大型联合化工厂仪表控制系统接地探讨

刘子云，卢炜，刘明鑫

(神华工程技术有限公司，北京 100011)

某大型联合化工厂由多套化工生产装置及公用工程装置组成，各生产装置之间通过各种物料相互联系。化工生产装置基本都配置了仪表控制系统，如用于过程控制和生产操作的分散控制系统(DCS)，用于生产装置安全联锁保护的安全仪表系统(SIS)，用于生产环境监测的可燃气体和有毒气体检测系统(GDS)；部分生产装置还配备了压缩机控制系统(CCS)，有些成套设备采用专用的可编程序控制器(PLC)等。仪表控制系统的安全、稳定可保障各生产装置的正常运行，正确的接地是仪表控制系统安全稳定运行的前提条件之一。

1 大型联合化工厂等电位接地网的设置及接地系统

现代大型联合化工厂不再设置独立的仪表控制系统接地装置，而是与全厂低压电气设备共用全厂等电位接地网。例如某煤化工厂的各生产装置及各建构筑物的接地系统连接成1个整体的等电位接地网，等电位接地网的直埋接地干线采用40 mm×4 mm镀锌扁钢，安装必要数量的接地极，在需要接地的建筑物内设置等电位连接板，现场仪表机柜间的等电位接地网示意如图1所示。

图1 某现场仪表机柜间的等电位接地网示意

接地系统由接地连接和接地装置两部分构成[1-2]。

1) 接地连接。包括： 接地线，接地汇流排、接地分干线、接地汇总板、接地干线。

2) 接地装置。包括： 总接地板、接地总干线、接地极。对于大型联合化工厂来说，可以将全厂等电位接地网当作接地装置。一般来说，仪表控制系统的接地连接由仪表专业负责设计、施工；接地装置由电气专业负责设计、施工。仪表控制系统的接地电阻应不大于4 Ω，仪表控制系统的接地连接电阻应不大于1 Ω。

2 仪表控制系统的接地种类

按仪表控制系统接地的用途，可分为保护性接地和功能性接地[3]。保护性接地是当仪表控制系统出现电源系统故障时，为保证仪表控制系统设备及人身安全而设置的接地；功能性接地是为仪表控制系统提供稳定、可靠的基准参考零电位，抑制外界对仪表控制系统的电磁干扰，使仪表控制系统能够稳定可靠地运行而设置的接地。

2.1 保护性接地

仪表控制系统保护性接地主要有保护接地、防静电接地和防雷接地。

2.1.1保护接地

仪表控制系统的保护接地也称为安全接地[2]，仪表控制系统的外露导电部分，正常时是不带电的，在出现故障、损坏，特别是交流电源系统出现异常、绝缘损坏时，就有可能造成交流电源内部带危险电压的部分与仪表控制系统的机柜、机架的外壳等金属部件短路，使仪表控制系统的外露部分带电，若没有良好的保护接地，这些带电体和大地之间会有很高的电位差，如果人不小心接触到这些带电体，这些带电体会通过人的身体与大地形成带电回路，危险电流会流过人的身体，产生伤害。因此，必须将仪表控制系统的外壳、机架的外壳等外露的金属部分通过保护接地消除危险电压，以保证仪表控制系统设备和人身安全。

2.1.2防静电接地

DCS，SIS，CCS，PLC等仪表控制系统的故障，很大程度上是由静电造成的，尽管各仪表控制系统厂家不断地改进产品防静电的性能，但是为了防范静电影响，仪表机柜间、工程师室等应用场所还是需要考虑防静电接地[4]。这些应用场所一般采用防静电地板，该类地板采用特殊粉末压制而成，对静电而言，防静电地板是导体，防静电地板敷设在相互连接的金属网格支架上，并用接地分干线与保护接地汇总板相连接，将静电荷引入大地，防止由于静电荷积累对人体和仪表控制系统设备造成的危害。

2.1.3防雷接地

在雷暴日高发地区应考虑仪表回路的防雷措施[5]，为了防止雷电对仪表控制系统的输入、输出和电源等器件造成的损坏所设置的接地，称之为防雷接地。当仪表控制系统的线路进入到机柜间内，需要采取措施将雷击电流泄放入地，需要设置防雷接地。

2.2 功能性接地

功能性接地主要包含工作接地和本安系统接地，其中工作接地又包含了仪表信号回路接地和屏蔽接地。

2.2.1仪表信号回路接地

DCS，SIS，CCS，PLC等仪表控制系统，一般来说包含有系统柜、安全栅柜、继电器柜等多种机柜，即便是只有1个机柜，在这个机柜内也会含有CPU卡、电源卡、通信卡及各种I/O卡件等。控制系统的信号接地需要有统一的基准参考电位，通常是以直流电源的负极为参考电位，信号分配以此为参考点，即控制系统的AI，AO，DI，DO信号的公共端要与本系统直流电源的负端连接[2]，即仪表信号回路接地。

2.2.2屏蔽接地

屏蔽是用金属屏蔽体把电场或磁场等外界干扰阻止在受干扰物之外[6]，在实际应用中，通常仪表信号电缆采用带有屏蔽层的屏蔽电缆，依据仪表信号源的类型将仪表信号电缆屏蔽层合理的接地，可以抑制外界电磁场对仪表信号电缆线芯的干扰[7]，可使仪表信号电缆准确地传递仪表信号。

2.2.3本安接地

安全栅是本质安全关联设备，当采用齐纳安全栅时，为实现本质安全功能，必须将安装齐纳安全栅的接地点与直流电源的公共端相连接，对于采用安装导轨做接地点的产品，应将齐纳安全栅的导轨与直流电源的公共端一起进行可靠的接地连接。

3 现有的仪表控制系统接地原则

仪表控制系统由操作站、工程师站、控制站和网络通信设备等硬件组成。仪表控制系统的控制站、工程师站、一层网络交换机等通常都设置在邻近生产装置的现场仪表机柜间内；各控制系统的远程机架、二层交换机等设置在中心控制室的仪表机柜间内；各控制系统的操作站，设置在中心控制室的操作大厅内，供工艺操作人员使用；现场仪表机柜间内控制系统的设备与中心控制室的控制系统设备之间，一般采用不同路径的冗余光纤连接。由于大型联合化工厂采用全厂等电位接地网，因而仪表及仪表控制系统的防雷接地、防静电接地、保护接地和工作接地等均连接到全厂等电位接地网上。根据现有的标准规范，仪表控制系统的接地原则如下文所述。

3.1 操作室或工程师室内仪表控制系统设备的接地原则

操作室和工程师室内安装的主要设备包括仪表控制系统的操作站、工程师站、辅助操作台、打印机等，这部分设备应采用保护接地，将这些设备的外壳、操作台的外壳通过接地线连接到相应的保护接地汇总板上，保护接地汇总板再通过接地干线与全厂等电位接地网相连接。操作室和工程师室内仪表控制系统设备接地示意如图2所示。

3.2 现场仪表机柜间内仪表控制系统设备的接地原则

在现场仪表机柜间内主要安装了仪表控制系统的控制站，控制站是仪表控制系统的核心设备。这些设备包括仪表控制系统的系统柜、扩展机柜、安全栅柜、继电器柜、接线端子柜、电源柜等，依据现有的标准规范，通常在仪表控制系统的机柜内设置2个接地汇流排，其中1个为保护接地汇流排，另1个为工作接地汇流排。现场仪表机柜间内仪表控制系统设备的接地原则有以下几种。

3.2.1保护接地与防静电接地

1) 保护接地。一般来说，仪表控制系统采用冗余交流220 V供电，TN-S系统[2]。为了保护控制系统设备及人身安全，在仪表控制系统各机柜内分别设置了保护接地汇流排，利用接地线将各机柜内的控制系统主机架、I/O卡笼等用电设备的外壳、直流24 V电源的外壳、机柜壳体等与本机柜的保护接地汇流排相连接，保护接地汇流排通过接地分干线与保护接地汇总板相连接。现场仪表机柜间内仪表控制系统设备接地示意如图3所示。

2) 防静电接地。一般情况下，仪表现场机柜间采用防静电地板，防静电地板按规定镶嵌在相互连接的金属网格支架上，金属网格支架通过接地分干线与保护接地汇总板相连接，如图3所示。

图3 现场仪表机柜间内仪表控制系统设备接地示意

3.2.2防雷接地

在现场仪表机柜间内，仪表信号电缆槽板或穿线管的入口应设置防雷接地汇总板，仪表信号电缆槽板或穿线管通过接地分干线与之相连接[5]。现场仪表机柜间防雷接地示意如图4所示。

图4 现场仪表机柜间防雷接地示意

3.2.3仪表控制系统工作接地及本安接地

仪表控制系统的工作接地包括仪表信号回路接地和屏蔽接地[1-2]。

1) 仪表信号回路接地和本安接地。仪表信号回路接地与本安接地连接在一起，分述如下：

a) 仪表信号回路接地。将仪表控制系统各机柜的直流电源负端、控制系统的I/O卡件或I/O机笼的参考电位接地端子等，利用接地线与各机柜的工作接地汇流排相连接，如图3所示。

b) 本安接地。当采用齐纳安全栅时，为了保证齐纳型安全栅在直流电源故障时对危险场所实现的保护功能，安全栅的汇流条,即齐纳安全栅的安装导轨一定要与直流电源的负端相连接，因而安全栅接地与仪表控制系统信号回路接地须连接在一起，如图3所示。

2) 屏蔽接地。电缆屏蔽接地的原则如下：

a) 仪表信号电缆的外屏蔽层，如金属铠装屏蔽电缆的铠装层、双层屏蔽电缆的外屏蔽层、分屏蔽加总屏蔽电缆的总屏蔽层，应至少两端接地[5]。

b) 仪表信号电缆的内屏蔽层，如单层电缆的屏蔽层、双层电缆的内屏蔽层、分屏加总屏电缆的分屏蔽层，需单点接地。应根据信号源和接收仪表的不同情况，采取不同的接地方法： 当信号源接地时，如接地型热电偶、pH计或电磁流量计等仪表信号电缆的内屏蔽层应在信号源端侧单点接地，即在仪表安装所在位置可靠接地；当信号源为非接地型时，仪表信号电缆的内屏蔽层应在控制室或就地控制盘的仪表机柜间侧单点接地。

将各机柜内的仪表信号电缆外屏蔽层和非接地型的仪表信号电缆的内屏蔽层，经PE热缩管作绝缘处理后再与各自机柜内的工作接地汇流排相连接，利用接地分干线将各个机柜内的工作接地汇流排与工作接地汇总板相连接，工作接地汇总板经接地总干线与全厂等电位接地网相连接，如图3所示。

4 压缩机组控制系统故障案例

4.1 压缩机组控制系统的接线与接地连接

某丙烯压缩机组控制系统(CCS)控制站接线与接地示意如图5所示，该CCS除了用于监控压缩机组外，还对压缩机组附属的空冷器进行了监控。

由图5看出，该CCS控制站有4个机柜： 1号为CCS的系统柜，安装了CCS的主机架及其附属的模拟输入(AI)卡件；2号为CCS的扩展系统柜，安装了CCS的扩展机架及其附属的模拟输出(AO)卡件；3号为辅助机柜，安装了机组超速保护系统及CCS所需要的光纤盒和网络交换机；4号为CCS的另1个扩展系统柜，安装了CCS另1个扩展机架及其附属的数字输入/数字输出(DI/DO)卡件。

1) 仪表信号电缆连接。该CCS所监控的空冷器，配置了2台变频器用于控制1号和2号风机的转速，2台变频器的仪表信号接线如图5所示。风机的电流反馈模拟输入信号连接到CCS的1号控制柜的AI卡；风机的转速控制模拟输出信号，

连接2号控制柜的AO卡；风机的运行、停止状态反馈接点输入信号连接到4号控制柜的DI卡，风机的运行允许启动接点输出信号和停止运行接点输出信号由4号控制柜的DO卡发出。

图5 某丙烯CCS接线与接地示意

2) 接地连接。在每1个机柜内设置了2块接地汇流排，其中1块为保护接地汇流排，机柜的壳体、直流24 V电源的外壳、CCS机架的外壳等均通过2.5 mm2的专用接地线与各自机柜内的保护接地汇流排相连接，每个机柜的保护接地汇流排通过16 mm2的专用接地分干线与保护接地汇总板相连接，保护接地汇总板通过40 mm×4 mm镀锌扁钢与全厂电气等电位接地网相连接；另外1块为工作接地汇流排，每个机柜的直流24 V电源的负端、CCS各机架、卡件的参考电位接地端子等，通过2.5 mm2的专用接地线与本机柜内的工作接地汇流排相连接，进出机柜的I/O信号电缆的屏蔽层经PE热缩管作绝缘处理后再与各自机柜内的工作接地汇流排相连接，为保证CCS有统一的基准参考电位，将该CCS各机柜的工作接地汇流排通过16 mm2的专用接地线相互连接在一起，1号机柜、4号机柜的工作接地汇流排分别通过16 mm2的专用接地分干线与工作接地汇总板相连接，工作接地汇总板通过40 mm×4 mm镀锌扁钢与全厂电气等电位接地网相连接。在各机柜内，保护接地汇流排与工作接地汇流排相互绝缘。在接地连接之前，测得保护接地电阻与工作接地电阻均小于1 Ω。

4.2 压缩机组控制系统的故障现象及排除

4.2.1CCS的故障现象

现场调试过程中，当需要2台风机同时运转时，出现了2台风机同时停止运转的故障现象。当故障发生时，电气专业人员确认，在2台变频器的显示屏上都显示“给定电流消失”的信息，意味着该CCS发送到变频器的控制电流出现了故障，变频器的保护动作使风机停止启动运行。仪表专业人员查看CCS，发现CCS的2号机柜的AO卡件的“LOAD”黄色报警灯点亮，通过测量发现： CCS的AO卡件发送到变频器的控制电流信号低于4 mA。

4.2.2CCS的故障排除

与CCS厂家沟通后，得到的答复是： CCS的AO卡件的“LOAD”黄色报警灯点亮，表明该卡件的部分模拟输出回路有“开路”的现象。经仔细检查，该CCS的AO卡件与现场每1个控制回路的阀门定位器或变频器连接良好，并且测得各负载阻抗也都正常。

1) 仪表专业人员将CCS与风机变频器连接的所有AI，AO，DI，DO信号电缆全部断开；电气专业人员在配电室给变频器加入适当的信号，2台风机可以同时运转并可分别对风机的转速进行控制，说明是由CCS造成了2台风机不能同时运转的故障。

2) 更换与变频器相连接的CCS的AO卡件，没能排除故障；更换了CCS与变频器相连接的AO信号电缆及DO信号电缆，也没有排除故障。最后判断可能是CCS受到强大的外界电磁干扰，仪表信号电缆屏蔽接地没有连接好，不能及时消除外界的电磁干扰，致使该CCS不能正常工作。经仔细检查，所有的仪表信号电缆屏蔽层均与各自机柜的工作接地汇流排连接完好，没有发现问题所在。

3) 将CCS与风机有关的所有电缆屏蔽层从各自机柜的工作接地汇流排拆除后，重新启动风机试验，结果发现这2台风机可以同时运行。由此判断，其干扰源来自CCS与变频器相连接的仪表信号电缆的屏蔽层，并且CCS故障的原因是由于仪表信号电缆屏蔽层接地引起的。

4) 在2台风机同时启动的情况下，逐个测量与风机有关的仪表信号电缆屏蔽层对地电压，当测量到由4号控制柜的DO卡发出的风机“允许启动”信号电缆的屏蔽层对地电压时发现异常，这2根信号电缆的屏蔽层存在对地交流电压，该交流电压时断时续，忽高忽低，极不稳定，观察了一段时间后，测得该电缆屏蔽层对地交流电压最高达到198 V，几乎测不出对地电流。

5) 除风机“允许启动”电缆的屏蔽层外，将其他与变频器相连接的仪表信号电缆屏蔽层连接到各自机柜的工作接地汇流排上，CCS及风机均能够正常运行。试着将风机“允许启动”电缆的屏蔽层连接到4号机柜的工作接地汇流排上，经过2 min左右的时间后，CCS出现了同样的AO卡件的“LOAD”黄色报警灯点亮的故障，风机也停止运行。将这2根电缆的屏蔽层从4号机柜的工作接地汇流排拆除后，该CCS及风机均能正常运行，反复试验多次均出现了同样的结果，由此可以断定CCS的故障是由风机“允许启动”电缆的屏蔽层受到电磁干扰而产生的感应电压所引起的。电气专业人员也无法解释这2根电缆的屏蔽层是如何产生感应电压的，并且无法消除。

6) 试着将这2根风机“允许启动”电缆的屏蔽层连接到4号机柜的保护接地汇流排上，CCS及风机均能正常运行。为了稳妥起见，将风机“允许启动”电缆的屏蔽层通过专用接地分干线作绝缘处理后与设置在机柜间防静电地板下的保护接地汇总板相连接，CCS与风机至今运行正常。

4.3 压缩机组控制系统的故障原因分析

在该CCS机柜内设置了工作接地汇流排，工作接地包含了仪表信号回路接地和仪表信号电缆的屏蔽接地。仪表信号回路接地的目的是为CCS提供一个稳定的基准参考零电位；屏蔽接地的主要目的是为了消除仪表信号电缆所产生的各种电磁干扰，将仪表信号电缆的屏蔽层所受到的电磁干扰直接与大地相连接，将干扰直接导入大地，可使被屏蔽的仪表信号免受外界的电磁干扰。从某种程度来说，仪表信号电缆的屏蔽层不可避免地会受到外界的电磁干扰，电磁干扰主要以交流感应电压的形式存在。在该CCS的机柜内，将仪表信号电缆的屏蔽接地与仪表信号回路接地直接连接在CCS机柜内的工作接地汇流排上，当仪表电缆屏蔽受到外界较大的电磁干扰时，仪表信号电缆屏蔽层所产生的交流电压在还没有及时泄放到大地以前，就在CCS机柜内的工作接地汇流排上对仪表信号回路接地产生了较大的影响，造成了该CCS的基准参考电位紊乱，使该CCS的连接电路不能正常稳定工作，导致该CCS故障。

综上所述并经实践表明，造成CCS的故障原因主要是仪表信号电缆屏蔽接地影响到仪表信号回路接地，使CCS失去了稳定的基准参考零电位，导致CCS无法正常工作，即接地系统混乱导致了CCS的故障，进而使2台风机不能正常运转。

5 仪表控制系统接地方法探讨

通过对该装置CCS故障的原因分析，对如DCS，SIS，CCS，GDS，PLC等在现场仪表机柜间内安装的仪表控制系统设备的接地原则补充建议如下：

1) 由于大型联合化工厂采用全厂等电位接地网，即仪表控制系统的安全保护接地、仪表信号回路接地、仪表信号电缆的屏蔽接地及防雷接地等，最终都连接到全厂等电位接地网，故建议在安装仪表控制系统的控制站的现场仪表机柜间内分别设置保护接地汇总板、仪表信号回路接地汇总板、仪表信号电缆屏蔽接地汇总板和在仪表信号电缆的出入口附近设置防雷接地汇总板，各接地汇总板分别通过接地干线与全厂电气等电位接地网相连接。各接地干线应尽量短，即各接地汇总板与全厂等电位接地网的连接电阻尽可能小，有利于仪表控制系统的各种接地。

2) 为防止仪表信号电缆屏蔽接地对仪表信号回路接地造成影响，建议在每个仪表控制系统机柜内分别设置保护接地汇流排、仪表信号回路接地汇流排和屏蔽接地汇流排，即将在仪表控制系统机柜内设置的工作接地汇流排拆分为仪表信号回路接地汇流排和仪表信号电缆屏蔽接地汇流排，各接地汇流排在仪表控制系统机柜内相互绝缘，分别通过各自的接地分干线与各自的接地汇总板相连接。

3) 由于仪表信号回路接地的主要目的是为仪表控制系统提供稳定、可靠的基准参考零电位，建议在同1个仪表机柜间内的同1个仪表控制系统的各个机柜内的仪表信号回路接地汇流排，利用接地分干线相互连接在一起，至少选择其中2个仪表信号回路接地汇流排作为本仪表控制系统仪表信号回路主接地母排，主接地母排通过接地分干线与仪表信号回路接地汇总板相连接。

4) 由于仪表控制系统的仪表信号回路接地、本安接地、电涌防护器接地都与本机柜内的直流电源的负端连接在一起，建议仪表信号回路接地、本安接地、电涌防护器接地与各自仪表控制系统机柜内的仪表信号回路接地汇流排相连接，通过仪表信号回路接地分干线与仪表信号回路接地汇总板相连接。

建议现场仪表机柜间内仪表控制系统设备接地如图6所示。

图6 建议现场仪表机柜间内仪表控制系统设备接地示意

6 结束语

仪表控制系统接地种类繁多，为保证仪表控制系统设备及人身安全设置了保护接地；为防止外界的电磁场对仪表信号的影响设置了仪表信号电缆屏蔽接地；为仪表控制系统提供稳定、可靠的基准参考零电位设置了仪表信号回路接地；为防止雷电干扰，在仪表信号电缆出入口附近设置防雷接地；为防止产生静电将防静电地板金属支架与保护接地汇总板相连接。仪表控制系统各种接地的作用不同，不能简单地将仪表控制系统机柜内接地汇流排和接地汇总板看作同1个等电位接地点，接地连接方式应根据具体情况做适当调整，在实际工作中要考虑各种接地线的连接电阻，各种接地在连接

到各自的接地汇总板前不得混接，避免接地系统混乱引起的相互干扰。正确的接地是仪表控制系统能够长期、稳定地运行的前提条件之一。

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