شبکه‌های اتوماسیون صنعتی، سامانه‌های توزیع توان و حلقه‌های کنترلی پیچیده برای حفظ یکپارچگی عملیاتی، به‌شدت به زمین‌کردن درست متکی‌اند. بنابراین، مهندسان کنترل و متخصصان برق باید تفاوت‌های میان earthing، grounding و هم‌بندی را به‌خوبی درک کنند. در ۱۵ سالی که صرف راه‌اندازی سامانه‌های کنترل توزیع‌شده (DCS) و معماری‌های اتوماسیون کارخانه کرده‌ام، با خرابی‌های مرموز متعددی در تجهیزات روبه‌رو شده‌ام که علتشان روش‌های نادرست زمین‌کردن بوده است. در ادامه، این مفاهیم ضروری را روشن می‌کنم و استانداردهای صنعتی حاکم بر ایمنی برق صنعتی را شرح می‌دهم.

روشن‌سازی مفاهیم بنیادی زمین و مرجع الکتریکی

اصطلاحات earthing و grounding اغلب در پروژه‌های صنعتی بین‌المللی باعث سردرگمی می‌شوند. اساساً، Earth به سیاره ما اشاره دارد که به‌عنوان رسانایی الکتریکی با مرجع نظریِ صفر ولت عمل می‌کند. Grounding به اتصال مستقیم مدارهای الکتریکی یا محفظه‌های تجهیزات به زمین یا به جسم رسانایی گفته می‌شود که این اتصال را گسترش می‌دهد. با این حال، استانداردهای مهندسی در مناطق مختلف این اصطلاحات را متفاوت به کار می‌برند. استانداردهای اروپایی و IEC اصطلاح earthing را ترجیح می‌دهند، در حالی که استانداردهای NEC، IEEE و ANSI آمریکای شمالی grounding را به کار می‌برند. با وجود تفاوت‌های زبانی، هر دو اصطلاح به ایجاد یک نقطه مرجع مطمئن و کم‌امپدانس برای توزیع توان و سیگنال اشاره دارند.

تمایز میان فعالیت‌های زمین‌کردن و هم‌بندی

اگرچه تکنسین‌ها اغلب earthing و grounding را به‌جای یکدیگر به کار می‌برند، هم‌بندی هدف مکانیکی متمایز و مهمی دارد. زمین‌کردن، اتصال الکتریکی مستقیم به الکترودهای زمین یا میله‌های کوبیده‌شده در زمین را برقرار می‌کند. در مقابل، هم‌بندی، همه سطوح فلزی، محفظه‌های تجهیزات و اجزای سازه‌ای را با استفاده از هادی‌های کم‌امپدانس به یکدیگر متصل می‌کند. این اتصال متقابل فلزی، هم‌بندی هم‌پتانسیل ایجاد می‌کند و مانع از ایجاد اختلاف ولتاژ خطرناک میان نقاط جداگانه می‌شود. برای مثال، هواپیماهای تجاری و سکوهای تولید فراساحلی هنگام پرواز یا شناوری هیچ اتصال مستقیم و پایداری به سیاره زمین ندارند. با این حال، هم‌بندی داخلیِ دقیق، از افراد و سخت‌افزارهای کنترلی حساس در برابر بارهای ساکن و صاعقه محافظت می‌کند.

رسیدگی به نویز الکترونیکی و چالش‌های کیفیت برق

اتوماسیون صنعتی مدرن به‌شدت به ریزپردازنده‌های حساس، کنترل‌کننده‌های منطقی برنامه‌پذیر (PLC) و شبکه‌های ارتباطی پرسرعت متکی است. در نتیجه، مشکلات کیفیت برق اغلب هنگام راه‌اندازی کارخانه بروز می‌کنند. مهندسان برقِ حوزه توان و مهندسان ابزار دقیقِ حوزه سیگنال، اغلب دیدگاه‌های متعارضی درباره کاهش نویز دارند. مهندسان برق عمدتاً بر قطع جریان خطا تمرکز می‌کنند، در حالی که مهندسان سیگنال، شبکه‌های مرجع سیگنال و کاهش تداخل الکترومغناطیسی (EMI) را در اولویت قرار می‌دهند. حل این چالش‌ها مستلزم پایبندی دقیق به استانداردهای اجماعیِ تثبیت‌شده است، نه راه‌حل‌های بداهه برای سیم‌کشی.

بهره‌گیری از استانداردهای IEEE برای سیستم‌های برق صنعتی

طراحان کارخانه‌های فرایندی صنعتی به راهنماهای مرجع معتبر منتشرشده از سوی مؤسسه مهندسان برق و الکترونیک (IEEE) اتکا می‌کنند. کتاب سبز IEEE شیوه‌های جامع اتصال زمین سیستم‌ها در شبکه‌های برق صنعتی را ارائه می‌دهد و اتصال زمین نول، پیکربندی ترانسفورماتورها و هم‌بندی بدنه تجهیزات را پوشش می‌دهد. افزون بر این، کتاب زمردی IEEE به‌طور مشخص به تأمین برق و اتصال زمین تجهیزات الکترونیکی حساس، کنترل‌کننده‌های صنعتی و زیرساخت فناوری اطلاعات می‌پردازد. بهره‌گیری از این کتاب‌های رنگی به مهندسان کمک می‌کند تا الزامات ایمنی را با کنترل نویز در سامانه‌های مدرن اتوماسیون کارخانه هماهنگ کنند.

رعایت الزامات آیین‌نامه ملی برق (NEC)

آیین‌نامه ملی برق (NFPA 70) الزامات سخت‌گیرانه‌ای برای ایمنی برق در تأسیسات صنعتی تعیین می‌کند. ماده 250 از NEC الزامات دقیق اتصال زمین سیستم‌های برق، هم‌بندی مسیرهای فلزی و نصب الکترودهای زمین زیرسطحی را مشخص می‌کند. هدف اصلی NEC همچنان حفاظت از جان انسان‌ها و اموال در برابر خطرات برق است. بنابراین، مهندسان اتوماسیون باید رعایت این آیین‌نامه را در طراحی مهندسی مقدماتی هر کارخانه فرایندی صنعتی، یک الزام قطعی و غیرقابل‌چشم‌پوشی بدانند.

سناریوی راهکار عملی: حذف حلقه‌های زمین در ورودی/خروجی توزیع‌شده DCS

فرض کنید یک کارخانه بزرگ پتروشیمی با اختلال متناوب سیگنال آنالوگ در ورودی‌های ترموکوپل متصل به سیستم کنترل توزیع‌شده (DCS) روبه‌رو شده است. عیب‌یابی نشان می‌دهد که شیلدهای سیگنال کنترل در هر دو انتها به‌طور نامناسبی زمین شده‌اند و در نتیجه، حلقه زمین ناخواسته‌ای ایجاد شده که نویز الکترومغناطیسی را به مدار تزریق می‌کند. تیم ابزار دقیق با ایزوله‌کردن شیلدهای کابل، اتصال آن‌ها صرفاً به شینه اصلی زمین در کابینت کنترل و اطمینان از هم‌بندی هم‌پتانسیل مناسب در جعبه‌های اتصال محلی، مشکل را برطرف می‌کند. این اصلاح مهندسی نوسان سیگنال را از بین می‌برد، حلقه‌های کنترل را پایدار می‌کند و از توقف‌های غیرضروری تولید جلوگیری می‌کند.

درباره نویسنده

وانگ لِی کارشناس ارشد اتوماسیون صنعتی با بیش از ۱۵ سال تجربه میدانی در سطح جهان است که در حفاظت از برق، راه‌اندازی DCS، طراحی ابزار دقیق و بهینه‌سازی سیستم‌های اتصال زمین تخصص دارد. وانگ در طول دوران حرفه‌ای خود، سرپرستی تیم‌های مهندسی برق و کنترل را در پالایشگاه‌های بزرگ نفت و گاز، کارخانه‌های فرآوری مواد شیمیایی و تأسیسات تولیدی سنگین متعددی در آسیا و خاورمیانه بر عهده داشته است. او متخصص دارای گواهی ایمنی برق است و مرتباً مستندات فنی و دیدگاه‌های تخصصی خود را در نشریات جهانی اتوماسیون منتشر می‌کند.