24 VDC nối đất hay cách ly? Hướng dẫn quyết định cho tủ điều khiển

Hai mạch điều khiển 24 VDC có thể hoạt động bình thường nhưng sử dụng các mối quan hệ rất khác nhau với đất bảo vệ. Một mạch có thể nối điểm chung DC với đất tại một điểm xác định; mạch khác có thể được chủ ý giữ cách ly. Lựa chọn này ảnh hưởng đến hành vi khi xảy ra sự cố, phép đo, khả năng tương thích điện từ và việc xử lý sự cố—nhưng tuyệt đối không được quyết định chỉ theo thói quen.

Quy tắc đầu tiên là tuân thủ quy chuẩn điện hiện hành, tiêu chuẩn máy móc, yêu cầu kỹ thuật của cơ sở và hướng dẫn lắp đặt của mọi thiết bị được kết nối. “Thả nổi” là một chiến lược cách ly được thiết kế có chủ đích, không phải là cho phép bỏ qua việc liên kết bảo vệ cho các bộ phận dẫn điện có thể chạm vào.

Phân biệt ba khái niệm thường được gọi là đất

Đất bảo vệ liên kết các bộ phận kim loại có thể tiếp cận để khi xảy ra sự cố, thiết bị bảo vệ có thể tác động và giới hạn điện áp chạm. Đất chức năng hỗ trợ khả năng tương thích điện từ hoặc hiệu năng tín hiệu. Điểm chung DC là dây dẫn hồi lưu bình thường của mạch 24 V. Chúng có thể được nối với nhau tại một điểm được thiết kế, nhưng không phải là các tên gọi có thể thay thế cho nhau.

Hướng dẫn về đi dây và nối đất PanelView Plus của Rockwell Automation cũng phân biệt đất bảo vệ, đất chức năng và điểm chung DC theo cách tương tự. Thuật ngữ này hữu ích trong các tủ điều khiển vì buộc bản vẽ phải thể hiện chức năng dự kiến của từng dây dẫn.

Cuộn thứ cấp thả nổi không có điểm tham chiếu có chủ ý với đất, vì vậy một trong hai dây dẫn có thể xuất hiện điện áp đồng pha do dòng rò, điện dung hoặc sự cố cách điện. Sơ đồ được giữ nguyên từ hình minh họa phương tiện gốc; nguồn: Control.com.

Những thay đổi do nối điểm chung DC tại một điểm duy nhất

Nối một phía của nguồn 24 VDC cách ly với thanh nối đất của tủ sẽ thiết lập một điểm tham chiếu có thể dự đoán. Giá trị đo từ điểm chung DC đến đất bảo vệ phải gần bằng 0, và sự cố từ dây dương đến phần kim loại nối đất sẽ có đường hồi lưu xác định. Khi đó, thiết bị bảo vệ được phối hợp đúng có thể loại trừ sự cố.

Mối nối này cũng làm giảm sự không chắc chắn khi nhiều thiết bị trao đổi các tín hiệu không cách ly. Các đầu vào, đầu ra, bộ truyền tín hiệu analog và bộ chuyển đổi truyền thông có thể được thiết kế theo một dải điện áp đồng pha xác định, thay vì bị trôi so với đất.

Nhiều mối nối hơn không có nghĩa là tốt hơn. Nối điểm chung DC với đất tại nhiều điểm từ xa có thể tạo ra dòng điện tuần hoàn qua lớp chắn, kết cấu thép, máng cáp hoặc các điểm chung của hệ thống truyền thông. Thiết kế phải xác định mối nối có chủ ý và ngăn các đường song song ngoài ý muốn.

Vì sao một số mạch được chủ ý để thả nổi

Một cuộn thứ cấp cách ly có thể ngăn sự cố đầu tiên từ dây dẫn đến đất tạo thành mạch dòng điện cao. Hành vi này chỉ hữu ích khi ứng dụng cho phép sử dụng cuộn thứ cấp không nối đất và khi hệ thống giám sát cách điện hoặc phương pháp chẩn đoán khác phát hiện sự cố đầu tiên trước khi sự cố thứ hai tạo ra đường dẫn nguy hiểm.

Cách ly cũng có giá trị giữa các vùng đo. Các đường tín hiệu analog dài, cảm biến cầu đo và các máy được cấp nguồn riêng có thể vượt quá dải điện áp đồng pha của đầu vào ngay cả khi cả hai phía đều có định mức 24 VDC. Bộ cách ly galvanic, I/O cách ly và lớp chắn được đấu nối đúng cách thường giải quyết vấn đề đo đáng tin cậy hơn so với việc đơn giản để toàn bộ nguồn điều khiển thả nổi.

Hướng dẫn đi kèm về chuỗi tín hiệu đo lường công nghiệp giải thích vì sao nguồn kích thích, đường hồi lưu, lớp chắn và cách ly đầu vào phải được đánh giá như một hệ thống thống nhất.

Giá trị đo của mạch thả nổi không tự động có nghĩa là nguồn nguy hiểm

Một đồng hồ vạn năng kỹ thuật số có trở kháng cao có thể hiển thị điện áp bất ngờ từ dây dẫn thả nổi đến đất vì các dòng điện điện dung hoặc dòng rò rất nhỏ tạo ra điện thế đồng pha. Chỉ riêng điện áp hiển thị không cho biết dòng sự cố có thể cung cấp là bao nhiêu. Kỹ sư phải sử dụng phương pháp đo được phê duyệt, hiểu trở kháng nguồn của mạch và tuân thủ quy trình làm việc an toàn.

Ngược lại, điện áp danh định thấp không loại bỏ rủi ro. Thiết bị có nhiều cấp điện áp, cách điện hư hỏng, năng lượng tích trữ, liên kết sai hoặc sự cố đất thứ hai có thể làm thay đổi mức nguy hiểm. Không bao giờ nối que đo hoặc dây nối đất chỉ để khiến giá trị trên đồng hồ trông quen thuộc.

Yêu cầu của thiết bị có thể quyết định kiến trúc

Một số bộ nguồn, bộ lọc, thiết bị chống xung, mô-đun I/O, HMI và sản phẩm an toàn quy định phải nối đất hoặc phải sử dụng một cấu hình SELV/PELV cụ thể. Quyết định ở cấp hệ thống phải tuân theo thiết bị được kết nối có yêu cầu nghiêm ngặt nhất. Hãy kiểm tra xem các cổng tín hiệu có được cách ly hay không, lớp chắn cáp được kết thúc bằng điện dung hay nối trực tiếp, và nhiều bộ nguồn có được mắc song song hoặc có điểm chung được liên kết ở nơi khác hay không.

Đối với các tủ hiện hữu, hãy ghi chép mọi mối nối trước khi thay đổi bất kỳ mối nối nào. Một HMI mới, lớp chắn Ethernet, máy tính xách tay hoặc thiết bị đo nối đất có thể vô tình tạo điểm tham chiếu cho một mạch trước đó đang thả nổi.

Việc chạy thử phải chứng minh được đường dẫn sự cố

Khi đã cô lập nguồn, hãy kiểm tra tính liên tục của liên kết bảo vệ, mối nối DC với đất dự kiến, các đầu cuối của lớp chắn và sự vắng mặt của các mối nối song song không được phép. Khi hệ thống được cấp điện theo quy trình đã phê duyệt, hãy ghi lại điện áp giữa dương DC và điểm chung, dương DC và đất, cũng như điểm chung và đất tại nguồn và tại các tải đại diện.

Hãy kiểm tra phản hồi chẩn đoán theo thiết kế. Việc này có thể bao gồm kiểm tra sự cố chạm đất có kiểm soát, cảnh báo của thiết bị giám sát cách điện, tác động của bảo vệ nhánh hoặc mô phỏng mất điểm chung. Quy trình xử lý sự cố thực tế trong Chẩn đoán bộ nguồn 24 VDC có thể giúp phân biệt sụt nguồn, điện trở dây dẫn và tải chập chờn với các triệu chứng liên quan đến nối đất.

Quan điểm biên tập: chọn triết lý xử lý sự cố, sau đó ghi chép lại

Theo quan điểm của PLC ProTech, hầu hết các tủ điều khiển máy móc thông thường đều có lợi khi sử dụng một điểm tham chiếu duy nhất được ghi chép rõ ràng, nếu quy chuẩn và hướng dẫn của thiết bị cho phép. Các mạch thả nổi phù hợp với những trường hợp trong đó cách ly và hành vi khi xảy ra sự cố đầu tiên là yêu cầu có chủ đích của hệ thống, được hỗ trợ bằng quy trình giám sát và bảo trì.

Thiết kế tệ nhất không nhất thiết là thiết kế nối đất hay thả nổi. Đó là một thiết kế lai không được ghi chép, trong đó điểm tham chiếu với đất thay đổi khi một dây cáp, lớp chắn hoặc máy tính xách tay bảo trì được kết nối.

Câu hỏi thường gặp

Có nên nối đất cực âm của mọi bộ nguồn 24 VDC không?

Không có quy tắc chung áp dụng cho mọi máy móc và mọi khu vực pháp lý. Hãy kiểm tra quy chuẩn hiện hành, tài liệu hướng dẫn sản phẩm, thiết kế an toàn và kiến trúc hệ thống. Khi cần nối đất, bản vẽ phải xác định vị trí và mục đích của mối nối.

Có thể sử dụng đất bảo vệ làm dây hồi lưu DC bình thường không?

Không. Đất bảo vệ là đường dẫn bảo vệ, không phải đường hồi lưu dòng tải dự kiến. Điểm chung DC phải có dây dẫn riêng với tiết diện phù hợp, ngay cả khi được nối với đất tại một điểm.

Vì sao mạch 24 VDC thả nổi lại có điện áp so với đất?

Điện trở rò, điện dung cáp, bộ lọc, linh kiện chống xung và các thiết bị đo được kết nối có thể làm cả hai dây dẫn dịch chuyển điện thế so với đất. Đồng hồ có trở kháng cao có thể hiển thị điện áp đồng pha đó ngay cả khi dòng điện khả dụng rất nhỏ.

Để nguồn điều khiển thả nổi có loại bỏ nhiễu vòng lặp đất không?

Không tự động. Nhiễu phụ thuộc vào ghép nối, cách đi cáp, đầu cuối lớp chắn, cách ly đầu vào và các giới hạn điện áp đồng pha. Các giao diện tín hiệu cách ly và sơ đồ nối đất được hoạch định thường dễ dự đoán hơn so với việc dựa vào một điểm tham chiếu thả nổi không xác định.

Biên soạn bởi Đội ngũ biên tập PLC ProTech