对控制系统接地的思考和改造

邓勇　刘冬根　席细勇

摘 要：由PLC控制系统故障引发了对控制系统接地的思考。通过对接地规范、电缆屏蔽层接法和控制系统的接地方式等的分析和改造，有效提高了控制系统的稳定性。

关键词：电缆；接地方式；控制系统；压力传感器

中图分类号：TM862 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.16.156

新钢集团公司中厚板厂中板线2690轧机系统在2008年进行了改造，改造过程中对部分厂房和设备基础进行了重新施工。恢复生产后，部分控制系统发生故障，比如PLC电源烧坏、位移传感器和压力传感器信号丢失或不变化等。通过讨论和分析一致认为系统接地存在问题，并制定了检查整改方案，重点从3个方面进行，即接地规范、控制电缆屏蔽层接法、控制系统接地方式。

1 接地规范方面的检查整改

重点检查的项目有系统是否与接地网相连、接地线是否与接地面良好搭接、电缆的布设方式。检查发现，虽然部分PLC柜内的接地线与控制电缆的屏蔽线、原本柜内的接地端口相连，但此接地端口并没有连接接地网，而是直接连接在机柜的基础上，进而可能产生干扰现象。我们利用电缆将机柜的接地端口与接地网相连，信号浮动在正常的数值范围内。电磁干扰主要通过连接导线与设备的电缆端口传播，利用电源线、接地线与信号线等不同的途径传播。在检测的过程中我们发现，电源线串有抗干扰低通滤波电容。虽然电源模块使用的为高频开关，但外壳的金属接地线和保护接地线有多处阻值在20 Ω以上，我们对其进行了重新连接和紧固，最终阻值变为0.9 Ω。

据现场运行人员的测量，设备正常运行时控制电缆的屏蔽层电压可达10～60 V。当遇到雷雨天或有电缆接地时，控制电缆的屏蔽层电压可达100～200 V。因此，我们初步认为，干扰是由信号控制线引入的。由于各种线路、电缆错综复杂，且大多敷设于电缆沟中，与地线紧贴，遇到雷雨天或现场电缆有接地时会引起信号混乱，严重时会烧坏模块。因此，采取了以下措施进行整改：①尽可能地采用电缆桥架分层铺设；②尽可能地将动力电缆与控制电缆拉开一定的距离；③在控制电缆与动力电缆未分开的区域的管子上喷镀了一层锌金属，并将镀锌管与接地网连接，这样既能达到防干扰的目的，又能保护线路。

2 控制电缆屏蔽层方面的检查整改

在检查中发现，现场的控制电缆采用了未带屏蔽层、单层屏蔽层和双屏蔽层双绞线等多种电缆。其中，未带屏蔽层的控制电缆受到的干扰最大，其未使用的芯线电压最大可达100 V。

2.1 控制电缆屏蔽层的接地方式

控制电缆屏蔽层的接地方式有以下2种：①使电缆屏蔽层的一端与地面直接连接，电缆的另一端不与地面连接或设置保护措施后再与地面连接。只将电缆屏蔽层其中的一段与地面连接的主要目的是充分降低电势电位差，从而减小或消除电磁的干扰。②要想控制电缆屏蔽层的两端接地，必须将电缆两端的金属屏蔽层都连接在接地装置上，并保持两端的电势相同，否则，会导致屏蔽层中出现较大的电势环流。该环流会对通讯信号造成影响，使信号变弱或抵消。

2.2 控制电缆单端接地与两端接地的比较

使电缆屏蔽层的一端与地面连接，这样能阻止电缆中的线芯因环境电场的变化而出现充电或放电现象，从而防止控制电缆的线芯与外界环境相交而产生电容和减少静电的产生；屏蔽层选用的是与地面连接的一段，从而避免了因两端同时接地而产生的电位差，不会导致屏蔽层的内部与地面连接形成电环流。

使屏蔽层的两端都与地面连接，这样能在磁通包围整个电缆时，了解屏蔽电流处在控制电缆的哪个层中，屏蔽电流能根据其产生磁通，并抵消原磁通，从而消除对电缆线芯的损害；可减小因大地电位升高而产生的暂态感应电压。

电缆屏蔽层两端都与地面连接也有缺点：①当接地系统中出现短路或遭遇雷击时，会导致屏蔽层两端的电位出现差异，屏蔽层内会产生电流，并出现其他的冲击和干扰电压；②每当电流流过屏蔽层时，都会对所有线芯发出干扰信号。如果电缆芯处于强回路上，则电流所产生的干扰信号会减弱。

综上所述，我们根据现场的实际情况对屏蔽层分别采用了不同的接地方式，以抗干扰效果最佳的为标准。此外，我们对屏蔽层还采取了一些相应的措施，即检查了所有线路屏蔽层中电器的连续性；屏蔽电缆被接线盒或中间接头柜分开或合并时，通过端子在端子箱内连接屏蔽层的两端；相同的信号回路或线路屏蔽层只设了1个接地点；如果信号线的中间有接头，则会加固屏蔽层，并对其周围进行绝缘处理，避免出现多点与地面连接的情况。

3 控制系统接地方式方面的检查整改

我们在控制系统的接地方式方面进行了认真的讨论和分析，并根据现场的实际情况对设备进行了检查整改。

3.1 控制系统与电网接地的方式

控制系统与电网接地一共有3种方式，分别为浮地、共地和电容接地。其中，共地方式的接地点与电网中的接地点相连接，可提高PLC控制系统电位的稳定性，共地方式的线路简单，可大大减少操作人员的施工步骤，提高工作的安全性；在浮地方式中，PLC接点连接着机壳接地点，运行时要注意做好各线路的绝缘处理工作，减少互相干扰，但该方式的安全性较低，无法保证操作人员的人身安全；机壳共地方式的安全保障系数最高，且每个接地点均为单独连接，因此，其抗干扰的能力较强。

3.2 控制系统的一般接地方式

控制系统的一般接地方式共有3种，即单独接地、串联接地和并联接地。由于公用地线串联单点接地的方法会形成共地干扰，因此，从防止噪声和抑制干扰的角度出发，这种接地方法是最不适用的，在整改方案中没有考虑该方式。对于与独立地线并联的单点接地方式的各个电路中的地电位，其他线路的运行情况并不会对其造成影响，其只与本电路的地电流和地线阻有关系，适合用于低频电路。但这种方式会造成地线的根数过多，进而使阻抗增加、接地干扰增强。为了减小地线阻抗，必须在高频段采用多点接地的方式。此外，还可以通过缩短电路地线的方式来降低电路地电位和减小地线阻抗。

4 整改效果

整改效果较为明显，控制系统运行1年来，未出现电源模块烧坏的故障，位移传感器、压力、温度、系统控制精度等检测信号的稳定性明显提高，为生产的顺利进行和产品质量提供了保证。

参考文献

[1]赵海洋.信号干扰与控制系统接地问题探索[J].硅谷，2014（17）.

[2]周威.仪表控制系统接地问题阐述[J].中国科技信息，2012（13）.

〔编辑：张思楠〕