浅谈DCS系统的接地

浅谈DCS系统的接地
作者：王刚王锐谭丽娜
来源：《科技创新导报》2012年第01期
摘要:对集散控制系统(DCS)的接地问题进行了详细阐述。

关键词:接地安全抑制干扰
中图分类号:TP393 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)01(a)-0084-02
集散控制系统通过输入输出(I/O)信号电缆实现控制室和现场的数据通信。

正确的接地是保证系统良好运行的重要条件。

正确的接地能抑制外来干扰,又能减小设备对外界的干扰。

从而提高系统运行的安全性和可靠性。

而错误的接地反而会引入干扰,严重的甚至会导致集散控制系统无法正常工作。

1 接地目的
集散控制系统接地有两个目的:一是为了安全;二是为了抑制干扰。

1.1 安全
包括人身安全和系统设备安全。

与一般用电设备一样,电子设备的金属外壳必须接大地,以防在事故状态时金属外壳出现过高的对地电压而危及操作人员安全和导致设备损坏。

1.2 抑制干扰
包括两部分,一是提高系统本身的抗干扰能力;二是减少系统对外界的影响。

由于DCS系统所采集的现场信号多种多样,包括多种模拟信号和开关信号,例如热电阻信号、热电偶信号、4～20mA模拟量输入和输出信号、以及开关量信号等等。

这些信号极容易被附近的干扰源干扰,并且各个信号之间也是容易相互影响的。

因此采用集散控制系统的某些部分与大地相连可以起到抑制干扰的作用。

良好正确的接地系统是DCS抗电磁干扰的重要措施之一。

2 系统的接地总体原则
在DCS系统中,接地技术指的就是系统接“大地”。

就是指系统的金属外壳、线路等通过接地线或接地板等接地装置与大地相连。

2.1 DCS中接地的种类
主要有三类:系统地、屏蔽地和保护地。

(1)系统地
控制系统中的基准电位是各回路工作的参考电位,基准电位的连线称为系统地,通常是控制回路直流电位的零伏导线。

与其他通信装置不同的是,DCS通常可以采用系统地直接与大地相连的方式。

系统地直接与大地相连,可以抑制分布电容的影响。

(2)屏蔽地
为了抑制变化电场的电磁干扰,控制系统中广泛采用多种静电屏蔽方式,如变压器静电屏蔽层以及最常见的电缆的屏蔽层(通常由铜丝编织成网状),电缆屏蔽层用于防止信号电缆的信号被干扰,为了实现信号的准确通信,电缆屏蔽层必须一点接地,如果电缆屏蔽层两端接地,受到外界干扰时,容易在屏蔽层形成电位差,从而形成环流干扰了信号的正常通讯。

因此,所有做静电屏蔽用的导体都必须良好接地才能发挥作用,即使是作电磁屏蔽用的导体也以接地为好。

(3)保护地(安全地)
根据安全规范,工作电压超出安全电压的用电设备,其接触部位——外壳、机座、操作手柄等金属部件都必须接地,称为保护接地。

2.2 系统的接地原则
系统的接地原则总体概括只有四个字“一点接地”。

DCS的系统地、屏蔽地、安全地都必须遵循此原则。

对于系统的接地电阻不可能为零,当有电流通过接地极注入大地时,接地极处的大地电位势必升高,如果系统有两点或更多点接地,它们之间一定会产生电位差,从而形成环流。

所以,我们必须保证系统进行“一点接地”。

当系统中有多个控制站和数据站时,可以设立接地母线,把所有站中的各种接地线汇集到接地母线,同样也必须对母线进行“一点接地”。

同样,操作站也必须进行“一点接地”。

下面,主要阐述信号电缆屏蔽层的接地原则:此屏蔽层一般应该在DCS机柜内的端子处接地。

通常情况下,把各个信号线的屏蔽层在一起编成麻花辫之后进行机柜内的接地处理。

但是,对于铠装热电偶不适用。

因为被测装置通常都接地,而且有些是大电流或中高频加热装置,噪声很强,这样的测温屏蔽层应在被测装置一侧接地。

采用双重静电屏蔽层的电缆,通常均把外屏蔽层接到屏蔽地线,把内屏蔽层接到系统地线。

为了保证电缆屏蔽层真正实现一点接地,应该注意以下事项:屏蔽电缆要有绝缘护套;敷设安装电缆时避免损坏护套,譬如不可在有尖锐边缘的金属部位拖拉电缆;屏蔽层经过转接端子时,须专门配备供屏蔽层用的专用端子,如图所示。

这样能保证屏蔽层的连续性。

(如图1)
同时特殊的情况也需要加以说明,对个别情况,信号电缆的屏蔽层需要两端接地。

如某些灵敏的高频输入电缆层要采用两端接地,而且电缆应紧贴地面敷设,以减少接地环路的面积;当地电
位差较大时,还可紧靠屏蔽线敷设一根较粗的电位平衡导线来平衡地电位差,减少流入屏蔽层的电流。

3 系统接地的要求
3.1 控制站和操作站的接地要求
控制站和操作站应远离避雷泄流通路,其整个接地网和避雷接地点的最短距离应大于15米。

机柜的正面底部装有一根接地汇流铜条,是整个机柜的GND铜条,控制站内部的系统地、安全地和屏蔽地都连接到该铜条上。

地域分布较广的系统应以干线式就近接地为原则。

操作站接地包括工控机和显示器接地。

工控机和显示器背部均提供有接地螺丝,此点既是系统地也是屏蔽地和安全地。

工控机和显示器安装到位后用ф2～3mm多芯软铜线与操作站底部的接地汇流排相连,连接工控机和显示器的一端应使用O型连接头;然后接地汇流排与控制机柜GND铜条相连。

3.2 现场仪表的接地要求
(I)现场仪表的工作接地一般应在控制室侧接地;对于要求或必须在现场接地的现场仪表,如热电偶、PH计、电磁流量计等应在现场侧接地;对于即要求现场接地又要求控制室接收端在控制室侧接地的现场仪表,应将信号的收发端之间做电气隔离。

(Ⅱ)金属电缆槽、电缆的金属保护管应做保护接地,其两端或每隔3 0m与就近的接地金属
构件相连,并保证其接地的可靠性及电气的连续性。

严禁利用存储、输送可燃性介质的金属管道、设备以及与之相关的金属构件进行接地连接。

3.3 接地电阻的要求
接地电阻是指接地极对地电阻和总接地板、接地总干线及接地总干线两端的连接点电阻之和,DCS控制系统的接地电阻普通场合应小于4Ω。

在变电所、电厂及有大型用电设备等场合接地电阻小于1Ω。

3.4 接地线的选择要求
接地线尽可能选得短、粗、扁。

当接地线等于或接近信号波长的1/4时,接地线便成为天线,发射或接收噪声干扰。

因此,接地导线必须短。

接地导线决不能大于信号波长的1/5—1/10。

在实际施工中,以1MHz作为一点接地的低频极限频率,与之相应的接地导线以30米左右为宜。

导线的粗细至少选ф3。

总之,同一个DCS系统中,所有网络节点的系统地必须同地,以满足系统内系统地的等电势
要求。

系统内的系统地、安全地、屏蔽地必须最后汇流到同一个接地点上(即一点接地),而这个接地点的接地电阻应足够小,以保证有效地快速消除干扰。

在理想情况下,DCS系统最好使用网状接地,所有现场设备、仪表和DCS的操作站和控制站均在该接地网内,接地网有良好的雷击保护,所以,良好的避雷接地网是保证系统安全的先决条件。

接地点的选择很重要,一般要求接地点上的接地网和避雷针泄流点距离大于15米。

若和避雷针泄流点距离过近,当雷击产生时,会造成地电位急剧瞬变,极易造成系统的严重损坏。

为保证系统网络上的所有设备同地,这“一点接地”可以是单独地桩,也可以是符合要求的电气地。

但千万不可以系统接地网既与单独地桩,又与电气地相连;或者是操作站接地与电气地相连,而控制站系统地与单独地桩相连。

这两种情形其实都属于“二点接地”,很容易被雷电击破坏网络或系统。

4 结语
在现场控制系统安装和调试过程中,接地系统是否完好对DCS控制系统的安全、正常运行非常关键。

必须保证DCS各部分已按规范接地(一点接地),系统才可以安全的上电并投入运行,否则有可能损坏网络上的通讯设备,情况严重可能危及人身安全。

参考文献
[1] 刘翠玲,黄建兵.集散控制系统.中国林业出版社,2006.
[2] 浙大中控技术有限公司DCS系统使用说明书.。