是否还在为DCS接地问题而困扰？

舞长安

接地问题是在DCS应用中，最让大家不清楚的，又是必须理解一个问题。不仅现场维护人员不清楚，就有的代理商的有些人都未必清楚的解释出来这是怎么一回事，原因是因为大多数学自动化控制和PC的人在学校学自动控制原理或PC原理时是不学习接地问题这一块的内容的，而工业控制PC又涉及到除了PC本身之外还有很多各种类型的信号，直接与PC I/O接口相连，这些信号有开关量、模拟量。有的系统中还有交流信号直接通过互感器而接到PC的交流信号，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。而这些要求差别较大，有的也很苛刻，有的也相对宽松一些。这就更使现场维护人员混乱了。不仅厂家提的接地要求不一致，而且各教科书和设计手册中对接地的解释也不统一。为了让现场施工人员和维护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
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、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）
①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。
②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。
③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。
④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，则可能会有较大的电位差eN ，这个电位差可能会在A、B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
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。
（1）隔离               

①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；
②将不同种类的信号线隔离铺设（在不同一电缆槽中，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（AI、AO，特别是低电平的AI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，可与其它信号在同一电缆管（或槽）中布线。
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。此类信号也要单独布线，不可和动力线和大负载信号线在一起平行布线。
高电平（或大电流）的DI、DO、CATV、电话线，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AC220V、AC380V，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布线，则一定要用金属隔板将它们隔开。（国家、行业标准也对布线做出了相关的要求）
③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，如图示。

图中表示用隔离放大器将信号的输入端子与计算机部分完全隔离（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。

④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。原理如图示：

图中，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。

舞长安

（4）雷击保护
系统受雷击干扰有两种方式：架空电源线，信号线可能会遭受雷击，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：
①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。
②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。

3、接地
（l）接地的作用
接地的作用总的来说有两种：

保护人和设备不受损害；抑制干扰。

抑制干扰接地在有的书中叫工作接地，而前者叫保护接地。
①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，以保护设备和人身生命安全。

原因是DCS的供电是强电供电（AC220V或11OV），通常情况下机壳等设备是不带电的，当故障发生（eg: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，那么就会通过人体形成通路，队人身生命安全产生危害。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。
②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置的一种接地。

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（模人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。

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。
必须注意：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。

舞长安

除了以上几种接地之外，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要设的接地(如中性点接地）。
（l）接地要求和方法：
以上介绍了：供电系统接地、保护接地、逻辑接地、屏蔽接地、本安接地、信号回路接地。对这六种接地，各家有各家的要求，虽大都强调一点接地，接地电阻必须小于1Ω等，但具体内容上出入还是很大，下面结合例子介绍现场经常遇到的接地要求和方法。
①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。有的厂家明确要求PC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。这对于电力负荷很重，且负荷经常启停的厂区是必须注意的。从抑制干扰的角度来看，将电力系统接地和PC系统的所有接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，在有些区域下单设PC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PC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（<1Ω）；
DCS的抗干扰能力以及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。
②所有计算机接线涉及到的接地采用一点接地方式，在这一点上，也有很多争议。
有的厂家提出几个地：逻辑地、屏蔽地（又叫模拟地）、信号地、保护地分别接地，在地上打接地装置。而大部分厂家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。

这里有几点值得注意：
DCS本身是由多台设备组成，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。

保护接地：DCS的所有设备均有一个保护地，该保护一般在机柜和其它设备设计加工时就已在内部接好，有的系统中已将该保护地在内部同电源进线的保护地（三芯插头的中间头)连在一起，有的不允许将保护地同该线相连，用户一定要仔细阅读厂家提供的接地安装说明书，不管哪种方式，CG必须将一台设备（控制站、操作员站等）上所有的外设或系统的CG连在一起，然后用较粗的绝缘铜导线将各站的CG连在一起，最后从一点上与大地接地系统相连。还有一点值得注意的是，DCS的所有外设必须从一条供电线上供电，而且一台设备（如操作员站位所连接的所有外设和主机系统（CRT、打印机）的电源必须从设备的供电分配器上取电，而不允许从其它地方取电，否则可能会烧坏接口甚至设备，对于不得不用长线连接的场合，或用较粗导线提供供电，或采取通信隔离措施。
各站的CG在连接时可以采用幅射连接法，也可以采用串行接法。电源逻辑地（P）如图5(3.4.14)所示。首先，各站内的逻辑地必须位于一点PG，然后，粗绝缘导线以辐射状接到一点上，然后接到大地接地线上。在有些系统中，所有的输入，输出均是隔离的，这样其内部逻辑地就是一个独立的单元，与其它部分没有电器连接，这种系统中往往不需要PG接地，而是保持内部浮空。所以，用户在设计和施工接地系统时，一定要仔细阅读产品的技术要求和接地要求。
模拟地（AG），模拟地（又叫屏蔽地）是所有的接地中要求最高的一种。几乎所有的系统都提出AG一点接地，而且接地电阻小于1Ω。DCS设计和制造中，在机柜内部都安置了AG汇流排或其它设施。用户在接线时将屏蔽线分别接到AG汇流排上，在机柜底部，用绝缘的铜辫连到一点，然后将各机柜的汇流点再用绝缘的铜辫或铜条以辐射状连到接地点。大多数的DCS要求，不仅各机柜AG对地电阻＜1欧姆，而且各机柜之间的电阻也要＜1Ω。
信号地的处理：原则上不允许各变送器和其它的传感器在现场端接地，而都应将其负端在计算机端子处一点接地。但在有些场合，现场端必须接地，这时，必须注意原信号的输入端子（上双端）绝对不许和计算机的接地线有任何电气连接，而计算机在处理这类信号时，必须在前端采用有效的隔离措施。
安全栅的接地：看图4(3.4.13)所示的安全栅线路图。从图中可以看出有三个接地点：B，E，D，通常B和E两点都在计算机这一侧。可以连在一起，形成一点接地。而D点是变送器外壳在现场的接地，若现场和控制室两接地点间有电位差存在，那么，D点和E点的电位就不同。假设我们以E作为参考点，假定是D点出现10V的电势，此时，A点和E点的电位仍为24V，那么A和D间就可能有34V的电位差了，己超过安全极限电位差，但齐纳管不会被击穿，因为A和E间的电位差没变，因而起不到保护作用。这时如果不小心现场的信号线碰到外壳上，就可能引起火花，可能会点燃周围的可燃性气体，这样的系统也就不具备本安性能了。所以，在涉及到安全栅的接地系统设计与实施时，一定要保证D点和B（E）点的电位近似相等。在具体实践中可以用以下方法解决此问题：用一根较粗的导线将D点与B点连接起来，来保证D点与B点的电位比较接近。另一种就是利用统一的接地网，将它们分别接到接地网上，这样，如果接地网的本身电阻很少，再用较好的连接，也能保证D点和B点的电位近似相等。但注意，此接地一定不要与上面几种接地发生冲突。
以上的几种接地的方法和注意事项在不同的系统中，对这几种接地的要求不同，但大多数系统对AG的接地电阻一般要求＜1Ω，而安全栅的接地电阻应＜4Ω，最好＜1Ω，PG和CG的接地电阻应＜4Ω。

舞长安

（3）接地组成
一般工控机系统（包括自动化仪表）的接地系统，由接地线接地汇流排、公用连接板、接地体等几部分组成。

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感谢楼主分享，学习了

qixinhai

讲的很好，我们现场经常出现干扰问题，让人头疼