आधुनिक औद्योगिक स्वचालन में, सिग्नल अखंडता सिस्टम की विश्वसनीयता निर्धारित करती है। अवांछित विद्युत शोर सेंसर डेटा को खराब करता है, 4-20 mA धारा लूप को विकृत करता है और रुक-रुक कर होने वाले फील्डबस संचार अवरोध उत्पन्न करता है। प्रोग्रामेबल लॉजिक कंट्रोलर (PLC) प्रणालियों, डिस्ट्रीब्यूटेड कंट्रोल सिस्टम (DCS) और टर्बाइन सुपरवाइजरी इंस्ट्रूमेंटेशन (TSI) को डिजाइन करने वाले इंजीनियरों को इन बाधाओं की प्रभावी रूप से पहचान और रोकथाम करनी चाहिए।

यह तकनीकी मार्गदर्शिका नियंत्रण प्रणालियों और इलेक्ट्रॉनिक हार्डवेयर को प्रभावित करने वाले प्रमुख आंतरिक और बाहरी शोर स्रोतों का विश्लेषण करती है।

नियंत्रण प्रणालियों में सिग्नल शोर को समझना

सिग्नल शोर किसी भी अवांछित विद्युत परिवर्तन को दर्शाता है, जो सूचना वहन करने वाले सिग्नल को विकृत करता है। एक आदर्श नियंत्रण सर्किट में, एनालॉग वोल्टेज या धारा एक स्वच्छ तरंगरूप बनाए रखती है। हालांकि, आंतरिक भौतिक परिघटनाएँ और बाहरी विद्युतचुंबकीय हस्तक्षेप (EMI) सिग्नल आयामों को अप्रत्याशित रूप से बदल देते हैं।

औद्योगिक सुविधाओं में, अनियंत्रित शोर के कारण गलत ट्रिप, वाल्व की अनियमित स्थिति-निर्धारण और एनालॉग-से-डिजिटल रूपांतरण में भ्रष्टता होती है।

इलेक्ट्रॉनिक हार्डवेयर में आंतरिक शोर के स्रोत

आंतरिक शोर अर्धचालक जंक्शनों, निष्क्रिय घटकों और चालकों के भीतर सीधे होने वाली सूक्ष्म भौतिक क्रियाओं से उत्पन्न होता है।

थर्मल शोर (जॉनसन-नाइक्विस्ट शोर)

चालक माध्यमों के भीतर आवेश वाहकों का थर्मल आंदोलन थर्मल शोर उत्पन्न करता है। यह परिघटना लागू बाहरी वोल्टेज की परवाह किए बिना सभी प्रतिरोधी तत्वों में होती है।

• भौतिक तंत्र: थर्मल ऊर्जा चालक और अर्धचालक पदार्थों के भीतर मुक्त इलेक्ट्रॉनों की यादृच्छिक गति उत्पन्न करती है।
• आवृत्ति व्यवहार: यह पूरे आवृत्ति स्पेक्ट्रम में समान पावर स्पेक्ट्रल घनत्व वाले "श्वेत शोर" के रूप में कार्य करता है।
• सिस्टम पर प्रभाव: थर्मल शोर PLC और DCS प्रणालियों में उच्च-परिशुद्धता वाले एनालॉग इनपुट मॉड्यूल के लिए पूर्ण न्यूनतम शोर स्तर निर्धारित करता है।

शॉट नॉइज़

शॉट शोर विद्युत आवेश की असतत प्रकृति के कारण उत्पन्न होता है। धारा प्रवाह कोई सतत द्रव नहीं है, बल्कि विभव अवरोधों को पार करने वाले अलग-अलग इलेक्ट्रॉनों की धारा है।

• भौतिक तंत्र: डायोड और ट्रांजिस्टरों में आवेश वाहकों के PN जंक्शन पार करने पर यादृच्छिक उतार-चढ़ाव होते हैं।
• आवृत्ति व्यवहार: थर्मल शोर की तरह, शॉट शोर परिचालन बैंडविड्थ में सपाट आवृत्ति प्रतिक्रिया प्रदर्शित करता है।
• सिस्टम पर प्रभाव: यह मुख्य रूप से संवेदनशील ऑप्टिकल रिसीवरों, फोटोडायोड एम्प्लीफायरों और निम्न-स्तरीय सेंसर इंटरफेस को प्रभावित करता है।

फ्लिकर शोर ($1/f$ शोर)

फ्लिकर शोर एक निम्न-आवृत्ति परिघटना है, जो पदार्थ की अशुद्धियों और अर्धचालक चैनलों में प्रत्यक्ष धारा (DC) प्रवाह से संबंधित है।

• भौतिक तंत्र: अर्धचालक इंटरफेस पर आवेश वाहकों का फँसना और मुक्त होना धीमे धारा उतार-चढ़ाव उत्पन्न करता है।
• आवृत्ति व्यवहार: पावर स्पेक्ट्रल डेंसिटी आवृत्ति के व्युत्क्रमानुपाती ($1/f$) घटती है। 500 Hz से कम आवृत्तियों पर इसका प्रभुत्व होता है।
• प्रणाली पर प्रभाव: फ्लिकर शोर धीमी गति से बदलने वाले DC मापन सिग्नलों, जैसे थर्मोकपल और स्ट्रेन गेज रीडिंग्स, को गंभीर रूप से विकृत करता है।

ट्रांज़िट टाइम शोर

ट्रांज़िट टाइम शोर तब महत्वपूर्ण हो जाता है, जब AC सिग्नल की आवृत्ति अर्धचालक जंक्शन के आर-पार इलेक्ट्रॉनों के यात्रा समय के निकट पहुँचती है।

• भौतिक तंत्र: उच्च-आवृत्ति संचालन सिग्नल अवस्था संक्रमणों के दौरान आवेश वाहकों को सक्रिय क्षेत्र में अधिक समय तक रहने के लिए बाध्य करते हैं।
• आवृत्ति व्यवहार: अल्ट्रा-हाई और माइक्रोवेव आवृत्तियों पर इसका परिमाण तेज़ी से बढ़ता है।
• प्रणाली पर प्रभाव: कम-गति वाले औद्योगिक नियंत्रण नेटवर्क में इसका प्रभाव नगण्य होता है, लेकिन यह उच्च-गति वाले RF संचार और रडार लेवल ट्रांसमीटरों को प्रभावित करता है।

औद्योगिक वातावरण में बाहरी शोर के स्रोत

बाहरी शोर चुंबकीय क्षेत्रों, विद्युत क्षेत्रों या पर्यावरणीय घटनाओं के माध्यम से नियंत्रण सर्किटों में अवांछित ऊर्जा लाता है।

क्रॉसटॉक और विद्युतचुंबकीय युग्मन

क्रॉसटॉक तब होता है जब एक चालक के सिग्नल नियंत्रण पैनलों या केबल ट्रे के अंदर लगी आसन्न वायरिंग में युग्मित हो जाते हैं।

• भौतिक तंत्र: आवारा धारिता युग्मन (विद्युत क्षेत्र) और पारस्परिक प्रेरकत्व (चुंबकीय क्षेत्र) समानांतर तारों के बीच ऊर्जा स्थानांतरित करते हैं।
• प्रणाली पर प्रभाव: 230 V AC पावर केबलों और 4-20 mA सेंसर लाइनों के समानांतर बिछने से संवेदनशील उपकरणों में अक्सर वोल्टेज स्पाइक्स प्रेरित होते हैं।

औद्योगिक और मानव-निर्मित शोर

फैक्टरी ऑटोमेशन वातावरण में भारी विद्युत मशीनरी होती है, जो लगातार वाइडबैंड विद्युतचुंबकीय शोर उत्पन्न करती है।

• भौतिक तंत्र: वेरिएबल फ़्रीक्वेंसी ड्राइव्स (VFDs), आर्क वेल्डर और उच्च-वोल्टेज स्विचगियर से होने वाले स्विचिंग ट्रांज़िएंट तीव्र वोल्टेज स्पाइक्स ($dv/dt$) उत्पन्न करते हैं।
• प्रणाली पर प्रभाव: बिना शील्ड वाले संचार बसों (जैसे RS-485, PROFIBUS या CAN-bus) में बिट त्रुटि दर और पैकेट हानि अधिक होती है।

पर्यावरणीय और वायुमंडलीय शोर

वायुमंडलीय विक्षोभ गंभीर, उच्च-ऊर्जा वाले वोल्टेज ट्रांज़िएंट उत्पन्न करते हैं, जो लंबी सिग्नल लाइनों में फैलते हैं।

• भौतिक तंत्र: प्राकृतिक बिजली गिरने और इलेक्ट्रोस्टैटिक डिस्चार्ज (ESD) से उच्च-शक्ति वाला विद्युतचुंबकीय विकिरण उत्सर्जित होता है।
• प्रणाली पर प्रभाव: बाहरी क्षेत्रीय उपकरणों, रिमोट टर्मिनल यूनिट्स (RTUs) और सबस्टेशन ऑटोमेशन मॉड्यूल्स के लिए मजबूत सर्ज प्रोटेक्शन डिवाइस (SPDs) आवश्यक हैं।

इलेक्ट्रॉनिक शोर के प्रकारों की सारांश मैट्रिक्स

व्यावहारिक अनुप्रयोग: DCS आर्किटेक्चर में VFD नॉइज़ को कम करना

एक थर्मल पावर प्लांट अनुप्रयोग में, एक डिस्ट्रीब्यूटेड कंट्रोल सिस्टम (DCS) 4-20 mA ट्रांसमीटरों का उपयोग करके फीड-वॉटर पंप से कंपन संकेतों की निगरानी कर रहा था। पास के 6 kV वैरिएबल फ़्रीक्वेंसी ड्राइव (VFD) से आने वाला उच्च-आवृत्ति विद्युत नॉइज़ एनालॉग इनपुट चैनलों में कपल हो गया, जिससे गलत उच्च-कंपन अलार्म उत्पन्न हुए।

समाधान का कार्यान्वयन

1. केबल पृथक्करण: सिग्नल केबल्स को समर्पित, ग्राउंडेड धातु कंड्यूट्स में स्थानांतरित किया गया, जिन्हें VFD पावर केबल्स से कम-से-कम 30 सेमी की दूरी पर अलग रखा गया।
2. शील्डेड ट्विस्टेड-पेयर (STP) वायरिंग: फील्ड तकनीशियनों ने मानक वायरिंग को STP केबल्स से बदल दिया और ग्राउंड लूप्स समाप्त करने के लिए ड्रेन वायर को केवल कंट्रोल पैनल वाले सिरे पर ग्राउंड किया।
3. लो-पास ऐक्टिव फ़िल्टरिंग: इंजीनियरों ने उच्च-आवृत्ति स्विचिंग नॉइज़ को कम करने के लिए DCS एनालॉग इनपुट कार्ड्स पर डिजिटल लो-पास फ़िल्टरिंग सक्षम की।

इन सुधारात्मक कार्रवाइयों से सिग्नल की अखंडता बहाल हुई और गलत प्रक्रिया शटडाउन समाप्त हो गए।

तकनीकी अंतर्दृष्टियाँ और उद्योग के रुझान

जैसे-जैसे औद्योगिक ऑटोमेशन इंडस्ट्री 4.0 की ओर बढ़ रहा है, नॉइज़ इम्युनिटी अधिक महत्वपूर्ण होती जा रही है। औद्योगिक Ethernet (PROFINET, EtherCAT) में अधिक क्लॉक स्पीड और कॉम्पैक्ट PLCs में पतले सेमीकंडक्टर नोड सिग्नल विकृति के लिए मार्जिन थ्रेशोल्ड को कम कर देते हैं।

इंजीनियरों को सिस्टम डिज़ाइन के प्रारंभिक चरण में ही बहु-स्तरीय शील्डिंग और आइसोलेशन रणनीति अपनानी चाहिए। गैल्वैनिक रूप से पृथक I/O मॉड्यूल लागू करना, सिंगल-पॉइंट ग्राउंडिंग आर्किटेक्चर बनाए रखना और IEC 61000-4 EMC मानकों का कड़ाई से पालन करना दीर्घकालिक परिचालन क्षमता सुनिश्चित करता है।

लेखक के बारे में

झांग वेई विद्युत उत्पादन, पेट्रोकेमिकल ऑटोमेशन और संयंत्र सुरक्षा प्रणालियों में 15 से अधिक वर्षों के मैदानी अनुभव वाले वरिष्ठ औद्योगिक ऑटोमेशन आर्किटेक्ट हैं। वे बड़े पैमाने के औद्योगिक बुनियादी ढाँचे के लिए PLC/DCS सिस्टम डिज़ाइन, सिग्नल कंडीशनिंग और त्रुटि निदान में विशेषज्ञ हैं।