DCS系统接地的探讨

张 健

(大唐石门发电有限责任公司控制部，湖南 石门 415300)

1 存在的问题

现代火电企业采用DCS控制系统已较为普遍。由于现场环境复杂多样，造成DCS控制系统在运行中产生一些难以预计的故障现象，而影响安全生产。其中DCS控制系统接地方式不当，是影响系统正常运行的重要原因之一，轻者可能造成测量信号不准，严重时将烧坏模件，甚至影响DCS系统的安全和人员安全。笔者所在企业脱硫DCS系统中，就发生过接地不当引起设备故障的问题。

(1)在对DCS系统接地要求的理解上，存在着混乱的现象。DCS的接地原则是：“独立引出，一点接地”。该原则的目的是为DCS系统有一个统一的等电位。

(2)所有DCS制造商出于对DCS设备本身的考虑，提出了独立接地的要求，设计者为满足DCS设备要求，采用独立接地，通常忽视其他接地网的存在和影响。由于火电企业建筑物的金属构件和管线等，使得各接地系统很难真正独立。发生故障时，工厂其他电气接地网和DCS接地网之间可能产生巨大电位差，可能使大批电气设备或DCS设备受到损害。鉴于以上状况，DCS系统采用独立的接地网并非是最好的处理方式。对DCS系统的接地，有必要进行综合分析，选择合适的接地网。

2 DCS系统相关接地的分析

DCS系统包括：主机箱、操作站(工程师操作站和操作员操作站)、输入输出卡、输入输出端子板、信号线和现场仪表等。主机箱、操作站、输入、输出模件柜、安全栅柜等设安全地、交流工作地、逻辑地；DCS传输的直流信号需要直流工作地和电缆屏蔽接地；由于火电企业的特殊性，一般厂内都会安装避雷装置，还有避雷地。因此，与DCS系统运行相关的地有：安全保护地、交流工作地、直流工作地、安全栅地、屏蔽接地和避雷地。

2.1 安全保护地

安全保护地即电器设备和电子学设备的金属机箱接地，当出现漏电时，漏电流被保护地旁路。其目的是防止因DCS设备漏电，机壳对地电位升高对人身和设备安全造成威胁。为了防止设备外壳的静电荷积累。仪表盘、仪表柜、仪表箱、PLC及DCS机柜、操作站及辅助设备、供电盘、供电箱、接线盒、电缆槽、电缆托盘、穿线管、铠装电缆的铠装护层等均应接保护地。保护地应接至厂区电气专业接地网，

2.2 交流工作地

交流工作地是DCS系统所使用的交流电源设备的N线接地。为防止变压器线圈击穿而使变压器次级带上危险的高压，在供电系统的源端(电力变压器次级)处将中线接到大地电极。为减少于扰，防止不稳定电位的侵入，现在的配电系统中N线与安全保护地线是分开的，即采用HN—S配电方法。

2.3 直流工作地

直流工作地也可以成为逻辑地。DCS系统的直流电源地线即DCS数字电路地和信号线的接地。它是接至DCS的外部接口模块通路的负极和所有逻辑电路地的等电位参考点。地线干扰和地线电位变化不仅影响CPU正常工作，而且会使模拟量和开关量的输入与输出产生误差，特别是一些专用设备送至DCS系统的模拟量，常常因为直流工作地的电位不一致，而造成信号不准或信号乱变。DCS系统直流工作地包含其本身的直流地和外部接口及输人输出信号的直流地两部分。DCS本身的直流地一般称为系统地，外部接口及输入输出信号的直流地分为现场端信号接地和计算机端接地。DCS系统的接地原则是“单独引出，一点接地”，DCS系统接地要求单独引出，是为了将各类接地进行隔离，实行单独处理，减少各类接地问的共模干扰。DCS系统要求进行一点接地，这是考虑到如果两点或多点接地，就会形成地回路，产生地回路噪声。这样就会对测量信号造成一定的影响。所以DCS的系统地和外部接口及输入输出信号的现场端信号接地和计算机端信号接地必须各自集于一点后，再接人接地网。在实际应用中，由于现场仪表相对分散，把现场仪表的信号地线集中于一点接地，工程浩大。而且，系统或信号进行接地处理的目的，是让各自电路有一个统一的等电位参考点。由于DCS系统传递的是差模信号，现场仪表的电路地与DCS系统的电路地通过信号线实现了很好的等电位连接；现场仪表的电子部分与机械部分及地是隔离的，在计算机端，一般系统地与机箱也是隔离的；传输线用屏蔽电缆，防止电磁辐射的干扰。所以，对系统地和信号地也可采用悬空地(即系统地和信号线低端不接地)。系统地和信号地采用悬空地的方法。

2.4 屏蔽接地

屏蔽接地是指电气装置为防止其内部或外部电磁感应或静电感应的干扰而对屏蔽体进行的接地。如某些电气设备的金属外壳、电子设备的屏蔽罩或屏蔽线缆的接地。对一般工厂DCS系统的屏蔽接地主要是信号传输线路线缆屏蔽层的接地。根据有关技术规定要求，计算机或DCS系统信号电缆的屏蔽层不得悬空，必须接地，其接地方式应符合下列规定：当信号源悬空时，屏蔽层应在计算机侧接地；当信号源接地时，屏蔽层应在信号源侧接地；当放大器悬空时，屏蔽层的一端与屏蔽罩相连，另一端宜接共模地(当信号源接地时，接信号地。当信号源悬空时接现场地)。当屏蔽电缆途经接线盒分断或合并时，应在接线盒内将其两端电缆的屏蔽层连接。DCS系统信号电缆的选择与敷设，应严格按照有关规定执行。屏蔽电缆的屏蔽层应按以上要求进行接地。为了提高DCS系统的抗干扰能力，DCS系统开关量输Ⅳ输出信号，选用阻燃型对绞铜网屏蔽计算机电缆。

2.5 避雷地

避雷接地旨在安全分散易被设备金属外壳和电气系统接收的放电电荷，保护人和设备免遭雷击，同时也抑制雷击对系统的干扰，保证系统在闪电闪击过程中正常运行。应在工厂主要装置和主要建筑的顶部安装避雷装置。各避雷针与接地电极相连，接地电极的电阻小于0.1 Q。

3 DCS系统接地和等电位联结

3.1 DCS系统接地极的建立

目前，供电系统普遍采用三相五线制(HN—S制)配电方法，中线N和保护地PE是各自独立相互绝缘的导体，只是在供电系统的源端(电力变压器次级)处才接在一起，并接到大地电极。因为保护地与中线完全独立，在正常工作状态下，保护地线不会带任何电流，十分“干净”。DCS系统主要适用220 V交流电源，没有高电压或强电流设备，这样采用供电系统的保护地、DCS系统的保护地及工作地共用一个接地网。避雷地通过避雷器／冲击波抑制器与公用接地网的主干线相连。公用接地极建在中控室地下，接地体为钉入地下的良导体，由接地总干线传来的电流通过接地体导人大地。接地体与接地总干线之间采用铜焊，焊接后做防腐处理。用接地网干线把多个接地体连接成网，接地网应满足DCS系统接地电阻的要求。接地网干线与接地体采用搭接焊，其搭接长度必须为扁钢宽度的2倍或圆钢直径的6倍。图l为接地体安装图。图1接地体安装图为保证接地电阻达到系统要求，改变接地体周围的土壤结构。在接地体周围的土壤2～3 m范围内，掺人不容于水的、有良好吸水性的物质，如木炭、焦碳煤渣或矿渣等，该法可使土壤电阻率降低到原来的I／5～1／10。完成后，接地网与大地间电阻可满足对接地电阻的要求。DCS系统接地要求：模拟接地65 Q，屏蔽接地≤10 Q，保护接地≤100 Q。

3.2 DCS系统等电位连接

DCS所在建筑物的强电系统和各种弱电系统应采用共用接地系统，并于中控室(DCS所在房间)作等电位连接。在实施等电位连接时，要严格区分不同性质的地，做到不混接。在处理信号时把电阻、24V直流电压、20 MA直流电流信号、开关量信号分开处理，以防止不同信号间的干扰。计算机的输入输出信号电缆敷设在带盖的电缆槽中，电缆槽道及盖板保证良好接地。单根信号电缆穿钢管或金属软管敷设，电缆管要保证良好接地。电缆屏蔽层宜选用铜带屏蔽或铝箔屏蔽。屏蔽层接地的原则为一端接地，屏蔽层接地有两种方式：

(1)传输模拟信号、脉冲频率信号时，若信号源没有接地，屏蔽电缆在控制室一侧接地。

(2)信号源接地如热电偶、pH计电极等本身接地时，屏蔽电缆在现场信号源一侧接地。

在控制室内，工作接地汇总板和保护接地汇总板各自分别由两条单独的接地干线接到总接地板上，总接地板经接地总干线接到接地极。在每个DCS机柜里，有两条接地汇流条，一条是供DCS系统用的屏蔽接地，另一条供保护接地用，两路接地分别接到工作接地汇总板和保护接地汇总板。DCS机柜需要采用绝缘垫片与基础槽钢绝缘使机柜悬空。

图1 为接线柜接线图

3.3 DCS 系统接地要求

(1)系统的接地铜板到大地的接地电阻＜1Ω最佳，不得大于2.5Ω

(2)接地总干线的线路阻抗小于0.1Ω

(3)各机柜与机房的金属槽钢必须绝缘，最低不能低于2MΩ

(4)工程师站、操作员站采用3*2.5mm电源电缆在电源柜内接地

(5)接地极周围15米内无避雷地的接入点

4 DCS系统接地方式

4.1 利用电气接地网作为DCS接地网，即与电气接地网共地

4.2 设DCS系统专用独立的接地网

4.3 设DCS专用接地网，经接地线、再接至电气接地网

由于第三种接地方式与第二种接地方式有较多相同处，根据统计，以往计算机或DCS系统曾经较多的采用过专用的接地网，但这种接地方式存在的缺点是：占地面积太大，投资高，电缆及接地网钢材耗量大，距厂房有相当的距离(因不易在厂房内找到合适的位置)，管理、维护、测量及查找接地极和接地线不方便，且效果不甚良好。

4.4 远程I/O柜接地方式

分散布置DCS系统现场控制站分散到现场，而操作员站位于不同的控制室，分散直径在500米的范围内，各站点间使用多模光纤或5类双绞线或DP屏蔽双绞线等连接。使用光纤连接的站点，各站点内的接地方法同集中布置的DCS设备；使用5类双绞线或DP屏蔽双绞线连接的站点：控制室的各类地线先连接到公共连接板，公共连接板通过接地总干线与公共接地极相连。从公共接地极看过去，整个接地网络是一个星型结构。使用5类双绞线或DP屏蔽双绞线两头通过网络浪涌保护设备 (信号避雷器、通流量不小于5KA)与DCS的SWITCH、HUB、REPEAT、或其他网络设备相连。两边的站点有各自的公共接地极，二者不必有金属连接，各站点的接地方法同集中布置的DCS设备。5类双绞线或DP屏蔽双绞线必须穿镀锌钢管或金属桥架敷设，钢管或桥架必须可靠接地。当雷击，或者电气事故造成两边地电位差过大时，信号避雷器可以保护两边的设备。

5 小结

DCS控制系统的接地技术是十分复杂而又非常重要的技术，在系统设计和实施中必须给予高度重视。我厂主机房DCS系统采用了文中所述的接地技术，系统工作多年，没有出现因接地问题而造成人员伤害和设备损坏以及系统的不正常运行。对DCS控制系统的接地，不能像当然以为只要接地电阻符合要求就解决了问题，还要考虑本文中提到到可能出现的种种问题，以保证DCS系统的安全可靠运行。

[1]GB50057-1994 建筑物防雷设计规范[S].2000.

[2]王厚余.信息技术(IT)设备的接地和等电位联结[Z].WTO与中国电气设备全国巡回研讨会交流材料，2004.

[3]刘松强.计算机控制系统的原理与方法[M].2007.