Фильтр сетевых помех. Противопомеховые фильтры: эффективная защита электрооборудования от помех в сети

Что такое противопомеховые фильтры. Как они работают. Какие виды помех подавляют. Из каких элементов состоят. Как правильно выбрать и установить. Почему важно использовать в современной электронике.

Содержание

Что такое противопомеховые фильтры и зачем они нужны

Противопомеховые фильтры (также называемые сетевыми фильтрами) — это устройства, предназначенные для защиты электронного оборудования от различных помех, проникающих из электрической сети. Они устанавливаются между сетью и защищаемым оборудованием и выполняют следующие основные функции:

Подавление высокочастотных и импульсных помех
Ограничение бросков напряжения
Фильтрация электромагнитных помех
Защита от перенапряжений в сети

Использование качественных противопомеховых фильтров позволяет значительно повысить надежность и стабильность работы электронной аппаратуры, особенно высокочувствительной и прецизионной.

Основные виды помех в электросети

Электрическая сеть содержит различные виды помех, которые могут негативно влиять на работу оборудования:

Дифференциальные (симметричные) помехи — возникают между фазным и нулевым проводом
Синфазные (несимметричные) помехи — распространяются по всем проводам относительно земли
Высокочастотные помехи (от 100 кГц до десятков МГц)
Импульсные помехи — кратковременные броски напряжения
Низкочастотные помехи (до 500 кГц)

Качественный противопомеховый фильтр должен эффективно подавлять все основные виды помех в широком частотном диапазоне.

Из каких элементов состоит противопомеховый фильтр

Типовая схема противопомехового фильтра включает следующие основные элементы:

Варистор — для защиты от импульсных перенапряжений
Предохранитель — для защиты при длительных перегрузках
Конденсаторы X-класса — для подавления дифференциальных помех
Конденсаторы Y-класса — для подавления синфазных помех

Синфазный дроссель — для ослабления синфазных НЧ помех
Дифференциальные дроссели — для подавления дифференциальных помех
Дроссель в цепи заземления — для защиты от синфазных помех

Правильный подбор номиналов и типов этих компонентов определяет эффективность всего фильтра.

Принцип работы противопомехового фильтра

Противопомеховый фильтр работает по следующему принципу:

Варистор ограничивает импульсные перенапряжения
Конденсаторы шунтируют высокочастотные помехи на землю
Дроссели создают большое сопротивление для ВЧ сигналов
Синфазный дроссель подавляет помехи общего вида
Дифференциальные дроссели ослабляют помехи между проводами

Такая многоступенчатая фильтрация позволяет эффективно бороться с помехами разных типов в широком диапазоне частот.

Как правильно выбрать противопомеховый фильтр

При выборе противопомехового фильтра следует учитывать следующие основные параметры:

Номинальный ток и напряжение защищаемого оборудования
Типы помех, от которых требуется защита
Частотный диапазон подавляемых помех
Вносимое затухание на разных частотах
Ток утечки фильтра
Защита от перенапряжений
Конструктивное исполнение (для монтажа в щит, на DIN-рейку и т.д.)

Важно подобрать фильтр с запасом по току и напряжению, а также с необходимым уровнем подавления помех в нужном частотном диапазоне.

Преимущества использования противопомеховых фильтров

Применение качественных противопомеховых фильтров дает ряд важных преимуществ:

Повышение надежности и стабильности работы оборудования
Защита от выхода из строя из-за помех и перенапряжений
Улучшение качества сигналов и точности измерений
Снижение уровня электромагнитных излучений
Выполнение требований по ЭМС для сертификации оборудования
Уменьшение количества сбоев и отказов аппаратуры

Все это в конечном итоге приводит к повышению качества и надежности работы электронных систем.

Области применения противопомеховых фильтров

Противопомеховые фильтры широко применяются в различных областях:

Промышленная автоматика и системы управления
Измерительное и лабораторное оборудование
Медицинская техника
Телекоммуникационные системы
Аудио- и видеоаппаратура
Компьютерная и офисная техника
Бытовая электроника
Системы безопасности и видеонаблюдения

Практически любое современное электронное оборудование нуждается в качественной защите от сетевых помех.

Заключение

Противопомеховые фильтры являются важнейшим элементом обеспечения электромагнитной совместимости и надежной работы электронной аппаратуры. Правильный выбор и грамотное применение фильтров позволяет эффективно бороться с разнообразными помехами из электросети и значительно повысить качество работы оборудования. В современных условиях использование противопомеховых фильтров становится обязательным для большинства электронных устройств.

ПРОТИВОПОМЕХОВЫЕ ФИЛЬТРЫ

Электрическое устройство является электромагнитно совместимым, если оно не создает помех, которые могут помешать работе других устройств находящихся поблизости, и в то же время невосприимчиво к помехам само, исходящим от соседних приборов. Помехи делятся на кондуктивные с частотами в диапазоне от 150 кГц до 30 МГц и излучаемые – выше 30 МГц. Одним из способов проникновения их в устройство и выхода из него является электросеть.

Дифференциальные возмущения в однофазной сети

По своей природе и способу распространения сбои в электросети делятся на дифференциальные и общие. Между любыми двумя линиями схемы возникает шум в дифференциальном режиме. В случае однофазных сетей это фазовый провод L и нейтральный N. В свою очередь, в трехфазных сетях это два фазных проводника, например L1 и L2.

С другой стороны, обычные асимметричные (синфазный шум) помехи распространяются в одном и том же направлении по всем линиям схемы, приходя на землю. Например в однофазных сетях они текут от фазового проводника L и нейтрального N к земле. Помехи с частотами менее 500 кГц обычно вызываются остаточными токами. В свою очередь помехи выше 500 кГц являются результатом обычных токов.

Общие помехи в однофазной сети

Например в преобразовательных системах симметричные помехи могут иметь значительный уровень уже в диапазоне очень низких частот, порядка нескольких кГц. Это случается когда они вызваны нелинейностью процесса преобразования электроэнергии (пиковые выпрямители).

В диапазоне более высоких частот эти помехи являются результатом процесса переключения полупроводникового ключа. В связи с тем что параметры схемы дифференциальных помех слабо зависят от специфики данной установки, их достаточно легко фильтровать.

Асимметричные помехи распространяются в преобразовательных схемах, например в результате емкостной связи. Другие причины включают соединения через общее сопротивление, соединения между платой и корпусом, а также между полупроводниковыми элементами и их радиаторами.

Поскольку они распространяются в цепи, частью которой является защитное заземление, это может привести к возникновению помех для других устройств через полное сопротивление заземления. Проникновение обычных помех также связано с магнитной составляющей электромагнитного поля. Электросхемы часто образуют петли с большими площадями.

Сетевые фильтры

Полностью устранить кондуктивные помехи распространяющиеся по сети невозможно. Но они должны быть ограничены допустимыми значениями при которых данное устройство может нормально функционировать не мешая работе других. Предельные значения указаны в соответствующих нормах.

Общая структура сетевого фильтра

Примером такого стандарта является документ, в котором перечислены допустимые уровни помех для устройств для связи, использующих сеть низкого напряжения. В Европе это стандарт PN-EN 50561. В нем также представлены характеристики радиоэлектрических помех и методы их измерения.

Поток тока асимметричных и симметричных компонентов в сетевом фильтре

Для уменьшения дифференциальных и общих кондуктивных помех, протекающих от устройства к устройству или от сети, используются сетевые фильтры (фильтры для защиты от помех). Их устанавливают между электросетью и нагрузкой. Они состоят из правильно подключенных пассивных элементов: катушек и конденсаторов.

Необходимые компоненты сетевого фильтра (дроссель, конденсаторы Cx и Cy) показаны на рисунке. Далее показан ток асимметричной и симметричной составляющей помех в типичном противо-интерференционном фильтре.

Из каких элементов состоит сетевой фильтр

В состав фильтров для защиты от помех входит дроссель с компенсацией тока. Он изготавливается путем наматывания двух одинаковых обмоток на тороидальный сердечник, который отличается высокой проницаемостью.

Поскольку обмотки намотаны в противоположных направлениях, дифференциальные помехи нейтрализуют друг друга. В результате только индуктивность рассеяния подавляет остаточные токи. В случае несимметричных, токи в двух обмотках расходятся в одном направлении.

Поток, наведенный в сердечнике дросселя, представляет собой сумму потоков наведенных в обеих обмотках. Таким образом индуктивность каждой обмотки подавляет общие токи. Это позволяет подключать конденсаторы малой емкости между фазными проводниками, нейтралью и землей.

Конденсаторы Cy подавляют общие помехи, но не влияют на дифференциальные помехи. Значения емкости Cy подбираются так, чтобы их ток утечки, протекающий через защитный проводник, не превышал допустимых значений указанных в нормах. Но конденсаторы Cx подавляют только дифференциальные помехи.

Противо-интерференционные фильтры также оснащены разрядным резистором. Он включается параллельно конденсаторам фильтра, чтобы разрядить их после отключения устройства от сети.

Сетевые фильтры можно разделить на однофазные и трехфазные. Трехфазные противо-интерференционные фильтры доступны в версиях без нейтрального провода (L1, L2, L3 + PE) или с нейтральным проводом (L1, L2, L3, N + PE).

Как определяется затухание в фильтре

Другой метод классификации – разделение сетевых фильтров на одноступенчатую и многокаскадную конфигурации. Фильтры подбираются по допустимому току и номинальному напряжению устройства, в котором они будут использоваться.

Примеры сетевых фильтров: а) одноступенчатый, b) двухступенчатый, c) трехступенчатый и d) многоступенчатый

Одним из наиболее важных параметров помехозащитных фильтров также являются вносимые потери. Это характеризует их эффективность в подавлении электрических нарушений. Потеря нежелательного сигнала определяется путем соотнесения значения сигнала в цепи с сетчатым фильтром (U2) со значением сигнала в той же цепи, но без фильтра (U1). Следовательно, вносимые потери описываются такой формулой:

Характеристики вносимых потерь представлены в документации помехоподавляющих фильтров. Они определяются в соответствии с руководящими принципами соответствующих стандартов. Другими важными параметрами, которые следует учитывать в технической документации сетевых фильтров, являются: ток утечки и допустимая нагрузка по току при различных температурах окружающей среды.

Параметры сетевого фильтра

Ток утечки вызван наличием паразитных емкостей и емкости Cy между проводниками сети и корпусом (заземляющий провод PE). На практике сумма Сy является решающей. Ток утечки приблизительно описывается следующим соотношением:

где: Un – номинальное напряжение, F – номинальная частота, а С – суммарная емкость.

Ток утечки не должен превышать уровней, указанных в соответствующих стандартах. Значения тока утечки определяются при самых неблагоприятных условиях (например при большом допуске номинального напряжения, большом допуске емкости конденсаторов и обрыве фазных проводов).

Ток нагрузки, протекающий через фильтр, зависит от температуры окружающей среды. После превышения этого предельного значения ток протекающий через фильтр должен быть меньше номинального тока, а при максимальной температуре, при которой фильтр может использоваться, он должен упасть до нуля. Эта связь описывается следующей формулой:

где: I – допустимый ток при определенной температуре, In – номинальный ток, Tmax – максимальная температура, при которой может работать сетевой фильтр, To – температура окружающей среды, Tz – максимальная температура при которой ток может протекать через фильтр (обычно + 40°С).

Сетевые фильтры – примеры

Сетевые фильтры доступны в различных исполнениях. Один из них – фильтры для печатных плат. Они сконструированы таким образом, что занимают как можно меньше места. Эти фильтры обычно в одноступенчатой конфигурации, размещены в компактном корпусе, и их максимальная мощность ограничена.

Вид фильтра FN406

Схема фильтра FN406

Другой пример – фильтры помех встроенные в разъем IEC. Важным преимуществом сетевых фильтров, интегрированных с сетевым гнездом, является возможность размещения дополнительных выключателей и предохранителей в одном корпусе. Также есть это фильтры для внутренней установки, закрытые металлической крышкой.

Характеристики вносимых потерь фильтра FN406

На рисунке показан фильтр FN406. Это однофазный фильтр для монтажа на печатной плате, заключенный в компактный низкопрофильный алюминиевый корпус. В зависимости от модели диапазон тока составляет от 0,5 до 8 А при температуре не выше + 40°С, а ток утечки при нормальных условиях эксплуатации от 2 до 370 мкА (при обрыве нулевого провода утечка ток может достигать удвоенного значения). Выше показаны характеристики вносимых потерь этого фильтра.

Проектирование сетевых фильтров

А это схема фильтра FN9222 со штекером IEC. Он доступен в различных версиях, включая медицинские (тип B), защелкивающийся корпус (тип S и S1), защита от перенапряжения (тип Z) и вариант разъема Hot Inlet (тип h2). Номинальный ток в зависимости от модели составляет от 1 до 20 А при максимальной температуре + 50°C, а ток утечки при нормальных условиях эксплуатации от 2 до 370 мкА. Вот характеристики вносимых потерь этого фильтра.

Схема фильтра FN9222

Вообще разработка эффективных фильтров подавления – непростая задача. Одним из ключевых моментов является выбор материала сердечника дросселя. Его следует выбирать так, чтобы полное сопротивление связанных катушек в заданном частотном диапазоне общих помех было как можно более высоким.

Характеристики вносимых потерь фильтра FN9222

Для этого используются сердечники с высокой магнитной проницаемостью, в основном ферритовые. Это также позволяет снизить паразитные емкости связанных катушек. Данной цели можно достичь соответствующим методом намотки обмоток. Например однослойные катушки имеют меньшую паразитную емкость.

В случае конденсаторов цель состоит в том, чтобы уменьшить паразитную индуктивность. Это касается внутренней и внешней индуктивностей. В последнем случае это достигается за счет использования коротких проводов. Что касается паразитной внутренней индуктивности, важен тип конденсатора – например керамические конденсаторы характеризуются более меньшим значением этого параметра, чем металлизированные.

Как правильно установить сетевой фильтр

Будет ли фильтр противопомеховой защиты эффективно подавлять помехи, также определяется тем как он правильно спроектирован, а затем выбран для конкретного устройства. Уже на этом этапе можно совершить много ошибок, которые приведут к проникновению помех в сеть и из сети.

Например нельзя размещать другие устройства между фильтром помех и устройством, которое является источником помех или которое должно быть защищено от них. Кроме того, важен способ прокладки входных и выходных кабелей фильтра – они должны располагаться в противоположных направлениях и не образовывать рамочную антенну. При сборке этих элементов необходимо убедиться, что соединение с землей имеет низкое сопротивление.

Форум

Схема сетевого фильтра для подавления электромагнитных помех

Отсеиваем электрический мусор, поступающий из сети, от электронной аппаратуры

Сетевой фильтр – это устройство, предназначенное для защиты электроаппаратуры от импульсных и высокочастотных помех, норовящих проникнуть в цепь источника первичного электропитания, а также от кратковременных превышений (относительно нормы) напряжения сети.

Ошибочно думать, что классический сетевой трансформатор (ввиду своей низкочастотности) не будет пропускать на вторичную обмотку высокочастотные и импульсные помехи. Будет, причём довольно охотно, особенно когда дело касается синфазных помех. Поэтому, относится ли оборудование к высокочувствительной приёмной технике, или качественной звуковой аппаратуре, сетевой фильтр – это штука весьма полезная и зачастую позволяющая в значительной степени повысить характеристики электронных устройств.

К тому же не следует забывать, что пассивные сетевые фильтры обладают достаточной степенью симметрии, т. е. импульсные и ВЧ помехи, создаваемые радиоэлектронным устройством, обратно в сеть они также не пропускают.

На предыдущей странице мы рассмотрели описание узлов «правильного» подавителя синфазных и дифференциальных помех, осталось лишь скомпоновать всё это дело в конструкцию «правильного» сетевого фильтра.

Рис.1 Схема сетевого фильтра для подавления электромагнитных помех

Предохранитель F1 и варистор U1 – это защита от высоковольтных перенапряжений в сети. Такие перенапряжения случайны и результат их воздействия непредсказуем. И если штатно варистор отлично рассеивает высоковольтные импульсные помехи, то в случае длительного аварийного превышения напряжения в розетке (например, появление 380В при обрыве нуля), он не выдерживает мощности и сгорает.

Сгорает с переходом в проводящее состояние. По этой причине обязательна дополнительная защита плавким предохранителем, рассчитанным на работу с максимальным током нагрузки.

Цепочка R1, R2, C1, C2 представляет собой простейшую ёмкостную схему фильтрации противофазных (дифференциальных) ВЧ помех, наведённых в линии питания. Подавляемые частоты – от 100кГц и выше.

Синфазный дроссель L1, как следует из названия, осуществляет ослабление НЧ синфазных помех, находящихся в диапазоне частот: от десятка до сотен килогерц. Помогают ему в этом деле конденсаторы С3, С4, расширяя полосу шунтирования помех (в том числе и асимметричных) вплоть до десятков мегагерц.

Дроссели L3 L4 с конденсаторным обвесом уменьшают дифференциальные помехи с частотами – от десятков килогерц до десятков мегагерц.

Дроссель L2 – нечастый гость в сетевых фильтрах, однако его отсутствие в трёхпроводной сети открывает прямую дорогу для проникновения синфазных помех из сети на корпус устройства.

Несмотря на кажущуюся простоту, сетевой фильтр, приведённый на Рис.1, обладает высокой надёжностью и эффективностью подавления всех видов импульсных и высокочастотных помех. Однако для обеспечения этой надёжности и эффективности необходимо скрупулёзно позаботиться о выборе требуемых комплектующих.

1. Варистор. На практике для сетевого напряжения 220В лучше использовать варисторы на 390В или 430В постоянного (классификационного) напряжения срабатывания. Эти напряжения соответствуют 277 или 305 вольтам действующего значения переменного тока. Вполне оптимальным значением энергии варистора является значение от 80 Дж и выше.

2. Конденсаторы желательно выбрать из числа специализированных, то есть предназначенных для подавления ЭМП. С1, С2, С5, С6 должны быть класса Y2. С3, С4, С7 могут быть класса: как Y2, так и X2.
Если же использовать обычные высоковольтные конденсаторы, то они должны быть рассчитаны на рабочее напряжение – не менее 630 В.
3. Дроссели – это главные элементы, отвечающие за уровень подавления помех, поэтому их крайне важно выполнить «по уму»!
Значения индуктивностей дросселей приведены на схеме, а выбор размеров сердечников и диаметра провода следует производить исходя из максимального тока (мощности) нагрузки.
Необходимое число витков рассчитывается на любом калькуляторе, исходя из индуктивности, размеров магнитопровода и его магнитной проницаемости.

L1 – это синфазный дроссель, состоящий из двух катушек, намотанных на общий кольцевой ферритовый сердечник с высокой магнитной проницаемостью (2000…10000). Его индуктивность может находиться в пределах 1,8…5 мГн.
Направление намотки обмоток дросселя – противоположное.
У любого сердечника есть такой параметр, как габаритная мощность, и эта габаритная мощность не должна быть меньше максимальной мощности, потребляемой нагрузкой. Приблизительно (с 10. ..15% запасом) оценить необходимые размеры сердечника, исходя из его габаритной мощности, можно из таблицы, приведённой на странице – ссылка на страницу. И хотя во многих случаях производители в целях экономии игнорируют этот параметр, необходимых характеристик подавления можно достичь только при использовании «правильных» габаритов моточного изделия, даже, несмотря на его зачастую внебюджетную стоимость. В этой же таблице можно оценить необходимый диаметр обмоточного провода, который при практическом отсутствии скин-эффекта на 50Гц можно выбрать ~2 раза ниже приведённого.

Дроссели L3, L4 (в отличие от синфазного дросселя) не содержат противофазных обмоток, компенсирующих разностный магнитный поток, поэтому для них необходимы сердечники с высокой индукцией насыщения! Это могут быть: либо танцы с бубнами в виде немагнитных воздушных зазоров в кольцах с высокой магнитной проницаемостью, либо дроссели, намотанные на обрезках от ферритовых магнитных антенн для радиоприёмников, либо (оптимальный вариант) – дроссели на тороидальных сердечниках из распыленного железа.

В качестве таких сердечников следует использовать смеси, предназначенные для эксплуатации при значительных постоянных токах подмагничивания, в первую очередь смеси: –8, –14, –18, –19, –30, –34,–35, –52, на худой конец, расхожую – 26.
Тут важно понимать, что токи насыщения у всех этих материалов отличаются, однако, в первом приближении – однослойная обмотка, выполненная проводом необходимого для конкретного тока сечения, скорее всего, не приведёт к насыщению магнитопровода.
Диаметр провода намотки аналогичен диаметру провода в синфазном дросселе, а габаритные размеры сердечника, хочешь не хочешь, но также приближаются к размерам магнитопровода в синфазном дросселе.
Рассчитать количество витков для катушек на кольцах Amidon и Micrometals из порошкового железа (в зависимости от номера смеси и необходимой индуктивности) можно странице – ссылка на страницу

Индуктивность дросселя L2 некритична.
Поскольку постоянных токов через дроссель не течёт, то его вполне можно выполнить на низкочастотном ферритовом кольце с высокой магнитной проницаемостью, либо на ферритовой фильтрующей трубке (защёлке) для кабеля.

На кольце следует разместить 10…15 витков провода с диаметром, как минимум вдвое превышающим диаметр фазовых обмоток. На защёлке вполне достаточной окажется обмотка из 3…4 витков. Если необходимого по диаметру провода не находится, то не возбраняется выполнить обмотку двойным проводом.

Всю земляную разводку внутри устройства необходимо выполнить как можно более короткими и «толстыми» проводниками.

Уменьшение шума сигнала на практике

Шум сигнала в промышленной среде может вызвать хаос в системах управления технологическим процессом. Этот электрический шум может внедряться в аналоговые или цифровые сигналы и обманывать управляющее оборудование, заставляя думать, что переменная процесса отличается от того, чем она является на самом деле. Это недопонимание между оборудованием управления технологическим процессом, как и все виды недопонимания, может привести к любому количеству непредвиденных, непредвиденных последствий. Как скажет вам любой инженер-электрик, ни одна система не может продолжать нормально функционировать без надлежащей связи.

Ни одно промышленное предприятие никогда не будет на 100 % свободным от электрических помех. Низкий уровень шума, присутствующий на большинстве заводов, как правило, недостаточен, чтобы вызвать проблему. Когда отношение сигнал/шум достигает неуправляемого уровня, это становится проблемой. Имеются аппаратные и программные решения, помогающие бороться с сигнальным шумом в особо шумных средах, включая настройки шумовых фильтров, которые могут быть

доступны в уже установленном, но недостаточно используемом оборудовании. Покупка дорогого нового оборудования для фильтрации шума или изоляции сигналов в большинстве случаев не требуется, если в первую очередь соблюдаются надлежащие методы планирования и установки. Знание того, что такое сигнальный шум, что его вызывает и как предотвратить его влияние на сигнальные сети, должно предоставить правильный арсенал инструментов, необходимых для поддержания связи.

Шум сигнала, в самом общем смысле, — это любые нежелательные помехи, ухудшающие сигнал связи. Шум сигнала может мешать как аналоговым, так и цифровым сигналам; однако количество шума, необходимого для воздействия на цифровой сигнал, намного выше. Это связано с тем, что цифровые сигналы передаются с использованием набора дискретных электрических импульсов для передачи цифровых «битов». Как видно на рисунке 1, эти электрические импульсы требуют большого количества шума, чтобы их можно было спутать друг с другом.

И наоборот, аналоговые сигналы представляют собой бесконечный диапазон возможных значений с использованием установленного диапазона, например, 4-20 мА или 0-10 В. В этом случае любые нежелательные скачки напряжения или тока вызовут колебания в передаваемом сообщении. Незначительные вариации аналоговых сигналов, порядка милливольт или микроампер, обычно не приводят к значительному (или даже заметному) расхождению. Однако высокие уровни электрических помех могут привести к большим колебаниям и, следовательно, к существенным расхождениям, делающим связь между устройствами управления технологическим процессом совершенно невозможной.

Как видно на рис. 2, шум сигнала, введенный в электрическую связь, увеличивает или уменьшает ожидаемое значение сигнала. В производственной ситуации, когда жизненно важные процессы автоматически контролируются на основе измерения этого сигнала, любое изменение может привести к непредсказуемым и потенциально опасным результатам.

Шумовая инъекция может происходить в любом месте системы и в любом физическом месте, где сеть подвергается воздействию. Это может быть результатом действия различных факторов в любом месте сети. Устранение шумов сигнала может показаться сложной задачей; тем не менее, есть некоторые причины, которые встречаются чаще, чем другие. Эти распространенные причины составляют подавляющее большинство шумов сигналов, мешающих работе сетей управления технологическими процессами.

КОНТУРЫ ЗАЗЕМЛЕНИЯ И НЕПРАВИЛЬНОЕ ЗАЗЕМЛЕНИЕ

Как обсуждалось в предыдущем выпуске The Current Quandary, контуры заземления создают дополнительный ток в сигнальном контуре из-за перепада напряжения между двумя точками заземления в системе с несколькими заземлениями. Эта и другие проблемы с заземлением могут привести к притоку сигнального шума в функционирующую в остальном сеть.

ПЛОХАЯ ПРАКТИКА ПРОВОДКИ

Плохо проложенные сети, например, не использующие экранированную витую пару и кабелепровод, более восприимчивы к окружающим электрическим помехам.

ПЛОХАЯ КОНСТРУКЦИЯ ЦЕПИ ИЗДЕЛИЯ

Плохо спроектированная электронная схема в устройствах, которая не обеспечивает надлежащего экранирования от внутренних и внешних источников шума, также с большей вероятностью будет иметь проблемы с сигналом.

БЛИЖАЙШАЯ БЛИЗОСТЬ К ДРУГОМУ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМУ ОБОРУДОВАНИЮ

Устройства или провода, расположенные в непосредственной близости от электрического оборудования, генерирующего сильные магнитные поля, такого как генераторы, двигатели или линии электропередач, могут улавливать некоторые из этих помех, что может способствовать колебаниям в сигналах связи

ДЛИННЫЕ ПРОВОДА, ПОДНИМАЮЩИЕ РАДИОЧАСТОТЫ

Длинные отрезки провода (особенно неэкранированного провода) в основном действуют как антенны; они улавливают радиоволны и преобразуют их в электрические сигналы, создавая дополнительный шум в системе.

ИСКАЖЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО СИГНАЛА

Наиболее распространенной и очевидной проблемой, вызванной сигнальным шумом, является искажение технологического сигнала, вызывающее неправильную интерпретацию или отображение состояния процесса оборудованием. Добавление и/или вычитание из сигнала процесса преобразуется в неправильную переменную процесса. Чтобы представить это в контексте, см. пример на рис. 3 ниже.

ПОЯВЛЯЕМАЯ ПОТЕРЯ СИГНАЛА

Чрезвычайный шум сигнала может привести к явной потере сигнала, хотя и редко. Большинство современных электронных устройств имеют встроенную фильтрацию шума. Однако в очень шумных условиях этого фильтра будет недостаточно, что может привести к тому, что оборудование не будет принимать сигнал и вообще не будет осуществляться связь.

НЕПРАВИЛЬНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ

В примере, показанном на рис. 3, каждое устройство в сети работает точно так, как задумано; однако шум сигнала вызвал недопонимание между устройствами. Следовательно, бак остался пустым. Система, испытывающая флуктуации шумового сигнала, может непреднамеренно включать и выключать реле и аварийные сигналы через нерегулярные промежутки времени, потому что шумовые сигналы неправильно интерпретируются. Подобная ситуация приводит к неправильному управлению производственным процессом.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Радарный уровнемер измеряет уровень жидкости в баке. Он выводит сигнал 4-20 мА (4 мА при пустом баке и 20 мА при полном) на механическое реле, которое при срабатывании 4,5 мА активирует насос, чтобы начать заполнение бака.

ПРОБЛЕМА

Резервуар опорожняется, и датчик выдает сигнал 4 мА, но из-за сильного шума реле получает сигнал 5 мА и никогда не запускает и не активирует насос. Резервуар остается пустым, и процесс останавливается.

Как и в случае всех проблем с подключением к системе управления производственным процессом, гораздо проще следовать некоторым простым рекомендациям при планировании, проектировании и установке устройств управления технологическим процессом, чем пытаться устранять проблемы с системой после того, как она введена в эксплуатацию. Успешное планирование может сэкономить сотни человеко-часов и неисчислимое разочарование, когда речь идет о предотвращении помех от сигнального шума в системе.

Когда речь идет о предотвращении шума сигнала, чем меньше сигнал, тем больше он подвержен шуму. Сигналы низкого уровня, такие как импульсный сигнал расходомера с магнитным датчиком или милливольтовый выход термопары, очень чувствительны к окружающему шуму. Любое количество шума, введенного в эти типы систем, обязательно окажет некоторое влияние на передаваемый сигнал.

Хотя может возникнуть соблазн просто удлинить провода от этих устройств, чтобы подключить их к устройствам отображения или управления, настоятельно рекомендуется использовать передатчик или кондиционер для усиления сигнала перед его передачей по проводу любой длины. Этот усиленный сигнал сможет выдержать большее количество шума, прежде чем его предполагаемое значение начнет искажаться. Однако более эффективным способом избежать шума является преобразование аналогового сигнала в цифровой вместо его усиления. Как показано на рисунке 4, цифровые сигналы с их набором дискретных битов гораздо более устойчивы к шуму, чем аналоговые.

Если систему необходимо установить в зоне, подверженной воздействию электрических помех, установщик должен предусмотреть использование программных или аппаратных фильтров помех, которые часто входят в состав современных устройств управления технологическими процессами. Обратитесь к инструкции по эксплуатации устройства

, чтобы убедиться в наличии шумоподавляющих фильтров. Глубокое понимание среды установки и устройств может сэкономить время и нервы.

Как говорится, ни один план не выдерживает первого контакта с противником. Тем не менее, установщики должны следить за тем, чтобы непредвиденные ограничения окружающей среды или устройства не мешали процессу установки и не создавали проблем с устранением неполадок в будущем. Использование ярлыков для преодоления проблем с установкой может быть заманчивым в краткосрочной перспективе, но в будущем это решение будет стоить дорого.

Монтажники всегда должны использовать экранированную витую пару для соединения компонентов системы. Синфазный шум, или шум, общий для двух проводов витой пары, легче отфильтровать, чем шум, присутствующий только в одном проводе. Кроме того, хотя может показаться удобным прокладывать сигнальные линии через тот же кабелепровод, что и линии электропередач, этого всегда следует избегать. Шум от этих линий 120 или 240 В может легко попасть на сигнальные линии.

Провода также следует держать подальше от любого оборудования, создающего магнитные поля, такого как двигатели, трансформаторы или большие реле с индуктивными нагрузками. Провода, соединяющие разные цепи, должны быть установлены перпендикулярно друг другу, так как параллельные линии с большей вероятностью будут обмениваться помехами. Провода также должны быть как можно короче, чтобы они не действовали как антенны.

Проводка всегда должна прокладываться с целью избежать контуров заземления. Для этого используется только одна точка заземления для всех устройств, присутствующих в сети. Если несколько устройств в сети требуют заземления, убедитесь, что один и тот же источник заземления подключен по всей системе к экранированному кабелю.

Помня об этих простых рекомендациях на протяжении всего процесса установки, вы сможете убедиться, что ваша реализация учитывает шум сигнала так же, как и на первоначальных этапах планирования. Если бы установщик установки, показанной на рис. 3, следовал рекомендациям во время планирования и установки, он бы знал, что линии электропередачи переменного тока всегда следует изолировать от сигнальных линий 4–20 мА, прокладывая их вдоль экранированных кабелей внутри независимого кабелепровода.

Шум сигнала — это проблема, с которой сталкиваются все промышленные предприятия из-за работающего электрического оборудования. Шум сигнала становится проблемой для этих объектов, когда он мешает сигналам процесса, передаваемым между устройствами. Это может привести к неточной передаче данных о критических переменных процесса, что может помешать работе систем управления технологическим процессом или даже привести к его остановке. Следование некоторым простым рекомендациям при планировании и установке решения для управления технологическими процессами может помочь обеспечить бесперебойную связь и устранить текущие затруднения.

Если у вас есть идея для будущей темы, которая будет представлена в The Current Quandary, свяжитесь с Precision Digital по телефону [email protected]

Саймон Паонесса, технический писатель, Precision Digital Corporation

Загрузите это приложение заметка в формате PDF.

Обработка сигналов: фильтрация шума

С повсеместным распространением облачных вычислений и появлением Интернета вещей проблемы, связанные с тремя факторами больших данных, а именно объемом, скоростью и разнообразием, обострятся. На каждой отраслевой конференции регулярно можно услышать от выступающих о значимости трех V в соответствующих компаниях. Однако очень редко обсуждается, как извлечь действенных выводов из данных. Это похоже на знаменитые строки Сэмюэля Тейлора Кольриджа в « Иней древнего мореплавателя: »

Вода, вода везде,

Ни капли для питья.

Общая проблема, с которой сталкиваются при анализе данных, заключается, говоря языком обработки сигналов, в том, как отфильтровать шум из основного сигнала. Помимо этого, в производстве существует много других проблем с достоверностью данных, таких как:

Проблемы со сбором данных
Отсутствующие данные
Экзогенные факторы, такие как автоматическое масштабирование или изменение входящего трафика
Дрейф концепции: изменения в условном распределении выходных данных (т. остаться без изменений.

На следующем графике показаны наблюдаемый сигнал (синий) с шумом и базовый сигнал без шума (красный).

В отличие от приведенного выше примера, который поддается визуальному анализу, в большинстве случаев фильтрация шума для определения сигнала невозможна с помощью визуального анализа. Что еще более важно, учитывая объем ряда временных рядов, проводить визуальный анализ нецелесообразно. Крайне важно проводить анализ данных алгоритмическим способом.

Кроме того, удаление шума из наблюдаемого сигнала само по себе не является конечной целью. В производственных условиях важно извлечь из сигнала полезную информацию, в противном случае анализ приобретает оттенок академического упражнения. Конкретно, давайте посмотрим на график временного ряда (см. ниже) времени ожидания за период в 12 дней для health.gov. Из графика видно, что ночью производительность отличная (т. е. время ожидания низкое), а днем — медленное (т. е. время ожидания высокое). Это информативно, но не применимо к действиям, поскольку нормальность не определена.

Несмотря на то, что в этом конкретном экземпляре наблюдаются всплески времени ожидания, необходимо сначала определить, в какой момент всплеск свидетельствует о проблеме с емкостью. Теперь, если верхняя граница времени ожидания должна быть, скажем, 120 мс, то на основе данных можно сделать вывод, что, возможно, существуют проблемы с пропускной способностью, поскольку есть несколько случаев, когда время ожидания превышает 120 мс.

Аналогичным образом, на графике ниже мы видим постепенное увеличение значения трех показателей.

Это увеличение можно автоматически определить с помощью простой линейной регрессии. Последовательное увеличение трех показателей является действенным для операционной группы.

С другой стороны, есть много примеров, когда данные могут пролить свет на «интересные» идеи, но не являются действенными. Например, на приведенном ниже графике показано время отклика Google.com от различных беспроводных узлов 4G в Нью-Йорке до, во время и после окончания поминальной недели. Как видите, производительность Google.com не имеет ничего общего с Google, а связана с перегрузкой беспроводных сетей.

Несмотря на то, что сравнительный анализ потенциально полезен для конечного пользователя, из данных нельзя извлечь немедленных практических выводов.

Как убрать шум?

За несколько десятилетий был проделан большой объем работы во многих различных областях, таких как, помимо прочего, обработка сигналов, статистика, теория информации, для улучшения отношения сигнал/шум (SNR) . Шумоподавление играет ключевую роль в большом наборе приложений, выходящих за рамки операций, например, для обработки изображений/аудио/видео.

Для уменьшения шума было предложено множество фильтров. Вообще говоря, фильтры можно разделить на две категории:

Фильтр нижних частот: Пропускает сигналы с частотой ниже определенной частоты среза и ослабляет сигналы с частотами выше частоты среза. В контексте временного ряда простое скользящее среднее (SMA) иллюстрирует фильтр нижних частот.

Красная линия на графике выше — это SMA исходного сигнала, показанного синим цветом. Из графика видно, что SMA отфильтровывает большую часть шума и очень хорошо аппроксимирует основной сигнал (показанный ранее в блоге). Обратите внимание, что по своей конструкции существует задержка между SMA и базовым сигналом.

Фильтр верхних частот: Пропускает сигналы с частотой выше определенной частоты среза и ослабляет сигналы с частотой ниже частоты среза.