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    济南杰创自动化仪表有限公司
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    DCS控制系统的接地问题
    点击次数:2103 发布时间:2012-12-24

    接地系统的准备
       
    在DCS应用中,zui让人不清楚的,但又是必须理解的大概就是接地问题了。不仅很多用户不清楚,就连有的系统集成商、DCS厂商代理处的有些人都未必特别清楚,原因是因为大部分学自动控制和计算机的人在学校学自动控制原理或计算机原理时是不学接地内容的。而工业控制计算机又涉及到除了计算机本身外还有很多各种类型的信号线,直接与计算机I/O接口相连,这些信号有开关量型(包括开入、开出、而且负载能力也有很大差别,有模拟类的(大信号: 4-20mV,1-5V,小信号0-50mV。O-10mV,大信号中有四线制的,也有两线制的)有的系统中还有交流信号直接通过互感器而接到计算机的交流信号来样,这样也就造成了各工控机厂家(特别是DCS厂家)为了保证自己系统能够在各种应用现场正常运行,提出了各种各样的接地要求。而这些接地要求差别很大,有的很苛刻,有的相对宽松一些。这就更使现场人员混乱了。不仅厂家提的接地要求不一致,而且各种教科书和设计手册中对接地的解释也不甚统一。为了让现场施工人员和工程服务人员对接地问题有一个较全面的了解,我们在此较为详细地介绍一个系统应用中遇到的一些接地概念和方法。

    1、干扰原因

       
    为了理解接地的目的,我们先介绍系统应用中所面临的几种干扰。干扰又叫噪声,是窜入或叠加在系统电源、信号线上的与信号无关的电信号。干扰会造成测量的误差、严重的干扰(如雷击、。大的串模干扰可会造成设备损坏。常见的干扰有以下几种:

    (1)电阻耦合引入的干扰(传导引入)

       ①当几种信号线在一起传输时,由于绝缘材料老化,漏电而影响到其它信号,即在其它信号中引入干扰。

       ②在一些用电能作为执行手段的控制系统中(如电热炉、电解槽等)信号传感器漏电,接触到带电体,也会引入很大的干扰。

       ③在一些老式仪表和执行机构中,现场端采用220V供电,有时设备烧坏,造成电源与信号线间短路,也会造成较大的干扰。

       ④由于接地不合理,例如在信号线的两端接地,会因为地电位差而加入一较大的干扰,如图3.4.9所示。信号线的两端同时接地,这样,如果A、B两点的距离较远,则可能会有较大的电位差eN ,这个电位差可能会在A·B两端之间的信号线上产生一个很大的环流。





    (2)电容电感耦合引入的干扰

        因为在被控现场往往有很多信号同时接入计算机,而且这些信号线或者走电缆槽,或者走电缆管,但肯定是很多根信号在一起走线。这些信号之间均有分布电容存在,会通过这些分布电容将干扰加到别的信号线上,同时,在交变信号线的周围会产生个交变的磁通,而这些交变磁通会在并行的导体之间产生电动势,这也会造成线路上的干扰。

    (3)计算机供电线路上引入的干扰

        在有些工业现场(特别是电厂冶金企业、大的机械加工厂)大型电气设备启动频繁,大的开关装置动作也较频繁,这些电动机的启动、开关的闭合产生的火花会在其周围产生很大的交变磁场.这些交变磁场既可以通过在信号线上耦合产生干扰,也可能通过电源线上产生高频干扰,这些干扰如果超过容许范围,也会影响计算机系统的工作。

    (4)雷击引入的干扰

        雷击可能在系统周围产生很大的电磁干扰,也可能通过各种接地线引入干扰。

    2、干扰抑制



      
    以上列举了产生干扰的几种原因,这些干扰如果得不到很好的抑制和防止,轻则影响系统的测量技术精度,因而使正常的控制无法实现,重则会造成设备损坏,人们在长期的工程实践中总结出了很多干扰抑制的方法。

    (l)隔离

        ①使所有的信号线很好地绝缘,使其不可能漏电,这样,防止由于接触引入的干扰;

        ②将不同种类的信号线隔离铺设(在不同一电缆槽中,或用隔板隔开),我们可以根据信号不同类型将其按抗噪声干扰的能力分成几等。

        模拟量信号(模人、摸出,特别是低电平的模人信号如热电偶信号,热电阻信号等)对高频的脉冲信号的抗干扰能力是很差的。建议用屏蔽双绞线连接,且这些信号线必须单独占用电线管或电缆槽,不可与其它信号在同一电缆管(或槽)中走线。

        低电平的开关信号(一些状态干结点信号),数据通信线路(RS232、EIA485等),对低频的脉冲信号的抗干扰能力比上种信号要强,但建议zui好采用屏蔽双绞线(至少用双绞线)连接。此类信号也要单独走线,不可和动力线和大负载信号线在一起平行走线。

        高电平(或大电流)的开关量的输入输出、CATV、线,以及其它继电器输入输出信号,这类信号的抗干扰能力又强于以上两种,但这些信号会干扰别的信号,因此建议用双绞线连接,也单独走电缆管或电缆槽。

        动力线AC 220V、380V,以及大通断能力的断路器、开关信号线等,这些线的电缆选择主要不是依抗干扰能力,而是由电流负载和耐压等级决定。

        以上说明,同一类信号可能放在一条电缆管或槽中,相近种类信号如果必须在同一电缆槽中走线,则一定要用金属隔板将它们隔开。

        ③还有一种隔离是将信号源同计算机在电气上进行隔离,这样,会大大地减小共模干扰对计算机造成的危害。如图 3.4.10所示。图 3.4.10表示用隔离放大器将信号的输入端子与计算机部分完全隔离(有的系统中采用隔离变压器,或继电器等方式隔离,对开关量则可以采用光电器件,或继电器进行隔离)。这样,由于C和D之间地电位不同所产生的干扰信号形不成回路,抑制了干扰的危害。




    第四种隔离是供电系统的隔离

        为了防止供电线路上引入共模高频干扰信号,可以在供电线路上设隔离变压器进行干扰隔离,如图3.4.11所示。




    为了达到好的干扰抑制效果,有两点必须注意:

        ·变压器的屏蔽层要很好地接地;

        ·变压器的次级线圈一定要用双绞线。

    (2)屏蔽

        屏蔽就是用金属导体,把被屏蔽的元件,组合件,线,信号线包围起来。这种方法对电容性耦合噪声抑制效果很好。zui常见的就是用屏蔽双绞线连接模拟信号。

        以上说的电气屏蔽,但在很多场合下,信号除了受电噪声干扰以外,主要还受到强交变磁场的影响,如电站,冶炼厂重型机械厂等,那么,我们除了要考虑电气屏蔽以外,还要考虑磁屏蔽,即考虑用铁、镍等导磁性能好的导体进行屏蔽。

    (3)绞线

        用双绞线代替两根平行导线是抑制磁场干扰的有效办法。原理如图3.4.12所示:




    图3.4.12中,每个小绞纽环中会通过交变的磁通,而这些变化磁通会在周围的导体中产生电动势,它由电磁通感应定律决定(如图中导线中的箭头所示)。从图中可以看出,相邻绞纽环中在同一导体上产生的电动势方向相反,相互抵消,这对电磁干扰起到较好的抑制作用。

    (4)雷击保护

        系统受雷击干扰有两种方式:架空电源线,信号线可能会遭受雷击,另一种是信号电缆附近受到雷击,通过分布电容和电感耦合到信号线,在信号线上产生一个很大的脉冲干扰,有时甚至会烧坏设备,影响人员安全。针对不同的干扰原因,可以采用下面两种措施防雷击:

        ①对于耦合干扰,我们可用金属电缆管或槽铺设信号线,电缆管或金属槽有很好的接地。

        ②对于架空信号线,则必须在计算机输入端子处采取防雷措施,如装避雷器,加压敏电阻、较强的滤波电路等来抑制其干扰。

    3、接地准备



    (l)接地的作用

        接地的作用总的步说只有两种:保护人和设备不受损害;抑制干扰;抑制干扰接地在有的书中又叫工作接地,而前者又叫保护接地。

    ①保护接地

        保护接地是将DCS中平时不带电的金属部分(机柜外壳,操作台外壳等)与地之间形成良好的导电连接,以保护设备和人身安全。原因是DCS的供电是强电供电(220V或11OV),通常情况下机壳等是不带电的,当故障发生(如主机电源故障或其它故障)造成电源的供电火线与外壳等导电金属部件短路时,这些金属部件或外壳就形成了带电体,如果没有很好的接地,那么这带电体和地之间就有很高的电位差,如果人不小心触到这些带电体,那么就会通过人身形成通路,产生危险。因此,必须将金属外壳和地之间作很好的连接,使机壳和地等电位。此外,保护接地还可以防止静电的积聚。

    ②工作接地

        工作接地是为了使DCS以及与之相连的仪表均能可靠运行并保证测量和控制精度而设的接地。它分为机器逻辑地、信号回路接地、屏蔽接地,在石化和其它防爆系统中还有本安接地。

        ·机器逻辑地,也叫主机电源地,是计算机内部的逻辑电平负端公共地,也是+5V等电源的输出地。

        ·信号回路接地,如各变送器的负端接地,开关量信号的负端接地等。

        ·屏蔽接地(模人信号的屏蔽层的接地)。

        ·本安接地,是本安仪表或安全栅的接地。这种接地除了抑制干扰外,还有使仪表和系统具有本质安全性质的措施之一。本安接地会因为采用的设备的本实措施不同而不同,下面以齐纳式安全栅为例,说明其接地内容,如图3.413所示:该图是一个齐纳式安全栅的接地原理图。


        安全栅的作用是保护危险现场端永远处于安全电源和安全电压范围之内。如果现场端短路,则由于负载电阻和安全栅电阻R的限流作用,会将导线上的电流限制在安全范围内,使现场端不至于产生很高的温度,引起燃烧。第二种情况,如果计算机一端产生故障,则高压电信号加入了信号回路,则由于齐纳二级的嵌位作用,也使电压位于安全范围。

        值得提醒的是,由于齐纳安全栅的引入,使得信号回路上的电阻增大了许多,因此,在设计输出回路的负载能力时,除了要考虑真正的负载要求以外,还要充分考虑安全栅的电阻,留有余地。

        除了上述几种接地外,在很多场合下容易引起混乱的还有一个供电系统地,也叫交流电源工作地,它是电力系统中为了运行需要设的接地(如中性点接地)。

    (l)接地要求和方法:

        上面介绍了六种接地:供电系统地、保护地、逻辑地、屏蔽地安全栅地、信号回路地。对这六种接地,各家有各家的要求,虽然大都强调一点接地,接地电阻必须小于1欧姆等,但具体内容上差别很大,下面给出几个例子介绍常遇到的接地要求和方法。

    ①供电系统地:在很多企业,特别是电厂、冶炼厂等,其厂区内有一个很大的地线网,而通常供电系统的地是与地线网连在一起的。有的厂家强调计算机系统的所有接地必须和供电系统地以及其它(如避雷地)严格分开,而且之间至少应保持15m以上的距离。为了彻底防止供电系统地的影响,建议供电线线路用隔离变压器隔开。这对那些电力负荷很重,而且负荷经常启停的单位是应注意的。从抑制干扰的角度来看,将电力系统地和计算机系统的所有地分开是很有好处的,因为一般电力系统的地线是不太干净的。但从工程角度来看,在有些场合下单设计算机系统地并保证其与供电系统地隔开一定距离是很困难的,这时可以考虑能否将计算机系统的地和供电地共用一个,这要考虑几个因素:

        ·供电系统地上是否干扰很大,如大电流设备启停是否频繁,对地产生的干扰是否大;

        ·供电系统地的接地电阻是否足够小,而且整个地网各个部分的电位差是否很小,即地网的各部分之间是否阻值很小(<1W)

        ·DCS的抗干扰能力以及所用到的传输信号的抗干扰能力,例如有无小信号(电偶,热电阻)的直接传输等。

    ②所有计算机接线涉及到的接地采用一点接地方式,在这一点上,也有很多争议。有的厂家系统提出几个地:逻辑地、屏蔽地(又叫模拟地)、信号地、保护地分别自己接地在地上打接地装置,而大部分系统则指出各种地在机柜内部自己分别接地,汇于一点,然后用较粗的导体(铜)将各汇地点朕起来,接到一个公共的接地体上。这里有几点需要注意:

        DCS本身是由多台设备组成的,除了控制站以外,还包括很多外设,而且数据也不止一台,这就涉及到了多台设备,多种接地的问题。此外,一般的DCS的供电是各站(控制站,操作站等)用专门一条线单独供电,即彼此之间不相互供电。图3.4.14是一种常用的多站接地图。

        保护接地:DCS的所有设备均有一个保护地,该保护一般在机柜和其它设备设计加工时就已在内部接好,有的系统中已将该保护地在内部同电源进线的保护地(三芯插头的中间头)连在一起,有的不允许将保护地同该线相连,用户一定要仔细阅读厂家提供的接地安装说明书,不管哪种方式,CG必须将一台设备(控制站、操作员站等)上所有的外设或系统的CG连在一起,然后用较粗的绝缘铜导线将各站的CG连在一起,zui后从一点上与大地接地系统相连。还有一点值得提醒的是,DCS的所有外设必须从一条供电线上供电,而且一台设备(如操作员站位所连接的所有外设和主机系统(CRT、打印机、拷贝机主机系统)的电源必须从设备的供电分配器上取电,而不允许从其它地方取电,否则可能会烧坏接口甚至设备,对于不得不用长线连接的场合,或用较粗导线提供供电,或采取通信隔离措施。

        各站的CG在连接时可以采用幅射连接法,也可以采用串行接法。电源逻辑地(P)如图 3.4.14所示。首先,各站内的逻辑地必须位于一点PG,然后,粗绝缘导线以辐射状接到一点上,然后接到大地接地线上。在有些系统中,所有的输入,输出均是隔离的,这样其内部逻辑地就是一个独立的单元,与其它部分没有电器连接,这种系统中往往不需要PG接地,而是保持内部浮空。所以,用户在设计和施工接地系统时,一定要仔细阅读产品的技术要求和接地要求。

    ·模拟地(AG),模拟地(又叫屏蔽地)是所有的接地中要求zui高的一种。几乎所有的系统都提出AG一点接地,而且接地电阻小于IQ。 DCS设计和制造中,在机柜内部都安置了AG汇流排或其它设施。用户在接线时将屏蔽线分别接到AG汇流排上,在机柜底部,用绝缘的铜辫连到一点,然后将各机柜的汇流点再用绝缘的铜辫或铜条以辐射状连到接地点。大多数的DCS要求,不仅各机柜AG对地电阻<I欧姆,而且各机柜之间的电阻也要<1欧姆。

        ·信号地的处理:原则上不允许各变送器和其它的传感器在现场端接地,而都应将其负端在计算机端子处一点接地。但在有些场合,现场端必须接地,这时,必须注意原信号的输入端子(上双端)绝对不许和计算机的接地线有任何电气连接,而计算机在处理这类信号时,必须在前端采用有效的隔离措施。

        ·安全栅的接地:我们回过头来再看图3.4.13所示的安全栅线路图。从图中可以看出有三个接地点:B,E,D,通常B和E两点都在计算机这一侧。可以连在一起,形成一点接地。而D点是变送器外壳在现场的接地,若现场和控制室两接地点间有电位差存在,那么, D点和E点的电位就不同了。假设我们以E作为参考点,假定是D点出现10V的电势,此时,A点和E点的电位仍为24V,那么A和D间就可能有34V的电位差了,己超过安全极限电位差,但齐纳管不会被击穿,因为A和E间的电位差没变,因而起不到保护作用。这时如果不小心现场的信号线碰到外壳上,就可能引起火花,可能会点燃周围的可燃性气体,这样的系统也就不具备本安性能了。所以,在涉及到安全栅的接地系统设计与实施时,一定要保证D点和B(E)点的电位近似相等。在具体实践中可以用以下方法解决此问题:用一根较粗的导线将D点与B点连接起来,来保证D点与B点的电位比较接近。另一种就是利用统一的接地网,将它们分别接到接地网上,这样,如果接地网的本身电阻很少,再用较好的连接,也能保证D点和B点的电位近似相等。但注意,此接地一定不要与上面几种接地发生冲突。

        以上讨论了几种接地的方法和注意事项。在不同的系统中,对这几种接地的组态要求不同,但大多数系统对AG的接地电阻一般要求I欧姆以下,而安全栅的接地电阻应<4欧姆,zui好<1欧姆,PG和CG的接地电阻应小于4欧姆。

    (3)接地方法

        一般工控机系统(包括自动化仪表)的接地系统,由接地线接地汇流排、公用连接板、接地体等几部分组成
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