DCS、PLC控制系統(tǒng)常被干擾的根本原因是什么

隨著DCS、PLC的廣泛應(yīng)用，儀表系統(tǒng)的接地已經(jīng)成為儀表工程設(shè)計(jì)的一個(gè)組成部分。儀表及控制系統(tǒng)的可靠性直接影響到生產(chǎn)裝置安全、穩(wěn)定的運(yùn)行，系統(tǒng)的抗干擾能力是關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。特別是采用分散控制系統(tǒng)，若不考慮和處理好現(xiàn)場(chǎng)電磁干擾和兼容問題，一方面要求生產(chǎn)制造單位提高系統(tǒng)抗干擾能力；另一方面，要求工程設(shè)計(jì)、安裝施工和使用維護(hù)單位引起高度重視。

1DCS、PLC控制系統(tǒng)接地的重要性

1）保護(hù)接地：保護(hù)設(shè)備和人身安全。2）工作接地：保證儀表精確、可靠地正常工作。（1）信號(hào)回路接地；分兩種類型：一是儀表、PLC、DCS、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等電子設(shè)備本身結(jié)構(gòu)造成的事實(shí)上的接地；一是為抑制干擾而設(shè)置接地。（2）屏蔽接地：抑制電容性耦合干擾，降低電磁干擾的部件的一種有效措施。

在儀表系統(tǒng)中要做屏蔽的接地的有：a、導(dǎo)線的屏蔽層、排擾線；b、儀表上的屏蔽接地端子；c 、未作保護(hù)接地而起屏蔽作用的金屬導(dǎo)線管、金屬匯線槽及金屬儀表外殼。（3）本安儀表系統(tǒng)接地。這種接地除了具有抑制干擾的作用外，還有使儀表具有本安性質(zhì)的措施之一。本安儀表系統(tǒng)的本安性能是借助于安全柵的隔離和能量限制作用，以保證進(jìn)入危險(xiǎn)的能量限制在安全定額以下，從而達(dá)到安全火花型的防爆性能。

2控制系統(tǒng)接地設(shè)計(jì)

控制室內(nèi)的儀表接地系統(tǒng)由接地線、接地匯流排、公用連接板、接地體等幾部分組成。

接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)遵守的原則、接地體的設(shè)置以及接地線等有關(guān)問題介紹如下：

1、工作接地的原則——單點(diǎn)接地

由于地電位差的存在，如果出現(xiàn)一個(gè)以上的接地點(diǎn)就會(huì)形成回路，使儀表引入干擾，所以同一信號(hào)回路、同一屏蔽層或排擾線只能有根據(jù)一個(gè)接地點(diǎn)，不能有一個(gè)以上的接地點(diǎn)，除了既定接地以外，其他部位應(yīng)與一切金屬構(gòu)件絕緣。

信號(hào)回路的接地位置根據(jù)儀表類型決定。有些信號(hào)回路，信號(hào)源和接收儀表的公共線都要接地，必須把兩個(gè)接地點(diǎn)作電氣隔離。儀表線路中常用隔離變壓器來實(shí)現(xiàn)。

2、接地體的設(shè)置

儀表接地系統(tǒng)的保護(hù)接地一般情況下宜和電力系統(tǒng)的接地體共用，不必單獨(dú)設(shè)置接地體。

儀表系統(tǒng)工作接地體的設(shè)置有三種處理方式：

單獨(dú)設(shè)置的儀表系統(tǒng)接地體

廠區(qū)電氣系統(tǒng)接地網(wǎng)

電氣系統(tǒng)在不同裝置或不同界區(qū)分設(shè)的接地分配器。

采取何種方式，應(yīng)根據(jù)具體情況決定。

下面幾種情況推薦單獨(dú)設(shè)置接地體：

需要單獨(dú)設(shè)置的本質(zhì)安全儀表系統(tǒng)；

需要單獨(dú)設(shè)置的DCS或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；

電氣系統(tǒng)接地網(wǎng)接地電阻不能滿足儀表系統(tǒng)接地要求時(shí)；

土壤電阻率高，接地電阻不能達(dá)到設(shè)計(jì)值的場(chǎng)所，例如砂地、巖石或干燥地區(qū)；

周圍環(huán)境存在嚴(yán)重的電磁干擾；

所選用的儀表對(duì)躁聲相當(dāng)敏感，抗干擾要求高，如電磁流量計(jì)等；

控制室與電力系統(tǒng)接地體距離較遠(yuǎn)，若共用接地體，會(huì)使接地線過長，給施工維護(hù)帶來不便；

單獨(dú)設(shè)置接地體較為經(jīng)濟(jì)合理時(shí)。

從抑制干擾的觀點(diǎn)，防止電力系統(tǒng)對(duì)儀表的干擾，把兩個(gè)系統(tǒng)的接地完全分開，各自設(shè)置接地體，對(duì)儀表的防干擾是有利的。但從工程觀點(diǎn)看，單獨(dú)設(shè)置接地體比共用接地體投資大，費(fèi)鋼材，占地面積大，安裝維護(hù)麻煩。一般，除上述特殊情況外，儀表接地系統(tǒng)可以和電力系統(tǒng)共用接地體而不必單獨(dú)設(shè)置。

實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，電氣專業(yè)往往把全廠的地下管道、地下結(jié)構(gòu)、接地體連接成一個(gè)統(tǒng)一的接地網(wǎng)，其接地電阻值可達(dá)到很小的一個(gè)值，這對(duì)抑制干擾是很有利的。在這種情況下要把儀表接地系統(tǒng)和電力接地系統(tǒng)完全分開，對(duì)于安裝和維護(hù)是件很麻煩的事，采取共用接地體比較方便。

儀表系統(tǒng)單獨(dú)設(shè)置接地體，也應(yīng)該把儀表系統(tǒng)的接地體和電力系統(tǒng)的接地體連接起來，以達(dá)到電位平衡的目的。

3、接地電阻

接地體或自然接地體的對(duì)地電阻和接地線電阻的總和稱為接地電阻。

儀表系統(tǒng)的保護(hù)接地電阻，一般為4Ω，最高不宜超過10Ω。當(dāng)設(shè)置有高靈敏度接地自動(dòng)報(bào)警裝置時(shí)，如漏電開關(guān)，接地電阻值可大于10Ω。

PLC主要用于開關(guān)量的檢測(cè)控制，它的輸入、輸出模塊大多具有光電隔離功能，因而接地要求相對(duì)比較低。用于模擬量檢測(cè)控制的DCS系統(tǒng)，接地要求相對(duì)比較高。

當(dāng)信號(hào)回路多點(diǎn)接地時(shí)，由于地點(diǎn)位的不同，會(huì)在信號(hào)傳輸中引起誤差。但也有一些信號(hào)回路不接地的浮動(dòng)工作地系統(tǒng)。

4、接地線的選擇和連接

儀表系統(tǒng)的接地連線應(yīng)使用多股銅芯絕緣電線或電纜，不允許再用裸導(dǎo)線或鋼材，這對(duì)保證接地系統(tǒng)的質(zhì)量，提高接地連線的連續(xù)性和可靠性有較大的好處。

儀表系統(tǒng)的接地連線，除可引向單獨(dú)設(shè)置的儀表系統(tǒng)接地體、廠區(qū)電氣系統(tǒng)接地網(wǎng)以外，還可以引向電氣系統(tǒng)在不同裝置或不同界區(qū)分設(shè)的接地分配器。

（1）保護(hù)接地的接地線

接地支線、接地分干線和接地總干線的截面數(shù)值選擇。

（2）工作接地的接地線

儀表盤、儀表柜、控制柜上需要接地的儀表，應(yīng)連接到接地端子或接地匯流排。接地匯流排宜采用25mm×6mm的銅條，應(yīng)設(shè)置絕緣支撐。

儀表盤、儀表柜、控制柜內(nèi)的接地端子或匯流排，經(jīng)各自的接地分干線至接地連接板，再由接地總干線與接地體連接。各匯流排、分干線應(yīng)彼此絕緣。接地連接板應(yīng)采用銅板制作，且采用絕緣支架固定。接地支線的連接、接地分干線的連接、接地總干線與接地連接板的連接，應(yīng)設(shè)置銅制接線片，并采用銅制緊固件固定。各類接地連線中嚴(yán)禁接入開關(guān)或熔斷器。

當(dāng)儀表盤內(nèi)同時(shí)有保護(hù)接地和工作接地時(shí)，應(yīng)分別設(shè)置供這兩類接地的專用匯流排或端子板。各臺(tái)儀表的保護(hù)接地、工作接地分別接至相應(yīng)的接地匯流排或端子板。盤內(nèi)的這兩類接地匯流排或端子板經(jīng)各自的分干線引至各自的公用接地板或接地總干線。這兩類接地匯流排、分干線、總干線應(yīng)彼此絕緣。

當(dāng)儀表系統(tǒng)和電力系統(tǒng)共用接地體時(shí)，兩個(gè)系統(tǒng)的接地匯流排分干線、總干線應(yīng)彼此絕緣。它們只能在接地體處或公用連接板處作相互連接，絕對(duì)不能在這點(diǎn)之前相連接，否則會(huì)引入干擾。接地線用色澤標(biāo)記。在一根接地線上嚴(yán)禁串接多個(gè)需要接地的儀表或裝置，因?yàn)檫@種做法不安全，一個(gè)接頭的中斷會(huì)引起多臺(tái)儀表脫開接地點(diǎn)。

接地線的連接必須牢靠。接地支線與儀表和接地匯流排的連接為螺栓連接；接地分干線與接地匯流排和公用連接板的連接用焊接或螺栓連接；接地分干線、接地總干線與接地體的連接為焊接。螺栓連接時(shí)應(yīng)裝配防松零件。

3DCS控制系統(tǒng)接地

DCS合理、可靠的系統(tǒng)接地，是DCS系統(tǒng)非常重要的內(nèi)容。為了保證DCS系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)控制精度和安全、可靠運(yùn)行，必須對(duì)系統(tǒng)接地方式、接地要求、信號(hào)屏蔽、接地線截面選擇、接地極布置等方面，進(jìn)行認(rèn)真統(tǒng)籌考慮。

DCS接地基本要求

DCS系統(tǒng)接地是為了保證當(dāng)進(jìn)入DCS系統(tǒng)的信號(hào)、供電電源或DCS系統(tǒng)設(shè)備本身出現(xiàn)問題時(shí)，有效的接地系統(tǒng)能承受過載電流并可以迅速將過載電流導(dǎo)入大地。接地系統(tǒng)能夠?yàn)镈CS提供屏蔽層，消除電子噪聲干擾，并為整個(gè)控制系統(tǒng)提供公共信號(hào)參考點(diǎn)（即參考零電位）。當(dāng)接地系統(tǒng)發(fā)生問題時(shí)(接地電阻過大，多點(diǎn)接地，接地線斷線或接地線與高電壓、大電流設(shè)備相接觸等)，會(huì)造成人員的觸電傷害及設(shè)備的損壞，據(jù)了解，有些DCS系統(tǒng)經(jīng)?！八罊C(jī)” (或不明原因的“死機(jī)”)，大多是因?yàn)榻拥叵到y(tǒng)不良或存在問題所引起的。因此，完善、可靠、正確的接地，是DCS系統(tǒng)能夠安全、可靠和良好運(yùn)行的關(guān)鍵。

DCS接地分類

在一般情況下，DCS控制系統(tǒng)需要兩種接地：保護(hù)地和工作地（邏輯地、屏蔽地等）。對(duì)于裝有安全柵防爆措施的系統(tǒng)如化工行業(yè)所用的系統(tǒng)，還要求有本安地。

保護(hù)地：（CG，CabinetGrounding）是為了防止設(shè)備外殼的靜電荷積累、避免造成人身傷害而采取的保護(hù)措施。DCS系統(tǒng)所有的操作員機(jī)柜、現(xiàn)場(chǎng)控制站機(jī)柜、打印機(jī)、端子柜等均應(yīng)接保護(hù)地。保護(hù)地應(yīng)接至廠區(qū)電氣專業(yè)接地網(wǎng)，接地電阻小于4Ω。

邏輯地：也叫機(jī)器邏輯地、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等的電源輸出地。如CPU的正負(fù)5伏、正負(fù)12伏的負(fù)端。需要接入公共接地極。

屏蔽地：（AG，AnalogGrounding）也叫模擬地，它可以把現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)傳輸時(shí)所受到的干擾屏蔽掉，以提高信號(hào)精度。DCS系統(tǒng)中信號(hào)電纜的屏蔽層應(yīng)做屏蔽接地。線纜屏蔽層必須一端接地，防止形成閉合回路干擾。鎧裝電纜的金屬鎧不應(yīng)作為屏蔽保護(hù)接地，必須是銅絲網(wǎng)或鍍鋁屏蔽層接地。接入公共接地極。

本安地：應(yīng)獨(dú)立設(shè)置接地系統(tǒng)，接地電阻≤4Ω。本安地的接地系統(tǒng)應(yīng)保持獨(dú)立，與廠區(qū)電氣地網(wǎng)或其它儀表系統(tǒng)接地網(wǎng)的距離應(yīng)在5m以上。

DCS對(duì)公共接地極（網(wǎng)）的要求

當(dāng)廠區(qū)電氣接地網(wǎng)對(duì)地分布電阻≤4Ω時(shí)，可將廠區(qū)電氣接地網(wǎng)當(dāng)著DCS系統(tǒng)的公共接地極（網(wǎng)）。

當(dāng)廠區(qū)電氣接地網(wǎng)接地電阻較大或雜亂時(shí)，應(yīng)獨(dú)立設(shè)置接地系統(tǒng)，即為DCS系統(tǒng)的公共接地極（網(wǎng)）。

沒有本安地接入的公共接地極（網(wǎng)）的對(duì)地分布電阻小于4歐姆；有本安地的小于1歐姆。接地總干線的線路阻抗小于0.1歐姆。

接地極周圍15米內(nèi)無避雷地的接入點(diǎn)，8米內(nèi)無30KW以上的高低壓用電設(shè)備外殼的接入點(diǎn)。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)無法滿足該條件時(shí)，防雷保護(hù)地通過避雷器/沖擊波抑制器與公共接地極的主干線相連。電焊地切勿與公共接地極及其接地網(wǎng)搭接在一起，二者應(yīng)距離10米以上。

DCS系統(tǒng)接地原則

DCS系統(tǒng)設(shè)置的接地裝置

操作臺(tái)、打印臺(tái)、服務(wù)器柜：設(shè)有保護(hù)地螺釘。

繼電器柜、UPS柜、配電柜：設(shè)有保護(hù)地螺釘。

DCS的I/O機(jī)柜：設(shè)有屏蔽接地匯流排，保護(hù)地螺釘。系統(tǒng)地(+24V地)懸浮。

儀表柜、手操盤臺(tái)：設(shè)有屏蔽地接地匯流排，保護(hù)地螺釘。

安全柵柜：設(shè)有屏蔽地接地匯流排，本安地接地匯流排，保護(hù)地螺釘。

信號(hào)屏蔽及其接地

根據(jù)有關(guān)技術(shù)規(guī)定要求，計(jì)算機(jī)或DCS系統(tǒng)信號(hào)電纜的屏蔽層不得浮空，必須接地，其接地方式應(yīng)符合下列規(guī)定：

當(dāng)信號(hào)源浮空時(shí)，屏蔽層應(yīng)在計(jì)算機(jī)側(cè)接地；

當(dāng)信號(hào)源接地時(shí)，屏蔽層應(yīng)在信號(hào)源側(cè)接地；

當(dāng)放大器浮空時(shí)，屏蔽層的一端與屏蔽罩相連，另一端宜接共模地(當(dāng)信號(hào)源接地時(shí)，接信號(hào)地。當(dāng)信號(hào)源浮空時(shí)接現(xiàn)場(chǎng)地)。

當(dāng)屏蔽電纜途經(jīng)接線盒分?jǐn)嗷蚝喜r(shí)，應(yīng)在接線盒內(nèi)將其兩端電纜的屏蔽層連接。

DCS系統(tǒng)接地方式

利用電氣接地網(wǎng)作為DCS接地網(wǎng)，即與電氣接地網(wǎng)共地；

設(shè)DCS系統(tǒng)專用獨(dú)立的接地網(wǎng)；

設(shè)DCS專用接地網(wǎng)，經(jīng)接地線、再接至電氣接地網(wǎng)；由于第三種接地方式與第二種接地方式有較多相同處，過去，計(jì)算機(jī)或DCS系統(tǒng)曾經(jīng)較多的采用過專用的接地網(wǎng)。但這種接地方式存在的缺點(diǎn)是：占地面積太大，投資高，電纜及接地網(wǎng)鋼材耗量大，距廠房有相當(dāng)?shù)木嚯x(因不易在廠房內(nèi)找到合適的位置)，管理、維護(hù)、測(cè)量及查找接地極和接地線不方便，且效果不甚良好。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行表明，設(shè)置專用的DCS接地網(wǎng)是既困難又不安全的。

4PLC控制系統(tǒng)接地

一般要求

①系統(tǒng)接地必須良好，對(duì)于PLC控制系統(tǒng)，接地電阻應(yīng)小于4Q。 ②接地線必須有足夠大的線徑，獨(dú)立安裝的PLC基本單元，應(yīng)使用截面積在2.5nim2以上的黃／綠線與系統(tǒng)保護(hù)接地線(PE)連接。③模塊化結(jié)構(gòu)的PLC，各模塊與機(jī)架間一般可以通過模塊本身的接地連接端，使得各模塊與嘰架間保持良好的接地，但機(jī)架與系統(tǒng)保護(hù)地之間應(yīng)保證接地良好，應(yīng)使用截面積在2.5mm2以上的黃／綠線與系統(tǒng)保護(hù)接地線(PE)連接。

④系統(tǒng)中的其他控制裝置（如驅(qū)動(dòng)器、變頻器等）的接地必須同樣符合規(guī)范，并獨(dú)立接地。 ⑤系統(tǒng)中的各類屏蔽電纜的屏蔽層、金屬軟管、走線槽（管）、分線盒等均必須保證接地良好。

不同接地的處理

在PLC系統(tǒng)中，主要有以下幾種與接地有關(guān)的常用“地”，需要根據(jù)不同的情況進(jìn)行分別處理。

（1）數(shù)字信號(hào)地

數(shù)字信號(hào)地是指系統(tǒng)中各種開關(guān)量（數(shù)字量）的OV端，如接近開關(guān)的OV線、PLC輸入的公共OV、晶體管輸出的公共OV等。

數(shù)字信號(hào)地在PLC控制系統(tǒng)中，原則上只需要按照PLC規(guī)定的輸入／輸出連接方式進(jìn)行連接即可，無須另外考慮專門的地線，也不需要與PE線進(jìn)行連接。

（2）模擬信號(hào)地

模擬信號(hào)地是指系統(tǒng)中各類模擬量的OV端，如用于驅(qū)動(dòng)器（變頻器）的速度給定電壓輸出、測(cè)速反饋輸入、傳感器輸入等。

模擬信號(hào)通常采用差動(dòng)輸出／輸入，各信號(hào)間的OV各自獨(dú)立，因此，模擬信號(hào)地一般不允許進(jìn)行相互間的連接，也不允許與系統(tǒng)的PE線進(jìn)行連接。

用于模擬量輸入／輸出的連接線，原則上應(yīng)使用帶有屏蔽的“雙絞”電纜，屏蔽電纜的屏蔽層必須根據(jù)不同的要求與系統(tǒng)的PE線連接。

（3）保護(hù)地

保護(hù)地是指系統(tǒng)中各控制裝置、用電設(shè)備的外殼接地，如電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)器的保護(hù)接地等。這些保護(hù)地必須直接與電柜內(nèi)的接地母線（PE母線）連接，不允許控制裝置、用電設(shè)備的PE線進(jìn)行“互連”。

（4）直流電源地

系統(tǒng)直流電源地是指除PLC內(nèi)部電源以外的外部直流電源的OV端（PLC內(nèi)部直流電源的OV端，一般與PLC的數(shù)字信號(hào)地共用）?？梢苑忠韵聨追N情況進(jìn)行處理：①當(dāng)PLC輸入／輸出直流電源分離時(shí)，用于PLC輸入的直流電源的OV，必須按本章7.3節(jié)“I/O接口設(shè)計(jì)”部分的要求，與PLC的OV公共線進(jìn)行連接。用于PLC輸出的直流電源，根據(jù)需要，可以不與PLC的OV公共端連接或與PLC的OV公共端連接。②當(dāng)PLC輸入／輸出直流電源共用時(shí)，直流電源的OV必須與PLC的OV公共線連接。用于PLC輸入／輸出的直流電源OV與系統(tǒng)接地(PE)線之間，根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際需要，可以連接也可以不連接。③單獨(dú)用于PLC系統(tǒng)執(zhí)行元件的直流電源OV，原則上不與PLC的OV連接，但一般需要與系統(tǒng)的接地(PE)線進(jìn)行連接。

（5）交流電源地

交流電源地是指系統(tǒng)中使用的交流電源的OV端（或N線），如220V控制回路的OV端、交流照明電路、交流指示燈的OV端等。

在交流控制回路使用隔離變壓器時(shí)，出于“電擊防護(hù)”等方面的考慮，為了讓變壓器起到“隔離”作用，原則上不應(yīng)將交流電源的OV端與系統(tǒng)接地(PE)線相連。

從抗干擾的角度考慮，控制系統(tǒng)的PE線原則上也不應(yīng)與電網(wǎng)的N線相連。但在某些進(jìn)口機(jī)床上，也有使用特殊的“短接端”，將交流電源的OV端、N線、接地(PE)線進(jìn)行相互連接的情況。