2022年DCS系统的接地 .pdf

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1、DCS 系统的接地设计王凯周燕萍卞爱民(上海工业自动化仪表研究所，上海 200233)摘要：接地技术在实际工程中是一个不能忽视的问题，接地设计的好坏，将直接影响到电气、电子系统的运行质量，因此工程技术人员还必须重视接地问题。以DCS 系统为例，着重介绍了保护接地和工作接地的作用、接地体的设置和接地电阻等。随着电子技术的发展以及硬件制造工艺的逐步提高，其对系统工作接地的要求，将会变得越来越低，但对保护接地的要求不应降低，由于它涉及到人身和设备的安全。关键词：抗干扰接地DCS 系统0 引言虽然接地技术还不能称作一门精密的科学，然而在实际工程中又是一个不能忽视的问题。接地设计的好坏直接影响到系统运行

2、的质量，因此工程技术人员还必须重视接地问题。本文将着重介绍 DCS 系统常用的几种接地形式。1 接地的作用按照接地作用的不同，可以将接地分成保护接地和工作接地两种。1.1 保护接地的作用当 DCS 系统供电的交流线路引入时，为了保证人身和 DCS 系统电子设备本身的安全，应将系统硬件正常情况下不带电的金属部分与接地体之间作良好的金属连接。其保护原理：若DCS 机柜没有保护接地，当机柜带电时，此时如果人体触及机柜，电流经人体和中性接地电阻而形成通路，人就遭受触电危害。若将机柜接地，此时机柜由于意外事故带电时，很大的短路电流将会使过流保护动作。即使开关过流保护不动作，当人触及机柜时，由于接地，电流

3、将沿着接地体和人体两条通路流过。人体电阻远远大于接地电阻，所以通过人体的电流很小，这样人体就避免了触电的危险，起到了安全保护作用。1.2 工作接地的作用工作接地的作用是抑制干扰，保证系统精确可靠的正常工作。1.2.1 信号接地为了使 DCS 系统设备在工作时有一个统一的公共参考电位（即基准电位），不至于因浮动而引起信号的误差，并防止其内外的有害电磁场的干扰，保证系统稳定可靠地工作，实现其固有的功能，系统中的信号电路应接地，这种接地称为信号接地。这个“地”可以是大地，也可以是接地母线、总接地端子等，总之只要是一个等电位点即可。1.2.2 屏蔽接地为了防止系统内部或外部受电磁感应或静电感应的干扰，

4、而对屏蔽体进行的接地称为屏蔽接地。屏蔽就是用金属导体把被屏蔽的元件、组合件、电路、信号线包围起来。这种方法对抑制电容性嘈声耦合特别有效。现以两导线为例，说明屏蔽抑制干扰的原理。如图 1 所示，导线为干扰源，对地电压为e1，导线 2加上屏蔽层，它和屏蔽层间的分布电容为C2S，而屏蔽层和地及导线1 之间的分布电容分别为C2G、C1S，从图中得出屏蔽层上的干扰电压为：c=C1S/（C1S+C2G）1由于 C2S存在，导线 2 上的干扰电压值也是 c。如果把屏蔽层接地，则 c=0。因此，导线上的嘈声电压同样也减小到零。当然这是理想状况，实际上不可能是零。但是通过屏蔽接地大大抑制了干扰。这种方法的实质就

5、是使导线1 和导线 2 之间的耦合电容变成零，以切断耦合通道。2 系统接地2.1 工作接地的几种型式2.1.1 单点接地此种接地型式适用于DCS 系统内只有低频（f10 MH z）电子设备时，常采用多点接地型式，这种接地型式中，各电子设备的信号地或电子设备中的各部分信号电路，分别以最短的接地线接至接地母线（以此为基准电位）上，以降低各接地线的阻抗，减小各接地线之间的电感耦合及因存在分布电容而形成的电容耦合。由接地母线至接地极的接地线应采用适当的屏蔽措施以免其接收或辐射干扰信号。如图 3 所示。2.1.3 混合式接地即单点接地和多点接地混合的接地型式。这种接地型式适用于系统存在低频与高频之间的电

6、子设备时。如图 4 所示。2.2 系统柜内接地铜排的设置DCS 系统硬件的信号公共线、屏蔽线等在控制柜内接地。根据抗干扰原理，屏蔽线的接地应在信号回路接地的同一侧，因此现场信号电缆的屏蔽接地也接在DCS 系统柜内。可见，DCS系统柜内的接地薄铜排的宽度必须符合一定的要求才能确保屏蔽抗干扰的效果。对于接地铜排的宽度要求通常如表1 所示；表 1 接地铜排亮度DCS 柜内电子设备灵敏度/V 接地线长度/m 适用于电子设备的工作频率/MHz 薄铜排宽度/mm 1 0.5 160 2.3 接地体的设置名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 4 页 -根据实际经验，仪表系统的保护接地

7、，一般情况下可以和电力系统的共用，不单独设置接地体。DCS 系统工作接地体的设置有三种处理方式：单独设置接地体；单独设置接地体但与电力系统接地体相连；不单独设置接地体，与电力系统接地体共用。采取何种方式，应根据具体情况决定，因为迄今尚未找到哪个规范和标准中对此有明确的统一规定。我国近几年来从国外引进的装置中的作法也不尽统一。据有关资料的介绍和实践经验，在下列几种情况推荐单独设置接地体：壤电阻高，接地电阻不能达到设计值的场所，例如砂地、岩石或干燥地区；周围环境存在严重的电磁干扰；所选用的仪表对嘈声相当敏感，抗干扰要求高;控制室与电力系统接地体距离较远。若共用接地体，会使接地线过长，给施工维护带来

8、不便。从抑制干扰的观点，防止电力系统对控制系统的干扰，把两个系统的接地完全分开，各自设置接地体，对仪表的防干扰是有利的。但从工程观点来看，单独设置接地体比共用接地体投资大，费钢材、占地面积大，安装维护麻烦。一般，除上述四种特殊情况外，仪表接地系统可以和电力系统共用接地体而不必单独设置。实际工程设计中，往往把全厂的地下管道、地下结构、接地体连接成一个统一的接地网，其接地电阻可以达到一个很小的值。这对抑制干扰是很有利的。在这种情况下要把仪表接地系统和电力接地系统完全分开，对于安装和维护是件很麻烦的事，采取共用接地体比较方便。在有爆炸危险的场所，由于地电位差的存在，当不同接地点的设备，意外的直接或间

9、接接触时，可能产生电火花会引起爆炸。为防止这种情况发生，要求各接地点电位应接近相等。一般，把仪表系统接地和全厂统一接地网连接起来可以达到这个要求。所以即使控制系统单独设置接地体，也应该把系统的接地体和电力系统的接地体连接起来，以达到电位平衡的目的。2.4 接地电阻接地体或自然接地体的对地电阻和接地线电阻的总和称为接地电阻。控制系统的保护接地电阻值，一般为 4，最高不宜超过 10。当设置有高灵敏度接地自动报警装置时，如漏电开关，接地电阻可大于 10。关于工作接地电阻的阻值目前没有统一的规定。一般，根据仪表类型和环境条件（土壤电阻率，干扰强弱）决定。通常，设计者在选定仪表类型后，根据制造商提供的要

10、求以及环境条件确定接地电阻值。如 Siemens公司的 APACS+控制系统，要求接地电阻不可大于 5。若仪表系统和电力系统共用接地体时，一般采用电气专业相同的接地电阻值，以便施工。3 DCS系统接地实例介绍现以 Siemens公司的 APACS+控制系统为例，介绍DCS 系统的接地设计。APACS+系统设计时，采用以下方法以最大限度地减小对接地系统的要求；输入/输出通道与通信模板、控制模板和电源供电实现电隔离；通过 Modulbus（控制通信电缆）及其它电缆与APACS+的机架互相连接的相关装置没有电隔离；外部扩展通信与通信讯链电隔离；屏蔽线与通过单独接点的信号、信号公共端隔离；电源供电的地

11、返还回路有独立的路径与模板公共端分离，尽可能减小电源干扰的影响；同时，由于APACS+系统的模板均为金属密封，故其抗静电和抗电磁干扰以及抗其它电气干扰的性能极强，对用户接地的要求远较其它DCS 系统为低。以下是它的具体接地要求说明：220 VAC 交流地通过机箱接到机柜内接地铜排；信号屏蔽线通过机箱接到机柜接地铜排；信号的屏蔽可根据现场情况接或不接机柜内接地铜排；接地铜排与机柜绝缘，用导线与机柜接通；各个机柜的接地铜排可单独接工厂地（单点接法），铜排先接通，然后再接工厂地。对用户来说，后一种接法比较方便；对工厂地接地电阻的要求是5，而不是一般DCS 系统要求接地电阻 1。但要求单独接地。SAM

12、、EAM、SAI、VIM 以及 RTM 等各种类型输入输出模板均有信号屏蔽端子，用户可根据情况决定是否接屏蔽。一般，低电平模拟量信号（如热电偶、热电阻）要求屏蔽接地；而高电平模拟量信号（如420 mA）和开关量信号可以不屏蔽接地。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 4 页 -4 结束语从 Siemens公司的 APACS+系统可以看出，随着电子技术以及硬件制造工艺的逐步提高，模板的抗干扰性能将会越来越强，因此DCS 系统对工作接地的要求将会越来越低，但由于保护接地牵涉到人身和设备的安全，对其的要求将不会降低。参考文献：1 G.夏里克.接地工程 M.北京：人民邮电出版社，1988.2 中国航空工业规划设计研究院.工业与民用配电设计手册M.水力电力出版社，1994.3 高攸纲.屏蔽与接地M.北京:邮电大学出版社，2004.4 陈家斌.接地技术与接地装置M.中国电力出版社，2003.收稿日期：2006-03-17。第一作者王凯，男，1973 年生，现为华东理工大学在读硕士研究生，工程师；主要研究领域为工业环境下的无限短程数据传输网络及控制系统在工厂内的应用。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 4 页 -