Dlaczego pakiety mogą zostać utracone w sieci LAN? Istnieją różne opcje: rezerwacja jest nieprawidłowo skonfigurowana, sieć nie radzi sobie z obciążeniem lub sieć LAN jest „burzliwa”. Ale przyczyna nie zawsze leży w warstwie sieciowej.
Firma Arktek LLC wykonała zautomatyzowane systemy kontroli procesów i systemy nadzoru wideo dla kopalni Rasvumchorrsky firmy Apatit JSC w oparciu o .
Wystąpiły problemy w jednej części sieci. Pomiędzy przełącznikami FL SWITCH 3012E-2FX – i FL SWITCH 3006T-2FX – kanał komunikacyjny był wyjątkowo niestabilny.
Urządzenia połączono kablem miedzianym ułożonym w jednym kanale z kablem zasilającym 6 kV. Kabel zasilający wytwarza silne pole elektromagnetyczne, które powoduje zakłócenia. Konwencjonalne przełączniki przemysłowe nie mają wystarczającej odporności na zakłócenia, dlatego część danych została utracona.
Gdy na obu końcach zamontowano przełączniki FL SWITCH 3012E-2FX – , połączenie się ustabilizowało. Przełączniki te są zgodne z normą IEC 61850-3. Między innymi Część 3 tej normy opisuje wymagania dotyczące kompatybilności elektromagnetycznej (EMC) dla urządzeń instalowanych w elektrowniach i podstacjach.
Dlaczego przełączniki z ulepszoną kompatybilnością elektromagnetyczną działały lepiej?
Kompatybilność elektromagnetyczna – postanowienia ogólne
Okazuje się, że na stabilność transmisji danych w sieci LAN wpływa nie tylko prawidłowa konfiguracja sprzętu i ilość przesyłanych danych. Upuszczone pakiety lub uszkodzony przełącznik mogą być spowodowane zakłóceniami elektromagnetycznymi: radiem używanym w pobliżu sprzętu sieciowego, kablem zasilającym leżącym w pobliżu lub wyłącznikiem zasilania, który otworzył obwód podczas zwarcia.
Radio, kabel i przełącznik są źródłami zakłóceń elektromagnetycznych. Przełączniki o zwiększonej kompatybilności elektromagnetycznej (EMC) zaprojektowano tak, aby działały normalnie w przypadku wystawienia na działanie takich zakłóceń.
Istnieją dwa rodzaje zakłóceń elektromagnetycznych: indukcyjne i przewodzone.
Zakłócenia indukcyjne przenoszone są poprzez pole elektromagnetyczne „przez powietrze”. Zakłócenia te nazywane są również zakłóceniami promieniowanymi lub promieniowanymi.
Przewodzone zakłócenia przenoszone są poprzez przewodniki: przewody, uziemienie itp.
Zakłócenia indukcyjne powstają pod wpływem silnego pola elektromagnetycznego lub magnetycznego. Zakłócenia przewodzone mogą być spowodowane przełączaniem obwodów prądowych, uderzeniami pioruna, impulsami itp.
Na przełączniki, jak każdy sprzęt, może wpływać zarówno szum indukcyjny, jak i przewodzony.
Przyjrzyjmy się różnym źródłom zakłóceń w obiekcie przemysłowym i jakie rodzaje zakłóceń wytwarzają.
Źródła zakłóceń
Urządzenia emitujące fale radiowe (walkie-talkie, telefony komórkowe, sprzęt spawalniczy, piece indukcyjne itp.)
Każde urządzenie emituje pole elektromagnetyczne. To pole elektromagnetyczne oddziałuje na sprzęt zarówno indukcyjnie, jak i przewodząco.
Jeśli pole zostanie wygenerowane wystarczająco silnie, może wytworzyć w przewodniku prąd, który zakłóci proces transmisji sygnału. Bardzo silne zakłócenia mogą prowadzić do wyłączenia sprzętu. W ten sposób pojawia się efekt indukcyjny.
Personel operacyjny i służby bezpieczeństwa komunikują się między sobą za pomocą telefonów komórkowych i krótkofalówek. Na obiektach działają stacjonarne nadajniki radiowe i telewizyjne, a na instalacjach mobilnych instalowane są urządzenia Bluetooth i WiFi.
Wszystkie te urządzenia są potężnymi generatorami pola elektromagnetycznego. Dlatego, aby normalnie działać w środowiskach przemysłowych, przełączniki muszą być w stanie tolerować zakłócenia elektromagnetyczne.
Środowisko elektromagnetyczne zależy od siły pola elektromagnetycznego.
Podczas badania wyłącznika pod kątem odporności na indukcyjne działanie pól elektromagnetycznych, w przełączniku indukowane jest pole o natężeniu 10 V/m. W takim przypadku przełącznik musi być w pełni funkcjonalny.
Wszelkie przewodniki wewnątrz przełącznika, a także wszelkie kable, są pasywnymi antenami odbiorczymi. Urządzenia emitujące fale radiowe mogą powodować przewodzone zakłócenia elektromagnetyczne w zakresie częstotliwości od 150 Hz do 80 MHz. Pole elektromagnetyczne indukuje napięcie w tych przewodnikach. Napięcia te z kolei powodują prądy, które powodują hałas w przełączniku.
Aby przetestować przełącznik pod kątem odporności na przewodzone zakłócenia elektromagnetyczne, do portów danych i portów zasilania przykładane jest napięcie. GOST R 51317.4.6-99 ustala wartość napięcia 10 V dla wysokiego poziomu promieniowania elektromagnetycznego. W takim przypadku przełącznik musi być w pełni funkcjonalny.
Prąd w kablach elektroenergetycznych, liniach energetycznych, obwodach uziemiających
Prąd w kablach zasilających, liniach energetycznych i obwodach uziemiających wytwarza pole magnetyczne o częstotliwości przemysłowej (50 Hz). Wystawienie na działanie pola magnetycznego powoduje wytworzenie prądu w zamkniętym przewodniku, co jest zjawiskiem zakłócającym.
Pole magnetyczne o częstotliwości sieciowej dzieli się na:
- pole magnetyczne o stałym i stosunkowo niskim natężeniu, wywołane prądami w normalnych warunkach pracy;
- pole magnetyczne o stosunkowo dużym natężeniu, wywołane prądami w warunkach awaryjnych, działające przez krótki czas do momentu zadziałania urządzeń.
Podczas badania wyłączników pod kątem stabilności działania pola magnetycznego o częstotliwości sieciowej przykłada się do niego pole o natężeniu 100 A/m przez długi czas i 1000 A/m przez okres 3 sekund. Podczas testowania przełączniki powinny być w pełni funkcjonalne.
Dla porównania konwencjonalna domowa kuchenka mikrofalowa wytwarza pole magnetyczne o natężeniu do 10 A/m.
Uderzenia piorunów, stany awaryjne w sieciach elektrycznych
Uderzenia piorunów powodują również zakłócenia w sprzęcie sieciowym. Nie trwają długo, ale ich wielkość może osiągnąć kilka tysięcy woltów. Takie zakłócenia nazywane są impulsowymi.
Szum impulsowy może być zastosowany zarówno do portów zasilania, jak i portów danych przełącznika. Ze względu na wysokie wartości przepięć mogą one zarówno zakłócić pracę sprzętu, jak i całkowicie go spalić.
Uderzenie pioruna jest szczególnym przypadkiem hałasu impulsowego. Można go sklasyfikować jako szum impulsowy o wysokiej energii mikrosekundowej.
Uderzenie pioruna może być różnego rodzaju: uderzenie pioruna w zewnętrzny obwód napięcia, uderzenie pośrednie, uderzenie w ziemię.
Kiedy piorun uderza w obwód napięcia zewnętrznego, powstają zakłócenia spowodowane przepływem dużego prądu wyładowczego przez obwód zewnętrzny i obwód uziemiający.
Za pośrednie uderzenie pioruna uważa się wyładowanie atmosferyczne pomiędzy chmurami. Podczas takich uderzeń powstają pola elektromagnetyczne. Indukują napięcia lub prądy w przewodnikach układu elektrycznego. To właśnie powoduje zakłócenia.
Kiedy piorun uderza w ziemię, przez ziemię przepływa prąd. Może to spowodować różnicę potencjałów w systemie uziemienia pojazdu.
Dokładnie takie same zakłócenia powstają przy przełączaniu baterii kondensatorów. Takie przełączanie jest procesem przejściowym przełączania. Wszystkie stany nieustalone przełączania powodują szum impulsowy o wysokiej energii mikrosekundowej.
Gwałtowne zmiany napięcia lub prądu podczas działania urządzeń ochronnych mogą również powodować mikrosekundowe szumy impulsowe w obwodach wewnętrznych.
Aby przetestować przełącznik pod kątem odporności na szum impulsowy, stosuje się specjalne generatory impulsów testowych. Na przykład UCS 500N5. Generator ten dostarcza impulsy o różnych parametrach do testowanych portów przełącznika. Parametry tętna zależą od przeprowadzonych badań. Mogą różnić się kształtem impulsu, rezystancją wyjściową, napięciem i czasem ekspozycji.
Podczas mikrosekundowych testów odporności na zakłócenia impulsowe do portów zasilania podawane są impulsy o napięciu 2 kV. Dla portów danych - 4 kV. Podczas tego testu zakłada się, że praca może zostać przerwana, ale po ustąpieniu zakłóceń, samoczynnie powróci do normy.
Łączenie obciążeń biernych, „odbijanie” styków przekaźnika, przełączanie przy prostowaniu prądu przemiennego
W układzie elektrycznym mogą zachodzić różne procesy przełączania: przerwy w obciążeniach indukcyjnych, rozwarcie styków przekaźnika itp.
Takie procesy przełączania powodują również powstawanie szumu impulsowego. Ich czas trwania waha się od jednej nanosekundy do jednej mikrosekundy. Taki szum impulsowy nazywany jest szumem impulsowym nanosekundowym.
Aby przeprowadzić testy, do przełączników wysyłane są serie nanosekundowych impulsów. Impulsy dostarczane są do portów zasilania i portów danych.
Porty zasilania zasilane są impulsami 2 kV, a porty danych - impulsami 4 kV.
Podczas testowania szumu impulsowego nanosekundowego przełączniki muszą być w pełni funkcjonalne.
Hałas wytwarzany przez przemysłowy sprzęt elektroniczny, filtry i kable
Jeśli przełącznik jest zainstalowany w pobliżu systemów dystrybucji energii lub sprzętu energoelektronicznego, może w nich indukować się niezrównoważone napięcie. Takie zakłócenia nazywane są przewodzonymi zakłóceniami elektromagnetycznymi.
Głównymi źródłami zakłóceń przewodzonych są:
- systemy dystrybucji energii, w tym prądu stałego i 50 Hz;
- sprzęt elektroniczny mocy.
W zależności od źródła zakłóceń dzieli się je na dwa typy:
- napięcie stałe i napięcie o częstotliwości 50 Hz. Zwarcia i inne zakłócenia w systemach dystrybucyjnych powodują zakłócenia na częstotliwości podstawowej;
- napięcie w paśmie częstotliwości od 15 Hz do 150 kHz. Zakłócenia takie są zazwyczaj generowane przez układy energoelektroniczne.
Aby przetestować przełączniki, porty zasilania i danych są zasilane napięciem skutecznym 30 V w sposób ciągły i napięciem skutecznym 300 V przez 1 s. Te wartości napięcia odpowiadają najwyższemu stopniowi surowości testów GOST.
Sprzęt musi wytrzymać takie wpływy, jeśli jest zainstalowany w trudnym środowisku elektromagnetycznym. Charakteryzuje się:
- badane urządzenia zostaną podłączone do sieci elektrycznych niskiego i średniego napięcia;
- urządzenia zostaną podłączone do systemu uziemienia urządzeń wysokiego napięcia;
- stosowane są przetwornice mocy, które wprowadzają znaczne prądy do systemu uziemiającego.
Podobne warunki można spotkać na stacjach czy podstacjach.
Prostowanie napięcia AC podczas ładowania akumulatorów
Po wyprostowaniu napięcie wyjściowe zawsze pulsuje. Oznacza to, że wartości napięcia zmieniają się losowo lub okresowo.
Jeżeli przełączniki zasilane są napięciem stałym, duże tętnienia napięcia mogą zakłócić pracę urządzeń.
Z reguły wszystkie nowoczesne systemy używają specjalnych filtrów antyaliasingowych, a poziom tętnienia nie jest wysoki. Sytuacja zmienia się jednak, gdy w systemie zasilania zostaną zamontowane akumulatory. Podczas ładowania akumulatorów tętnienie wzrasta.
Dlatego też należy wziąć pod uwagę możliwość wystąpienia takiej ingerencji.
wniosek
Przełączniki o ulepszonej kompatybilności elektromagnetycznej umożliwiają przesyłanie danych w trudnych warunkach elektromagnetycznych. W przykładzie kopalni Rasvumchorr podanym na początku artykułu kabel do transmisji danych został wystawiony na działanie silnego pola magnetycznego o częstotliwości przemysłowej i przewodził zakłócenia w paśmie częstotliwości od 0 do 150 kHz. Konwencjonalne przełączniki przemysłowe nie radziły sobie z transmisją danych w takich warunkach i pakiety ulegały utracie.
Przełączniki o zwiększonej kompatybilności elektromagnetycznej mogą w pełni działać pod wpływem następujących zakłóceń:
- pola elektromagnetyczne o częstotliwości radiowej;
- pola magnetyczne o częstotliwości przemysłowej;
- nanosekundowy szum impulsowy;
- szum impulsów mikrosekundowych o wysokiej energii;
- zakłócenia przewodzone indukowane przez pole elektromagnetyczne o częstotliwości radiowej;
- zakłócenia przewodzone w zakresie częstotliwości od 0 do 150 kHz;
- Tętnienie napięcia zasilania prądem stałym.
Źródło: www.habr.com