DCS控制系統的接地問題

更新日期：2012-12-24瀏覽：5096次

接地系統的準備
    在DCS應用中，zui讓人不清楚的，但又是必須理解的大概就是接地問題了。不僅很多用戶不清楚，就連有的系統集成商、DCS廠商代理處的有些人都未必特別清楚，原因是因為大部分學自動控制和計算機的人在學校學自動控制原理或計算機原理時是不學接地內容的。而工業控制計算機又涉及到除了計算機本身外還有很多各種類型的信號線，直接與計算機I／O接口相連，這些信號有開關量型（包括開入、開出、而且負載能力也有很大差別，有模擬類的（大信號: 4－20mV，1－5V，小信號0－50mV。O－10mV，大信號中有四線制的，也有兩線制的）有的系統中還有交流信號直接通過互感器而接到計算機的交流信號來樣，這樣也就造成了各工控機廠家（特別是DCS廠家）為了保證自己系統能夠在各種應用現場正常運行，提出了各種各樣的接地要求。而這些接地要求差別很大，有的很苛刻，有的相對寬松一些。這就更使現場人員混亂了。不僅廠家提的接地要求不一致，而且各種教科書和設計手冊中對接地的解釋也不甚統一。為了讓現場施工人員和工程服務人員對接地問題有一個較全面的了解，我們在此較為詳細地介紹一個系統應用中遇到的一些接地概念和方法。

1、干擾原因

    為了理解接地的目的，我們先介紹系統應用中所面臨的幾種干擾。干擾又叫噪聲，是竄入或疊加在系統電源、信號線上的與信號無關的電信號。干擾會造成測量的誤差、嚴重的干擾（如雷擊、。大的串模干擾可會造成設備損壞。常見的干擾有以下幾種：

（1）電阻耦合引入的干擾（傳導引入）

①當幾種信號線在一起傳輸時，由于絕緣材料老化，漏電而影響到其它信號，即在其它信號中引入干擾。

   ②在一些用電能作為執行手段的控制系統中（如電熱爐、電解槽等）信號傳感器漏電，接觸到帶電體，也會引入很大的干擾。

   ③在一些老式儀表和執行機構中，現場端采用220V供電，有時設備燒壞，造成電源與信號線間短路，也會造成較大的干擾。

④由于接地不合理，例如在信號線的兩端接地，會因為地電位差而加入一較大的干擾，如圖3.4.9所示。信號線的兩端同時接地，這樣，如果A、B兩點的距離較遠，則可能會有較大的電位差eN ，這個電位差可能會在A·B兩端之間的信號線上產生一個很大的環流。

（2）電容電感耦合引入的干擾

    因為在被控現場往往有很多信號同時接入計算機，而且這些信號線或者走電纜槽，或者走電纜管,但肯定是很多根信號在一起走線。這些信號之間均有分布電容存在，會通過這些分布電容將干擾加到別的信號線上，同時，在交變信號線的周圍會產生個交變的磁通，而這些交變磁通會在并行的導體之間產生電動勢，這也會造成線路上的干擾。

（3）計算機供電線路上引入的干擾

    在有些工業現場（特別是電廠冶金企業、大的機械加工廠）大型電氣設備啟動頻繁，大的開關裝置動作也較頻繁，這些電動機的啟動、開關的閉合產生的火花會在其周圍產生很大的交變磁場．這些交變磁場既可以通過在信號線上耦合產生干擾，也可能通過電源線上產生高頻干擾，這些干擾如果超過容許范圍，也會影響計算機系統的工作。

（4）雷擊引入的干擾

    雷擊可能在系統周圍產生很大的電磁干擾，也可能通過各種接地線引入干擾。

2、干擾抑制

  以上列舉了產生干擾的幾種原因，這些干擾如果得不到很好的抑制和防止，輕則影響系統的測量技術精度，因而使正常的控制無法實現，重則會造成設備損壞，人們在長期的工程實踐中總結出了很多干擾抑制的方法。

（l）隔離

    ①使所有的信號線很好地絕緣，使其不可能漏電，這樣，防止由于接觸引入的干擾；

    ②將不同種類的信號線隔離鋪設（在不同一電纜槽中，或用隔板隔開），我們可以根據信號不同類型將其按抗噪聲干擾的能力分成幾等。

    模擬量信號（模人、摸出，特別是低電平的模人信號如熱電偶信號，熱電阻信號等）對高頻的脈沖信號的抗*力是很差的。建議用屏蔽雙絞線連接，且這些信號線必須單獨占用電線管或電纜槽，不可與其它信號在同一電纜管（或槽）中走線。

    低電平的開關信號（一些狀態干結點信號），數據通信線路（RS232、EIA485等），對低頻的脈沖信號的抗*力比上種信號要強，但建議采用屏蔽雙絞線（至少用雙絞線）連接。此類信號也要單獨走線，不可和動力線和大負載信號線在一起平行走線。

    高電平（或大電流）的開關量的輸入輸出、CATV、線，以及其它繼電器輸入輸出信號，這類信號的抗*力又強于以上兩種，但這些信號會干擾別的信號，因此建議用雙絞線連接，也單獨走電纜管或電纜槽。

    動力線AC 220V、380V，以及大通斷能力的斷路器、開關信號線等，這些線的電纜選擇主要不是依抗*力，而是由電流負載和耐壓等級決定。

    以上說明，同一類信號可能放在一條電纜管或槽中，相近種類信號如果必須在同一電纜槽中走線，則一定要用金屬隔板將它們隔開。

    ③還有一種隔離是將信號源同計算機在電氣上進行隔離，這樣，會大大地減小共模干擾對計算機造成的危害。如圖 3．4．10所示。圖 3．4．10表示用隔離放大器將信號的輸入端子與計算機部分*隔離（有的系統中采用隔離變壓器，或繼電器等方式隔離，對開關量則可以采用光電器件，或繼電器進行隔離）。這樣，由于C和D之間地電位不同所產生的干擾信號形不成回路，抑制了干擾的危害。

④第四種隔離是供電系統的隔離

為了防止供電線路上引入共模高頻干擾信號，可以在供電線路上設隔離變壓器進行干擾隔離，如圖3．4.11所示。

為了達到好的干擾抑制效果，有兩點必須注意：

    ·變壓器的屏蔽層要很好地接地；

    ·變壓器的次級線圈一定要用雙絞線。

（2）屏蔽

    屏蔽就是用金屬導體，把被屏蔽的元件，組合件，線，信號線包圍起來。這種方法對電容性耦合噪聲抑制效果很好。zui常見的就是用屏蔽雙絞線連接模擬信號。

    以上說的電氣屏蔽，但在很多場合下，信號除了受電噪聲干擾以外，主要還受到強交變磁場的影響，如電站，冶煉廠重型機械廠等，那么，我們除了要考慮電氣屏蔽以外，還要考慮磁屏蔽，即考慮用鐵、鎳等導磁性能好的導體進行屏蔽。

（3）絞線

    用雙絞線代替兩根平行導線是抑制磁場干擾的有效辦法。原理如圖3．4．12所示：

圖3．4．12中，每個小絞紐環中會通過交變的磁通，而這些變化磁通會在周圍的導體中產生電動勢，它由電磁通感應定律決定（如圖中導線中的箭頭所示）。從圖中可以看出，相鄰絞紐環中在同一導體上產生的電動勢方向相反，相互抵消，這對電磁干擾起到較好的抑制作用。

（4）雷擊保護

    系統受雷擊干擾有兩種方式：架空電源線，信號線可能會遭受雷擊，另一種是信號電纜附近受到雷擊，通過分布電容和電感耦合到信號線，在信號線上產生一個很大的脈沖干擾，有時甚至會燒壞設備，影響人員安全。針對不同的干擾原因，可以采用下面兩種措施防雷擊：

    ①對于耦合干擾，我們可用金屬電纜管或槽鋪設信號線，電纜管或金屬槽有很好的接地。

    ②對于架空信號線，則必須在計算機輸入端子處采取防雷措施，如裝避雷器，加壓敏電阻、較強的濾波電路等來抑制其干擾。

3、接地準備

（l）接地的作用

    接地的作用總的步說只有兩種：保護人和設備不受損害；抑制干擾；抑制干擾接地在有的書中又叫工作接地，而前者又叫保護接地。

①保護接地

    保護接地是將DCS中平時不帶電的金屬部分（機柜外殼，操作臺外殼等）與地之間形成良好的導電連接，以保護設備和人身安全。原因是DCS的供電是強電供電（220V或11OV），通常情況下機殼等是不帶電的，當故障發生（如主機電源故障或其它故障）造成電源的供電火線與外殼等導電金屬部件短路時，這些金屬部件或外殼就形成了帶電體，如果沒有很好的接地，那么這帶電體和地之間就有很高的電位差，如果人不小心觸到這些帶電體，那么就會通過人身形成通路，產生危險。因此，必須將金屬外殼和地之間作很好的連接，使機殼和地等電位。此外，保護接地還可以防止靜電的積聚。

②工作接地

    工作接地是為了使DCS以及與之相連的儀表均能可靠運行并保證測量和控制精度而設的接地。它分為機器邏輯地、信號回路接地、屏蔽接地，在石化和其它防爆系統中還有本安接地。

    ·機器邏輯地，也叫主機電源地，是計算機內部的邏輯電平負端公共地，也是+5V等電源的輸出地。

    ·信號回路接地，如各變送器的負端接地，開關量信號的負端接地等。

    ·屏蔽接地（模人信號的屏蔽層的接地）。

    ·本安接地，是本安儀表或安全柵的接地。這種接地除了抑制干擾外，還有使儀表和系統具有本質安全性質的措施之一。本安接地會因為采用的設備的本實措施不同而不同，下面以齊納式安全柵為例，說明其接地內容，如圖3．413所示：該圖是一個齊納式安全柵的接地原理圖。

    安全柵的作用是保護危險現場端永遠處于安全電源和安全電壓范圍之內。如果現場端短路，則由于負載電阻和安全柵電阻R的限流作用，會將導線上的電流限制在安全范圍內，使現場端不至于產生很高的溫度，引起燃燒。第二種情況，如果計算機一端產生故障，則高壓電信號加入了信號回路，則由于齊納二級的嵌位作用，也使電壓位于安全范圍。

    值得提醒的是，由于齊納安全柵的引入，使得信號回路上的電阻增大了許多，因此，在設計輸出回路的負載能力時，除了要考慮真正的負載要求以外，還要充分考慮安全柵的電阻，留有余地。

    除了上述幾種接地外，在很多場合下容易引起混亂的還有一個供電系統地，也叫交流電源工作地，它是電力系統中為了運行需要設的接地（如中性點接地）。

（l）接地要求和方法：

    上面介紹了六種接地：供電系統地、保護地、邏輯地、屏蔽地安全柵地、信號回路地。對這六種接地，各家有各家的要求，雖然大都強調一點接地，接地電阻必須小于1歐姆等，但具體內容上差別很大，下面給出幾個例子介紹常遇到的接地要求和方法。

①供電系統地：在很多企業，特別是電廠、冶煉廠等，其廠區內有一個很大的地線網，而通常供電系統的地是與地線網連在一起的。有的廠家強調計算機系統的所有接地必須和供電系統地以及其它（如避雷地）嚴格分開，而且之間至少應保持15m以上的距離。為了*防止供電系統地的影響，建議供電線線路用隔離變壓器隔開。這對那些電力負荷很重，而且負荷經常啟停的單位是應注意的。從抑制干擾的角度來看，將電力系統地和計算機系統的所有地分開是很有好處的，因為一般電力系統的地線是不太干凈的。但從工程角度來看，在有些場合下單設計算機系統地并保證其與供電系統地隔開一定距離是很困難的，這時可以考慮能否將計算機系統的地和供電地共用一個，這要考慮幾個因素：

    ·供電系統地上是否干擾很大，如大電流設備啟停是否頻繁，對地產生的干擾是否大；

    ·供電系統地的接地電阻是否足夠小，而且整個地網各個部分的電位差是否很小，即地網的各部分之間是否阻值很小（＜1W）

    ·DCS的抗*力以及所用到的傳輸信號的抗*力，例如有無小信號（電偶，熱電阻）的直接傳輸等。

②所有計算機接線涉及到的接地采用一點接地方式，在這一點上，也有很多爭議。有的廠家系統提出幾個地：邏輯地、屏蔽地（又叫模擬地）、信號地、保護地分別自己接地在地上打接地裝置，而大部分系統則指出各種地在機柜內部自己分別接地，匯于一點，然后用較粗的導體（銅）將各匯地點朕起來，接到一個公共的接地體上。這里有幾點需要注意：

    DCS本身是由多臺設備組成的，除了控制站以外，還包括很多外設，而且數據也不止一臺，這就涉及到了多臺設備，多種接地的問題。此外，一般的DCS的供電是各站（控制站，操作站等）用專門一條線單獨供電，即彼此之間不相互供電。圖3．4．14是一種常用的多站接地圖。

    保護接地：DCS的所有設備均有一個保護地，該保護一般在機柜和其它設備設計加工時就已在內部接好，有的系統中已將該保護地在內部同電源進線的保護地（三芯插頭的中間頭）連在一起，有的不允許將保護地同該線相連，用戶一定要仔細閱讀廠家提供的接地安裝說明書，不管哪種方式，CG必須將一臺設備（控制站、操作員站等）上所有的外設或系統的CG連在一起，然后用較粗的絕緣銅導線將各站的CG連在一起，zui后從一點上與大地接地系統相連。還有一點值得提醒的是，DCS的所有外設必須從一條供電線上供電，而且一臺設備（如操作員站位所連接的所有外設和主機系統（CRT、打印機、拷貝機主機系統）的電源必須從設備的供電分配器上取電，而不允許從其它地方取電，否則可能會燒壞接口甚至設備，對于不得不用長線連接的場合，或用較粗導線提供供電，或采取通信隔離措施。

    各站的CG在連接時可以采用幅射連接法，也可以采用串行接法。電源邏輯地（P）如圖 3．4．14所示。首先，各站內的邏輯地必須位于一點PG，然后，粗絕緣導線以輻射狀接到一點上，然后接到大地接地線上。在有些系統中，所有的輸入，輸出均是隔離的，這樣其內部邏輯地就是一個獨立的單元，與其它部分沒有電器連接，這種系統中往往不需要PG接地，而是保持內部浮空。所以，用戶在設計和施工接地系統時，一定要仔細閱讀產品的技術要求和接地要求。

·模擬地（AG），模擬地（又叫屏蔽地）是所有的接地中要求zui高的一種。幾乎所有的系統都提出AG一點接地，而且接地電阻小于IQ。 DCS設計和制造中，在機柜內部都安置了AG匯流排或其它設施。用戶在接線時將屏蔽線分別接到AG匯流排上，在機柜底部，用絕緣的銅辮連到一點，然后將各機柜的匯流點再用絕緣的銅辮或銅條以輻射狀連到接地點。大多數的DCS要求，不僅各機柜AG對地電阻＜I歐姆，而且各機柜之間的電阻也要＜1歐姆。

    ·信號地的處理：原則上不允許各變送器和其它的傳感器在現場端接地，而都應將其負端在計算機端子處一點接地。但在有些場合，現場端必須接地，這時，必須注意原信號的輸入端子（上雙端）不許和計算機的接地線有任何電氣連接，而計算機在處理這類信號時，必須在前端采用有效的隔離措施。

    ·安全柵的接地：我們回過頭來再看圖3．4.13所示的安全柵線路圖。從圖中可以看出有三個接地點：B，E，D，通常B和E兩點都在計算機這一側?？梢赃B在一起，形成一點接地。而D點是變送器外殼在現場的接地，若現場和控制室兩接地點間有電位差存在，那么， D點和E點的電位就不同了。假設我們以E作為參考點，假定是D點出現10V的電勢，此時，A點和E點的電位仍為24V，那么A和D間就可能有34V的電位差了，己超過安全極限電位差，但齊納管不會被擊穿，因為A和E間的電位差沒變，因而起不到保護作用。這時如果不小心現場的信號線碰到外殼上，就可能引起火花，可能會點燃周圍的可燃性氣體，這樣的系統也就不具備本安性能了。所以，在涉及到安全柵的接地系統設計與實施時，一定要保證D點和B（E）點的電位近似相等。在具體實踐中可以用以下方法解決此問題：用一根較粗的導線將D點與B點連接起來，來保證D點與B點的電位比較接近。另一種就是利用統一的接地網，將它們分別接到接地網上，這樣，如果接地網的本身電阻很少，再用較好的連接，也能保證D點和B點的電位近似相等。但注意，此接地一定不要與上面幾種接地發生沖突。

    以上討論了幾種接地的方法和注意事項。在不同的系統中，對這幾種接地的組態要求不同，但大多數系統對AG的接地電阻一般要求I歐姆以下，而安全柵的接地電阻應＜4歐姆，<1歐姆，PG和CG的接地電阻應小于4歐姆。

（3）接地方法

    一般工控機系統（包括自動化儀表）的接地系統，由接地線接地匯流排、公用連接板、接地體等幾部分組成

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