DCS系統接地的探討

張 健

(大唐石門發電有限責任公司控制部，湖南 石門 415300)

1 存在的問題

現代火電企業采用DCS控制系統已較為普遍。由于現場環境復雜多樣，造成DCS控制系統在運行中產生一些難以預計的故障現象，而影響安全生產。其中DCS控制系統接地方式不當，是影響系統正常運行的重要原因之一，輕者可能造成測量信號不準，嚴重時將燒壞模件，甚至影響DCS系統的安全和人員安全。筆者所在企業脫硫DCS系統中，就發生過接地不當引起設備故障的問題。

(1)在對DCS系統接地要求的理解上，存在著混亂的現象。DCS的接地原則是：“獨立引出，一點接地”。該原則的目的是為DCS系統有一個統一的等電位。

(2)所有DCS制造商出于對DCS設備本身的考慮，提出了獨立接地的要求，設計者為滿足DCS設備要求，采用獨立接地，通常忽視其他接地網的存在和影響。由于火電企業建筑物的金屬構件和管線等，使得各接地系統很難真正獨立。發生故障時，工廠其他電氣接地網和DCS接地網之間可能產生巨大電位差，可能使大批電氣設備或DCS設備受到損害。鑒于以上狀況，DCS系統采用獨立的接地網并非是最好的處理方式。對DCS系統的接地，有必要進行綜合分析，選擇合適的接地網。

2 DCS系統相關接地的分析

DCS系統包括：主機箱、操作站(工程師操作站和操作員操作站)、輸入輸出卡、輸入輸出端子板、信號線和現場儀表等。主機箱、操作站、輸入、輸出模件柜、安全柵柜等設安全地、交流工作地、邏輯地；DCS傳輸的直流信號需要直流工作地和電纜屏蔽接地；由于火電企業的特殊性，一般廠內都會安裝避雷裝置，還有避雷地。因此，與DCS系統運行相關的地有：安全保護地、交流工作地、直流工作地、安全柵地、屏蔽接地和避雷地。

2.1 安全保護地

安全保護地即電器設備和電子學設備的金屬機箱接地，當出現漏電時，漏電流被保護地旁路。其目的是防止因DCS設備漏電，機殼對地電位升高對人身和設備安全造成威脅。為了防止設備外殼的靜電荷積累。儀表盤、儀表柜、儀表箱、PLC及DCS機柜、操作站及輔助設備、供電盤、供電箱、接線盒、電纜槽、電纜托盤、穿線管、鎧裝電纜的鎧裝護層等均應接保護地。保護地應接至廠區電氣專業接地網，

2.2 交流工作地

交流工作地是DCS系統所使用的交流電源設備的N線接地。為防止變壓器線圈擊穿而使變壓器次級帶上危險的高壓，在供電系統的源端(電力變壓器次級)處將中線接到大地電極。為減少于擾，防止不穩定電位的侵入，現在的配電系統中N線與安全保護地線是分開的，即采用HN—S配電方法。

2.3 直流工作地

直流工作地也可以成為邏輯地。DCS系統的直流電源地線即DCS數字電路地和信號線的接地。它是接至DCS的外部接口模塊通路的負極和所有邏輯電路地的等電位參考點。地線干擾和地線電位變化不僅影響CPU正常工作，而且會使模擬量和開關量的輸入與輸出產生誤差，特別是一些專用設備送至DCS系統的模擬量，常常因為直流工作地的電位不一致，而造成信號不準或信號亂變。DCS系統直流工作地包含其本身的直流地和外部接口及輸人輸出信號的直流地兩部分。DCS本身的直流地一般稱為系統地，外部接口及輸入輸出信號的直流地分為現場端信號接地和計算機端接地。DCS系統的接地原則是“單獨引出，一點接地”，DCS系統接地要求單獨引出，是為了將各類接地進行隔離，實行單獨處理，減少各類接地問的共模干擾。DCS系統要求進行一點接地，這是考慮到如果兩點或多點接地，就會形成地回路，產生地回路噪聲。這樣就會對測量信號造成一定的影響。所以DCS的系統地和外部接口及輸入輸出信號的現場端信號接地和計算機端信號接地必須各自集于一點后，再接人接地網。在實際應用中，由于現場儀表相對分散，把現場儀表的信號地線集中于一點接地，工程浩大。而且，系統或信號進行接地處理的目的，是讓各自電路有一個統一的等電位參考點。由于DCS系統傳遞的是差模信號，現場儀表的電路地與DCS系統的電路地通過信號線實現了很好的等電位連接；現場儀表的電子部分與機械部分及地是隔離的，在計算機端，一般系統地與機箱也是隔離的；傳輸線用屏蔽電纜，防止電磁輻射的干擾。所以，對系統地和信號地也可采用懸空地(即系統地和信號線低端不接地)。系統地和信號地采用懸空地的方法。

2.4 屏蔽接地

屏蔽接地是指電氣裝置為防止其內部或外部電磁感應或靜電感應的干擾而對屏蔽體進行的接地。如某些電氣設備的金屬外殼、電子設備的屏蔽罩或屏蔽線纜的接地。對一般工廠DCS系統的屏蔽接地主要是信號傳輸線路線纜屏蔽層的接地。根據有關技術規定要求，計算機或DCS系統信號電纜的屏蔽層不得懸空，必須接地，其接地方式應符合下列規定：當信號源懸空時，屏蔽層應在計算機側接地；當信號源接地時，屏蔽層應在信號源側接地；當放大器懸空時，屏蔽層的一端與屏蔽罩相連，另一端宜接共模地(當信號源接地時，接信號地。當信號源懸空時接現場地)。當屏蔽電纜途經接線盒分斷或合并時，應在接線盒內將其兩端電纜的屏蔽層連接。DCS系統信號電纜的選擇與敷設，應嚴格按照有關規定執行。屏蔽電纜的屏蔽層應按以上要求進行接地。為了提高DCS系統的抗干擾能力，DCS系統開關量輸Ⅳ輸出信號，選用阻燃型對絞銅網屏蔽計算機電纜。

2.5 避雷地

避雷接地旨在安全分散易被設備金屬外殼和電氣系統接收的放電電荷，保護人和設備免遭雷擊，同時也抑制雷擊對系統的干擾，保證系統在閃電閃擊過程中正常運行。應在工廠主要裝置和主要建筑的頂部安裝避雷裝置。各避雷針與接地電極相連，接地電極的電阻小于0.1 Q。

3 DCS系統接地和等電位聯結

3.1 DCS系統接地極的建立

目前，供電系統普遍采用三相五線制(HN—S制)配電方法，中線N和保護地PE是各自獨立相互絕緣的導體，只是在供電系統的源端(電力變壓器次級)處才接在一起，并接到大地電極。因為保護地與中線完全獨立，在正常工作狀態下，保護地線不會帶任何電流，十分“干凈”。DCS系統主要適用220 V交流電源，沒有高電壓或強電流設備，這樣采用供電系統的保護地、DCS系統的保護地及工作地共用一個接地網。避雷地通過避雷器／沖擊波抑制器與公用接地網的主干線相連。公用接地極建在中控室地下，接地體為釘入地下的良導體，由接地總干線傳來的電流通過接地體導人大地。接地體與接地總干線之間采用銅焊，焊接后做防腐處理。用接地網干線把多個接地體連接成網，接地網應滿足DCS系統接地電阻的要求。接地網干線與接地體采用搭接焊，其搭接長度必須為扁鋼寬度的2倍或圓鋼直徑的6倍。圖l為接地體安裝圖。圖1接地體安裝圖為保證接地電阻達到系統要求，改變接地體周圍的土壤結構。在接地體周圍的土壤2～3 m范圍內，摻人不容于水的、有良好吸水性的物質，如木炭、焦碳煤渣或礦渣等，該法可使土壤電阻率降低到原來的I／5～1／10。完成后，接地網與大地間電阻可滿足對接地電阻的要求。DCS系統接地要求：模擬接地65 Q，屏蔽接地≤10 Q，保護接地≤100 Q。

3.2 DCS系統等電位連接

DCS所在建筑物的強電系統和各種弱電系統應采用共用接地系統，并于中控室(DCS所在房間)作等電位連接。在實施等電位連接時，要嚴格區分不同性質的地，做到不混接。在處理信號時把電阻、24V直流電壓、20 MA直流電流信號、開關量信號分開處理，以防止不同信號間的干擾。計算機的輸入輸出信號電纜敷設在帶蓋的電纜槽中，電纜槽道及蓋板保證良好接地。單根信號電纜穿鋼管或金屬軟管敷設，電纜管要保證良好接地。電纜屏蔽層宜選用銅帶屏蔽或鋁箔屏蔽。屏蔽層接地的原則為一端接地，屏蔽層接地有兩種方式：

(1)傳輸模擬信號、脈沖頻率信號時，若信號源沒有接地，屏蔽電纜在控制室一側接地。

(2)信號源接地如熱電偶、pH計電極等本身接地時，屏蔽電纜在現場信號源一側接地。

在控制室內，工作接地匯總板和保護接地匯總板各自分別由兩條單獨的接地干線接到總接地板上，總接地板經接地總干線接到接地極。在每個DCS機柜里，有兩條接地匯流條，一條是供DCS系統用的屏蔽接地，另一條供保護接地用，兩路接地分別接到工作接地匯總板和保護接地匯總板。DCS機柜需要采用絕緣墊片與基礎槽鋼絕緣使機柜懸空。

圖1 為接線柜接線圖

3.3 DCS 系統接地要求

(1)系統的接地銅板到大地的接地電阻＜1Ω最佳，不得大于2.5Ω

(2)接地總干線的線路阻抗小于0.1Ω

(3)各機柜與機房的金屬槽鋼必須絕緣，最低不能低于2MΩ

(4)工程師站、操作員站采用3*2.5mm電源電纜在電源柜內接地

(5)接地極周圍15米內無避雷地的接入點

4 DCS系統接地方式

4.1 利用電氣接地網作為DCS接地網，即與電氣接地網共地

4.2 設DCS系統專用獨立的接地網

4.3 設DCS專用接地網，經接地線、再接至電氣接地網

由于第三種接地方式與第二種接地方式有較多相同處，根據統計，以往計算機或DCS系統曾經較多的采用過專用的接地網，但這種接地方式存在的缺點是：占地面積太大，投資高，電纜及接地網鋼材耗量大，距廠房有相當的距離(因不易在廠房內找到合適的位置)，管理、維護、測量及查找接地極和接地線不方便，且效果不甚良好。

4.4 遠程I/O柜接地方式

分散布置DCS系統現場控制站分散到現場，而操作員站位于不同的控制室，分散直徑在500米的范圍內，各站點間使用多模光纖或5類雙絞線或DP屏蔽雙絞線等連接。使用光纖連接的站點，各站點內的接地方法同集中布置的DCS設備；使用5類雙絞線或DP屏蔽雙絞線連接的站點：控制室的各類地線先連接到公共連接板，公共連接板通過接地總干線與公共接地極相連。從公共接地極看過去，整個接地網絡是一個星型結構。使用5類雙絞線或DP屏蔽雙絞線兩頭通過網絡浪涌保護設備 (信號避雷器、通流量不小于5KA)與DCS的SWITCH、HUB、REPEAT、或其他網絡設備相連。兩邊的站點有各自的公共接地極，二者不必有金屬連接，各站點的接地方法同集中布置的DCS設備。5類雙絞線或DP屏蔽雙絞線必須穿鍍鋅鋼管或金屬橋架敷設，鋼管或橋架必須可靠接地。當雷擊，或者電氣事故造成兩邊地電位差過大時，信號避雷器可以保護兩邊的設備。

5 小結

DCS控制系統的接地技術是十分復雜而又非常重要的技術，在系統設計和實施中必須給予高度重視。我廠主機房DCS系統采用了文中所述的接地技術，系統工作多年，沒有出現因接地問題而造成人員傷害和設備損壞以及系統的不正常運行。對DCS控制系統的接地，不能像當然以為只要接地電阻符合要求就解決了問題，還要考慮本文中提到到可能出現的種種問題，以保證DCS系統的安全可靠運行。

[1]GB50057-1994 建筑物防雷設計規范[S].2000.

[2]王厚余.信息技術(IT)設備的接地和等電位聯結[Z].WTO與中國電氣設備全國巡回研討會交流材料，2004.

[3]劉松強.計算機控制系統的原理與方法[M].2007.