DCS控制系統接地技術探討

曲偉華

摘要：DCS系統接地是否規范合理直接影響DCS系統的運行穩定性和可靠性，接地的規范性、合理性及施工質量對人身設備安全也有重要影響。依據相關規范對DCS系統工作接地、屏蔽接地及在接地設計與實施過程中容易出現的問題分別進行探討。對未來DCS系統接地主流技術進行了分析。

關鍵詞：接地規范;工作接地;屏蔽接地;DCS控制系統

中圖分類號：TM862;TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1672-9129（2020）06-0072-02

Abstract：WhetherthegroundingofDCSsystemisstandardizedandreasonabledirectlyaffectstheoperationstabilityandreliabilityofDCSsystem.Thegroundingstandardization，rationalityandconstructionqualityalsohaveanimportantimpactonpersonalequipmentsafety.Accordingtotherelevantregulations，thegrounding，shieldinggroundingandtheproblemsingroundingdesignandimplementationarediscussedrespectively.ThefuturegroundingtechnologyofDCSsystemisanalyzed.

Keywords：groundingspecification;Workgrounding;Shieldingground;DCScontrolsystem

引言：DCS控制系統是石化企業常用的控制系統。尤其對于大型石化裝置，DCS系統更有其獨有的優勢。而DCS系統能否可靠、穩定的運行，系統接地是否合理十分關鍵。如果接地系統不合理，很有可能使DCS系統的弱電信號受電磁噪聲、干擾等影響而信號失真、數值不準等情況，有時也會造成系統控制網絡不穩定，甚至計算機、控制器死機。因此，合理、規范的實施DCS系統接地，對控制系統有著重要意義。

石化企業DCS、PLC等控制系統接地設計，可以參照電氣專業相關接地規范以及化工、石化行業等儀表系統接地設計行業規范執行。由于防雷接地、防靜電接地及保護接地等參照電氣相關接地規范執行已足夠，所以本文針對在接地設計及施工當中容易出現問題的工作接地、屏蔽接地進行分別探討。

1工作接地

DCS系統工作接地一般是指儀表信號接地及直流電源地。目前石化裝置主流都是應用智能型儀表，供電電源電源基本都是直流24伏，或者由交流220V供電的儀表的信號回路也是直流24伏。直流電源的負極目前一般是做浮空處理，即懸浮地。懸浮地的優點是使強電和弱電間隔離電阻很大，這樣可以把交流電源地和直流電源地（信號公共參考點）分開，達到隔離來自交流系統電磁干擾的目的。但缺點是易受電纜寄生電容的影響，使地電位變化而對模擬信號產生感應干擾。

但是在行業標準SH/T3081-2003《石油化工儀表接地設計規范》[1]中規定“非隔離信號應以直流電源負極為參考點，并接地”，還規定“直流電源的負端必須接到本機柜的工作接地匯流排”。對于此規定，筆者認為應該分情況區別對待，不應一概而論，否則容易給設計或施工帶來困擾。筆者認為對于非本安系統，如果直流電源負端母排接到工作地排上，反而會因工作接地在施工中的一些不規范處而帶來干擾，如零地電位差。而懸浮地就不存在這個問題。筆者見過的幾套裝置都是如此設計，運行中并沒有發現問題。當然，懸浮地應注意以下事項：1，盡量提高對地絕緣電阻，有利于降低進入浮地系統的共模干擾。2注意寄生電容影響，高頻干擾信號可能通過寄生電容耦合到浮地系統。3浮地技術必須和屏蔽、隔離等技術結合使用。

對于本安系統，因為本安系統需要保證在直流電源故障時，危險場所的設備本質安全，所以要求本安系統接地匯流排必須接到工作接地上，同時必須和交流中線有良好的連接，這是為了保證危險場所安全而定。《危險場所儀表的接地實施本質安全》[2]規定“安全柵匯流排須和交流中線連接并共用接地裝置。且這兩者之間連接電阻<1歐姆”。而從信號方面，本安系統接地和其它儀表信號地又不能分開。所以才要求直流電源負極接到工作接地匯流排上。但是對于這種接地形式，施工時一是要注意本安儀表要集中安裝，與其它儀表要分柜安裝。二是工作接地匯流排與機柜外殼等金屬間絕緣一定要良好，避免引入干擾。

2屏蔽接地

HG/T20513-2014《儀表系統接地設計規范》[3]明確規定屏蔽接地屬于工作接地范疇，在標準[1]中，亦明確強調屏蔽接地屬于工作接地。所以屏蔽接地按工作接地處理并無異議。在標準[1]中“宜先將各信號屏蔽電纜的屏蔽層匯接到工作接地匯流排上，再經接地干線接到工作接地匯總板上”“信號電纜屏蔽層接地應為單點接地，根據不同情況，要么在信號源側，要么在控制室側只做一點接地。”某文獻[4]就曾提到在改造中誤將AO模擬卡件兩端都接地，造成網絡噪聲急劇增加，導致網絡接口設備死機，甚至控制器死機。所以屏蔽層單點接地十分必要。務必加以重視。尤其在二期工程、后期改造過程中，由于各種設備廠家都有自己的接地要求，如果不統籌考慮系統整體接地情況，就很可能出現上述故障。

在SH/T3081-2019《石油化工儀表接地設計規范》報批稿[5]中，將屏蔽接地單獨列為一種接地類型。好處是為分層屏蔽及單層屏蔽接地施工具體操作指導性更強。這是比標準[1]的一個進步之處。另外一個不同之處是在條文說明中推薦統一在控制室側單點接地，解釋是屏蔽接地既不屬于保護接地又不屬于工作接地，所以接在保護接地和工作接地區別不大。這個解釋與標準[1]及標準[3]不一致。筆者認為接到工作接地更合適，理由是保護接地在外部電源故障或絕緣不良時易引入交流地電位差干擾。

3接地設計與實施中的問題

根據標準[1]中相關規定，DCS系統接地設計指導如圖1。標準[3]也明確規定“儀表及控制系統的接地連接宜采用分類匯總，最終接到總接地板的方式”。而筆者見過某DCS系統接地設計如圖2所示：

圖2設計直接將工作接地匯流排和保護接地匯流排連接到接地干線上并通過接地干線在連接到電氣接地網上，這明顯不符合規范設計要求。接地分類匯總的目的就是減少或者消除工作地和保護地之間的相互干擾，盡量提供各自穩定的零電位參考點。省略分類匯總的環節就容易出現干擾問題。如果是本安系統中，當直流電源地接到工作接地匯流排時，此種接法更不可取。正如某文獻[6]中所說“錯誤的工程設計不一定出現運行事故，正確的設計亦有可能因其它原因而引起事故”，雖然此系統未出現過接地故障，但是如此設計會留下隱患，尤其是如果以后改造擴容的話，可能就會出現問題。另外在某文獻[7]當中提到機柜接地鏈式接地，結果因為最后機柜接地螺栓松動造成所有機柜全部通信故障。這種施工問題也是規范中明令禁止的。這在設計和施工當中都需要注意。

4網格型接地結構的應用與發展

在標準[3]中條文說明中提到儀表控制系統屬于信息系統。所以儀表控制系統接地設計可以參考GB50343-2012《建筑物電子信息系統防雷技術規范》，GB50174-2017《數據中心設計規范》以及GB16895.17-2002《信息技術裝置接地和等電位連接》等規范執行。在上述規范中都推薦局部網格型接地網絡，對于電子設備穩定運行，消除干擾作用十分明顯，經過實踐證明效果比較理想。所以在標準[5]報批稿中重點推薦控制系統也采用網格型接地結構。

對于本安系統，筆者尤其推薦網格型專用接地網絡。標準[10]中形容“網格可以提供足夠低的阻抗消除大部分網絡噪音、干擾”。所以在未來DCS系統接地設計中應該盡量采用在機柜室內做網格型接地網絡，雖然初始投資增加但對未來發展十分有利。不過在實際設計與施工中需要注意的是一是網絡必須保證閉環，否則容易引入干擾。其次網格的網眼間隔尺寸對等電位效果影響較大，在設計階段務必加以重視。

結論：DCS系統接地設計與施工好壞直接影響系統的穩定運行，因此一個好的設計和高質量的施工就顯得尤為重要。這樣雖然初始投資會增加，但是為日后的運行穩定和擴容發展打下良好基礎。

參考文獻：

[1]SH/T3081-2003，石油化工儀表接地設計規范【S】.

[2]ISA-RP12.6，危險場所儀表的接地實施第一部分本質安全【S】

[3]HT/T20513-2014，儀表系統接地設計規范【S】.

[4]張凱，郭長城.TPS控制系統接地故障分析.《中國石油和化工質量標準》2014年，23期：P46、P130頁

[5]SH/T3081-2019，石油化工儀表接地設計規范報批稿【S】

[6]葉向東.儀表及控制系統接地.《石油化工自動化》，1999年，6期：P2-6頁。

[7]翼樹春.電廠DCS系統接地可靠性的探討.《神華科技》，2009年12月，7卷6期：P51-54頁

[8]GB50343-20，電子信息系統防雷【S】.

[9]GB50174-2017，數據中心設計規范【S】.

[10]GB16895.17-2002，信息技術裝置接地和等電位連接【S】.