Så skyddar du PLC och styrsystem mot störningar i mätkedjan

En industriell mätkedja består ofta av givare, transmitter, kablage, kopplingspunkter och en analog ingång i ett PLC- eller DCS-system. Om störningar kommer in någonstans i signalvägen kan mätvärdet börja variera, larm kan aktiveras utan tydlig orsak och regleringen kan påverkas. För att hitta och förebygga problemen behöver man därför se på hela mätkedjan, inte bara på givaren eller PLC-ingången.

Vanliga störningar i en mätkedja

Olika typer av störningar påverkar signalen på olika sätt:

• Elektriskt brus ger ofta små och snabba variationer i mätvärdet.
• Transienter är kortvariga förändringar av spänning eller ström, exempelvis när en motor eller magnetventil kopplas till eller från.
• Spänningsspikar är snabba transienter med hög spänning.
• Jordloopar uppstår när två delar av systemet har olika jordpotential och samtidigt är elektriskt sammankopplade.
• Common-mode-spänning innebär att båda signalledarna ligger på en oönskad spänning i förhållande till jord.

En common-mode-spänning behöver inte ändra skillnaden mellan signalledarna. En 4–20 mA-signal kan därför se korrekt ut samtidigt som den gemensamma spänningsnivån belastar PLC-ingången.

Var uppstår störningarna?

Störningar kan komma från exempelvis motorer, frekvensomriktare, kontaktorer, transformatorer, svetsutrustning och kraftkablar. Risken ökar när signalkablar dras långa sträckor eller ligger nära kablar med höga strömmar. Skillnader i jordpotential mellan fältutrustningen och styrskåpet kan också orsaka strömmar i signalkretsen. Störningen uppstår då utanför PLC-systemet men följer signalen fram till den analoga ingången.

Galvanisk isolering bryter den elektriska förbindelsen

Galvanisk isolering innebär att mätinformationen överförs utan en direkt elektrisk kontakt mellan ingång och utgång. Fältsidan och styrsystemssidan kan då ha olika jordpotential utan att en utjämningsström går genom signalkretsen. Detta används bland annat för att bryta jordloopar och minska påverkan från common-mode-spänningar.

En isolator löser däremot inte alla störningsproblem. Felaktig kabeldragning, otillräcklig skärmning, skadade givare eller för låg matningsspänning måste åtgärdas separat. Vid kraftiga transienter, exempelvis störningar som orsakas av åska, kan ett särskilt överspänningsskydd också behövas. Läs mer i INORs artikel om galvanisk isolering i industriella mätsignaler.

Signalisolatorer separerar fältet från styrsystemet

En signalisolator överför en analog signal mellan två elektriskt separerade kretsar. För en vanlig 4–20 mA-signal kan en passiv isolator användas när signalen endast behöver överföras och isoleras. Den behöver ingen separat matningsspänning utan tar sin energi från strömloopen.

En passiv isolator orsakar samtidigt ett spänningsfall, ofta omkring 2–3 V beroende på produkt. Det måste därför finnas tillräckligt med spänning i loopen för transmitter, kabel, isolator och PLC-ingång. En aktiv isolator har extern matning och kan användas när högre lastförmåga eller fler funktioner behövs. Skillnaderna beskrivs närmare i artikeln Passiv eller aktiv signalisolator?

Repeaters matar och isolerar transmittern

En repeater används ofta tillsammans med en 2-trådstransmitter. Den kan mata transmittern, läsa dess 4–20 mA-signal och överföra signalen vidare till styrsystemet med galvanisk isolering. En passiv repeater använder normalt matningen från PLC- eller DCS-sidan. En aktiv repeater har extern hjälpmatning och kan själv försörja transmittern.

Repeaters kan också användas när en aktiv utsignal ska anslutas till en aktiv PLC-ingång. I en sådan koppling försöker båda sidorna mata samma strömloop. Repeatern separerar matningarna och skapar en korrekt anslutning mellan utrustningarna. Om HART-kommunikation används behöver repeatern vara HART-transparent, så att kommunikationen kan passera genom isolationsbarriären.

Isolation transmitters kan även behandla signalen

En isolation transmitter, ibland kallad skiljeförstärkare eller isolation amplifier, används när signalen både behöver isoleras och behandlas. Enheten har normalt extern matning och separerar ingång, utgång och strömförsörjning från varandra.

Den kan exempelvis omvandla 0–10 V till 4–20 mA, skala ett signalområde eller filtrera bort högfrekvent brus. Filtrering kan ge ett stabilare mätvärde, men ett kraftigt filter gör också signalen långsammare. Filterinställningen behöver därför anpassas till hur snabbt temperaturen eller processen förändras. INOR samlar dessa produkter under isolatorer och skiljeförstärkare.

Placera isoleringen där den gör rätt arbete

När målet är att skydda PLC-ingången placeras isolatorn ofta i eller nära styrskåpet. Den inkommande fältkabeln ansluts då till isolatorns ingång och utgången kopplas vidare till PLC-systemet. På så sätt skapas en elektrisk gräns mellan fältinstallationen och styrsystemet.

Om en svag givarsignal störs längs en lång kabel kan signalomvandlingen i stället behöva ske närmare givaren. Ett termoelement ger exempelvis en betydligt lägre signalnivå än en 4–20 mA-transmitter. Genom att omvandla signalen nära mätpunkten minskar den sträcka där den känsliga givarsignalen behöver transporteras.

Kontrollera matning och signaltyp

Innan en isolator eller repeater väljs behöver man veta om sändaren och PLC-ingången är aktiva eller passiva. En aktiv enhet tillhandahåller matning, medan en passiv enhet behöver matas från en annan del av loopen. En felaktig kombination kan göra att loopen saknar matning eller får två matningskällor.

Man behöver också kontrollera signalområde, matningsspänning, PLC-ingångens last och isolatorns spänningsfall. Om HART används ska produkten vara anpassad för detta. För isolation transmitters behöver även svarstid, filtrering och eventuell signalomvandling tas med i valet.

Felsök mätkedjan steg för steg

När ett mätvärde är instabilt kan mätkedjan kontrolleras i följande ordning:

1. Jämför PLC-värdet med en separat mätning direkt vid transmittern.
2. Mät loopspänningen vid transmittern och vid styrsystemet.
3. Kontrollera om störningen uppstår när motorer, pumpar eller andra större laster startar.
4. Granska kabeldragning, skärmning och avståndet till kraftkablar.
5. Kontrollera om fältsidan och styrskåpet har olika jordpotential.
6. Testa signalvägen med galvanisk isolering och jämför resultatet.

Om signalen blir stabil när en isolator kopplas in pekar det ofta på en jordloop, common-mode-spänning eller annan ledningsbunden störning. Om problemet finns kvar behöver givare, transmitter, kablage och PLC-konfiguration kontrolleras vidare.

Vanliga fel vid installation

Ett vanligt fel är att ansluta en aktiv transmitter direkt till en aktiv PLC-ingång. Båda enheterna försöker då mata loopen. Resultatet kan bli ett felaktigt eller låst mätvärde. En repeater eller rätt typ av passiv ingång kan användas för att lösa anslutningen.

Ett annat fel är att montera en passiv isolator utan att kontrollera spänningsbudgeten. Loopen kan då fungera vid låg ström men få problem när signalen närmar sig 20 mA. Isoleringen kan också kringgås om fält- och systemsidan kopplas samman genom en gemensam nollpotential eller en felaktigt ansluten kabelskärm.

Så hänger skyddet ihop

PLC och styrsystem skyddas bäst genom att hela mätkedjan granskas som ett sammanhängande system. Kabeldragning, jordning, matning, signaltyp och störningskällor behöver bedömas tillsammans.

Signalisolatorer används för att separera fältutrustningen från styrsystemet. Repeaters används när transmittern behöver matas samtidigt som signalen isoleras. Isolation transmitters används när signalen även behöver omvandlas, skalas eller filtreras. Vid kraftiga transienter behöver dessa lösningar kombineras med rätt överspänningsskydd och en korrekt utförd installation.