ＤＣＳ系統供電及接地研究

摘要：本文介紹了DCS系統供電及接地有關問題，以及如何解決。

關鍵詞：DCS；供電；接地

中圖分類號：TP273文章編號：1009-3044(2008)27-2109-03

Researching DCS Power Supply System and on Ground

ZHU Zhong-gen

(Huainan Mineral Industry Group， Electric Power Inc.， Huainan 232096， China)

Abstract: This article introduces the DCS system power supply and grounding of the problem and how to solve.

Key words: DCS; electricity; grounding

1 概述

DCS(Distributed Control System)系統設備是由高技術高精度設計制造的。它主要由電源模件、DPU（Date Processing Unit）以及相應的IO卡件和端子機柜等組成。為了使DCS控制系統更好的工作、模件控制程序執行穩定可靠；主模件和主模件之間、主模件與人機接口（HMI）以及工程師站（EWS）等通訊暢通，對DCS系統的供電質量和接地質量有嚴格的要求，另外對環境條件也有嚴格的要求。在適當的環境條件下，DCS系統可以可靠地長時間穩定運行，而當環境條件改變時，如電磁干擾、溫度及濕度的改變、污染腐蝕及振動等都可能造成系統工作的不正常。據電訊、計算機等行業統計80%以上的硬件故障是由于外部電源質量和接地問題造成的。因此了解DCS系統的供電及接地系統基本的要求是十分必要的。

2 供電系統要求

2.1 供電等級及類型

DCS系統供電電壓等級一般為交流，三相和單相供電都可以。當DCS設備由三相電源供電時，三相電源不平衡量應不大于25%。

2.2 DCS控制設備的負載特性

供電電源總是與其負載聯系在一起的，負載可分為純電阻式、電感抗式、電容抗式以及它們之間混合式的，DCS設備所帶負載三種都有，所以總的阻抗為三項之和：

R：純電阻值;XL ：感抗值;XC：容抗值

由于DCS控制設備所帶負載的多樣性，一些非線性阻抗也被引入。這樣，負載的電流與電壓將不是完全的線性關系，非線性負載的峰值電壓為均方根值的2倍，所以這點在測量電壓波形以及選用供電變壓器容量時，要充分考慮進去。

2.3 供電系統主要技術指標

由供電類型和負載特性，決定了供電技術指標及環境要求，如下表：

2.4 供電設備

隔離變壓器、不間斷電源（UPS）等可以作為DCS系統和供電電源，但要求供電電源獨立供給DCS控制系統，不要接其他設備（可以和控制顯示等儀表共用），即DCS系統的所有控制設備，包括DPU機柜、EWS、打印機、歷史站等設備的電源都要由這個供電電源提供。其中DPU機柜是兩路220VAC UPS電源供電。

供電系統中的中線（零線）與交流地線相短接，這種短接為金屬零件之間的連接，為確保高可靠性，焊接是比較好的連接方法，這樣做是為了消除零線對地的浮空電壓；當有些供電設備（如UPS）或同DCS設備共用電源的其他控制系統不允許這樣接法時，可以在供電設備與DCS設備之間安裝隔離變壓器，并在隔離變壓器次級端把零線與地線短接。

2.5 供電電線及線徑

供電設備系統應盡量靠近DCS控制設備，不要用低電壓電纜長距離傳輸，一般用220VAC傳輸時距離要小于100米。變壓器設備電源連線到電源分配盤上，在電源分配盤上分別接電源線到各個DCS用電設備，盤上還應為每路供電提供獨立的電源開關，而且每路供電電源都必須是三線制的，即相、中、地三線同時布線到各個用電設備上。

3 接地要求

3.1 接地的目的

為保證DCS系統穩定工作，對電廠中的大量干擾信號加以抑制，確保DCS系統通訊傳輸的各種信號畸變最小，為設備提供屏蔽層，消除電子噪音干擾；其基本措施除要求控制設備本身提高共模抑制能力和完善濾波外，還應采取相應的屏蔽和正確的接地系統布置。DCS控制系統采用接地系統的目的，就是為了當供電或設備出現問題時，有效的接地系統能承受過載電流，并迅速泄漏排放到大地去；為整個控制系統提供公共信號參考點。有效的接地系統提供的保護有兩方面：人員保護和設備保護。當接地系統出現問題時，可造成人員的傷害、著火和設備的損壞。

3.2 地極的要求

DCS控制系統的接地系統為兩部分，一部分為安全接地（交流地），一部分為系統公共地（直流地），安全地是指控制設備機殼接地，系統地是指系統中的各站（機柜）通過公共點接地。無論是安全接地還是公共地都是以大地作為零基準參考電壓點，合格的地網中的地極將作為大地的延伸點。DCS控制設備所用的地極應是廠區地網的一員，若沒有地網，要求與它的建筑地、設備地的地極相連接。

DCS控制系統一般應獨立使用一個地極，這個地極與建筑地極或其它地極要有大于5米的距離，距離避雷針地極要大于10米，地極周圍不要有大型電力設備的地極，但最終要和地網相連接，連接要牢固，保證高可靠導電性能，保證其它接地地極與所選接地地極間的電阻小于1歐姆。若在氣候嚴寒的北方地區，應使地極深入到凍土之下，因為當大地解凍后，有可能使地極松動下降，同大地的接觸電阻改變。其標準是用地阻測定器測量地電極與地電阻要小于4歐姆。

有效的地極應該是：1） 永久性的連續連接。2） 有能力處理一些安全的非正常的電流強行通過。3） 有足夠低的阻抗。設備地必須三個條件都滿足，如果有一條不滿足，都不是合格的設備地。當地極不滿足接地電阻時，可用三種方法去降低電阻到規定的范圍：1） 增加地極深度。2） 使用復合地極。3） 土壤處理。接地極應至少每年檢測一次，保證地極的有效性。

3.3 接地系統與地極的連接

接地系統包括交流接地和直流接地。有效的接地系統應牢固地接到地極上，并且整個接地系統只有一點接到特定的地極上。只有這樣，整個接地系統才能提供唯一的一個零電壓參考點。否則，由于系統多點接地，地電阻和引線的電阻值不相同，有地電流通過時，就會造成兩點設備的地電平產生電位差，從而使兩點設備的通訊出現差錯。只有一點可以除外，即兩個設備之間沒有任何通訊聯系，才可以分別接地，否則，應遵循單點接地的原則。

接地系統與地極是靠接地排相連接的，接地排連接點要距地面450mm以下，距建筑墻壁900mm以外，接地排與地極之間再無其他連接，保證接地排清潔和防腐。

設備地線應是銅或耐腐蝕性的絕緣電纜。地線的體積取決于需要消除干擾噪音的最大泄漏電流，推薦線徑用10mm多芯絕緣銅導線，最長距離不超過200米。

直流公共地線與安全交流地線的接地位置理想的是同一位置，即直流接地極就是交流接地極。當不能接到同一地極時，可分別做地極，但兩個地極的要求是一致的，而且兩個地極之間要短接，保證這個地極間電阻小于1歐姆。

3.4 交流地線到各個DCS設備的連接

接地極線連至供電變壓器隔離層，并在次級端與中線相短接，并同供電相線和中線一同引至電源分配盤上，從電源分配盤上到各個DCS設備要求三線（相、中、地）同時布放到最終設備的接線排上，三線徑相同，機柜機殼同交流地相連接，供電線線阻抗要求小于0.25歐姆。

3.5 直流地線到各個DCS設備的連接

接地極線連至DCS系統中某一機柜中的直流母線上，系統中其它機柜的直流母線采用星形接法接至已經連上接地極的機柜的直流母線上，各個機柜所帶的端子柜也是采用以各自供電的機柜為中心的星形接法，連接導線規格推薦使用線徑5mm多芯絕緣銅導體電纜。

直流地極引線上的交直流電均小于1A，一般為0.05～0.1A；各機柜的直流母線排與交流地的交直流電壓要求都要小于1V，有條件應使用示波器測量高頻電壓（大于10KHZ），不超過750mv峰值；各機柜直流母線排間的電位差小于10mv；直流母線與交流地之間電阻小于1歐姆。以上條件有一項不滿足時，就應該減小接地導線的長度或選擇不同的接地導線材質，或重新選擇新的地極，直至條件滿足。

當直流母線與地極斷開時，直流母線與交流地之間電阻應大于1兆歐，當小于1兆歐時，應把直流地線上的星形連線斷開，分段測量直至找到有問題的機柜。EWS、打印機等設備沒有直流地。

3.6 屏蔽棒與屏蔽線的連接

采用屏蔽就是要求機柜內屏蔽棒同交流地相連接，即同機柜上接地螺栓相連接。信號線（包括電纜、屏蔽導線、屏蔽補償導線等）的屏蔽層都應接地且要求單點接地，當信號線的屏蔽層要求在機柜側接地時，現場側的信號線屏蔽層一定要懸空，機柜側的信號線的屏蔽層一定要接到離該信號線端子最近的屏蔽棒上，并且要牢固緊壓好。

4 供電與接地系統容易出現的問題

無論供電系統還是接地系統，最容易出現的問題常常是：

1) 連接的各個連接頭造成的問題：

2) 電源連線問題：

5 DCS設備首次受電措施

5.1 受電前的檢查

1) 檢查DCS機柜內的各種接地均符合要求。

2) 對DCS電源系統所有回路的準確性和絕緣性能及輸入電源作認真細致的檢查，并作記錄。

3) 檢查DCS系統的外部環境應符合設計和設備生產廠家的要求。

4) 檢查DCS系統內部電源開關應在斷開位置，熔斷器容量符合設計要求，自備的UPS安裝完畢。

5) 各電源的相線、中線、地線準確無誤。

6) 在對DCS系統各部分送電時應加強聯系，發現異常時立即切斷電源，待查明原因后再行送電。

5.2 受電后的檢查：

1) 檢查冷卻風扇工作應正常。

2) 檢查各個電源模件過電壓、欠電壓、過電流保護動作值應符合設計及制造廠要求。

3) 測試雙路冗余電源的切換時間，并檢查各路電源的負載能力。

4) 檢查失電故障報警系統應正確。

6 結束語

正確解決好DCS系統供電和接地問題是DCS控制系統可靠、穩定運行、的關鍵。這就要求施工人員在安裝期間嚴格按照設計圖紙進行施工，同時運行和維護人員也要適時介入，了解設備的基本原理，為設備正常工作提供強有力的保障。

參考文獻：

[1] 徐光翔，單片機原理?接口及應用學習參考[M]，南京大學出版社，2005.

[2] 貝利INFI-90/NETWORK-90系統接地守則.

[3] WDPFII分散控制系統介紹.

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。”