現場總線儀表信號的屏蔽接地

王華，陳鵬

(華陸工程科技有限責任公司，陜西 西安 710065)

隨著數字通信技術的發展，不同的控制系統之間都會存在通信連接，新一代的智能化數字儀表已經與傳統的模擬儀表有了本質區別。目前智能工廠已經步入當今社會，現場總線技術也逐步趨于完善，但在數字總線電纜的屏蔽要求上，仍然沿用模擬信號時代單點接地的要求，已經不能滿足現階段技術發展的要求。因此，根據最新的技術發展，在工控儀表的設計領域，提出了雙端接地、多點接地、電容接地的概念及要求。

1 新版儀表系統接地設計規范

HG/T 20513—2000《儀表系統接地設計規范》中，電纜屏蔽層采用單點接地。HG/T 20513—2014《儀表系統接地設計規范》中新增了現場總線儀表接地的相關內容，提出了現場總線儀表的信號以數字方式傳輸，總線電纜屏蔽層的兩端宜做接地連接。在不能確定控制室與現場之間有良好的等電位接地系統時，宜在總線信號電纜屏蔽層的現場端直接將屏蔽層接地，而電纜屏蔽層的另一端通過電容與接地系統連接。

2 現場總線通信模型

國際標準化組織(ISO)為建立一套中立的、開放的計算機通信系統，在ISO 7498中建立了開放系統互連的分層模型，簡稱OSI(open system interconnection)參考模型。ISO 7498對于通信提出了7層參考模型，模型功能如下：

1)物理層。物理層提供用于建立、保持、斷開物理連接的條件，同時提供有關同步和比特流在物理媒體上的傳輸手段。

2)數據鏈路層。用于建立、維持、拆除鏈路連接，實現無差錯傳輸功能。

3)網絡層。規定了網絡建立、維持、拆除的協議，主要利用數據鏈路層的功能，通過路由選擇和中繼功能，實現2個系統之間的連接。

4)傳輸層。完成開放系統之間的數據傳送控制。

5)會話層。依靠傳輸層以下的通信功能，使數據傳送功能在開放系統間有效地進行。

6)表示層。把應用層提供的信息變換為能夠共同理解的形式，提供字符代碼、數據格式、控制信息、加密等的統一表示。

7)應用層。實現用戶程序、終端操作員等應用進程之間的信息交換，同時具有一系列業務處理所需要的服務功能。

隨著現場總線技術在工控儀表領域的興起，目前在實際工程中大量應用的主要有兩大陣營： 一個是以美國為代表的基金會現場總線(FF現場總線)，代表廠商為艾默生；另一個是以歐洲為代表的Profibus現場總線，代表廠商為西門子。基于OSI模型的兩種現場總線通信模型對比見表1所列。

表1 基于OSI模型的兩種現場總線通信模型對比

注： 1) FF總線在應用層基礎上增加了用戶層，規定了標準的功能模塊、對象字典、設備描述，供用戶組成所需要的應用程序，實現網絡和系統管理；

2) Profibus-PA隱去了3～7層，采用PA行規，增加了直接數據連接擬合，作為用戶接口。

從表1可以看出，由于FF現場總線的H1總線與Profibus-PA總線具有相同的物理層，兩者的傳輸速率均為31.25 Kbit/s，而物理層又規定了信號傳輸的機械、電氣、功能、規程特性，因此從原則上來說，兩者對屏蔽接地應該有相同的要求。目前的現狀是FF現場總線推薦電纜屏蔽層采用單點接地；Profibus現場總線要求多點接地。兩大陣營觀點不同，在以往的工程項目中，FF現場總線在石油化工領域占有率較高，大部分項目的現場總線都采用傳統的單點接地。

3 干擾與屏蔽的相關概念

3.1 主動干擾及主動屏蔽

主動干擾與主動屏蔽的概念：

1)主動干擾。信號源即干擾源，用于干擾其他信號的干擾為主動干擾。

2)主動屏蔽。將主動干擾封閉起來的屏蔽就是主動屏蔽，主動屏蔽的目的是為了防止噪聲源向外輻射，即對噪聲源的屏蔽。

3.2 被動干擾及被動屏蔽

被動干擾及被動屏蔽的概念：

1)被動干擾。來自外部環境的干擾，稱為被動干擾。

2)被動屏蔽。為防止被動干擾而采取的屏蔽，為被動屏蔽；被動屏蔽的目的是為了防止敏感設備遭到噪聲源的干擾，是對敏感設備的屏蔽。

對于低頻和直流模擬量信號，主要考慮被動屏蔽；對于高頻信號，則既要考慮被動屏蔽，也要考慮主動屏蔽。

3.3 共模干擾和差模干擾

共模干擾和差模干擾的概念：

1)差模干擾。干擾源通過磁場耦合在2根導線和設備構成的回路上產生的感應電壓，進而產生差模干擾電流。差模電流大小相等、方向相反，差模電流直接疊加在有用信號上。通過屏蔽和減少回路面積，可以減少差模干擾。

2)共模干擾。干擾源通過電場耦合在1根導線與系統地構成的回路上產生的感應電壓，進而產生共模干擾電流。

3.4 干擾源的傳輸路徑

產生干擾的3個要素： 干擾源、耦合路徑、潛在的易受干擾的器件。干擾源可以通過空間的輻射、電磁耦合傳遞至敏感設備，也可以通過導線的傳輸進入敏感設備。

1)對于高頻數字信號，為防止信號之間的干擾，通常不能采用多芯電纜，應采用只有1對雙絞線的屏蔽電纜傳輸。

2)對于直流模擬信號，采用總屏或分屏加總屏的多芯雙絞線電纜進行傳輸。根據TICW/06—2009《計算機與儀表電纜》的規定：

a)對于只有總屏或分屏的儀表電纜，電纜的屏蔽抑制系數最大不能超過0.05。

b)對于分屏加總屏的儀表電纜，電纜的屏蔽抑制系數最大不能超過0.01。

3.5 法拉第籠

法拉第籠是一個由金屬或者良導體形成的籠子，是以電磁學的奠基人、英國物理學家邁克爾·法拉第的姓氏命名的一種用于演示等電勢、靜電屏蔽和高壓帶電作業原理的設備。法拉第籠由籠體、高壓電源、電壓顯示器和控制部分組成，其籠體與大地連通，高壓電源通過限流電阻將100 kV直流高壓輸送給放電桿，當放電桿尖端距籠體10 cm時，出現放電火花，根據接地導體靜電平衡的條件，籠體是1個等位體，內部電勢為0，電場為0，電荷分布在接近放電桿的外表面上。

3.6 干擾耦合

主要的耦合類型包含以下三種：

1)電容性耦合，起源于線路間電場的相互作用。

2)電感性耦合，起源于線路間磁場的相互作用。

3)電磁場耦合，是電場和磁場相結合的混合作用的耦合，故也被稱為電磁耦合或輻射耦合。

如果干擾源為大電流、低電壓的情況，則近場主要為磁場，波阻抗呈低阻抗特性，以電感性耦合的噪聲為主；如果干擾源為高電壓、小電流的情況，則近場主要為電場，波阻抗呈高阻抗特性，以電容性耦合的噪聲為主。

4 總線信號干擾與屏蔽的原理

電纜屏蔽的原理和類型比較復雜，本文只針對幾種典型干擾和防護予以描述、分析。

4.1 靜電場的主動屏蔽

對于靜電場的主動屏蔽，干擾源為導線，屏蔽層為法拉第籠，屏蔽層外表面仍然會有感應電荷；若將屏蔽層接地，感應電荷將會消失。因此，對靜電場的主動屏蔽，必須將屏蔽層接地。

圖1為電場屏蔽層單端接地示意，對于電場的單端屏蔽接地，在直流和低頻的情況下，可以達到很好的屏蔽效果。如果頻率升高到大于20 kHz或導線過長，必須考慮屏蔽層的阻抗(高頻時感抗遠大于阻抗)。這樣圖1中屏蔽層A點的對地電壓UA將不再為0，則信號電纜屏蔽層作用于信號上的干擾電壓Us大于0，屏蔽的效果被衰減，這時需要多點接地或每隔λ/20(Profibus的要求，國內通信行業也有按λ/10考慮的)做1次接地，從而保證屏蔽層零電位。通常對低頻及模擬信號的主動屏蔽采用單端接地，以防止產生地環流。

圖1 電場屏蔽層單端接地示意Uq——干擾源電壓；Ck——干擾源電纜與信號電纜屏蔽層之間的電容；Ca——屏蔽層與信號電纜之間的電容；Ce——屏蔽層與地之間的電容

4.2 磁場屏蔽的單端接地

對于磁場屏蔽，須把低頻和高頻分開考慮。

1)對直流或低頻磁場小于10 kHz的情況，選擇低磁阻抗的材料作為屏蔽，用來傳導磁力線，使大部分磁力線從屏蔽層中穿過，從而削弱屏蔽層所包圍的內部場強。

2)對于高頻磁場，會在屏蔽層中產生旋渦電流，旋渦電流會產生1個反磁場從而削弱原有的磁場。屏蔽層的電阻越小，產生的渦流越大，屏蔽效果越好。因此，在高頻磁場干擾下，要選擇導電好的導體。

對于磁場的單端屏蔽，由于屏蔽層沒有構成回路，感應電動勢在屏蔽層不能形成反向電流，從而無法形成反磁場去消減干擾源產生的磁場，達不到屏蔽作用。磁場屏蔽層單端接地示意如圖2所示。

圖2 磁場屏蔽層單端接地示意I1——干擾源電纜電流；I2——干擾源電纜經地流回源端的電流；L1——屏蔽層電感；L2——干擾源導線電感

4.3 主動磁場干擾的屏蔽層雙端接地

主動屏蔽雙端接地時，I1在A點分流為干擾源電纜經屏蔽層流回源端的電流I3及經參考地電流I2后，流回源端。隨著頻率的升高，I3越來越大，當I1的頻率遠大于屏蔽層的截止頻率時，I3≈I1，此時I2≈0。I3形成的反磁場消減了I1干擾源的源磁場，從而達到屏蔽作用。主動磁場干擾的屏蔽層雙端接地示意如圖3所示。

圖3 主動磁場干擾的屏蔽層雙端接地示意

4.4 被動磁場干擾的屏蔽層雙端接地

在被動磁場干擾的屏蔽層雙端接地情況下，導線1為干擾源，線芯2為被保護信號。通過干擾源電感L在信號屏蔽層上產生的干擾電壓為Us1，干擾源電感L在線芯2上產生的干擾電壓為Us2；屏蔽層上的干擾電壓Us1在線芯2上產生的干擾電壓為Usa，Usa與Us2方向相反，因此最終在線芯2上產生的干擾電壓Usn=Us2-Usa，消減了干擾源的影響，達到了屏蔽效果。被動磁場干擾的屏蔽層雙端接地示意如圖4所示。

圖4 被動磁場干擾的屏蔽層雙端接地示意Ls——信號電纜屏蔽層的電感

4.5 現場總線屏蔽要求對比

FF和Profibus現場總線各自出版了安裝或應用指南，FF現場總線2.0版的AG-163與AG-181之間存在矛盾，2004年出版的AG-181規定只能采用單端屏蔽接地，2006年出版的AG-163規定了單端接地、雙端接地和電容接地3種方法。2010年出版的3.1版AG-181進行了比較大的修改，隨著現場總線安全柵的推出，規定了包括復合接地的4種方法，前3種與2006年出版的2.0版AG-163保持了一致，但FF現場總線仍然首先推薦單端接地，指南中同時也描述了在歐洲單端接地不被認可，要求采用雙端接地。歐洲的Profibus現場總線只描述了多點接地(包含雙端接地)以及在沒有等電位接地連接的條件下，現場側儀表屏蔽層直接接地，控制室側采用電容接地。兩種總線系統不同版本接地對比見表2所列。

表2 標準中有關現場總線接地規定對比

在之前的工程設計中，屏蔽要求單點接地，在4～20 mA信號中是可行的(少數強干擾除外)；但在現場總線等數字信號的傳輸中，不時會有干擾問題發生，導致有些用戶反對使用數字通信。為安全起見，對于聯鎖信號，要求不能采用數字通信信號，必須采用硬接線連接。關于數字信號的干擾，在HG/T 20513—2014《儀表系統接地設計規范》中也提出了雙端接地(含電容接地)的新概念和要求。

4.6 儀表通信屏蔽的綜合說明

傳統儀表接地時，要求必須單點接地，這具有歷史的局限性。由于有些工廠或項目很少做全廠等電位接地網，比較典型的就是控制室與現場的地電位不同，因此當采用屏蔽層雙端接地，地電位的不同將造成屏蔽層中存在地環流，這時的屏蔽層反而成為干擾源，將影響信號的傳輸。

FF和Profibus兩種現場總線關于屏蔽接地的要求不同，對于FF現場總線的H1總線和Profibus現場總線的PA總線來說，它們的通信速率都是31.25 Kbit/s，而且它們通信協議的物理層也一樣。因此，同樣的物理層規范，接地要求卻不同，從而存有爭議。對于爭議，筆者更傾向于屏蔽效果更好的多點接地模式，尤其是存在高頻干擾的環境中，如果電纜距離較長，多點接地的屏蔽效果比單端接地的屏蔽效果要好得多。

對于數字信號的屏蔽，電子通信行業應該比工控儀表行業的研究更為超前，在YD/T 2191.2—2010《電信設備安裝的電磁兼容和緩和措施》第2部分第6.4節規定如下：“電纜類型及EMC方面的應用，低頻時使用較多的是信號電纜、控制電纜以及雙股電纜(平行導線，雙絞線或非雙絞線)。對于多導體組成的電纜，每個信號線都應在較近處有正確的返回路徑；2個接頭須絞合在一起。信號發出和接收導線必須是同1根。對于帶有屏蔽層雙股線或者多導體電纜，屏蔽層必須遵循平行接地原則，即屏蔽層兩端必須接地。內屏蔽層或者接地導線應該1點或者2點接地。”

根據以往的工程經驗，發生過電信專業的高頻信號電纜干擾了儀表專業的4～20 mA信號，因此須特別注意的是，電信專業的高頻信號電纜更應該多點接地。

由于目前許多現場總線的屏蔽采用了FF現場總線推薦的單端接地，在HG/T 20513—2014中對總線信號的單端接地也未作描述，而是提出“宜”做雙端接地，用戶可以根據自己的實際情況，靈活掌握。對于現存的總線通信，如果發現有干擾存在，可以做雙端接地改造，從而消除干擾。

5 對總線儀表及通信信號屏蔽的建議

根據以上分析，對總線儀表及通信信號屏蔽提出如下建議：

1)高頻-低頻分界。20 kHz以上必須考慮感抗，50 kHz以上屬于高頻干擾，1 MHz以上應多點接地。

2)電纜屏蔽層必須是低磁性、低阻抗導體，例如銅或鋁。

3)根據法拉第籠及電流的集膚效應，密銅網比稀銅網屏蔽性能好。在靜電場的影響下，鋁皮屏蔽比銅網屏蔽效果好，但鋁皮屏蔽的傳輸阻抗遠大于銅網編織線的屏蔽層，抗高頻干擾能力差，不能用作數字信號電纜。

4)對于無高頻干擾的場合，一般來說，屏蔽層的單端接地可以滿足大多數場合。

5)對于有高頻干擾的場合，必須考慮屏蔽層的感抗，且頻率越高、距離越長，感抗越大。在該場合中，單端接地不能將感應電壓消除，必須進行多點接地。要求多點接地的間隔距離不大于λ/20，有些國內電信規范要求為λ/10。實際應用中，考慮到長距離通信采用光纖，因此對于雙絞線數字信號，只要求雙端接地。

6)在控制室與現場之間的等電位連接缺失或效果不佳的情況下，可以現場端直接接地，控制室側電容接地。

7)可以在控制室設置專用的電容接地匯流板，匯流板再通過不大于10 nF的電容接至總匯流板，通過總匯流板接入接地網。

6 結束語

儀表信號電纜屏蔽的單端接地是模擬信號時代的規范要求，隨著數字通信技術的普遍采用，多點接地在電纜信號的電磁兼容性上，尤其是高頻干擾上顯示出比單端接地強得多的屏蔽能力。