت کار کند و ترانس ایزوله هم نداشته باشد، 5 ولت نیز به‌طور ناخواسته به آن اعمال می گردد که ممکن است موجب آسیب به آن شود.

بحث ارت آرام یا تمیز از اواخر سال 1960 جدی شد و در مقابل ارت نویزی مطرح گردیدکه به سیستم زمین تجهیزات قدرت با اتصالات زمین چندگانه نیز معروف است و در حال حاضر یکی از مباحث مهم مهندسی سیستم زمین صنایع دارای تجهیزات حساس محسوب می گردد.

[seyed mehdi hoseyni 27119]

نویز در سیستم زمین قدرت

با گسترش فن آوری تبادل اطلاعات بین کامپیوترها از طریق ماهواره یا server محلی (اینترنت، اینترانت و ...) که گاهی server ، مایل ها از کامپیوترهای فرعی دور بود، بحث نویز هم جدی شد. به این ترتیب که کامپیوترهای دور از هم دارای تغذیه های جداگانه ودور از هم هستند و در اینصورت امکان هم بندی (Bonding)سیستم هایی که با هم در حال تبادل داده هستند عملاً غیر ممکن بود، دراین‌صورت بر اثر عبور جریان‌های سرگردان و اضافی در زمین، بین کامپیوترهای در حال تبادل داده، اختلاف ولتاژ ایجاد می‌شد. این اختلاف ولتاژ گذرا ممکن است دارای فرکانس شبکه‌ی برق (60 هرتز، 50 هرتز) یا فرکانس های بالاتر باشد.

بنابراین در صورتی که کامپیوترهای اصلی و فرعی دور از هم، به همراه سیستم زمین قدرت، به شبکه‌ی زمین ساختمان خود وصل شده باشند، اختلاف پتانسیل قابل توجهی درحد چندولت بین دو کامپیوتر تولید می شود که می تواند روی سیگنال های معمولی ارتباطی بین کامپیوترها، اثر سوء داشته باشد.

درصورتی‌که سیستم‌های سنتی بیان شده در تاریخچه‌ی فوق، یعنی اتصالات کامپیوترها از طریق پریز برق به ارت و سپس اتصال به نول استفاده شده باشد، مسیر برگشت نول، جریان غیرقابل کنترلی روی سیستم زمین جاری می کند.

در هر نقطه که نول به زمین متصل شده و مسیرهای موازی وجود دارد جریان به نسبت عکس امپدانس ها طبق قانون اهم تقسیم می‌شود.

بر اثر این جریان غیرقابل کنترل که روی سیستم زمین اعمال می شود و روی سیستم برق شهر هم تاثیر سوء می‌گذارد(چون نول برق شهر به ارت متصل شده) اصطلاحاً شبکه‌ی برق با زمین نویزی(noisy) یا کثیف (dirty) خواهیم داشت. (شکل بالا)

در این‌صورت کامپیوترهایی که از این شبکه‌ی برق شهر با ارت نویزی برق می گیرند، دچار اختلال خواهند شد.

 

انواع خطاها و خطرات احتمالی در یک سیستم

در یک سیستم صنعتی و تجاری، سه گروه خطا، قابل وقوع می باشد که بایستی با طراحی سیستم های ارت از آنها جلوگیری نمود. این 3 گروه عبارتند از :

1- خطر تخلیه طبیعی ابرها (Lightning)

2- خطاهای انسانی و دستگاه‌ها که موجب وقوع شوک الکتریکی در سیستم می شود (Surge

3- خطای میدان‌های سرگردان الکترومغناطیسی (EMI ) که اثر سوء و مخرب روی سیستم های پردازش داده‌ها دارد و بایستی با طراحی گراند سیگنال، و روشهای مدرن از آثار سوء این خطا جلوگیری نمود.

انواع سیستم زمین (گراند) بطور کلی 4 نوع گراند در یک Plant صنعتی یا تجاری امروزی قابل تفکیک می باشند:

1-گراند صاعقهLightning ground) ): عبارتست از مجموعه تمهیداتی که جهت جلوگیری از تخلیه‌ی مستقیم انرژی صاعقه در یک Plant به‌کار گرفته می شود.

2- گراند قدرت( Power ground ): عبارتست از اتصال بدنه‌ی فلزی تجهیزات مکانیکی و الکتریکی برقی یا حتی بدون برق به همدیگر و نهایتاً اتصال آن‌ها به زمین از طریق یک یا چند الکترود زمین.

3- گراند سیستم( System ground ) یا گراند الکتریکی یا نول الکتریکی: عبارتست از اتصال مستقیم، سلفی یا مقاومتی نقطه‌ی صفر ثانویه‌ی ترانسفورماتورهای تغذیه‌ی برق به زمین که معمولاٌ همان سیستم نول است.

4- گراند سیستم های الکترونیکی حساس (Computer ground)یا Signal ground : جهت تجهیزات حساس به نویز و دستگاه‌های تبادل داده از جمله کامپیوترها، سنسورها، عملگرها (actuators)و غیره استفاده می شود که موضوع اصلی این مبحث می باشد.

اولین نکته حائز اهمیت و قابل بحث و بررسی این است که آیا می توان 4 سیستم گراند ذکر شده در بالا را با هم ترکیب نمود یا بایستی کاملاً از هم تفکیک باشند یا بعضی از آنها قابل تفکیک و برخی قابل جمع شدن می باشند که به این مهم در ادامه مبحث خواهیم پرداخت.