La mise à la terre de votre système de commande fonctionne-t-elle correctement?

5 juillet, 2017 | Blogue

Pierre Girard, ing.

Chef de pratique, Électrique et CAD

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Il est difficile de répondre à cette question sans avoir les mesures appropriées. Nous savons toutefois que l’industrie perd des millions de dollars chaque année en raison d’arrêts imprévus attribuables à des perturbations causées par une mise à la terre déficiente des systèmes de commande.

Les situations qui suivent sont toutes des signes d’une mise à la terre du système de commande (MTSC) défectueuse, déficiente ou corrompue :

  • taux d’erreurs de communication inexplicablement élevés;
  • événements perturbateurs qui sont plus fréquents à une certaine période de l’année;
  • cartes de communication ou modules d’alimentation endommagés par la foudre;
  • blindages de câble mis à la terre aux deux extrémités.

Ces signes, ainsi que d’autres types de perturbation, peuvent indiquer qu’une MTSC est dysfonctionnelle ou corrompue.

En fait, au cours des 30 dernières années, nous avons participé à de nombreuses études de site concernant les MTSC et aucune n’était en bon état.

Ce n’est pas si simple…

La simplicité apparente de la conception d’un réseau de MTSC à point unique de connexion à la terre peut être trompeuse. L’ingénierie requise pour un fonctionnement approprié d’une MTSC est à la fois vitale et complexe. Il faut planifier et exécuter adéquatement de nombreuses tâches, notamment la conception, l’installation et l’entretien. Une mauvaise connexion peut mettre en péril l’ensemble de l’installation. De plus, les fabricants de systèmes de commande imposent différentes exigences en matière de mise à la terre, ce qui complique leur mise en œuvre. Il peut donc être très difficile de satisfaire aux exigences de tous les fabricants et de les intégrer à une MTSC fonctionnelle.

Un peu d’histoire

Au début des années 1980, les réseaux de mise à la terre pour les systèmes de commande ne comportaient pas beaucoup d’exigences dans l’industrie. Les fabricants de Systèmes Distribués (SD) étaient ceux dont les exigences relatives à la MTSC étaient les plus rigoureuses : leur produit devait être installé avec un système de mise à la terre spécialisé et devait être isolé de tout autre système de mise à la terre électrique de l’usine. Leur système devait être protégé contre toute corruption ou perturbation extérieures (mise à la terre).

Il était difficile de satisfaire à ces exigences, essentiellement pour des raisons de sécurité, puisque des tensions élevées pouvaient se créer entre la mise à la terre du SD et celle du bâtiment (prise de terre de sécurité principale) dans des installations d’envergure. Il pouvait même se créer une tension entre la mise à la terre du SD et une armoire en métal d’entrée/sortie ou de commande, ce qui constituait une menace pour les employés, principalement lors d’une défaillance d’un équipement ou lors d’un foudroiement. On installait des limiteurs de surtension (p. ex. des diodes Zener de grande capacité),reliant la mise à la terre du SD à la prise de terre de sécurité de l’armoire, afin de limiter le potentiel à une valeur jugée comme étant sécuritaire à l’époque (généralement moins de 50 V).

Pour protéger le personnel de l’usine contre les chocs électriques, certains experts conseils ont proposé une approche différente : brancher la mise à la terre du SD et la prise de terre de sécurité au moyen d’un lien en cuivre facilement accessible. L’objectif consistait à réduire au minimum les risques de tension élevée entre la mise à la terre du SD et la prise de terre de sécurité principale.

Dès lors, lorsqu’un fabricant alléguait que la défaillance de son SD était attribuable à l’absence d’une isolation de la mise à la terre, il était facile de simplement couper le lien en cuivre afin d’isoler les deux systèmes de mise à la terre (la mise à la terre du SD et la prise de terre de sécurité) (voir la figure ci-dessous).

La fibre optique : des changements importants

L’avènement de la fibre optique a complètement modifié les exigences relatives à la mise à la terre. Les fabricants ont non seulement modifié leurs exigences en fonction de cette nouvelle technologie, mais une approche locale en matière de mise à la terre est maintenant possible. Par exemple, la fibre optique a contribué à diminuer les problèmes de courant induit par la mise à la terre lorsqu’elle est utilisée pour relier deux systèmes. En effet, elle empêche la création de boucles de courant causées par la mise à la terre sur cette liaison.

L’utilisation de la fibre optique a permis de diminuer considérablement les problèmes liés à la mise à la terre. C’est pourquoi on accorde désormais moins d’attention aux problèmes touchant la MTSC, à un point tel que l’expertise technique nécessaire pour dépanner lorsque survient un problème de MTSC est de moins en moins disponible.

À l’heure actuelle, l’utilisation de la fibre optique dans un réseau de MTSC inefficace présente les inconvénients suivants : D’abord, le courant à la terre est concentré dans les liaisons de terre en cuivre résiduelles. Aussi, bien qu’il est souvent plus facile de déceler le problème lorsque le courant à la terre est élevé, les risques de dommages aux composants électroniques sensibles en sont augmentés. Une solution à ce problème consiste à ce que la conception, l’installation et l’entretien de la MTSC (mise à la terre à point unique) soient appropriés pour éliminer les courants à la terre induits par la fibre optique dans les liaisons de terre en cuivre, s’il y a lieu. Cette solution est plus facile à mettre en œuvre dans de nouvelles installations, mais il est également possible de le faire pour des installations existantes. L’approche ci-dessous à l’égard de la MTSC a été appliquée dans de nombreux sites et donne d’excellents résultats (voir la figure dessous).

Cette approche peut être adaptée à divers systèmes de commande, mais le principe reste le même. Voici les caractéristiques importantes de cette conception :

  • Il s’agit d’une architecture de mise à la terre isolée à point unique facile à aménager pour un département ou un secteur local
  • Tous les systèmes de commande communicants présentent le même potentiel de référence. Aucun courant à la terre n’est induit dans une liaison de communications quelconque
  • Il y a une référence à la terre pour chacun des secteurs, avec isolement entre eux. Un moyen de communications à fibre optique permet de relier les systèmes présentant différentes références à la terre
  • La MTSC est reliée de façon sécuritaire à un point unique à la prise de terre de sécurité principale, ce qui réduit au minimum la tension différentielle de terre entre elles
  • Le câblage de terre est bien structuré pour chaque système et chaque étage, ce qui réduit au minimum la durée du dépannage
  • Aucun courant ne circule dans les châssis des équipements installés dans des panneaux de commande à référence de terre à point unique, ce qui évite tout dommage aux composants sensibles

Cette architecture de mise à la terre est utilisée depuis de nombreuses années et aucun problème de communication attribuable à la mise à la terre ne m’a été signalé à ce jour. Également mise en œuvre pour corriger des sites problématiques, elle s’est révélée être une solution très robuste et facile à entretenir.

Vérifiez l’état de votre MTSC

Tout d’abord, examinez votre installation de mise à la terre à point unique pour déceler tout signe de corruption. Si votre usine est arrêtée et que vous désirez vérifier une MTSC (à point unique), la meilleure façon de faire consiste à débrancher la liaison de la MTSC de la prise de terre de sécurité et d’utiliser un mégohmmètre (50 V max.) pour mesurer l’impédance de la MTSC par rapport à la prise de terre de sécurité. Si vous obtenez une impédance élevée, votre MTSC est en bon état. Une valeur de quelques mégohms suffit pour déterminer que votre MTSC est bien isolée (il se produit un effet capacitif en raison des différents câbles de mise à la terre isolés disposés le long de la structure du bâtiment et dans les chemins de câbles, ce qui abaisse l’impédance). Si vous ne décelez pas une impédance élevée, vous savez dès lors que votre MTSC est corrompue d’une façon ou d’une autre et que vous devez prendre les mesures qui s’imposent pour corriger la situation.

Après avoir éliminé la cause de la corruption, vous pouvez en toute sécurité rebrancher le lien à la prise de terre de sécurité.

Vous pouvez effectuer cette procédure chaque fois que votre usine est arrêtée afin de maintenir votre MTSC en bon état de fonctionnement.

Utilisation de la méthode de l’intensité du courant à la terre

Si toutefois votre usine ne s’arrête jamais, vous devrez utiliser la méthode de l’intensité du courant à la terre pour déterminer si votre MTSC est corrompue ou non.

Cette méthode consiste d’abord à mesurer l’intensité du courant au connecteur principal de votre circuit de prise de terre de sécurité. Si l’intensité du courant est supérieure à une valeur acceptable tenant compte de la valeur capacitive de l’installation de la MTSC, analysez les autres circuits afin de trouver les points de corruption. L’intensité de courant acceptable (mA) dépend de la valeur capacitive du système de mise à la terre isolé. Dans des cas comme celui-ci, l’expérience aide à déterminer la partie du courant qui dépend de la valeur capacitive du circuit comparativement à une corruption.

Deux cas peuvent se présenter : soit que la MTSC a été bien conçue, installée et entretenue, soit qu’il existe de nombreux points de corruption. Dans tous les sites problématiques inspectés, la majorité des cas présentait une multitude de points de corruption.

L’effet de cette corruption dépend grandement de son emplacement et de la capacité des systèmes de commande à tolérer la perturbation induite.

La première méthode, celle qui consiste à mesurer l’impédance de la MTSC attribuable à la prise de terre de sécurité pendant un arrêt, est idéale. La deuxième méthode, celle de l’analyse de l’intensité du courant, facilite le repérage des points de corruption évidents, mais ne permet pas de confirmer l’absence de corruption. Dans un tel cas, la mesure de l’impédance constitue la meilleure solution de rechange.

Comme vous pouvez le constater, l’évaluation de l’état d’une MTSC peut sembler simple en apparence mais, dans les faits, il s’agit d’une tâche complexe lorsqu’elle est effectuée sans posséder les connaissances et les instruments appropriés.

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