เกร็ดความรู้

รายงาน

เรื่อง การป้องกันฟ้าผ่าสำหรับระบบ SCADA
( Lightning protection for SCADA System )
จัดทำโดย

นาย คมสันต์ ทองสุข 5457051051
นาย ชาฟิอี อิจิ 5457051055
นางสาว พัสกร ทองคำ 5457051068
นาย สิทธิโชค หนูแก้ว 5457051084

เสนอ
อาจารย์ ธภัทร ชัยชูโชค



รายงานนี้เป็นส่วนหนึ่งของรายวิชา คอมพิวเตอร์อุตสาหกรรม

คณะ : เทคโนโลยีอุตสาหกรรม โปรแกรมวิชา : เทคโนโลยีการจัดการอุตสาหกรรม
ห้อง :B มหาวิทยาลัยราชภัฎสงขลา

************************
คำนำ
รายงานเล่มนี้เป็นส่วนหนึ่งของวิชาคอมพิวเตอร์อุตสาหกรรม ซึ่งจัดทำขึ้นมาเพื่อผู้ที่สนใจ และต้องการศึกษาเกี่ยวกับ ระบบการป้องกันฟ้าผ่าสำหรับระบบ SCADA ( Lightning protection for SCADA System )เป็นระบบซึ่งนำเอาเทคโนโลยีทางด้านคอมพิวเตอร์สมัยใหม่มาช่วยในการจัดการกระบวนการต่างๆ เมื่อประกอบเข้ากับการสื่อสารอันทันสมัย จะทำให้ระบบควบคุมสามารถทำงานครอบคลุมพื้นที่ขนาดใหญ่ที่ต้องการความมีเสถียรภาพและประสิทธิภาพสูง โดยพิจารณาทุกเส้นทางที่ไฟกระโชกซึ่งเป็นผลกระทบทางอ้อมจากปรากฏการณ์ฟ้าผ่าเข้ามาสร้างความเสียหายให้เกิดขึ้นกับระบบงานได้
รายงานเล่มนี้จะเป็นประโยชน์แก่ผู้อ่านไม่มากก็น้อยสุดท้ายหากรายงานเล่มนี้มีผิดพลาดประการใด คณะผู้จัดทำขอพร้อมรับด้วยความยินดี เพื่อปรับปรุงแก้ไข และขออภัยไว้ ณ ที่นี้ด้วย

คณะผู้จัดทำรายงาน
จัดทำเมื่อเดือน สิงหาคม ๒๕๕๔


*******************************************

การป้องกันฟ้าผ่าสำหรับระบบ SCADA ( Lightning protection for SCADA System )

ระบบ SCADA เป็นระบบสื่อสารประเภทหนึ่ง มีอินพุท - เอาท์พุทมากมายอันกลายเป็นช่องทางสู่การเข้าไปทำลายระบบของไฟกระโชก การวางมาตรการป้องกันฟ้าผ่าให้กับระบบนี้จะต้องพิจารณาทั้งผลกระทบจากทางตรงและทางอ้อม ตลอดถึงการป้องกันจะต้องจัดการในเชิงบูรนาการณ์ จึงจะสัมฤทธิ์ผล ในกระบวนการควบคุม-การดำเนินงานขององค์กรต่างๆ เช่น การไฟฟ้านครหลวง การไฟฟ้าส่วนภูมิภาค โรงงานก๊าซ ระบบจัดการน้ำ ฯลฯ จำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องอาศัยการเฝ้ามอง (Monitoring) และควบคุม-ติดตามการดำเนินงานของโครงข่ายอย่างใกล้ชิด SCADAหรือระบบควบคุมทางไกลก็เป็นอีกระบบหนึ่งที่สามารถเข้ามาสนับสนุนหน้าที่การทำงานเหล่านี้ได้เป็นอย่างดี การพิจารณาป้องกันฟ้าผ่าให้กับระบบ SCADA โดยแก่นแท้แล้วมิได้มีหลักคิดที่แตกต่างไปจากการป้องกัน ระบบงานอิเล็กทรอนิกส์ความไวสูงทั่วไปเลย ซึ่งหลักการป้องกันฟ้าผ่าให้กับระบบSCADA จะต้องพิจารณาทุกเส้นทางที่ไฟกระโชกซึ่งเป็นผลกระทบทางอ้อมจากปรากฏการณ์ฟ้าผ่าเข้ามาสร้างความเสียหายให้เกิดขึ้นกับระบบงานได้ เช่น ทางด้านแหล่งจ่ายกำลังไฟฟ้า ซึ่งมีทั้ง AC และDC ภาคสัญญาณอินพุทและเอาท์พุท ซึ่งการทำงานเหล่านี้ล้วนแล้วแต่มีความเกี่ยวข้องกับอิเล็กทรอนิกส์ความไวสูงทั้งสิ้น เป็นต้น

ลักษณะทั่วไปของระบบ SCADA
ระบบ SCADA จะมีหน้าที่โดยตรงในการควบคุมและเก็บข้อมูลในรูปแบบต่างๆ ตามหน้าที่ (Function) ของมันตามโครงข่ายของส่วนงานในตำแหน่งต่างๆ เพื่อนำสู่การบันทึกลงฐานข้อมูลและนำสู่กระบวนการจัดการ-ควบคุมการดำเนินงานในลำดับต่อไป การจัดการโครงข่ายของระบบ SCADA มีความเป็นไปได้ทั้งรูปแบบที่มีการจัดการ-ควบคุมจากส่วนกลาง (Center Control) หรือแยกการควบคุมไปตามสถานีย่อยต่างๆ ในการดำเนินการควบคุมสั่งการ ทั้งนี้ทั้งนั้นก็ขึ้นอยู่กับแต่ละองค์กร ซึ่งมีลักษณะที่แตกต่างกันออกไป สำหรับส่วนประกอบหลักในระบบ SCADA จะประกอบด้วย
1. ส่วนการตรวจจับ (Field Sensors) จะทำหน้าที่ในการแปลงข้อมูลในรูปแบบกายภาพ (ฟิสิกส์) ไปเป็นข้อมูลทางไฟฟ้า ข้อมูลที่ได้จากส่วนการตรวจจับ จะเป็นข้อมูลตั้งต้นที่จะส่งต่อไปยัง RTU ต่อไป
หมายเหตุ การตีความหมายส่วนการตรวจจับ มิได้จำกัดกรอบว่าจะต้องเป็นการแปลงข้อมูลในรูปแบบกายภาพ (ฟิสิกส์) ไปเป็นข้อมูลทางไฟฟ้าเท่านั้น แต่อาจจะอยู่ในรูปแบบของการตรวจสอบสถานะ
ของคุณภาพกำลังไฟฟ้าในตำแหน่งต่างๆ เพื่อส่งเป็นสัญญาณข้อมูลให้กับสถานีควบคุม-สถานีศูนย์เฝ้ามอง
2. ส่วนกระบวนการจัดการ (Remote Terminal Units หรือ RTU) RTU จะเป็นตัวกลางในการจัดการข้อมูลต่างๆ ตลอดถึงการควบคุมโดยจะรับสัญญาณข้อมูลมาจากส่วนการตรวจจับ และส่งออกทางภาคเอาท์พุท เพื่อควบคุมการทำงานของจักรกล (เช่น วาล์วเปิด-ปิดน้ำ) หรือส่งสัญญาณข้อมูลออกทางระบบสื่อสารไปยังสถานีหลัก (Master Station) กระบวนการทำงานของ RTU มีลักษณะการทำงาน เช่นเดียวกับ PLC (Programmable Logic Controller) ซึ่งมีความสามารถ ที่จะควบคุมการทำงานได้ทันที หรือ จะรอรับคำสั่งจากสถานีหลักทั้งนี้ทั้งนั้นก็ขึ้นอยู่กับเงื่อนไขหน้าที่ที่ได้ถูกกำหนดเอาไว้
3. ส่วนการดำเนินการ (Field Actuators) สำหรับส่วนการดำเนินการจะทำหน้าที่ในการเปลี่ยนสัญญาณไฟฟ้าจาก RTU สู่การสั่งการให้เครื่องจักรกลทำงาน (เช่น วาล์วเปิด-ปิดน้ำ)
4. ส่วนระบบสื่อสาร (Communication System) การเชื่อมต่อระหว่าง RTU กับสถานีหลัก จะกระทำผ่านระบบสื่อสาร ซึ่งอาจจะเป็นไปในรูปแบบโครงข่ายของระบบสายสัญญาณโทรศัพท์ ระบบไฟเบอร์อ๊อฟติค หรือวิทยุไมโครเวฟ ทั้งนี้ทั้งนั้นก็ขึ้นอยู่กับองค์กรใดเลือกใช้รูปแบบการสื่อสารเป็นแบบใด
5. สถานีหลัก (Master Station) สถานีหลักจะเป็นศูนย์กลางของข้อมูล ศูนย์กลางการประมวลผลและสั่งการ เพื่อควบคุมส่วนงานเครื่องจักรกลที่อยู่ในโครงข่ายของระบบงานทั้งหมด ตัวอย่างเช่นสถานีหลักโรงงานจ่ายก๊าซ สถานีไฟฟ้าฯ เป็นต้น

อันตรายจากฟ้าผ่า
เส้นทางการเข้าสู่ระบบ SCADA ของไฟกระโชก ประกอบไปด้วยเส้นทางจ่ายกำลังไฟฟ้า สายสัญญาณอินพุทเอาท์พุทที่เชื่อมต่ออยู่กับตัว RTU ตลอดถึงเส้นทางของระบบสื่อสารที่อาศัยระบบไมโครเวฟ ซึ่งจำเป็นจะต้องติดตั้งเสารับ-ส่งสัญญาณที่มีความสูงเพียงพอ ผลกระทบจากกระแสฟ้าผ่าสามารถเกิดขึ้นได้ทั้งทางตรงและทางอ้อม ยังผลให้เกิดความเสียหายต่อส่วนหรือภาคการทำงานต่างๆ ซึ่งโดยทั้งสิ้นเป็นวัสดุ-อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ให้ได้รับความเสียหายอยู่บ่อยครั้งก่อนที่จะมองไปในรายละเอียดจากผลกระทบของกระแสฟ้าผ่าต่อระบบ SCADA ให้มาพิจารณา 2 ปัจจัยสำคัญซึ่งได้แสดงให้เห็นถึงค่าขนาดความรุนแรงของกระแสฟ้าผ่า (Lightning Stroke) โดย 79% ของกระแสฟ้าผ่าจะมีค่าต่ำกว่า 5 kA 25%ของกระแสฟ้าผ่าจะมีค่ามากกว่า 50 kA เป็นต้น ส่วนปัจจัยที่ 2 ซึ่งจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องคำนึงถึง นั่นคือ ค่า Earth Potential Rise หรือค่าศักย์ไฟฟ้าที่ปรากฏขึ้นที่ผิวดินในช่วงเวลาที่กระแสฟ้าผ่าได้ไหลผ่าน

หลักการป้องกัน (Protection Method)
วัสดุป้องกันไฟกระโชกแต่ละชนิด ย่อมมีจุดแข็งและจุดอ่อนของตัวมันอยู่ ดังนั้นการได้มาซึ่งระบบป้องกันไฟกระโชกที่ดีที่สุดเราจะต้องสามารถประยุกต์วัสดุแต่ละชนิดเข้ามาร่วมทำงานอย่างเหมาะสมให้ได้ สำหรับการป้องกันไฟกระโชกทางด้านแหล่งจ่ายกำลังไฟฟ้าของระบบ SCADA สามารถเลือกหลักการป้องกันได้ 2 หลักการ
ได้แก่
􀂔 Surge Diverters ส่วนประกอบหลักของ Surge Diverters คือตัว Metal Oxide Varistors การประยุกต์ใช้งานจะต่ออยู่ในลักษณะขนาน เพื่อทำหน้าที่เบี่ยงเบนกระแสไฟระโชกลงสู่ระบบกราวนด์ ข้อควรระวังในการติดตั้ง Surge Diverters จะต้องใช้สาย Leader ที่สั้นที่สุด เพราะถ้าหากสาย Leader ยาวมากเกินไป ประสิทธิภาพในการป้องกันจะตกต่ำลง (แรงดัน Clamping รวมกับแรงดันตกคร่อมสาย Leader จะมีค่าที่สูงมาก) ซึ่งอาจจะไม่เพียงพอกับความสามารถในการทนทานได้ของแหล่งจ่ายไฟฟ้าของ RTU
􀂔 Surge Filter การออกแบบวงจรฟิลเตอร์ (Filter) เพื่อป้องกันไฟกระโชกจะเป็นวงจรกรองความถี่ต่ำ (Low pass Filter) อย่างง่ายทั่วๆไป ซึ่งวงจรกรองความถี่ต่ำผ่านจะถูกนำมาเป็นภาคการทำงานต่อจาก MOV การป้องกันระบบ SCADA (SCADA System Protections)ระบบงานด้านสื่อสารจะเป็นตัวกลางในการเป็นเส้นทางลำเลียงข้อมูลต่างๆ จาก RTU สู่สถานีหลัก ระบบงานสื่อสารบางแห่งก็ตั้งอยู่บนภูเขา บางแห่งก็ตั้งอยู่บนพื้นที่ราบทั่วๆ ไป ผลลัพธ์ที่เกิดขึ้นในภาคสนาม ระบบสื่อสารมักจะได้รับความเสียหายจากผลกระทบของปรากฏการณ์ฟ้าผ่าอย่างหลีกหนี้ไม่พ้น แสดงให้เห็นถึงโครงร่างของระบบสื่อสาร ซึ่งปัจจัยที่จะต้องดำเนินการเพื่อป้องกันผลกระทบจากปรากฏการณ์ฟ้าผ่าได้แก่
ก) การป้องกันฟ้าผ่าตรง (Direct strike protection) การป้องกันฟ้าผ่าตรง กระทำได้โดยการติดตั้งหัวล่อฟ้าบนเสารับ-ส่งสัญญาณหรือตำแหน่งสูงสุดบนตัวอาคาร โดยจะต้องมีความสูงที่สามารถครอบคลุมเสาอากาศ (Antenna) ที่ติดตั้งอยู่บนเสารับ-ส่งสัญญาณ หากอ้างอิงตามหลักการ Franklin rod คือ มุม 45 องศา และนอกเหนือจากสายตัวนำลงดิน (Down Lead) ซึ่งต่ออยู่ระหว่างหัวล่อฟ้ากับระบบกราวนด์ที่เราติดตั้งแล้ว ขาของเสารับ-ส่งสัญญาณจะต้องดำเนินการต่อเข้ากับระบบกราวนด์ด้วย (สามารถอ้างอิงมาตรฐานการติดตั้งของ TOT)
ข) ระบบกราวนด์ (Grounding) หัวใจของการติดตั้งระบบกราวนด์มีอยู่ด้วยกัน 2 หลักการใหญ่ๆ หลักการแรกจะต้องดำเนินการติดตั้งระบบกราวนด์ให้มีค่าความต้านทานต่ำที่สุด (เท่าที่สามารถ) หลักการ
ที่สอง จะต้องดำเนินการต่อกราวนด์ทุกจุดในระบบงานให้ถึงกันทั้งหมด เพื่อจะได้มาซึ่งระบบกราวนด์เพียงระบบเดียวในระบบงาน
ค) การต่อส่วนชีลด์ลงกราวนด์ (Bonding) จะต้องดำเนินการต่อส่วนชีลด์ของสายสัญญาณลงสู่ระบบกราวนด์และจุดที่จะต้องเน้นที่สุดคือ จุดหักเลี้ยวของสายสัญญาณเป็นแนวราบขนานกับพื้นเข้าสู่ตัวอาคาร
ง) เครื่องป้องกันไฟกระโชก (Surge protection) ให้ดำเนินการติดตั้ง เครื่องป้องกันไฟกระโชกทางด้านสายจ่ายกำลังไฟฟ้า สายสัญญาณทุกเส้นทางที่เชื่อมต่อเข้าสู่ตัวอาคารแสดงให้เห็นถึงโครงร่างตัวอย่างของท่อส่งจ่ายก๊าซตัว RTU จะมีการติดตั้งอยู่ในตัวอาคาร มีสายสัญญาณ (สัญญาณอนาลอก) เชื่อมต่อจากวัสดุเซ็นเซอร์ที่ท่อส่งจ่ายก๊าซกับ RTU ความเสียหายที่เกิดขึ้นกับระบบงานจากผลกระทบของปรากฏการณ์ฟ้าผ่าสามารถจำแนกได้ 3 ลักษณะใหญ่ด้วยกัน ลักษณะแรก คือ ฟ้าผ่าตรงลงที่ตัวอาคาร ลักษณะที่สอง คือ เกิดการเหนี่ยวนำขึ้นรอบบริเวณจุดที่เกิดฟ้าผ่า และลักษณะที่สาม คือ เกิดฟ้าผ่าลงตรงบริเวณใกล้ท่อส่งจ่ายก๊าซ ซึ่งบางครั้งอาจจะมีระยะห่างออกไปจากระบบงานเป็นกิโลเมตร ก็สามารถสร้างความเสียหายได้ สำหรับหลักการป้องกันสามารถพิจารณาได้ดังนี้
ก) การป้องกันฟ้าผ่าตรง (Direct strike protection) สามารถดำเนินการได้โดยการติดตั้งหัวล่อฟ้า แล้วดำเนินการต่อโครงสร้างที่เป็นเหล็กของตัวอาคารลงสู่ระบบกราวนด์ทั้งหมด ซึ่งมีลักษณะเดียวกับกรงฟาราเดย์
ข) ระบบกราวนด์ (Grounding) ระบบกราวนด์จะต้องมีการต่อถึงกันเป็นจุดเดียวกันทั้งหมด เพื่อก่อให้เกิดความเป็น Equipotential ส่วนท่อที่มีตัวเซ็นเซอร์ซึ่งมีระยะห่างจากตัวอาคารมาก ให้ดำเนินการต่อ
ท่อด้วยสายตัวนำลงสู่ระบบกราวนด์ เพื่อสร้างเส้นทางการไหลของกระแสฟ้าผ่า
ค) เครื่องป้องกันไฟกระโชก (Surge protection) ดำเนินการติดตั้งเครื่องป้องกันไฟกระโชกตรงปลายสายสัญญาณทั้งสองด้าน และป้องกันทางด้านสายจ่ายกำลังไฟฟ้า (ไม่ได้แสดงให้เห็นในรูปที่ 4)
ง) ต่อร่วมข้อต่อของท่อ (Insulated joints) ตรงบริเวณข้อต่อของท่อจะเป็นสาเหตุให้เกิดเป็นแรงดันไฟกระโชกค่าสูงเกิดขึ้นได้บ่อยครั้งก่อให้เกิดการอาร์ตขึ้นระหว่างข้อต่อ การป้องกันที่เหมาะสมที่สุดให้ดำเนินการต่อ Gas Arresters คร่อมข้อต่อเอาไว้ เพราะช่วงเวลาที่เกิดแรงดันไฟกระโชก จุดทั้งสองจะถูกต่อเข้าด้วยกันอย่างอัตโนมัติแต่ในสภาวะปกติจุดทั้งสองจะแยกจากกัน (Insulated)

บทสรุปส่งท้าย
นอกเหนือจากความเข้าใจในหลักการป้องกันฟ้าผ่าให้กับระบบSCADA และหลักการทำงานของอุปกรณ์ป้องกันไฟกระโชกแล้ว อีกเรื่องหนึ่งที่จะต้องให้ความสำคัญในลำดับต่อมา นั่นคือ โหมดการป้องกัน โดยโหมดการป้องกันสามารถแยกได้ 2 โหมด คือ โหมดการต่อร่วม (Common Mode) : L-G กับ Differential Mode : L-L และ L-N หากขาดการป้องกันในโหมดใดโหมดหนึ่ง ระบบงานก็ยังคงไม่มีความปลอดภัยต่อไฟกระโชกอย่างสมบูรณ์ ซึ่งการพิจารณาป้องกันฟ้าผ่าให้กับระบบ SCADA โดยแก่นแท้แล้วมิได้มีหลักคิดที่แตกต่างไปจากการป้องกัน ระบบงานอิเล็กทรอนิกส์ความไวสูงทั่วไปเลย ซึ่งหลักการป้องกันฟ้าผ่าให้กับระบบSCADA จะต้องพิจารณาทุกเส้นทางที่ไฟกระโชกซึ่งเป็นผลกระทบทางอ้อมจากปรากฏการณ์ฟ้าผ่าเข้ามาสร้างความเสียหายให้เกิดขึ้นกับระบบงานได้ เช่น ทางด้านแหล่งจ่ายกำลังไฟฟ้า ซึ่งมีทั้ง AC และDC ภาคสัญญาณอินพุทและเอาท์พุท ซึ่งภาคการทำงานเหล่านี้ล้วนแล้วแต่มีความเกี่ยวข้องกับอิเล็กทรอนิกส์ความไวสูงทั้งสิ้น

*****************************************************



                                                             รูปภาพ SCADA