औद्योगिक नियंत्रण प्रणालियों में ग्राउंड लूप्स को समझना

विद्युत ग्राउंड लूप्स अक्सर  औद्योगिक ऑटोमेशन इंस्टॉलेशनों को प्रभावित करते हैं। ये सिग्नल सर्किट्स में शोर पैदा करते हैं और मापन की सटीकता को कम करते हैं।

IEEE शब्दावली के अनुसार, ग्राउंड लूप तब बनता है जब कई ग्राउंडिंग पॉइंट्स कंडक्टिव पथों के माध्यम से जुड़े होते हैं लेकिन अलग-अलग पोटेंशियल पर काम करते हैं। यह पोटेंशियल अंतर अनचाहे करंट को ग्राउंड पथ से प्रवाहित होने देता है।

 PLC और DCS नियंत्रण प्रणालियों में, ये करंट एनालॉग सिग्नल्स को विकृत कर सकते हैं, संचार नेटवर्क को बाधित कर सकते हैं, और सेंसर रीडिंग्स को अस्थिर बना सकते हैं।

इसलिए, इंजीनियरों को सिग्नल हस्तक्षेप को रोकने के लिए ग्राउंडिंग सिस्टम को सावधानीपूर्वक डिजाइन करना चाहिए।

नियंत्रण प्रणालियों में ग्राउंड लूप्स के प्रकार

सभी ग्राउंड लूप्स समस्याएँ नहीं पैदा करते। इंजीनियर आमतौर पर इन्हें तीन श्रेणियों में वर्गीकृत करते हैं।

अनचाहे ग्राउंड लूप्स तब होते हैं जब सिग्नल करंट साझा ग्राउंडिंग कंडक्टर से होकर गुजरता है। शोर करंट सिग्नल पथ के साथ मिलकर सिग्नल की गुणवत्ता को खराब कर सकता है।

जानबूझकर ग्राउंडिंग लूप्स सुरक्षा कार्यों का समर्थन करते हैं। ये ग्राउंडिंग कनेक्शन फॉल्ट करंट या बिजली गिरने की ऊर्जा को सुरक्षित रूप से पृथ्वी तक पहुंचाने में मदद करते हैं।

निष्प्रभावी ग्राउंड लूप्स ऐसे होते हैं जो सिग्नल त्रुटियाँ या विद्युत खतरों को उत्पन्न नहीं करते।

व्यवहार में, ऑटोमेशन इंजीनियर अनचाहे लूप्स को खत्म करने पर ध्यान केंद्रित करते हैं जो  औद्योगिक नियंत्रण प्रणालियों को प्रभावित करते हैं।

ग्राउंड लूप्स क्यों औद्योगिक ऑटोमेशन सिग्नल्स को प्रभावित करते हैं

कई  फैक्टरी ऑटोमेशन सिस्टम संवेदनशील एनालॉग सिग्नल्स पर निर्भर करते हैं। ये सिग्नल दबाव, प्रवाह, तापमान, या मोटर गति को दर्शा सकते हैं।

यदि शोर करंट सिग्नल ग्राउंड पथ से होकर गुजरता है, तो यह मापी गई वैल्यू को बदल सकता है। यहां तक कि एक छोटा वोल्टेज अंतर भी महत्वपूर्ण मापन त्रुटियाँ पैदा कर सकता है।

ग्राउंड लूप हस्तक्षेप निम्नलिखित सिग्नल प्रकारों में विशेष रूप से समस्या पैदा करता है:

• ग्राउंड संदर्भित अनबैलेंस्ड सिग्नल सर्किट्स

• दोनों सिरों पर ग्राउंडेड कोएक्सियल कम्युनिकेशन केबल्स

• मल्टी-कंडक्टर केबल्स जो एक सामान्य सिग्नल रिटर्न साझा करते हैं

ऐसे प्रोटोकॉल जैसे  RS-232 अक्सर इस समस्या का सामना करते हैं क्योंकि वे सिग्नल रिटर्न कंडक्टर्स साझा करते हैं।

हालांकि, बैलेंस्ड डिफरेंशियल सिग्नल ग्राउंडिंग शोर के खिलाफ मजबूत प्रतिरोध प्रदान करते हैं।

ग्राउंड लूप रोकथाम रणनीति के रूप में सिग्नल आइसोलेशन

एक प्रभावी समाधान सिग्नल सर्किट से ग्राउंड पथ को हटाना है।

इंजीनियर सिग्नल प्रोटोकॉल को डिफरेंशियल कम्युनिकेशन स्टैंडर्ड्स में बदलकर यह हासिल कर सकते हैं। उदाहरण के लिए,  RS-232 को RS-485 या RS-422 में बदलना शोर प्रतिरोध को काफी बढ़ा देता है।

ये डिफरेंशियल प्रोटोकॉल सिग्नल्स को बैलेंस्ड पेयर्स के माध्यम से ट्रांसमिट करते हैं। इसलिए, ये ग्राउंड कंडक्टर पर निर्भरता को कम करते हैं।

प्रोटोकॉल कन्वर्टर और सिग्नल आइसोलेटर औद्योगिक आपूर्तिकर्ताओं से व्यापक रूप से उपलब्ध हैं। कई ऑटोमेशन विक्रेता इन कार्यों को आधुनिक PLC संचार मॉड्यूल में एकीकृत करते हैं।

औद्योगिक सुविधाओं के लिए सिग्नल संदर्भ ग्रिड डिजाइन करना

एक सिग्नल संदर्भ ग्रिड (SRG) संवेदनशील इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए एक संरचित ग्राउंडिंग नेटवर्क प्रदान करता है।

SRG उपकरण के फ्रेम, कैबिनेट और ग्राउंडिंग कंडक्टर्स को एक निम्न-प्रतिरोध ग्राउंडिंग प्लेन में जोड़ता है। यह डिज़ाइन शोर करंट को कई समानांतर मार्गों में वितरित करता है।

इसका परिणाम यह होता है कि शोर करंट सिग्नल कंडक्टर्स से बच जाता है।

हालांकि SRG स्थापना प्रारंभिक परियोजना लागत बढ़ा सकती है, दीर्घकालिक लाभ अक्सर निवेश से अधिक होते हैं।

मेरे नियंत्रण प्रणाली कमीशनिंग के अनुभव में, खराब ग्राउंडिंग अस्थायी सिग्नल विफलताओं के सबसे सामान्य कारणों में से एक है।

उपकरण की स्थिति और ग्राउंडिंग प्रथाएं

उपकरण की उचित व्यवस्था नियंत्रण प्रणालियों में ग्राउंडिंग समस्याओं को काफी कम करती है।

इंजीनियरों को संभव हो तो जुड़े उपकरणों को एक ही भौतिक क्षेत्र में स्थापित करना चाहिए। आदर्श रूप से, सभी उपकरणों को एक ही सिग्नल संदर्भ ग्रिड साझा करना चाहिए।

प्रत्येक उपकरण के आवरण को सीधे SRG से जोड़ा जाना चाहिए। यह बंधन स्थापना में एक समान ग्राउंड संदर्भ सुनिश्चित करता है।

इसके अलावा, वर्कस्टेशन के भीतर कंप्यूटर और नेटवर्क उपकरणों को एक ही समर्पित शाखा सर्किट साझा करना चाहिए।

विभिन्न विद्युत पैनलों से उपकरणों को पावर देना संभावित अंतर पैदा कर सकता है जो ग्राउंड लूप करंट को उत्पन्न करता है।

शोर-मुक्त डेटा ट्रांसमिशन के लिए फाइबर ऑप्टिक संचार

फाइबर ऑप्टिक नेटवर्क ग्राउंड लूप को समाप्त करने के लिए सबसे विश्वसनीय समाधान प्रदान करते हैं।

तांबे के केबल के विपरीत, फाइबर बिजली का संचालन नहीं करता। इसलिए, यह जुड़े उपकरणों को ग्राउंड पोटेंशियल के अंतर से पूरी तरह अलग करता है।

औद्योगिक स्थल SCADA, PLC नेटवर्क, और फैक्ट्री ऑटोमेशन सिस्टम के लिए फाइबर संचार को बढ़ावा दे रहे हैं।

हालांकि फाइबर स्थापना की प्रारंभिक लागत अधिक होती है, यह बाद में समस्या निवारण और रखरखाव के खर्च को अक्सर कम कर देता है।

इसी कारण से, कई इंजीनियर अब फाइबर संचार को अंतिम विकल्प की बजाय एक श्रेष्ठ प्रथा मानते हैं।

ऑप्टो-आइसोलेटर और सिग्नल कन्वर्टर का उपयोग करना

जब फाइबर नेटवर्क संभव न हो, तो इंजीनियर विद्युत अलगाव उपकरणों का उपयोग कर सकते हैं।

ऑप्टो-आइसोलेटर संचार सर्किटों के बीच कई किलोवोल्ट की अलगाव प्रदान करते हैं। ये सिग्नल को गुजरने देते हैं जबकि विद्युत धाराओं को रोकते हैं।

प्रोटोकॉल कन्वर्टर शोर प्रतिरोध क्षमता भी बढ़ा सकते हैं। उदाहरण के लिए, सिंगल-एंडेड सिग्नल को डिफरेंशियल ट्रांसमिशन फॉर्मेट में बदलने से कॉमन-मोड इंटरफेरेंस कम होती है।

इसके अलावा, सर्ज प्रोटेक्शन डिवाइस को संचार लाइनों को बिजली के झटकों और विद्युत ट्रांज़िएंट्स से सुरक्षित रखना चाहिए।

ये सुरक्षा उपाय IEEE Std. 1100 की सिफारिशों का पालन करते हैं, जो संवेदनशील इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लिए ग्राउंडिंग और पावर प्रथाओं को संबोधित करता है।

शील्डिंग और केबल स्थापना तकनीकें

केबल स्थापना प्रथाएं भी सिग्नल विश्वसनीयता को प्रभावित करती हैं।

इंजीनियरों को संवेदनशील सिग्नल केबलों को ग्राउंडेड धातु नालियों या केबल ट्रे के माध्यम से मार्गदर्शित करना चाहिए। ये धातु मार्ग विद्युतचुंबकीय शील्डिंग प्रदान करते हैं।

उचित शील्डिंग बाहरी विद्युतचुंबकीय क्षेत्रों को सिग्नल तारों में युग्मित होने से रोकती है।

इसके अलावा, इंजीनियरों को केबल शील्ड के लिए सुसंगत ग्राउंडिंग प्रथाओं को बनाए रखना चाहिए ताकि अतिरिक्त शोर पथ न बनें।

बड़े भवनों और बहुमंजिला स्थापना के लिए ग्राउंडिंग रणनीतियाँ

बड़े भवनों में अक्सर उपकरण कई मंजिलों या दूरस्थ क्षेत्रों में वितरित होते हैं।

इन मामलों में, प्रत्येक क्षेत्र अलग-अलग विद्युत वितरण प्रणालियों पर काम कर सकता है। परिणामस्वरूप, ग्राउंड पोटेंशियल पूरे सुविधा में भिन्न हो सकते हैं।

इंजीनियरों को प्रत्येक उपकरण क्षेत्र में स्थानीय सिग्नल संदर्भ ग्रिड स्थापित करना चाहिए। फिर उन्हें कई ग्राउंडिंग चालक या धातु संरचनात्मक घटकों का उपयोग करके इन ग्रिडों को आपस में जोड़ना चाहिए।

संरचनात्मक स्टील कॉलम अक्सर अपनी विस्तृत दूरी के कारण प्रभावी बंधन चालक के रूप में काम करते हैं।

विस्तृत दूरी प्रेरक युग्मन को कम करती है और ग्राउंडिंग प्रदर्शन में सुधार करती है।

लेखक का दृष्टिकोण: स्वचालन परियोजनाओं में ग्राउंडिंग डिज़ाइन क्यों महत्वपूर्ण है

ग्राउंड लूप समस्याएं सिस्टम डिज़ाइन के दौरान शायद ही कभी दिखाई देती हैं। ये आमतौर पर स्थापना के बाद तब उभरती हैं जब सिग्नल शोर दिखाई देने लगता है।

कई संगठन सॉफ़्टवेयर कॉन्फ़िगरेशन या PLC प्रोग्रामिंग पर ध्यान केंद्रित करते हैं। हालांकि, ग्राउंडिंग डिज़ाइन अक्सर कम ध्यान पाता है।

व्यवहार में, अच्छी ग्राउंडिंग वास्तुकला औद्योगिक स्वचालन प्रणालियों में कई समस्या निवारण मुद्दों को रोकती है।

इसलिए, इंजीनियरों को परियोजना डिज़ाइन चरण में ही ग्राउंडिंग का समाधान करना चाहिए।

फैक्टरी ऑटोमेशन में व्यावहारिक अनुप्रयोग परिदृश्य

एक विनिर्माण संयंत्र पर विचार करें जो PLC-आधारित फैक्टरी ऑटोमेशन और वितरित सेंसर का उपयोग करता है।

इंजीनियर निम्नलिखित ग्राउंडिंग रणनीति लागू कर सकते हैं:

• नियंत्रण कक्ष में पूरे सुविधा के लिए सिग्नल संदर्भ ग्रिड स्थापित करें

• सभी PLC कैबिनेट और नियंत्रण पैनलों को SRG से जोड़ें

• भवनों या मंजिलों के बीच फाइबर-ऑप्टिक लिंक का उपयोग करें

• RS-232 उपकरणों को RS-485 डिफरेंशियल संचार में परिवर्तित करें

• लंबे केबल मार्गों पर सर्ज सुरक्षा उपकरण स्थापित करें

यह वास्तुकला सिग्नल शोर को काफी कम करती है और मापन की सटीकता में सुधार करती है।

निष्कर्ष

ग्राउंड लूप औद्योगिक नियंत्रण प्रणालियों में एक सामान्य चुनौती होते हैं। ये विद्युत शोर उत्पन्न करते हैं जो मापन सिग्नल और संचार नेटवर्क को बाधित करते हैं।

इंजीनियर उचित ग्राउंडिंग डिज़ाइन, सिग्नल पृथक्करण, और आधुनिक संचार तकनीकों के माध्यम से इन समस्याओं को कम कर सकते हैं।

SRG ग्राउंडिंग, फाइबर-ऑप्टिक नेटवर्क और डिफरेंशियल सिग्नल प्रोटोकॉल को मिलाकर, औद्योगिक सुविधाएं स्थिर और विश्वसनीय स्वचालन नियंत्रण प्रणाली बनाए रख सकती हैं।