接地系統(tǒng)的準(zhǔn)備
在DCS應(yīng)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(tǒng)集成商、DCS廠商代理處的有些人都未必特別清楚，原因是因?yàn)榇蟛糠謱W(xué)自動(dòng)控制和計(jì)算機(jī)的人在學(xué)校學(xué)自動(dòng)控制原理或計(jì)算機(jī)原理時(shí)是不學(xué)接地內(nèi)容的。而工業(yè)控制計(jì)算機(jī)又涉及到除了計(jì)算機(jī)本身外還有很多各種類型的信號(hào)線，直接與計(jì)算機(jī)I／O接口相連，這些信號(hào)有開關(guān)量型（包括開入、開出、而且負(fù)載能力也有很大差別，有模擬類的（大信號(hào): 4－20mV，1－5V，小信號(hào)0－50mV。O－10mV，大信號(hào)中有四線制的，也有兩線制的）有的系統(tǒng)中還有交流信號(hào)直接通過互感器而接到計(jì)算機(jī)的交流信號(hào)來樣，這樣也就造成了各工控機(jī)廠家（特別是DCS廠家）為了保證自己系統(tǒng)能夠在各種應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)正常運(yùn)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(duì)寬松一些。這就更使現(xiàn)場(chǎng)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(shè)計(jì)手冊(cè)中對(duì)接地的解釋也不甚統(tǒng)一。為了讓現(xiàn)場(chǎng)施工人員和工程服務(wù)人員對(duì)接地問題有一個(gè)較全面的了解，我們?cè)诖溯^為詳細(xì)地介紹一個(gè)系統(tǒng)應(yīng)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(tǒng)應(yīng)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(tǒng)電源、信號(hào)線上的與信號(hào)無關(guān)的電信號(hào)。干擾會(huì)造成測(cè)量的誤差、嚴(yán)重的干擾（如雷擊、。大的串模干擾可會(huì)造成設(shè)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(dǎo)引入）
①當(dāng)幾種信號(hào)線在一起傳輸時(shí)，由于絕緣材料老化，漏電而影響到其它信號(hào)，即在其它信號(hào)中引入干擾。
②在一些用電能作為執(zhí)行手段的控制系統(tǒng)中（如電熱爐、電解槽等）信號(hào)傳感器漏電，接觸到帶電體，也會(huì)引入很大的干擾。
③在一些老式儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)中，現(xiàn)場(chǎng)端采用220V供電，有時(shí)設(shè)備燒壞，造成電源與信號(hào)線間短路，也會(huì)造成較大的干擾。
④由于接地不合理，例如在信號(hào)線的兩端接地，會(huì)因?yàn)榈仉娢徊疃尤胍惠^大的干擾，如圖3.4.9所示。信號(hào)線的兩端同時(shí)接地，這樣，如果A、B兩點(diǎn)的距離較遠(yuǎn)，則可能會(huì)有較大的電位差eN ，這個(gè)電位差可能會(huì)在A·B兩端之間的信號(hào)線上產(chǎn)生一個(gè)很大的環(huán)流。
（2）電容電感耦合引入的干擾
因?yàn)樵诒豢噩F(xiàn)場(chǎng)往往有很多信號(hào)同時(shí)接入計(jì)算機(jī)，而且這些信號(hào)線或者走電纜槽，或者走電纜管,但肯定是很多根信號(hào)在一起走線。這些信號(hào)之間均有分布電容存在，會(huì)通過這些分布電容將干擾加到別的信號(hào)線上，同時(shí)，在交變信號(hào)線的周圍會(huì)產(chǎn)生個(gè)交變的磁通，而這些交變磁通會(huì)在并行的導(dǎo)體之間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這也會(huì)造成線路上的干擾。
（3）計(jì)算機(jī)供電線路上引入的干擾
在有些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)（特別是電廠冶金企業(yè)、大的機(jī)械加工廠）大型電氣設(shè)備啟動(dòng)頻繁，大的開關(guān)裝置動(dòng)作也較頻繁，這些電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、開關(guān)的閉合產(chǎn)生的火花會(huì)在其周圍產(chǎn)生很大的交變磁場(chǎng)．這些交變磁場(chǎng)既可以通過在信號(hào)線上耦合產(chǎn)生干擾，也可能通過電源線上產(chǎn)生高頻干擾，這些干擾如果超過容許范圍，也會(huì)影響計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作。
（4）雷擊引入的干擾
雷擊可能在系統(tǒng)周圍產(chǎn)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(chǎn)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(tǒng)的測(cè)量技術(shù)精度，因而使正常的控制無法實(shí)現(xiàn)，重則會(huì)造成設(shè)備損壞，人們?cè)陂L(zhǎng)期的工程實(shí)踐中總結(jié)出了很多干擾抑制的方法。
（l）隔離
①使所有的信號(hào)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(hào)線隔離鋪設(shè)（在不同一電纜槽中，或用隔板隔開），我們可以根據(jù)信號(hào)不同類型將其按抗噪聲干擾的能力分成幾等。
模擬量信號(hào)（模人、摸出，特別是低電平的模人信號(hào)如熱電偶信號(hào)，熱電阻信號(hào)等）對(duì)高頻的脈沖信號(hào)的抗*力是很差的。建議用屏蔽雙絞線連接，且這些信號(hào)線必須單獨(dú)占用電線管或電纜槽，不可與其它信號(hào)在同一電纜管（或槽）中走線。
低電平的開關(guān)信號(hào)（一些狀態(tài)干結(jié)點(diǎn)信號(hào)），數(shù)據(jù)通信線路（RS232、EIA485等），對(duì)低頻的脈沖信號(hào)的抗*力比上種信號(hào)要強(qiáng)，但建議采用屏蔽雙絞線（至少用雙絞線）連接。此類信號(hào)也要單獨(dú)走線，不可和動(dòng)力線和大負(fù)載信號(hào)線在一起平行走線。
高電平（或大電流）的開關(guān)量的輸入輸出、CATV、線，以及其它繼電器輸入輸出信號(hào)，這類信號(hào)的抗*力又強(qiáng)于以上兩種，但這些信號(hào)會(huì)干擾別的信號(hào)，因此建議用雙絞線連接，也單獨(dú)走電纜管或電纜槽。
動(dòng)力線AC 220V、380V，以及大通斷能力的斷路器、開關(guān)信號(hào)線等，這些線的電纜選擇主要不是依抗*力，而是由電流負(fù)載和耐壓等級(jí)決定。
以上說明，同一類信號(hào)可能放在一條電纜管或槽中，相近種類信號(hào)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(hào)源同計(jì)算機(jī)在電氣上進(jìn)行隔離，這樣，會(huì)大大地減小共模干擾對(duì)計(jì)算機(jī)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(hào)的輸入端子與計(jì)算機(jī)部分*隔離（有的系統(tǒng)中采用隔離變壓器，或繼電器等方式隔離，對(duì)開關(guān)量則可以采用光電器件，或繼電器進(jìn)行隔離）。這樣，由于C和D之間地電位不同所產(chǎn)生的干擾信號(hào)形不成回路，抑制了干擾的危害。
④第四種隔離是供電系統(tǒng)的隔離
為了防止供電線路上引入共模高頻干擾信號(hào)，可以在供電線路上設(shè)隔離變壓器進(jìn)行干擾隔離，如圖3．4.11所示。
為了達(dá)到好的干擾抑制效果，有兩點(diǎn)必須注意：
·變壓器的屏蔽層要很好地接地；
·變壓器的次級(jí)線圈一定要用雙絞線。
（2）屏蔽
屏蔽就是用金屬導(dǎo)體，把被屏蔽的元件，組合件，線，信號(hào)線包圍起來。這種方法對(duì)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(hào)。
以上說的電氣屏蔽，但在很多場(chǎng)合下，信號(hào)除了受電噪聲干擾以外，主要還受到強(qiáng)交變磁場(chǎng)的影響，如電站，冶煉廠重型機(jī)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(dǎo)磁性能好的導(dǎo)體進(jìn)行屏蔽。
（3）絞線
用雙絞線代替兩根平行導(dǎo)線是抑制磁場(chǎng)干擾的有效辦法。原理如圖3．4．12所示：
圖3．4．12中，每個(gè)小絞紐環(huán)中會(huì)通過交變的磁通，而這些變化磁通會(huì)在周圍的導(dǎo)體中產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，它由電磁通感應(yīng)定律決定（如圖中導(dǎo)線中的箭頭所示）。從圖中可以看出，相鄰絞紐環(huán)中在同一導(dǎo)體上產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)方向相反，相互抵消，這對(duì)電磁干擾起到較好的抑制作用。
（4）雷擊保護(hù)
系統(tǒng)受雷擊干擾有兩種方式：架空電源線，信號(hào)線可能會(huì)遭受雷擊，另一種是信號(hào)電纜附近受到雷擊，通過分布電容和電感耦合到信號(hào)線，在信號(hào)線上產(chǎn)生一個(gè)很大的脈沖干擾，有時(shí)甚至?xí)龎脑O(shè)備，影響人員安全。針對(duì)不同的干擾原因，可以采用下面兩種措施防雷擊：
①對(duì)于耦合干擾，我們可用金屬電纜管或槽鋪設(shè)信號(hào)線，電纜管或金屬槽有很好的接地。
②對(duì)于架空信號(hào)線，則必須在計(jì)算機(jī)輸入端子處采取防雷措施，如裝避雷器，加壓敏電阻、較強(qiáng)的濾波電路等來抑制其干擾。
3、接地準(zhǔn)備
（l）接地的作用
接地的作用總的步說只有兩種：保護(hù)人和設(shè)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(hù)接地。
①保護(hù)接地
保護(hù)接地是將DCS中平時(shí)不帶電的金屬部分（機(jī)柜外殼，操作臺(tái)外殼等）與地之間形成良好的導(dǎo)電連接，以保護(hù)設(shè)備和人身安全。原因是DCS的供電是強(qiáng)電供電（220V或11OV），通常情況下機(jī)殼等是不帶電的，當(dāng)故障發(fā)生（如主機(jī)電源故障或其它故障）造成電源的供電火線與外殼等導(dǎo)電金屬部件短路時(shí)，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(huì)通過人身形成通路，產(chǎn)生危險(xiǎn)。因此，必須將金屬外殼和地之間作很好的連接，使機(jī)殼和地等電位。此外，保護(hù)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(yùn)行并保證測(cè)量和控制精度而設(shè)的接地。它分為機(jī)器邏輯地、信號(hào)回路接地、屏蔽接地，在石化和其它防爆系統(tǒng)中還有本安接地。
·機(jī)器邏輯地，也叫主機(jī)電源地，是計(jì)算機(jī)內(nèi)部的邏輯電平負(fù)端公共地，也是+5V等電源的輸出地。
·信號(hào)回路接地，如各變送器的負(fù)端接地，開關(guān)量信號(hào)的負(fù)端接地等。
·屏蔽接地（模人信號(hào)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(tǒng)具有本質(zhì)安全性質(zhì)的措施之一。本安接地會(huì)因?yàn)椴捎玫脑O(shè)備的本實(shí)措施不同而不同，下面以齊納式安全柵為例，說明其接地內(nèi)容，如圖3．413所示：該圖是一個(gè)齊納式安全柵的接地原理圖。
安全柵的作用是保護(hù)危險(xiǎn)現(xiàn)場(chǎng)端永遠(yuǎn)處于安全電源和安全電壓范圍之內(nèi)。如果現(xiàn)場(chǎng)端短路，則由于負(fù)載電阻和安全柵電阻R的限流作用，會(huì)將導(dǎo)線上的電流限制在安全范圍內(nèi)，使現(xiàn)場(chǎng)端不至于產(chǎn)生很高的溫度，引起燃燒。第二種情況，如果計(jì)算機(jī)一端產(chǎn)生故障，則高壓電信號(hào)加入了信號(hào)回路，則由于齊納二級(jí)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(hào)回路上的電阻增大了許多，因此，在設(shè)計(jì)輸出回路的負(fù)載能力時(shí)，除了要考慮真正的負(fù)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(chǎng)合下容易引起混亂的還有一個(gè)供電系統(tǒng)地，也叫交流電源工作地，它是電力系統(tǒng)中為了運(yùn)行需要設(shè)的接地（如中性點(diǎn)接地）。
（l）接地要求和方法：
上面介紹了六種接地：供電系統(tǒng)地、保護(hù)地、邏輯地、屏蔽地安全柵地、信號(hào)回路地。對(duì)這六種接地，各家有各家的要求，雖然大都強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)接地，接地電阻必須小于1歐姆等，但具體內(nèi)容上差別很大，下面給出幾個(gè)例子介紹常遇到的接地要求和方法。
①供電系統(tǒng)地：在很多企業(yè)，特別是電廠、冶煉廠等，其廠區(qū)內(nèi)有一個(gè)很大的地線網(wǎng)，而通常供電系統(tǒng)的地是與地線網(wǎng)連在一起的。有的廠家強(qiáng)調(diào)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的所有接地必須和供電系統(tǒng)地以及其它（如避雷地）嚴(yán)格分開，而且之間至少應(yīng)保持15m以上的距離。為了*防止供電系統(tǒng)地的影響，建議供電線線路用隔離變壓器隔開。這對(duì)那些電力負(fù)荷很重，而且負(fù)荷經(jīng)常啟停的單位是應(yīng)注意的。從抑制干擾的角度來看，將電力系統(tǒng)地和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的所有地分開是很有好處的，因?yàn)橐话汶娏ο到y(tǒng)的地線是不太干凈的。但從工程角度來看，在有些場(chǎng)合下單設(shè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)地并保證其與供電系統(tǒng)地隔開一定距離是很困難的，這時(shí)可以考慮能否將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的地和供電地共用一個(gè)，這要考慮幾個(gè)因素：
·供電系統(tǒng)地上是否干擾很大，如大電流設(shè)備啟停是否頻繁，對(duì)地產(chǎn)生的干擾是否大；
·供電系統(tǒng)地的接地電阻是否足夠小，而且整個(gè)地網(wǎng)各個(gè)部分的電位差是否很小，即地網(wǎng)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(hào)的抗*力，例如有無小信號(hào)（電偶，熱電阻）的直接傳輸?shù)取?br />
②所有計(jì)算機(jī)接線涉及到的接地采用一點(diǎn)接地方式，在這一點(diǎn)上，也有很多爭(zhēng)議。有的廠家系統(tǒng)提出幾個(gè)地：邏輯地、屏蔽地（又叫模擬地）、信號(hào)地、保護(hù)地分別自己接地在地上打接地裝置，而大部分系統(tǒng)則指出各種地在機(jī)柜內(nèi)部自己分別接地，匯于一點(diǎn)，然后用較粗的導(dǎo)體（銅）將各匯地點(diǎn)朕起來，接到一個(gè)公共的接地體上。這里有幾點(diǎn)需要注意：
DCS本身是由多臺(tái)設(shè)備組成的，除了控制站以外，還包括很多外設(shè)，而且數(shù)據(jù)也不止一臺(tái)，這就涉及到了多臺(tái)設(shè)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(dú)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(hù)接地：DCS的所有設(shè)備均有一個(gè)保護(hù)地，該保護(hù)一般在機(jī)柜和其它設(shè)備設(shè)計(jì)加工時(shí)就已在內(nèi)部接好，有的系統(tǒng)中已將該保護(hù)地在內(nèi)部同電源進(jìn)線的保護(hù)地（三芯插頭的中間頭）連在一起，有的不允許將保護(hù)地同該線相連，用戶一定要仔細(xì)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(tái)設(shè)備（控制站、操作員站等）上所有的外設(shè)或系統(tǒng)的CG連在一起，然后用較粗的絕緣銅導(dǎo)線將各站的CG連在一起，zui后從一點(diǎn)上與大地接地系統(tǒng)相連。還有一點(diǎn)值得提醒的是，DCS的所有外設(shè)必須從一條供電線上供電，而且一臺(tái)設(shè)備（如操作員站位所連接的所有外設(shè)和主機(jī)系統(tǒng)（CRT、打印機(jī)、拷貝機(jī)主機(jī)系統(tǒng)）的電源必須從設(shè)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(huì)燒壞接口甚至設(shè)備，對(duì)于不得不用長(zhǎng)線連接的場(chǎng)合，或用較粗導(dǎo)線提供供電，或采取通信隔離措施。
各站的CG在連接時(shí)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(nèi)的邏輯地必須位于一點(diǎn)PG，然后，粗絕緣導(dǎo)線以輻射狀接到一點(diǎn)上，然后接到大地接地線上。在有些系統(tǒng)中，所有的輸入，輸出均是隔離的，這樣其內(nèi)部邏輯地就是一個(gè)獨(dú)立的單元，與其它部分沒有電器連接，這種系統(tǒng)中往往不需要PG接地，而是保持內(nèi)部浮空。所以，用戶在設(shè)計(jì)和施工接地系統(tǒng)時(shí)，一定要仔細(xì)閱讀產(chǎn)品的技術(shù)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(tǒng)都提出AG一點(diǎn)接地，而且接地電阻小于IQ。 DCS設(shè)計(jì)和制造中，在機(jī)柜內(nèi)部都安置了AG匯流排或其它設(shè)施。用戶在接線時(shí)將屏蔽線分別接到AG匯流排上，在機(jī)柜底部，用絕緣的銅辮連到一點(diǎn)，然后將各機(jī)柜的匯流點(diǎn)再用絕緣的銅辮或銅條以輻射狀連到接地點(diǎn)。大多數(shù)的DCS要求，不僅各機(jī)柜AG對(duì)地電阻＜I歐姆，而且各機(jī)柜之間的電阻也要＜1歐姆。
·信號(hào)地的處理：原則上不允許各變送器和其它的傳感器在現(xiàn)場(chǎng)端接地，而都應(yīng)將其負(fù)端在計(jì)算機(jī)端子處一點(diǎn)接地。但在有些場(chǎng)合，現(xiàn)場(chǎng)端必須接地，這時(shí)，必須注意原信號(hào)的輸入端子（上雙端）不許和計(jì)算機(jī)的接地線有任何電氣連接，而計(jì)算機(jī)在處理這類信號(hào)時(shí)，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(gè)接地點(diǎn)：B，E，D，通常B和E兩點(diǎn)都在計(jì)算機(jī)這一側(cè)。可以連在一起，形成一點(diǎn)接地。而D點(diǎn)是變送器外殼在現(xiàn)場(chǎng)的接地，若現(xiàn)場(chǎng)和控制室兩接地點(diǎn)間有電位差存在，那么， D點(diǎn)和E點(diǎn)的電位就不同了。假設(shè)我們以E作為參考點(diǎn)，假定是D點(diǎn)出現(xiàn)10V的電勢(shì)，此時(shí)，A點(diǎn)和E點(diǎn)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(huì)被擊穿，因?yàn)锳和E間的電位差沒變，因而起不到保護(hù)作用。這時(shí)如果不小心現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)線碰到外殼上，就可能引起火花，可能會(huì)點(diǎn)燃周圍的可燃性氣體，這樣的系統(tǒng)也就不具備本安性能了。所以，在涉及到安全柵的接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)施時(shí)，一定要保證D點(diǎn)和B（E）點(diǎn)的電位近似相等。在具體實(shí)踐中可以用以下方法解決此問題：用一根較粗的導(dǎo)線將D點(diǎn)與B點(diǎn)連接起來，來保證D點(diǎn)與B點(diǎn)的電位比較接近。另一種就是利用統(tǒng)一的接地網(wǎng)，將它們分別接到接地網(wǎng)上，這樣，如果接地網(wǎng)的本身電阻很少，再用較好的連接，也能保證D點(diǎn)和B點(diǎn)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(fā)生沖突。
以上討論了幾種接地的方法和注意事項(xiàng)。在不同的系統(tǒng)中，對(duì)這幾種接地的組態(tài)要求不同，但大多數(shù)系統(tǒng)對(duì)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(yīng)＜4歐姆，<1歐姆，PG和CG的接地電阻應(yīng)小于4歐姆。
（3）接地方法
一般工控機(jī)系統(tǒng)（包括自動(dòng)化儀表）的接地系統(tǒng)，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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