工廠工程設計中控制系統的屏蔽與接地

李民選 鐘益聯

(中國中輕國際工程有限公司，北京，100026)

工廠工程設計中控制系統的屏蔽與接地至關重要，它不僅關系到工藝設備及其控制系統穩定、準確、可靠的運行，而且關系到人身和設備的安全。控制系統的接地不僅要考慮采用正確的屏蔽措施，防止信號干擾以免影響控制系統正常運行，而且要了解工廠供電方式及其接地、防雷設計方案。本文簡要介紹了干擾、屏蔽、接地等基本知識，給出典型的控制系統接地系統圖，供有關技術人員參考。

1 關于控制系統干擾

1.1 控制系統信號

控制系統信號包括:

·低電平模擬信號

·高電平模擬信號

·有源開關量信號

·無源開關量信號

·低頻數字通信信號

·高頻數字通信信號

1.2 控制系統干擾來源

(1)直接耦合

例如熱電偶套管在高溫下產生的漏電電阻，形成直接耦合。

(2)公共阻抗耦合

產生于兩個以上的電路共用一段公共段導線的情況。比較常見的是通過一段公共段導線，由一個公共電源向幾個電路供電的情況。

(3)電場耦合

通過電容產生的耦合。(4)磁場耦合

通過互感產生的耦合。

(5)輻射和空間電磁場耦合

干擾源有:自然干擾，包括宇宙干擾，太陽干擾，雷電干擾;人工干擾，包括放電干擾，開關通電干擾。

1.3 控制系統易受干擾部位

控制系統的信號線、接地線、電源線等為易受干擾部位，工程設計及其施工、維護維修時應特別予以足夠關注。

1.4 干擾的模式

(1)正常模干擾 (Normal Mode Interference)

它是測量電路端電子間的非有用信號，包括:

·由于靜電感應產生的非有用信號

·由于電磁感應產生的非有用信號

·導體中不同金屬連接處產生的結電位和熱電位

·差模干擾

·由共模干擾通過共模變換轉換產生的差模干擾

(2)差模干擾 (Differential Mode Interference)信號傳輸路徑中的一邊電位相對另一邊變化的干擾:這時，干擾電流完全處在信號傳輸過程中。它直接包含在正常模干擾中。

(3)共模干擾 (Common Mode Interference)

在兩條引線和共同基準面之間所出現的干擾，這種干擾使傳輸通路兩側的電位同時發生變化，而且變化量相對于共同基準面也相同。基準面為電平的基準，用作返回電路并作為電位的公共參比點或信號電位的公共參比點。通常以地平面 (Ground Plane)即大地為基準面。

1.5 共模抑制 (Common Mode Rejection—CMR)

裝置消除共模干擾信號的能力稱為共模抑制。

1.6 共模抑制比 (Common Mode Rejection Ratio—CMRR)

系統輸入端的共模干擾電壓與共模干擾對放大器輸入端產生效果的比。

2 零信號參比電位

圖1所示為零信號參比電位。圖1中的a、b、c、d、e及f為電子線路的信號回路。顯然它們都應有相同的基準電位。它們各自的相對零電位點，都要連接在一起，即b、d、f各點都要在G處連接在一起。G點的電位稱作零信號參比電位。為了提高抗干擾能力，G點應接地。

圖1 零信號參比電位

3 屏蔽(Shield)

完全封閉的導電殼體外部的電場，不會影響該封閉導電殼體內部空間中的電場。因此，封閉的導體殼體對其殼體內部導體形成屏蔽，使內部的導體不受殼體外部電場的影響。實際上，不能做到完全的屏蔽，如將導電殼體接地，對殼體的內部導體有影響的外部電場電力線，有相當多的一部分將以接地的屏蔽為終點，使接地的導電殼體形成更有效的屏蔽。

完全封閉的導電殼體內部的電荷，對該封閉導電殼體外部空間中的電場的影響，理論上不會因導電殼體的存在而有所降低。如將該導電殼體接地，則殼體內部電荷的電力線將以接地的導電殼體為終點，使接地的導電殼體形成屏蔽。

如圖2所示，封閉的導電殼體3為導體2的屏蔽。由于屏蔽3已經接地，V3=0，所以導體2上的電荷Q對導體1沒有影響;又由于封閉導電殼體外部的電荷不會影響封閉導電殼體內部空間中的電場，因此，可以認為互容C12=C21=0。

圖2 通電導體的電場

當導體3沒有接地時，則殼體外表面仍存在電荷Q產生的感應電荷，形成電場。由于C13=C31的存在，導體2上的電荷通過導體3對導體1產生影響，因此作為屏蔽的導體應接地。

如封閉導電殼體3沒有完全封閉，則會出現以導體2為起點，以導體1為終點的漏電力線，這時屏蔽是不完整的。為防止外部電場對控制設備的干擾，屏蔽應接地。

電子兼容要求要同時滿足防止外部電場對電子設備的干擾和防止電子設備對外部空間電場的影響，這都要求屏蔽必須接地。

在具體實施時，屏蔽實際上是分段的，其原因不單是因為防止屏蔽的范圍過大從而會增加產生屏蔽電流的可能性，也是由于控制系統是由電子裝置、電源裝置等用電纜連接起來的，其在出廠時，一般都設置了參比電位和屏蔽。

通常Shield和Screen都為屏蔽，從嚴格意義上講，它們是有區別的。按美國電工電子工程師學會(IEEE)的名詞術語，屏蔽應為Shield而不是Screen。在國際電工委員會 (IEC)標準中，為防止觸電而設置的接地柵格被稱為Screen。

4 接地

4.1 接地目的

接地的目的是為了滿足電氣設備安全和工作的要求。接地有 Earth和 Ground之分，其實 Earth和Ground是不同的，Ground并不一定和大地相連，而Earth則必須與大地相連。

4.2 接地分類

接地包括以下幾種:

(1)保護接地PE(Protective Earthing)

以保護人身安全為目的的接地稱為保護接地或安全接地。保護接地所指的自控設備包括［1］:

·儀表盤、儀表操作臺、儀表柜、儀表架和儀表箱

·DCS/PLC/ESD/SRS機柜和操作員站

·計算機系統機柜和操作臺

·供電盤、供電箱、用電儀表外殼、電纜橋架(托盤)、穿線管、接線盒和鎧裝電纜的鎧裝護套

·其他各種自控輔助設備

(2)工作接地 (Technical Earthing-TE)或功能接地(Function Earthing-FE)或稱Signal Earthing-SE)

工作接地是指系統、裝置或設備中，以防止人身受電擊保護為目的以外的接地，包括信號回路接地、屏蔽接地和本質安全儀表接地［1］。

就控制系統而言，TE包括信號接地 (信號參比電位接地)和屏蔽接地。信號接地的目的是保持信號的準確性和穩定性。

4.3 零電位和大地

以下處所可稱為零電位:

(1)無窮遠處

如空間中有一電荷Q，與該電荷Q距離為r處的電位V=Q/4πr，當r無窮大時，V=0。因此，無窮遠處可認為是零電位。

(2)大地

大地的自電容C=4πεr，由于地球的半徑r很大，其自電容可認為無窮，又由于V=Q/C，可以認為地的電位V=0。雖然大地可認為是零電位體，但大地不是金屬導體，各處的電位是有差異的。不同位置的電位差，正常時最大可達10 V，甚至大于50 V。實際上，一般穩態電壓不會大于50 V，但脈沖或瞬態電壓常大于50 V。

如前所述，由于地面上不同位置實際存在電位差，該問題在設置屏蔽和接地系統時需要認真加以考慮，而且常是問題的關鍵。

5 電源

5.1 供電系統

電源的供電方式、接地方式、PE的連接方式與控制系統接地有密切的關系。

供電系統按接地方式的不同分為3類，即TN系統、IT系統、TT系統。其中TN供電系統又可分為TN-C、TN-S和TN-C-S系統。

為明確起見，圖3簡略表示出供電系統電源的連接和接地連接形式。對控制系統而言，TN-S系統是常用的，它是把整個系統的中線 (N線)和PE線嚴格分開的供電系統，如圖3(b)所示。

圖3 供電系統電源的連接和接地連接形式

5.2 電源的中性線 (N)

當電力系統變壓器低壓側為Y結法時，其低壓側中性點的電壓為電源電壓的參比電壓。在三相平衡時，它與三相電源線電壓形成的虛擬中性點是一致的。該中性點接地后，其電位為地電位，即電源的參比電壓為地電位。配合其他電源線，由該中性點接出的回路為電源的中性線 (N)。

5.3 電源的連接和電源接地連接形式

TN-C的最大缺點是PEN線中有負荷電流，它常是地干擾的根源。

TN-S的優點是負荷電流不進入工作接地的系統，適用于電子設備和防爆場合。為使控制系統運行良好，一般應采用TN-S接法。

對控制系統防干擾而言，不推薦采用TN-C接法，也不要采用IT和TT系統。雖然IT系統有很好的供電可靠性，但其中性線N與地電位不同，對控制系統的抗干擾不利，不應采用。

當供電系統不是TN-S系統時，應裝設專用的變壓器向控制系統供電。當采用專用的變壓器、電動發電機、UPS向控制系統或電子設備供電時，其輸出必須是 TN-S系統，以避免在 TE或PE出現電流。

雖然一些重要的國際標準規定，在某些情況下PE和TE不必分開，但為了有利于控制系統的運行，仍強調一定將N、PE、TE分開為宜。

6 對屏蔽的基本要求

6.1 屏蔽和參比電位導體的連接

電子線路的參比電位應與屏蔽處于相同的電位。屏蔽和參比電位導體的連接見圖4。由圖4(a)可見，A和B之間有地電位差VAB，當屏蔽和參比電位導體2在裝置S處附近相連時，在參比電位導體內產生零信號參比電位導體電流，影響電子系統的工作。當屏蔽和參比電位導體2在2的接地點附近相連時，在參比電位導體內不產生零信號參比電位導體電流，因而不影響電子系統的工作。因此，屏蔽應在參比電位的接地處與參比電位導體相連，見圖4(b)。

6.2 屏蔽的單點接地

由于不同接地點間存在電位差，為避免屏蔽電流，屏蔽只能有一個接地點。

6.3 參比電位導體的單點接地

由于不同接地點間存在電位差，為避免參比電位導體電流，每段參比電位導體只能有一個接地點。

圖4 屏蔽和參比電位導體的連接

7 等電位連接 (Equipotential bonding)

7.1 連接 (Bonding)和等電位連接

連接是指把與電氣設備有關的裸露金屬部分以及與電氣設備無關的裸露金屬部分都連接起來并連接到系統接地。因此，連接一般就是指接地的等電位連接。

7.2 主等電位連接 (Main equipotential bonding)

在各個建筑內，以下導電部件的連接為主等電位連接:

(1)主接地導體 (Main earthing conductor)或主接地連接板。

(2)主保護導體 (Main protective conductor)。

(3)建筑內的供料管道，如水管等。

(4)結構的金屬部件，集中采暖和空調系統。

7.3 輔助等電位連接 (Supplementary equipotential bonding)

將導電部分間用導體直接連通，使其電位相等或接近，稱為輔助等電位連接［2］。另外，當不能滿足自動切換電源的要求時 (主要是由于低壓短路電流太小所致);或采用輔助等電位連接能使接地更為方便可靠，應在就地進行輔助等電位連接。

7.4 控制系統采用等電位連接方式時的優點

·接地母線截面大

·電阻和電感小

·大地的任意兩點間的電位差小，特別是由于大地中高頻電流小，大地的任意兩點間高頻電位差小

·減少地線干擾

·理論上，屏蔽可兩點接地以提高屏蔽系數，但實際上對高頻屏蔽可以將屏蔽進行兩點接地，獲得較好效果;而對頻率低于1 MHz的屏蔽，即在工程設計中經常處理的屏蔽接地，不允許兩點接地，而只能單點接地。對控制系統的高頻屏蔽必須按照控制設備制造廠的要求進行

·減少大地雜散電流的影響

·可提高控制系統的工作頻率，大約能比不用等電位接地提高10倍

·投資省

·有形成屏蔽網保護防止雷擊的作用

7.5 控制系統的接地采用等電位連接方式時的一些

要求

·外部引入的金屬部件，應在建筑內的入口處在同一地點進行等電位連接

·電源用TN-S系統連接法

·防雷的接地線最好是多點接地

·室外的信號線，避免采用金屬架空線，可用埋地敷設。如一定要用架空敷設，則必須穿入金屬管內，或敷設在封閉的金屬槽內，并做好防雷保護。當然采用光纜最好

·室外最好有環形接地線，起均壓作用，以抑制防雷系統對電子裝置的影響

·接地連接線愈短愈好

·單芯的接地線要穿入等電位的非導磁金屬管內

·兩個等電位連接系統之間連接時，要用光纜或非導電系統如微波、激光等

·PE及TE連接導體應采用絕緣電纜

8 控制系統的接地及其與供電系統接地的連接

8.1 典型的控制系統接地系統

典型的控制系統接地系統見圖5。應該特別指出，圖5中設置儀表MPEB、MTEB主要是針對大型或較大型控制系統，其控制室和現場機柜、操作箱、控制箱數量較多的情況。例如大型高速現代化紙機，其控制系統包括PCS(如DCS或PLC)、QCS、MCS、WMS、WIS、WRS等［3］，其控制室和現場控制設備數量較多，故而采用圖5的接地系統是合適的。如果控制系統屬中小型系統，控制室和現場的控制設備數量不多，可取消MPEB、MTEB，現場PE、TE接地箱酌情設置或不設置。控制室內的機柜接地分別接至接線架室 (或稱機柜室)內的PEB、TEB，現場控制設備的接地視不同情況可接至PEB、TEB，也可適當匯總接至MEB。

8.2 接地系統各部分的基本要求

·不要用TN-C系統，也不要用TN-C-S系統，而要用TN-S系統，N、PE、TE都要分開

·接地連接線愈短愈好

·單芯的接地線路需要穿管時，要穿入等電位的非導磁金屬管內

·兩個等電位連接系統之間進行信號連接時，要用光纜或非導電系統如微波、激光等

圖5 典型的控制系統接地系統圖

·PE接地干線和接地連接板以及全部TE必須對建筑物、管道、各種支架等絕緣

·機柜或機架的長度超過10 m時，要在機柜或機架的兩端都設PE分干線，進行等電位接地

·控制系統的電源應從變電所的低壓配電盤引出

8.3 接地系統各部分導體截面要求

關于接地系統各部分導體截面要求，雖然國際、國內各種標準的基本原則都一致，但具體數字卻有明顯差異。究其原因是作為接地導體截面愈大愈好，但要結合造價來統一考慮。由于統一考慮的具體做法不一致，且各國的情況不同，不同行業的具體條件也存在差異，因此國際、國內各種標準中對其導體截面要求并不一致。具體工程設計中采用的數據應根據有關標準和規程，并在其允許的范圍內確定。

(1)接地連接板

控制系統專用的接地連接板，主要是為了提高接地系統的可靠性和減少接地線的長度。接地連接板要與建筑物、管道、各種支架等絕緣。接地連接板本身可用絕緣的，也可用裸露的，但在用裸露的母線時，其支架必須是絕緣的。

接地板要有足夠的截面，其電壓不能超過1 mV。

a.主接地連接板MEB屬供電專業，由供電專業確定其技術要求及導體截面。

b.自控儀表保護接地匯總板MPEB、工作接地匯總板MTEB，機柜室 (有時稱接線架室)的 PEB、TEB，其銅排截面可為:100 mm×10 mm。現場PE(或TE)接線箱銅排截面可為:50 mm×6 mm。

(2)接地電纜［2］

對照圖5，接地連線1～2.5mm2;接地分干線4～16 mm2;接地干線10～25 mm2;接地總干線16～50 mm2。(作者注:德國標準往往要求比上述截面大1～2級)。上述數據詳見文獻 ［1］。

8.4 聯結電阻、對地電阻和接地電阻［2］

·從儀表設備的接地端子到總接地板 (圖5中的主接地連接板)之間導體及連接點電阻的總和稱為聯接電阻。儀表系統的接地聯結電阻不應大于1 Ω

·接地極的電位與通過接地極流入大地的電流之比稱為接地極對地電阻

·接地極對地電阻和總接地板、接地總干線及接地總干線兩端的連接點電阻之和稱為接地電阻。儀表系統的接地電阻不應大于4 Ω

8.5 隔離

本身沒有電源，由AI單獨直接供電的變送器為本身無電源的變送器 (Passive mode transmitter)。

由另外電源直接供電的變送器為有電源的變送器(Active mode transmitter)。電磁流量計、分析儀表、電量變送器、變頻器的信號變送部分等均為有電源的變送器。

對于現場儀表被要求或必須在現場接地，同時又要將控制室接收儀表在控制室側接地的，應將兩個接地點隔離［1］，見圖6。例如，有電源的變送器與控制系統的AI連接時，變送器的輸出應為隔離輸出，且為全隔離型。所謂全隔離，即不僅信號隔離，而且電源也具有隔離功能。如果有電源的變送器沒有全隔離的輸出，應在信號線路中裝設帶有地隔離功能的全隔離型隔離器。

圖6 信號回路在集中安裝儀表和現場儀表兩側同時接地時的工作接地方法

對TTL輸入的DI，即使輸入為無源信號，也建議核查其是否有高電平輸入的可能，考慮是否采用相應的隔離措施，以便對DI裝置加以保護。

帶有電源的接受裝置或帶有電源的中間裝置與控制系統的AO連接時，也要在AO的輸出線路中裝設帶有地隔離功能的全隔離型隔離器。變頻器的控制信號輸入為帶有電源的接受裝置，許多手操器應屬帶有電源的中間裝置。

在考慮是否采用隔離措施時，要對控制系統的輸入輸出模件本身具有的隔離功能作深入的了解。

8.6 帶有接地的檢測元件

接地的檢測元件，包括接地熱電偶、接地的應變測量元件、電磁流量計的流量測量管等，其檢測部分已接地。在進行系統接地時，要特別注意不要形成不允許的兩點接地。如電磁流量計流量測量管的接地，盡管有信號接地的性質，但不能接到TE上，應進行單獨的等電位連接。

8.7 控制變壓器的屏蔽

為了抑制控制變壓器的電源側干擾，控制變壓器應有屏蔽。控制系統內的控制變壓器的屏蔽供貨時已接好。當需另設控制變壓器時，在單屏蔽情況時，該屏蔽與二次側系統屏蔽相連，在雙屏蔽情況時，靠近二次側的屏蔽與二次側系統屏蔽相連，靠近一次側的屏蔽，視具體情況，與電源接的中性線相連或與支架相連。

8.8 屏蔽的連接

電纜選用時，不得選用屏蔽外露的屏蔽電纜。當控制系統制造商同意時，一般高電平的開關量信號可不采用屏蔽電纜。模擬量信號應采用屏蔽電纜。當控制系統制造商同意時，一般情況下，可采用單屏蔽電纜。對于多芯或多對屏蔽電纜，為穩妥起見一般應采用帶雙屏蔽 (總屏蔽和分屏蔽)電纜。一般情況下，對于單屏蔽或雙屏蔽電纜，其屏蔽應在控制室側與TE連接。

在高頻干擾嚴重時，雙屏蔽電纜的屏蔽接法可以有所不同。雙屏蔽電纜的分屏蔽主要為抑制低頻干擾，其分屏蔽接至主機側TE上。雙屏蔽電纜的總屏蔽主要為抑制高頻干擾，其總屏蔽可接至信號接受端PE或支架上，此時，要注意必須保持PE與TE的隔離，不能影響TE的工作與安全。上述高頻信號回路的雙屏蔽電纜的屏蔽接法最好要與控制系統供貨商共同商定。

9 結語

工廠工程設計中控制系統的接地是一項技術性很強的工作。有關技術人員在進行控制系統接地工程設計或施工時，不僅要掌握接地的一般知識，而且要善于向電氣專業主要設計人員了解該工程采用的供電、接地與防雷技術方案。隨著我國經濟持續較快發展，輕工行業如造紙行業大型現代化裝備已經或將落戶我國，有些已在實際生產中正常運行。這些工廠控制系統規模較大，工藝設備控制要求復雜，控制系統類型較多，其接地工程設計與施工均提出了更高更廣的要求。因此，采用符合有關規定、規范且合理的控制系統接地方案，采用正確的屏蔽措施，減少對控制系統信號傳輸的干擾，從而確保生產裝置的順利運行，保障人身和設備的安全，這既是一項十分重要的工程設計工作，也是一個需要不斷學習、研究的課題。

［1］國家石油和化學工業局 .HG/T 20513——2000.儀表系統接地設計規定［S］.

［2］中國航空工業規劃設計研究院.，工業與民用配電設計手冊［M］.3版.北京:中國電力出版社，2005.

［3］ZHONG Yi-lian.Control System for Paper Machine and QCS/DCS Selection［J］.China Pulp ＆ Paper，2002，21(3):65.鐘益聯.造紙機控制系統及QCS、DCS的選擇［J］.中國造紙，2002，21(3):65. CPP