Монтаж систем управления

На срок службы и точность системы управления могут существенно влиять монтажные факторы. В этом материале рассматриваются основные важные аспекты, включая расположение оборудования и проводки, радиочастотные помехи и защиту от воздействия окружающей среды.

#Температурные датчики

Расположение датчика Положение датчика имеет решающее значение: его необходимо устанавливать там, где он может воспринимать репрезентативное давление, температуру или уровень.

Следует также учитывать длину датчика. Если применяемый датчик имеет большие размеры или значительную длину, это нужно предусмотреть в трубопроводе, в который он устанавливается.

Датчики для самодействующих систем управления могут иметь самые разные формы и размеры. В целом датчики для электронных и пневматических систем управления меньше, чем датчики для самодействующих регуляторов.

Следующее требование состоит в том, чтобы установить датчик в месте, где он не будет подвержен повреждениям, а при необходимости разместить его в защитной гильзе.

Гильза должна быть достаточно длинной, чтобы весь датчик был погружён в жидкость. Если на Figure 8.4.1 штуцер был бы длиннее, датчик мог бы оказаться не полностью погружённым в среду.

Защита датчика Если датчик устанавливается в резервуаре, его может быть лучше разместить ближе к одному из углов, где обычно выше жёсткость стенки и меньше вероятность деформации.

Для некоторых сред датчик необходимо защищать, чтобы предотвратить коррозию или разрушение материала.

Гильзы обычно изготавливаются из различных материалов, включая:

• нержавеющую сталь;
• углеродистую сталь;
• медь и латунь, подходящие для менее тяжёлых условий эксплуатации;
• термостойкое стекло, обеспечивающее хорошую общую защиту от агрессивных продуктов, таких как кислоты и щёлочи, хотя такие гильзы могут быть хрупкими.

Капиллярные трубки самодействующих регуляторов обычно поставляются с покрытием PVC, что полезно в коррозионных средах.

Если датчик можно установить через стенку резервуара, наличие гильзы также позволяет извлекать его без слива содержимого.

Гильза, как правило, увеличивает запаздывание системы до реакции на изменение температуры раствора, поэтому важно предусмотреть меры по его минимизации. Например, между датчиком и внутренней поверхностью гильзы будет воздушный зазор, а воздух является теплоизолятором.

Чтобы устранить это влияние, пространство можно заполнить теплопроводной пастой.

#Клапаны и приводы

Предпочтительное положение привода зависит от типа используемой системы управления. Для самодействующих регулирующих клапанов обычно предпочтительно устанавливать привод под клапаном. Напротив, электрический или пневматический привод обычно лучше располагать над клапаном, иначе возможная утечка по штоку может привести к попаданию на привод рабочей среды, которая может быть горячей или агрессивной.

Горизонтальная установка не рекомендуется, так как со временем:

• может возникнуть неравномерный износ штока;
• тарелка клапана может перестать правильно совмещаться с седлом.

Материалы и исполнение электрических приводов должны соответствовать окружающей среде с точки зрения степени защиты корпуса от избыточной влаги, а также опасных газов и жидкостей.

Клапан и привод тяжелее эквивалентного участка трубопровода, поэтому им необходима надёжная опора.

Важно до и после монтажа проверить, что клапан установлен по стрелке направления потока.

Вокруг клапана и привода необходимо оставить достаточно места для технического обслуживания и для снятия привода с клапана.

#Радиочастотные помехи (RFI)

Радиочастотные помехи представляют собой электрический шум, способный искажать сигналы управления и нарушать работу электронных контроллеров.

Существует две формы RFI:

• непрерывные;
• импульсные (переходные).

Радиопередатчики, компьютеры, индукционные нагреватели и подобное оборудование создают непрерывные высокочастотные радиопомехи.

Импульсные помехи возникают при электрической дуге, которая может появляться при размыкании контактов, особенно коммутирующих индуктивные нагрузки, например двигатели или трансформаторы.

Для инженера по автоматизации чаще всего наиболее критичны именно импульсные помехи. Эти импульсы имеют очень высокую интенсивность и очень малую длительность, но способны нарушать реальные сигналы управления.

Передача RFI Радиопомехи могут распространяться двумя путями:

• по проводникам;
• излучением.

Проводимые помехи поступают на контроллер через кабели питания. Установка подавителя помех в цепи питания как можно ближе к контроллеру может уменьшить их влияние.

Излучаемые помехи представляют большую проблему, поскольку бороться с ними сложнее. Такая помеха действует подобно радиопередаче, принимаемой «антеннами», которые естественным образом образуются сигнальной проводкой, а затем переизлучаемой внутри корпуса контроллера в более чувствительные зоны.

Электронные компоненты внутри контроллера также могут принимать излучение непосредственно, особенно если источник помех находится ближе 200 mm.

Воздействие RFI Разные типы контроллеров по-разному реагируют на различные формы помех.

Аналоговые контроллеры обычно сильнее реагируют на непрерывные помехи, чем на переходные, но после прекращения воздействия, как правило, восстанавливаются. Признаки непрерывных помех распознать сложно, поскольку они обычно влияют на точность измерений. Нередко трудно отличить последствия помех от нормальной работы устройства.

Переходные помехи чаще воздействуют на релейные выходы, так как возникают быстрее, чем способны отреагировать аналоговые схемы.

Контроллеры на базе микропроцессоров в большей степени подвержены повреждению данных от импульсных переходных помех, но при этом обладают более высокой устойчивостью к непрерывным помехам.

Первый признак воздействия помех часто состоит в том, что дисплей «зависает», отображает искажённую информацию или содержит бессмысленные символы наряду с нормальной индикацией.

Более сложные для выявления симптомы включают неточность измерения или неправильное положение привода; это может оставаться незамеченным, пока система явно не выйдет из-под контроля.

Практика монтажа для ограничения RFI Правильный выбор и монтаж сигнальной проводки имеет решающее значение для снижения восприимчивости к RFI.

Скрученные пары проводов менее подвержены помехам, чем кабели, проложенные параллельно (Figure 8.4.2).

Экранированные заземлённые кабели ещё менее чувствительны к помехам, чем скрученные пары, но полностью полагаться на это нельзя, особенно рядом с кабелями больших токов.

Экранированный кабель (Figures 8.4.3) следует заземлять только с одного конца, см. Figure 8.4.3 («A» и «B»); заземление с обоих концов в этой ситуации ухудшит результат.

Раздельная прокладка сигнальной и силовой проводки (Figure 8.4.4) позволяет уменьшить наводки на сигнальные провода.

BS 6739: 1986 рекомендует выдерживать расстояние не менее 200 mm для силовой проводки КИП и 250 mm для прочих силовых кабелей.

Практика показывает, что сигнальные провода можно прокладывать рядом с силовой проводкой, если они заключены в собственный заземлённый экран, см. Figure 8.4.5.

Импульсные помехи, возникающие при электрической дуге, можно уменьшить с помощью подходящего подавителя, подключённого параллельно контактам выключателя.

Наводки из-за прямого излучения можно снизить, располагая контроллеры минимум в 250 mm от источников помех, например контакторов или сетевых коммутационных реле.

Разделение кабелей Следующая информация перепечатана из британского свода правил по КИП для систем технологического управления: installation design and practice BS 6739: 1986:

Paragraph 10.7.4.2.2 - Separation from power cables

• Кабели КИП должны прокладываться над землёй или под землёй отдельно от силовых электрических кабелей (то есть AC-кабелей, обычно выше 50 Vac с током 10 A).
• Следует избегать параллельной прокладки кабелей. Однако если этого избежать нельзя, необходимо обеспечить достаточное физическое разделение.
• Для AC-кабелей с током до 10 A рекомендуется расстояние 250 mm. Для более высоких токов расстояние должно постепенно увеличиваться.
• Если сигнальные и силовые кабели неизбежно должны пересекаться, их следует располагать под прямым углом и обеспечивать положительное разделение не менее 250 mm.

Paragraph 10.7.4.2.3 - Separation between instrument cables

1. Категории 1 и 2: расстояние 200 mm.
2. Категории 2 и 3: расстояние 300 mm.
3. Категории 1 и 3: расстояние 300 mm.

Кабели классифицируются следующим образом:

1. Силовые кабели AC - кабели обычно выше 50 Vac с током 10 amp.
2. Категория 1. Питание приборов и управляющая проводка выше 50 V - в эту группу входят источники питания AC и DC и сигналы управления с током до 10 A.
3. Категория 2. Сигнальная проводка высокого уровня (5 V to 50 Vdc) - в эту группу входят цифровые сигналы, сигналы тревоги, аварийного отключения и аналоговые сигналы высокого уровня, например 4 - 20 mA.
4. Категория 3. Сигнальная проводка низкого уровня (below 5 Vdc) - в эту группу входят температурные сигналы и аналоговые сигналы низкого уровня. Проводка термопар относится именно к этой категории.

Хотя на практике это не всегда возможно, следует прилагать все усилия для соблюдения рекомендуемых расстояний.

#Стандарты электрической защиты

Электрооборудование, такое как электронные контроллеры, должно соответствовать условиям среды, в которой оно используется. Опасные среды могут встречаться на нефтеперерабатывающих заводах, морских платформах, в больницах, химических производствах, шахтах, фармацевтических предприятиях и во многих других местах. Степень защиты зависит от потенциальной опасности, например от риска воспламенения горючих газов и паров искрами или горячими поверхностями.

Не менее важно защищать оборудование от влаги, пыли, попадания воды и резких перепадов температуры.

Существуют стандарты и процедуры, снижающие вероятность того, что оборудование вызовет неисправности, которые в противном случае могли бы стать причиной пожара или инициировать взрыв соседнего оборудования.

Базовые стандарты защиты разработаны для конкретных условий эксплуатации.

Степени защиты IP IP, или международная степень защиты оболочки, позволяет классифицировать уровень защиты корпуса с помощью двух цифр, как показано в Tables 8.4.1 и 8.4.2.

Первая цифра (см. Table 8.4.1) относится к защите от проникновения посторонних предметов, таких как рычаги, отвёртки или даже рука человека. Диапазон состоит из семи значений, начиная с 0, означающего отсутствие защиты от предметов и вмешательства человека, и до 6, означающего тщательную защиту от проникновения пыли и очень мелких частиц.

Вторая цифра (см. Table 8.4.2) показывает степень защиты от проникновения воды.

Шкала начинается с 0, означающего отсутствие защиты от воды. Максимальное значение 8 обеспечивает оптимальную защиту оборудования при его постоянном погружении в воду.

Example 8.4.1 Электрический корпус со степенью защиты IP34 можно определить следующим образом:

Цель данного модуля не состоит в детальном рассмотрении защиты оболочек.

Эта тема значительно подробнее рассматривается в международных стандартах, одним из которых является BS EN 60529:1992. Если необходима информация для конкретных задач, рекомендуется обращаться к соответствующим стандартам.

Взрывозащищённое электрооборудование Кратко было показано, что степени IP охватывают две важные области защиты. Однако существуют и многие другие опасности, включая коррозию, вибрацию, пожар и взрыв. Последние особенно вероятны, когда электрооборудование создаёт искры, работает при высоких температурах или вызывает электрическую дугу, что может привести к воспламенению химикатов, масел или газов.

На практике сложно точно определить, будет ли присутствовать взрывоопасная атмосфера в конкретном месте потенциально опасной зоны или установки. Эта проблема решается отнесением участка установки, где могут присутствовать горючие газы, к одной из трёх опасных зон:

• Zone 1 - зона, где взрывоопасный газ присутствует постоянно или в течение длительного времени;
• Zone 2 - зона, где взрывоопасный газ вероятно появляется при нормальной эксплуатации;
• Zone 3 - зона, где взрывоопасный газ при нормальной эксплуатации маловероятен, а если и появляется, то только на короткий период.

Предпринималось много попыток создать международно признанные стандарты защиты.

IEC (International Electrotechnical Commission) первой разработала международные стандарты в этой области, однако в настоящее время CENELEC (European, Electrical Standards Co-ordination Committee) объединяет основные европейские страны-производители в рамках единого набора стандартов.

Измерительное и регулирующее оборудование охватывается методом защиты intrinsic safety, основанным на снижении риска взрыва путём ограничения количества электрической энергии, поступающей в опасную зону; поэтому, в принципе, специальные оболочки не требуются.

CENELEC и IEC определяют две категории intrinsically-safe apparatus: EX ia и EX ib.

Класс EX ia К этому классу относится оборудование, которое не способно вызвать воспламенение при нормальной эксплуатации, при возникновении одной неисправности или любых двух полностью независимых неисправностей.

Класс EX ib К этому классу относится оборудование, которое не способно вызвать воспламенение при нормальной эксплуатации или при возникновении одной неисправности.

Как и в случае с IP-защитой, данный модуль не ставит целью глубоко рассматривать эту тему; она сложна и дополнительно осложняется тем, что классификация оборудования может различаться в разных странах.

Если читателю нужна дополнительная информация по этой теме, рекомендуется изучить соответствующий профильный стандарт.