接地系统设计方案

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1、接地系统的准备在 DCS 应用中，最让人不清楚的，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

2、到计算机的交流信号采样， 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、

3、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） 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. 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。 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。 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

4、有较大的电位差 eN ，这个电位 差可能会在AB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

5、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 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； 将不同种类的信号线隔离铺设（在不同一电缆槽中，

6、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（模入、模出，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，但建议最好采用屏蔽双绞线（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 、电话

7、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。 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

8、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，电话线,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。最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,

9、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

10、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： 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。 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。以上我们介绍了常见的干扰原因和抑制措施.石油化工自动设计手册中 （ 参见参考文献 ） 对仪 表的抗干扰措施有较详细的介绍，读者可以参考。3、接地准备（l）接地的作用接地的作用总的来说只有两种:1.保护人和设备不

11、受损害【保护接地】 2.抑制干扰接地【工作接地】 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110V）,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。

12、 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（模拟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 34。13 所示：该图是一个齐纳式安全栅的接

13、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

14、要设的接地（如中性点接地）。（1）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。 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

15、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。 所有计算机接线涉

16、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3414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