05 DCS系统接地规范

1、 DCS系统接地规范介绍接地目的、分类、设计准则和JX-300X DCS系统设备接地安装规范。合理准确的接地是保证集散控制系统运行安全可靠,系统网络通信畅通的重要前提。正确的接地既能抑制外来干扰，又能减小设备对外界的干扰影响。而错误的接地反而会引入干扰，严重时甚至会导致集散控制系统无法正常工作。因此接地问题不仅在系统设计时要周密考虑，在工程安装投运时也必须以最合理的方式加以实现。3.1 接地目的集散控制系统接地有两个目的: 一是为了安全；二是为了抑制干扰。3.1.1 安全包括人身安全和系统设备安全。与一般用电设备一样，根据安全用电法规，电子设备的金属外壳必须接大地，以防在事故状态时金属外壳出现

2、过高的对地电压而危及操作人员安全和导致设备损坏。3.1.2 抑制干扰包括两部分，一是提高系统本身的抗干扰能力；二是减小对外界的影响。集散控制系统的某些部分与大地相连可以起到抑制干扰的作用。如静电屏蔽层接地可以抑制变化电场的干扰，因为电磁屏蔽用的导体在不接地时会增强静电耦合而产生“负静电屏蔽”效应，加以接地能同时发挥静电屏蔽作用；系统中开关动作产生的干扰，在系统内部（如各操作站及控制站间）会产生相互影响，通过接地可以抑制这些干扰的产生。3.2 接地分类电子设备中“地”通常有两种含义：“大地”和“系统基准地”。 “大地”是指系统的金属外壳、线路等通过接地线或接地板等接地装置与大地相连，这里讨论的接

3、地技术均指接大地。 “系统基准地”是指信号回路的基准电位导体(如控制系统的直流零伏导体等)，简称系统地。这时接地的含义是指单元、装置内部各部分电路的信号返回线与基准电位导体之间的连接，接地的目的是为了给系统各部分提供稳定的基准电位。DCS系统中有许多需要接地的部分。由于回路性质和接地目的的不同，需要分成若干独立接地子系统，然后连在一起实行总接地。DCS中接地的种类主要有以下三类：系统地、屏蔽地和保护地。3.2.1 系统地控制系统中的基准电位是各回路工作的参考电位，基准电位的连线称为系统地，通常是控制回路直流电位的0V导线。系统地是三类接地中最重要的一类。与其他通信装置不同，控制系统都不用大地作

4、为信号返回路径。但系统地是否要接大地以及如何接大地，与控制系统的工作稳定性密切相关。1）系统地接地方式系统地的接地方式通常有三种：Ø 浮地方式不接大地，任其悬浮。为了抑制共模输入电压的影响，低电平信号输入电路往往采用浮地方式。DCS中的I/O子系统都是采用浮置式。浮地方式的有效性取决于实际的悬浮程度。而对于DCS这种规模较大的系统，由于存在较大的对地分布电容，很难实现并保持真正的悬浮。当系统基准电位受干扰时，会通过对地分布电容出现的位移电流影响控制系统正常工作；当控制系统规模增大，输入输出线增多或加长时，都会使对地电容增大，位移干扰电流增加，而给系统引入干扰。因此，DCS主机的系统地

5、不能浮置，而要采用直接接地方式。Ø 直接接地方式系统地与大地直接相连。这种接地方式的优缺点恰与浮地方式相反，当控制系统有很大对地分布电容时，只要合理选择接地位置，便可以抑制分布电容的影响。Ø 电容接地方式经电容将系统地与大地相连。接地电容为高频干扰分量提供对地通路，抑制分布电容的影响，但对低频干扰分量仍是断路。所以类同浮地方式的部分缺点依然存在。2）系统地一点接地原则当一套集散控制系统有多个现场控制站或数采站时，整套设备的系统地必须只有一点接大地。因为接地电阻不可能等于0，当有电流从接地极注入大地时，接地极及其附近的大地电位便会升高，引起设备地电位的波动。所以如果有两个或更

6、多的接地点，它们之间总会有地电位差，并导致产生环形地电流。集散控制系统中众多的电气和电子控制系统同时工作时，地电流分布状况很复杂，必须仔细考虑地电位差的影响。JX-300X DCS每只机柜最多只有一点接大地，多个机柜由同一套直流电源供电时，必须只有一点接大地，且该点应选择开关电源所在的机柜。同样JX-300X DCS操作站也必须接大地，并且仅有一点接大地。3）系统地一点接地方式一点接地方式分放射式和干线式两种。当系统规模较小时，可以采用图3.2.1-1所示的放射式一点接地。接地线尽可能选较粗的导线。而当系统规模较大时（三个控制站以上），宜采用图3.2.1-2所示的干线式一点接地。干线式一点接地

7、就是将所有系统地用粗干线连起来，经一点接地。粗干线的选择要满足粗、短、扁的要求，另外要注意粗干线要真正浮起来，避免与地连起来，尤其当干线较长时，要保证只有一点接地。当现场接地网电阻较小（一般在几十毫欧以内），并且所受干扰较小时，可以将该接地网作为干线使用。 图3.2.1-1 放射式一点接地示意图 图3.2.1-2 干线式一点接地示意图JX-300X由同一套开关电源供电的机柜，应采用发射式接地方式先将各机柜汇流排（直流电源地）和开关电源所在机柜的汇流排连接，然后一点接地。多个系统的接地应以干线式、就近接地为原则。如无法保证干线式接地，则应以就近接地为原则，并在通讯口加装防雷部件。接地时应首先保证

8、人身安全，其次应远离避雷针接地点，最后应使接地电阻较小。3.2.2 屏蔽地为了抑制变化电场的干扰，控制系统中广泛采用多种静电屏蔽，如变压器的静电屏蔽层、线路的屏蔽层或局部空间的屏蔽罩等。所有作静电屏蔽用的导体都必须良好接地才能发挥作用，即使是作电磁屏蔽用的导体也以接地为好。1）屏蔽地的一点接地原则与系统地线一点接地的道理相同，控制系统屏蔽地也必须一点接地。在同一控制站内，各屏蔽地就近接到汇流排，通过汇流排接地；如果存在多个控制站，则与系统地一样，设立独立的屏蔽接地母线，各控制站的屏蔽地都经该接地母线一点接地。2）各种屏蔽层的接地方式Ø 信号电缆屏蔽层：原则上应在信号源或接收器一侧接地

9、。控制装置之间的信号电缆应在对地电容大的一端接地，这样能减少信号电缆对地分布电容的影响。DCS中屏蔽层大多在机柜内的端子接地。但是，对于铠装热电偶不适用。因为被测装置通常都接地，而且有些是大电流或中高频加热装置，噪声很强，这样的测温屏蔽层应在被测装置一侧接地。采用双重静电屏蔽层的电缆，通常均把外屏蔽层接到屏蔽地线，把内屏蔽层接到系统地线。Ø 电源变压器的屏蔽层：静电屏蔽层应接到保护地。为了保证电缆屏蔽层真正实现一点接地，应该注意以下事项：1) 屏蔽电缆要有绝缘护套；敷设安装电缆时避免损坏护套，譬如不可在有尖锐边缘的金属部位拖拉电缆；屏蔽层经过转接端子时，须专门配备供屏蔽层用的专用端子

10、，图3.2.2-1所示，这样能保持屏蔽层的连续性。图3.2.2-1 电缆屏蔽层一点接地2) 当发现屏蔽接地效果不佳时，首先要检查屏蔽层的绝缘护套是否损坏。判断的方法是：将屏蔽地一点接地点断开，检查屏蔽效果是否有改善，若是，则可以判断电缆护套可能损坏。3) 对个别情况，信号电缆的屏蔽层需要两端接地。如某些灵敏的高频输入电缆层要采用两端接地，而且电缆应紧贴地面敷设，以减少接地环路的面积；当地电位差较大时，还可紧靠屏蔽线敷设一根较粗的电位平衡导线来平衡地电位差，减少流入屏蔽层的电流。3.2.3 安全地安全地也称保护地。根据一般的人体电阻，已对各种环境下允许直接接触的安全电压值作出规定：普通环境为30

11、V左右；潮湿环境和手持设备为24V左右。凡工作电压超出上述安全电压的用电设备，其接触部位外壳、机座、操作手柄等金属部件都必须接地，称为保护接地。DCS采用综合接地方式，系统内部已按一点接地原则将系统地、屏蔽地和安全地接到同一汇流排上。 3.3 接地设计准则DCS系统中的三种接地最终都与大地相连，从而彼此连通。但是若它们之间的连接方法不妥，则可能通过多种途径（如交流电位中线、公共接地线的阻抗、接地环路、接地导线的容性耦合等）引入强烈的干扰。特别是在集散控制系统中，强弱电设备有多种接地线和接地点，设计、施工不当很容易形成公共接地阻抗或接地环路而引入干扰。所以接地系统在设计、施工中应力求做到以下三点

12、：1）接地线尽可能选得短、粗、扁。当接地线等于或接近信号波长的1/4时，接地线便成为天线，发射或接收噪声干扰。因此，接地导线必须短。接地导线决不能大于信号波长的1/51/10。在实际施工中，以1MHZ作为一点接地的低频极限频率，与之相应的接地导线以30米左右相宜。导线的粗细至少选3。2）建立等电位接地导线。综上所述，DCS系统的接地分为安全地，系统地和屏蔽地，接地的目的一是为了人身安全，二是为了设备安全，三是为了抑制干扰。在进行DCS接地系统的设计时，需要视装置的具体情况而定，有所侧重地选择一种最佳方式，因此最后形成的接地方式很可能是一种折中方案。对于已经构建了很好的全厂接地网的工业企业，可以

13、将安全地、系统地和屏蔽地都接到接地网上，构成“一点接地”系统。对于没有全厂接地网或者接地网效果不佳的用户，我们下面提供一种系统的接地规范以供参考。对于其它情况特殊的工业企业，（如装置的地势和周围相比比较突出，需要防止雷击破坏）请参照上述的设计准则采取相应的侧重点。3.4 接地安装规范3.4.1 电源系统电源系统由于已经有地线和电气地连接在一起，可以采用浮地方式供电。1） 采用专用配电箱配电箱应安装在控制室的电源进线处，配电箱接地线应与电气地相连或就近接地。配电箱内应配置UPS连线端子。2）配UPS的电源系统由于UPS交流输入端、交流输出端中的接地线已连在一起，且与外壳相连，因此在配线时应注意：

14、Ø UPS输入端的接地线（或接地端）单独与供电系统电气地相连，无电气地时，应在交流电源进线处就近接地，不要引到DCS系统；Ø UPS交流输出端只引出相线和零线与控制站或操作站开关电源相连；Ø UPS外壳不能与控制站或操作站外壳相连或碰在一起。3）不配UPS 的电源系统只须引出相线和零线与控制站或操作站开关电源相连。3.4.2 控制站和操作站接地3.4.2.1基本接地方法控制站和操作站应远离避雷泄流通路，其整个接地网和避雷接地点的最短距离应15m。地域分布较广的JX-300X系统应以干线式就近接地为原则。3.4.2.2控制站接地SP202在机柜的正面底部装有一根接地

15、汇流铜条，是整个机柜的GND铜条，控制站内部的系统地、安全地和屏蔽地都连接到该铜条上。图3.4.2-2 SP202机柜接地铜条安装示意图控制柜安装到位后，其任何金属部件应和大地处于浮置状态，包括固定用地脚螺丝，以利于系统的一点接地。1）控制站开关电源接地控制站开关电源接地主要是开关电源的交流侧接地与直流侧接地。开关电源交流侧接地是将交流进线侧的电气保护地（E端）引到机柜GND或铜条。开关电源直流侧接地则是将直流侧地（GND端）通过DCS机笼供电端子的地端引到机柜GND铜条。图3.4.2-3电源机笼背后接线端子排列图2）控制站内部接地Ø 系统地控制站系统地由机笼接地端子的地端，经3导线

16、直接与机柜GND铜条相连而成。系统接地时，连接点一般选择在汇流排最左边。个别系统采用垂直安装汇流排时，连接点一般选择在汇流排最下方。此项工作一般在系统设备出厂时已完成。Ø 安全地控制站安全地由控制站开关电源交流进线侧的电气保护地、机柜外壳与机柜GND铜条相连而成。此项工作一般在系统设备出厂时已完成。Ø 屏蔽地现场信号电缆如有屏蔽层，则将屏蔽层连线织成辫子后，与机柜GND铜条相连，连接点一般选择铜条的右边或下方。此项工作一般由用户自行完成。SP202机柜内部接地示意图如图3.4.2-4。 图3.4.2-4 SP202机柜内部接线图3）操作站接地操作台底部安装有一根接地汇流排，

17、设备出厂时已将安全地（外壳）连接到此汇流排上。操作台安装到位后，其任何金属部件应和大地处于浮置状态，以利于系统的一点接地。操作站接地包括工控机和显示器接地。工控机和显示器背部均提供有接地螺丝，此点既是系统地也是屏蔽地和安全地。图3.4.2-6 工控机背部示意图图3.4.2-7 显示器背部示意图操作站接地按以下步骤：Ø 工控机和显示器安装到位后用（23）mm多芯软铜线与操作站底部的接地汇流排相连，连接工控机和显示器的一端应使用O形连接头；Ø 所有操作站接地铜条用3以上的多芯软铜线相连，然后用3导线与控制站机柜GND铜条相连；3.4.3 接地总成同一个JX-300X DCS 系

18、统中，所有SCnet网络节点的系统地必须同地，以满足系统内直流地（系统地）的等电势要求。系统内的系统地、安全地、屏蔽地必须最后汇流到同一个接地点上（即一点接地），而这个接地点的接地电阻应足够小，以保证有效地快速消除干扰。在理想情况下，DCS系统最好使用网状接地，所有现场设备、仪表和DCS的操作站和控制站均在该接地网内，接地网有良好的雷击保护，避雷针泄流点和接地网最短间距15m。但在实际应用中极少有系统能满足以上要求，因此，具体工程安装时必须对接地方案采取按优先级折衷的方法，优先级由高到低排列顺序如下：1） 人身安全；2） 设备安全；3） 通信网络安全；4） 信号安全。人身安全主要通过设备外壳的

19、良好接地保证。DCS系统中设备外壳（保护地）已接到汇流条上，因此，系统接地时要求就近接地，以减小人体的电位差。因为雷击造成的地电位反击是设备损坏的重要原因，所以，良好的避雷接地网是保证系统安全的先决条件。接地点的选择很重要，一般要求接地点上的接地网和避雷针泄流点距离15m。若和避雷针泄流点距离过近，当雷击产生时，会造成地电位急剧瞬变，极易造成系统的严重损坏。工业现场避雷针泄流点一般设置在建筑物周围，当建筑物内无法满足上述距离条件时，如已存在仪表地，则直接接到仪表地；否则，可在建筑物的避雷针保护范围内寻找满足要求的接地点。在实际现场施工过程中，这个接地点最好是为JX-300X系统而设置的独立地桩

20、（其接地电阻符合要求），这对系统的安全性和抗干扰能力都很有好处。机柜安装时要避免将机柜与工厂电气地连通，仪表柜的接地也必须不能破坏DCS系统一点接地的原则。系统只有1个控制站、1个操作站时：Ø 将操作站接地铜条与机柜GND铜条用>3mm导线相连接；Ø 利用>3mm导线，将机柜GND铜条与接地地桩相连接。系统有1#、2#多个控制站、多个操作站时：Ø 确定某一（如1#）控制站为所有接地的最后汇集点，称为最终接地机柜；Ø 将各控制站的机柜GND铜条用导线相连，并将操作站接地用>3mm导线连到最终接地机柜的机柜GND铜条上；Ø 利用>3mm导线，将最终接地机柜的机柜GND铜条与接地地桩相连接。图3.4.3-1 系统接地示意图地桩要求：地桩接地体一般为4至6根（2.22.3）m长45×45×5角钢，以（12）m间距打入地面2m深