24 VDC แบบต่อลงกราวด์หรือลอย? คู่มือช่วยตัดสินใจสำหรับแผงควบคุม

วงจรควบคุม 24 VDC สองวงจรอาจทำงานได้ตามปกติ แม้จะมีความสัมพันธ์กับสายดินป้องกันที่แตกต่างกันมาก วงจรหนึ่งอาจเชื่อมจุดร่วม DC กับสายดินที่จุดที่กำหนดไว้ ส่วนอีกวงจรอาจตั้งใจให้แยกออกจากกัน การเลือกนี้ส่งผลต่อพฤติกรรมเมื่อเกิดความขัดข้อง การวัด ความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า และการแก้ไขปัญหา แต่ไม่ควรตัดสินใจจากความเคยชินเพียงอย่างเดียว

กฎข้อแรกคือต้องปฏิบัติตามข้อกำหนดทางไฟฟ้าที่เกี่ยวข้อง มาตรฐานเครื่องจักร ข้อกำหนดของสถานที่ติดตั้ง และคู่มือการติดตั้งของอุปกรณ์ทุกชิ้นที่เชื่อมต่ออยู่ คำว่า “ลอย” หมายถึงกลยุทธ์การแยกที่ผ่านการออกแบบ ไม่ใช่การอนุญาตให้ละเว้นการเชื่อมต่อสายดินป้องกันกับชิ้นส่วนตัวนำที่สัมผัสได้

แยกแนวคิดสามอย่างที่มักเรียกรวมกันว่าสายดิน

สายดินป้องกันเชื่อมโลหะที่เข้าถึงได้เข้ากับระบบ เพื่อให้ความขัดข้องทำให้อุปกรณ์ป้องกันทำงานและจำกัดแรงดันสัมผัส สายดินเพื่อการทำงานช่วยด้านความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้าหรือประสิทธิภาพของสัญญาณ ส่วนจุดร่วม DC คือตัวนำทางกลับตามปกติของวงจร 24 V ทั้งสามอาจเชื่อมต่อกันที่จุดที่ออกแบบไว้จุดเดียว แต่ไม่ใช่คำเรียกที่ใช้แทนกันได้

คำแนะนำของ Rockwell Automation เรื่อง การเดินสายและการต่อลงดินของ PanelView Plus ก็แยกความแตกต่างระหว่างสายดินป้องกัน สายดินเพื่อการทำงาน และจุดร่วม DC เช่นเดียวกัน คำศัพท์นี้มีประโยชน์กับตู้ควบคุมต่าง ๆ เพราะทำให้แบบแสดงอย่างชัดเจนว่าตัวนำแต่ละเส้นมีหน้าที่อะไร

วงจรทุติยภูมิแบบลอยไม่มีจุดอ้างอิงกับสายดินโดยตั้งใจ ดังนั้นตัวนำใดตัวนำหนึ่งอาจมีแรงดันโหมดร่วมเกิดขึ้นผ่านกระแสรั่ว ความจุไฟฟ้า หรือความขัดข้องของฉนวน แผนภาพคงไว้จากภาพประกอบสื่อต้นฉบับ แหล่งที่มา: Control.com

สิ่งที่เปลี่ยนไปเมื่อเชื่อมจุดร่วม DC ที่จุดเดียว

การเชื่อมด้านหนึ่งของแหล่งจ่าย 24 VDC แบบแยกเข้ากับบัสกราวด์ของตู้ จะสร้างจุดอ้างอิงที่คาดการณ์ได้ ค่าที่วัดจากจุดร่วม DC ถึงสายดินป้องกันควรใกล้เคียงศูนย์ และเมื่อเกิดความขัดข้องจากตัวนำบวกไปยังโลหะที่ต่อลงดิน ก็จะมีเส้นทางกลับที่ชัดเจน ระบบป้องกันที่ประสานกันอย่างถูกต้องจึงสามารถตัดความขัดข้องได้

การเชื่อมต่อนี้ยังช่วยลดความคลุมเครือเมื่ออุปกรณ์หลายชนิดแลกเปลี่ยนสัญญาณที่ไม่ได้แยกทางไฟฟ้า อินพุต เอาต์พุต ทรานสมิตเตอร์แบบแอนะล็อก และอะแดปเตอร์สื่อสาร สามารถออกแบบโดยอ้างอิงช่วงโหมดร่วมที่ทราบค่า แทนที่จะปล่อยให้ศักย์ไฟฟ้าเลื่อนไปมาเมื่อเทียบกับสายดิน

การมีจุดเชื่อมต่อมากขึ้นไม่ได้หมายความว่าดีกว่า การเชื่อมจุดร่วม DC กับสายดินที่จุดระยะไกลหลายจุดอาจทำให้เกิดกระแสหมุนเวียนผ่านชีลด์ โครงสร้างเหล็ก รางเคเบิล หรือจุดร่วมของระบบสื่อสาร แบบควรระบุจุดเชื่อมต่อที่ตั้งใจไว้ และป้องกันเส้นทางขนานที่เกิดขึ้นโดยไม่ตั้งใจ

เหตุใดบางวงจรจึงตั้งใจให้เป็นวงจรลอย

วงจรทุติยภูมิแบบแยกสามารถป้องกันไม่ให้ความขัดข้องครั้งแรกระหว่างตัวนำกับสายดินทำให้เกิดวงจรกระแสสูงที่สมบูรณ์ พฤติกรรมนี้มีประโยชน์เฉพาะเมื่อการใช้งานอนุญาตให้วงจรทุติยภูมิไม่ต่อลงดิน และเมื่อมีระบบตรวจสอบฉนวนหรือวิธีวินิจฉัยอื่นตรวจพบความขัดข้องครั้งแรก ก่อนที่ความขัดข้องครั้งที่สองจะสร้างเส้นทางอันตราย

การแยกทางไฟฟ้ายังมีคุณค่าเมื่อต้องแยกโซนการวัด สายแอนะล็อกยาว เซนเซอร์แบบบริดจ์ และเครื่องจักรที่มีแหล่งจ่ายแยกกัน อาจทำให้ช่วงโหมดร่วมของอินพุตเกินขีดจำกัดได้ แม้ว่าทั้งสองฝั่งจะมีแรงดันตามชื่อ 24 VDC ก็ตาม อุปกรณ์แยกแบบแกลวานิก I/O แบบแยก และชีลด์ที่ต่อปลายอย่างถูกต้อง มักแก้ปัญหาการวัดได้เชื่อถือได้กว่าการปล่อยให้แหล่งจ่ายควบคุมทั้งชุดเป็นวงจรลอย

คู่มือประกอบเรื่อง โซ่สัญญาณการวัดและควบคุมในงานอุตสาหกรรม อธิบายว่าเหตุใดจึงต้องประเมินการจ่ายกระตุ้น เส้นทางกลับ การชีลด์ และการแยกอินพุตเป็นระบบเดียวกัน

ค่าที่วัดได้จากวงจรลอยไม่ได้หมายความว่าแหล่งจ่ายนั้นอันตรายโดยอัตโนมัติ

มัลติมิเตอร์ดิจิทัลที่มีอิมพีแดนซ์สูงอาจแสดงแรงดันที่น่าประหลาดใจระหว่างตัวนำลอยกับสายดิน เพราะกระแสความจุหรือกระแสรั่วเพียงเล็กน้อยทำให้เกิดศักย์โหมดร่วม ค่าที่แสดงเพียงอย่างเดียวไม่สามารถบอกกระแสความขัดข้องที่มีอยู่ได้ วิศวกรต้องใช้วิธีการวัดที่ได้รับอนุมัติ ทำความเข้าใจอิมพีแดนซ์ต้นทางของวงจร และปฏิบัติตามขั้นตอนการทำงานอย่างปลอดภัย

ในทางกลับกัน แรงดันตามชื่อที่ต่ำไม่ได้ขจัดความเสี่ยง อุปกรณ์ที่มีแรงดันหลายระดับ ฉนวนชำรุด การสะสมพลังงาน การเชื่อมต่อลงดินที่ไม่ถูกต้อง หรือความขัดข้องกับสายดินครั้งที่สอง อาจเปลี่ยนระดับอันตรายได้ ห้ามต่อสายวัดหรือสายจัมเปอร์เชื่อมต่อเพียงเพื่อทำให้ค่าที่มิเตอร์แสดงดูคุ้นเคย

ข้อกำหนดของอุปกรณ์อาจเป็นตัวกำหนดสถาปัตยกรรม

แหล่งจ่ายไฟ ฟิลเตอร์ อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชาก โมดูล I/O HMI และผลิตภัณฑ์ด้านความปลอดภัยบางชนิด อาจกำหนดให้ต้องต่อสายดินหรือใช้การจัดวาง SELV/PELV แบบใดแบบหนึ่ง การตัดสินใจระดับระบบต้องปฏิบัติตามข้อกำหนดของอุปกรณ์ที่เชื่อมต่อซึ่งเข้มงวดที่สุด ตรวจสอบว่าพอร์ตสัญญาณแยกทางไฟฟ้าหรือไม่ ชีลด์สายเคเบิลต่อปลายผ่านตัวเก็บประจุหรือต่อโดยตรง และแหล่งจ่ายหลายตัวต่อขนานกันหรือมีการเชื่อมจุดร่วมไว้ที่อื่นหรือไม่

สำหรับตู้ที่มีอยู่เดิม ให้บันทึกการเชื่อมต่อทุกจุดก่อนเปลี่ยนแปลง การเพิ่ม HMI ใหม่ ชีลด์ Ethernet แล็ปท็อป หรือเครื่องมือทดสอบที่ต่อลงดิน อาจทำให้วงจรที่เดิมเป็นวงจรลอยมีจุดอ้างอิงโดยไม่ตั้งใจ

การทดสอบเดินระบบควรพิสูจน์เส้นทางเมื่อเกิดความขัดข้อง

เมื่อแยกแหล่งจ่ายแล้ว ให้ตรวจสอบความต่อเนื่องของการเชื่อมต่อสายดินป้องกัน จุดเชื่อมต่อ DC กับสายดินที่ตั้งใจไว้ จุดต่อปลายชีลด์ และการไม่มีจุดเชื่อมต่อขนานที่ไม่ได้รับอนุญาต เมื่อระบบจ่ายไฟภายใต้ขั้นตอนที่ได้รับอนุมัติ ให้บันทึกแรงดันระหว่าง DC บวกกับจุดร่วม ระหว่าง DC บวกกับสายดิน และระหว่างจุดร่วมกับสายดิน ทั้งที่แหล่งจ่ายและที่โหลดตัวแทน

ทดสอบการตอบสนองด้านการวินิจฉัยตามที่แบบกำหนดไว้ ซึ่งอาจรวมถึงการทดสอบกราวด์ฟอลต์แบบควบคุม สัญญาณเตือนจากระบบตรวจสอบฉนวน การทริปของอุปกรณ์ป้องกันสาขา หรือการจำลองการสูญเสียจุดร่วม ขั้นตอนการแก้ไขปัญหาเชิงปฏิบัติใน การวินิจฉัยแหล่งจ่ายไฟ 24 VDC สามารถช่วยแยกการทรุดตัวของแหล่งจ่าย ความต้านทานในสาย และโหลดที่ทำงานเป็นช่วง ๆ ออกจากอาการที่เกี่ยวข้องกับการต่อลงดิน

มุมมองบรรณาธิการ: เลือกแนวคิดด้านความขัดข้อง แล้วจัดทำเอกสารให้ชัดเจน

PLC ProTech เห็นว่า ตู้ควบคุมเครื่องจักรทั่วไปส่วนใหญ่จะได้ประโยชน์จากจุดอ้างอิงแบบจุดเดียวที่จัดทำเอกสารไว้อย่างชัดเจน เมื่อข้อกำหนดและคำแนะนำของอุปกรณ์อนุญาต วงจรลอยควรใช้เมื่อการแยกและพฤติกรรมเมื่อเกิดความขัดข้องครั้งแรกเป็นข้อกำหนดของระบบโดยเจตนา และมีระบบตรวจสอบรวมถึงขั้นตอนการบำรุงรักษารองรับ

แบบที่แย่ที่สุดอาจไม่ใช่แบบต่อลงดินหรือแบบลอย แต่คือแบบผสมที่ไม่มีเอกสาร ซึ่งจุดอ้างอิงกับสายดินเปลี่ยนไปเมื่อเชื่อมต่อสายเคเบิล ชีลด์ หรือแล็ปท็อปสำหรับงานบริการ

คำถามที่พบบ่อย

ควรต่อลงดินขั้วลบของแหล่งจ่ายไฟ 24 VDC ทุกตัวหรือไม่

ไม่มีหลักสากลข้อเดียวที่ครอบคลุมเครื่องจักรและเขตอำนาจศาลทุกแห่ง ให้ตรวจสอบข้อกำหนดที่เกี่ยวข้อง คู่มือผลิตภัณฑ์ การออกแบบด้านความปลอดภัย และสถาปัตยกรรมของระบบ เมื่อจำเป็นต้องเชื่อมต่อ แบบควรระบุตำแหน่งและวัตถุประสงค์ของจุดเชื่อมต่อไว้

สามารถใช้สายดินป้องกันเป็นตัวนำทางกลับ DC ตามปกติได้หรือไม่

ไม่ได้ สายดินป้องกันมีไว้เป็นเส้นทางป้องกัน ไม่ใช่เส้นทางกลับของกระแสโหลดที่ตั้งใจใช้งาน จุดร่วม DC ควรมีตัวนำของตัวเองที่มีขนาดเหมาะสม แม้ว่าจะเชื่อมกับสายดินที่จุดเดียวก็ตาม

เหตุใดวงจร 24 VDC แบบลอยจึงมีแรงดันเมื่อวัดเทียบกับสายดิน

ความต้านทานการรั่ว ความจุของสายเคเบิล ฟิลเตอร์ อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชาก และเครื่องมือที่เชื่อมต่ออยู่ สามารถทำให้ตัวนำทั้งสองมีศักย์เปลี่ยนไปเมื่อเทียบกับสายดิน มัลติมิเตอร์ที่มีอิมพีแดนซ์สูงอาจแสดงแรงดันโหมดร่วมนี้ แม้ว่าจะมีกระแสที่จ่ายได้อยู่น้อยมาก

การทำให้แหล่งจ่ายควบคุมเป็นวงจรลอยช่วยขจัดสัญญาณรบกวนจากกราวด์ลูปหรือไม่

ไม่เสมอไป สัญญาณรบกวนขึ้นอยู่กับการเหนี่ยวนำ เส้นทางเดินสาย การต่อปลายชีลด์ การแยกอินพุต และขีดจำกัดโหมดร่วม อินเทอร์เฟซสัญญาณแบบแยกและแผนการเชื่อมต่อสายดินที่วางไว้อย่างชัดเจน มักให้ผลที่คาดการณ์ได้มากกว่าการพึ่งพาจุดอ้างอิงแบบลอยที่ไม่ได้กำหนด

โดย ทีมบรรณาธิการ PLC ProTech