對控制系統接地的思考和改造

鄧勇　劉冬根　席細勇

摘 要：由PLC控制系統故障引發了對控制系統接地的思考。通過對接地規范、電纜屏蔽層接法和控制系統的接地方式等的分析和改造，有效提高了控制系統的穩定性。

關鍵詞：電纜；接地方式；控制系統；壓力傳感器

中圖分類號：TM862 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.16.156

新鋼集團公司中厚板廠中板線2690軋機系統在2008年進行了改造，改造過程中對部分廠房和設備基礎進行了重新施工。恢復生產后，部分控制系統發生故障，比如PLC電源燒壞、位移傳感器和壓力傳感器信號丟失或不變化等。通過討論和分析一致認為系統接地存在問題，并制定了檢查整改方案，重點從3個方面進行，即接地規范、控制電纜屏蔽層接法、控制系統接地方式。

1 接地規范方面的檢查整改

重點檢查的項目有系統是否與接地網相連、接地線是否與接地面良好搭接、電纜的布設方式。檢查發現，雖然部分PLC柜內的接地線與控制電纜的屏蔽線、原本柜內的接地端口相連，但此接地端口并沒有連接接地網，而是直接連接在機柜的基礎上，進而可能產生干擾現象。我們利用電纜將機柜的接地端口與接地網相連，信號浮動在正常的數值范圍內。電磁干擾主要通過連接導線與設備的電纜端口傳播，利用電源線、接地線與信號線等不同的途徑傳播。在檢測的過程中我們發現，電源線串有抗干擾低通濾波電容。雖然電源模塊使用的為高頻開關，但外殼的金屬接地線和保護接地線有多處阻值在20 Ω以上，我們對其進行了重新連接和緊固，最終阻值變為0.9 Ω。

據現場運行人員的測量，設備正常運行時控制電纜的屏蔽層電壓可達10～60 V。當遇到雷雨天或有電纜接地時，控制電纜的屏蔽層電壓可達100～200 V。因此，我們初步認為，干擾是由信號控制線引入的。由于各種線路、電纜錯綜復雜，且大多敷設于電纜溝中，與地線緊貼，遇到雷雨天或現場電纜有接地時會引起信號混亂，嚴重時會燒壞模塊。因此，采取了以下措施進行整改：①盡可能地采用電纜橋架分層鋪設；②盡可能地將動力電纜與控制電纜拉開一定的距離；③在控制電纜與動力電纜未分開的區域的管子上噴鍍了一層鋅金屬，并將鍍鋅管與接地網連接，這樣既能達到防干擾的目的，又能保護線路。

2 控制電纜屏蔽層方面的檢查整改

在檢查中發現，現場的控制電纜采用了未帶屏蔽層、單層屏蔽層和雙屏蔽層雙絞線等多種電纜。其中，未帶屏蔽層的控制電纜受到的干擾最大，其未使用的芯線電壓最大可達100 V。

2.1 控制電纜屏蔽層的接地方式

控制電纜屏蔽層的接地方式有以下2種：①使電纜屏蔽層的一端與地面直接連接，電纜的另一端不與地面連接或設置保護措施后再與地面連接。只將電纜屏蔽層其中的一段與地面連接的主要目的是充分降低電勢電位差，從而減小或消除電磁的干擾。②要想控制電纜屏蔽層的兩端接地，必須將電纜兩端的金屬屏蔽層都連接在接地裝置上，并保持兩端的電勢相同，否則，會導致屏蔽層中出現較大的電勢環流。該環流會對通訊信號造成影響，使信號變弱或抵消。

2.2 控制電纜單端接地與兩端接地的比較

使電纜屏蔽層的一端與地面連接，這樣能阻止電纜中的線芯因環境電場的變化而出現充電或放電現象，從而防止控制電纜的線芯與外界環境相交而產生電容和減少靜電的產生；屏蔽層選用的是與地面連接的一段，從而避免了因兩端同時接地而產生的電位差，不會導致屏蔽層的內部與地面連接形成電環流。

使屏蔽層的兩端都與地面連接，這樣能在磁通包圍整個電纜時，了解屏蔽電流處在控制電纜的哪個層中，屏蔽電流能根據其產生磁通，并抵消原磁通，從而消除對電纜線芯的損害；可減小因大地電位升高而產生的暫態感應電壓。

電纜屏蔽層兩端都與地面連接也有缺點：①當接地系統中出現短路或遭遇雷擊時，會導致屏蔽層兩端的電位出現差異，屏蔽層內會產生電流，并出現其他的沖擊和干擾電壓；②每當電流流過屏蔽層時，都會對所有線芯發出干擾信號。如果電纜芯處于強回路上，則電流所產生的干擾信號會減弱。

綜上所述，我們根據現場的實際情況對屏蔽層分別采用了不同的接地方式，以抗干擾效果最佳的為標準。此外，我們對屏蔽層還采取了一些相應的措施，即檢查了所有線路屏蔽層中電器的連續性；屏蔽電纜被接線盒或中間接頭柜分開或合并時，通過端子在端子箱內連接屏蔽層的兩端；相同的信號回路或線路屏蔽層只設了1個接地點；如果信號線的中間有接頭，則會加固屏蔽層，并對其周圍進行絕緣處理，避免出現多點與地面連接的情況。

3 控制系統接地方式方面的檢查整改

我們在控制系統的接地方式方面進行了認真的討論和分析，并根據現場的實際情況對設備進行了檢查整改。

3.1 控制系統與電網接地的方式

控制系統與電網接地一共有3種方式，分別為浮地、共地和電容接地。其中，共地方式的接地點與電網中的接地點相連接，可提高PLC控制系統電位的穩定性，共地方式的線路簡單，可大大減少操作人員的施工步驟，提高工作的安全性；在浮地方式中，PLC接點連接著機殼接地點，運行時要注意做好各線路的絕緣處理工作，減少互相干擾，但該方式的安全性較低，無法保證操作人員的人身安全；機殼共地方式的安全保障系數最高，且每個接地點均為單獨連接，因此，其抗干擾的能力較強。

3.2 控制系統的一般接地方式

控制系統的一般接地方式共有3種，即單獨接地、串聯接地和并聯接地。由于公用地線串聯單點接地的方法會形成共地干擾，因此，從防止噪聲和抑制干擾的角度出發，這種接地方法是最不適用的，在整改方案中沒有考慮該方式。對于與獨立地線并聯的單點接地方式的各個電路中的地電位，其他線路的運行情況并不會對其造成影響，其只與本電路的地電流和地線阻有關系，適合用于低頻電路。但這種方式會造成地線的根數過多，進而使阻抗增加、接地干擾增強。為了減小地線阻抗，必須在高頻段采用多點接地的方式。此外，還可以通過縮短電路地線的方式來降低電路地電位和減小地線阻抗。

4 整改效果

整改效果較為明顯，控制系統運行1年來，未出現電源模塊燒壞的故障，位移傳感器、壓力、溫度、系統控制精度等檢測信號的穩定性明顯提高，為生產的順利進行和產品質量提供了保證。

參考文獻

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[2]周威.儀表控制系統接地問題闡述[J].中國科技信息，2012（13）.

〔編輯：張思楠〕