制漿造紙廠DCS接地設計的探討

陶文珍，周錫政，馮雄裕

DCS接地問題是在設計中跟業主用戶、各系統集成商、DCS廠商討論得最多的問題。很多制漿造紙廠位于雷電多發區，根據以往運行時出的事故經驗，業主一般都能認識并且重視到接地的重要性。我院設計的紙漿廠很多都位于雷電頻發的山區，接地系統出現問題可能有多種原因，最常見的如接地電阻過大，或者接地線出現斷線，或者接地線接觸了電氣方面的高電壓、大電流設備等。一旦發生接地系統出現問題，往往會造成人員觸電以及設備損壞，或者導致DCS系統經常死機。各DCS廠家為了保證自己系統能夠不出事故，不受損失，向業主提出了各種各樣的系統接地要求。而這些接地要求有的很苛刻，有的相對寬松一些。很多業主對此很疑惑，不知道該統一用哪家的推薦方案，進而求助設計院。查看了大量關于系統接地方面的資料發現各種設計手冊及規范中，接地的方法及解釋也不統一。

因此，為了讓業主和現場施工服務人員對DCS接地問題有一個較深刻全面的了解，介紹和總結了工程中遇到的接地方法，并分析它們的利弊，供大家參考。

1 控制系統接地的必要性

控制系統接地有兩大目的：一是，保護工程人員的生命安全以及設備財產不受損失；二是，保障設備的正常運行。前者稱為保護接地，通常做法是將電器外殼與大地相連；后者為工作接地，是把信號（非控制信號，包括電磁，電源雜波等信號）與電子元件的地端（包括直流電源地線）相連接[1]。

制漿造紙廠經常出現信號問題，供電電源問題，控制系統設備問題，如果DCS接地沒有做好，形成的過載電流將不能有效地導入到大地，從而導致控制系統及設備的損壞。而有效的接地系統能夠為整個系統提供參考零電位，形成屏蔽，消除各種電流沖擊干擾，從而很好地保護設備及系統不被損壞。

控制系統有了安全的接地系統，能夠有效地避免：（1）電阻，電容電感耦合引入的干擾；（2）供電線路引入的干擾；（3）強電以及雷擊引入的干擾。

2 DCS接地分類

DCS接地主要可分為保護接地和工作接地（邏輯接地、屏蔽接地等），有些易燃易爆等特殊場合還會涉及本安接地。

（1）保護接地

保護接地也稱為安全接地，為了防止控制系統的機柜、操作臺、儀表柜、配電柜、繼電器柜等用電設備外殼的靜電荷積累及避免造人身傷害，DCS所有的機柜均應接保護地。保護接地的原理是：DCS的供電是220 VAC，在正常情況下金屬部分（機柜外殼，操作臺外殼等）是不帶電的，但由于各種原因（如絕緣破壞，主機電源故障或其它故障等），將有可能造成供電電源與外殼形成短路，導致這些金屬外殼帶有危險電壓，保護接地將外殼所帶的電導入大地，能夠保護設備和人身安全。如果沒有接地或者接地系統不可靠，帶電體和大地之間就有很高的電位差，如果人不小心觸到這些帶電體，就會產生觸電的危險。因此，保護接地將設備的金屬外殼和大地連接在一起，使得設備外殼和大地形成等電位，從而保障了安全。

（2）工作接地

車間的DCS及儀表能夠正常可靠的運行而不受干擾，并且能保證測量及控制的精度，靠的就是儀表及控制系統的工作接地。工作接地分為邏輯接地和屏蔽接地兩種，在制漿造紙廠的一些特殊易燃易爆工段（如二氧化氯制備工段）中還需要本安接地。

邏輯接地也叫電源接地，指邏輯電平負端公共接地，也是+5 V等電源的輸出接地，目的是保持電源電壓值的精度和統一。電子設備中各級電路電流的傳輸、信息轉換要求有邏輯接地（如CPU的電路的±5 V、±12 V的負端，需要接入公共接地極），邏輯接地還可防止外界電磁場信號的侵入。

屏蔽接地是為了防止電磁干擾，在屏蔽體與地或干擾源的金屬殼體之間所做的永久良好的電氣連接稱為屏蔽接地。它的作用是屏蔽掉儀表及DCS信號傳輸時所受到的干擾，從而提高信號的精度。DCS中信號電纜的屏蔽層應做屏蔽接地，在工程應用中一定要單端接地，不要兩端接地，否則會因為兩個地因不共地而產生噪聲電壓，在屏蔽層中產生噪聲電流，這樣不僅不會屏蔽干擾反而成為干擾源了。

本安系統的接地，主要指安全柵的接地。本安系統接地電阻必須小于1 Ω，大多場合需要設置專門的接地裝置，且與電氣接地系統及其他儀表接地系統保持5 m以上的距離[2]。

3 DCS接地方式

3.1 DCS接地的形式

3.1.1 單點接地

單點接地就是將系統或者儀表等電子設備（低工作頻率）的接地都接到一個點上，這些設備可以串聯，也可以并聯，最終通過這個點的接地極，將所有設備接地。單點接地的優點是有效地防止了多點接地帶來的電路干擾及耦合。

單點接地串聯和并聯接地如圖1所示。

圖1 串聯式單點接地和并聯式單點接地

串聯單點接地因部分設備或電路間存在公用的接地線，其信號可能會互相影響；并聯的單點接地式可以避免這一缺陷，但是接地線數量多，布線復雜，在實際應用中，視具體情況而定。單點接地的信號地線必須與功率地線和機殼地線是絕緣的，它們的連接應該是在接往大地的接地螺栓上，否則工頻和其它電流在信號地線上容易產生干擾。

3.1.2 多點接地

多點接地的做法是用一塊接地銅條代替電路中每部分各自的接地回路，所有電路的地線就近接地，地線很短，適用于工作頻率高（>30 MHz）的系統或者儀表電子設備，同時也會出現地環路的問題。為了解決地環路干擾，多點接地盡量找最接近的低阻值接地面接地。多點接地如圖2所示。

圖2 多點接地

3.1.3 混合接地

工作頻率介于1～30 MHz的電路采用混合接地式?；旌辖拥厝鐖D3所示。

圖3 混合接地

3.2 DCS接地要求及方式

3.2.1 通用接地要求

當廠區電氣專業接地網接地電阻小于1 Ω時，則可接廠區電氣專業接地網。當廠區電氣專業接地網接地電阻較大時，應獨立設置自控儀表接地系統，接地電阻小于4 Ω，且需確認公共接地網沒有本安地接入。如果有本安地接入，則接地電阻需小于1 Ω.接地體與接地總干線之間需要防腐銅焊，且總干線應滿足電阻小于0.1 Ω.接地極周圍不應有避雷地及30 kW以上的高低壓用電設備外殼的接入點。電焊地必須接到電焊機專用接地接線端子上，不可與公共接地極及其接地網搭接在一起。

3.2.2 通用接地方式

制漿造紙廠的DCS接地方式一般做法有兩種：一是，DCS接地網與電氣接地網共用，將DCS接地接到預埋的電氣接地網上；二是，DCS專用接地網，與電氣接地網分開預埋。

采取哪種方式，應根據具體情況決定。根據有關資料的介紹和實踐經驗，在下列幾種情況下推薦設置DCS專用獨立的接地網：

（1）土壤電阻較高，接地電阻不能滿足設計值；

（2）車間周圍環境存在嚴重的電磁干擾；

（3）工廠的儀表對電子噪聲敏感，抗干擾要求高；

（4）控制室與電力系統接地體距離很遠，若共用接地體，則接地線很長，施工維護不方便。

單從抗干擾方面來看，將電力系統和控制系統兩個接地完全分開，防止他們之間的互相干擾，理論上來說，是更好的方案。但是，根據設計以及實踐經驗來看，計算機或DCS采用專用的接地網不盡人意，主要有如下弊端：一是，DCS專用接地網占地面積很大，且需要預埋大量的鋼材及電纜，業主前期投資壓力大；二是，由于有電氣接地的預埋以及設備管道等埋地敷設，往往在車間附近難以找到大片地預埋DCS專用接地網，如果在車間遠處預埋，則有管理維護不便，增加電纜耗材的問題；三是，根據實際工程案例，DCS采用專用的接地網效果不好，很多廠設置單獨接地網發生過設備頻繁跳閘，之后又改回于電氣接地網共用接地體。

可見設置專用的DCS接地網是既困難又不安全的。除了上述的四種推薦設置DCS專用獨立的接地網情況外，電力系統和控制系統建議采用共用接地系統。這在廠房設計階段就要與電氣專業密切配合，讓電氣設計接地時單獨給DCS留有接地抽頭。

3.2.3 制漿造紙廠DCS常用的接地方式建議

在制漿造紙廠實際工程設計中，往往把全廠的地下管道，地下結構，接地體連成一個統一的接地網，其接地電阻可以達到一個很小的值（通常小于等于1 Ω）。這對抑制干擾是很有利的，在這種情況下，完全不用將儀表接地系統同電力接地系統分開，采用共同的接地體是經濟而且安全的。參考相關規范和資料，結合設計以及運行維護經驗，常用的DCS接地設計如圖4所示。

圖4 DCS接地示意圖

其中，接地分干線線徑應不小于4 mm2，接地干線線徑應不小于10 mm2，接地總干線線徑應不小于16 mm2，總接地銅牌與接地接入點的接地總干線長度不應超過30 m[3]。

4 結束語

經過這幾年的設計以及實踐，這套DCS接地系統應用到了很多制漿造紙廠的設計中，至今未發生一起因接地系統導致死機和遭雷擊的事故發生，經過實踐證明，對紙廠而言，這種接地方法是安全可行的。

[1]DCS控制系統的接地問題[Z].濟南杰創自動化儀表有限公司，2012.

[2]羅坤遠.DCS防雷接地探討[J].自動化與儀器儀表，2008（5）：82-84.

[3]項目運作體系及常見工程技術規定[Z].浙江中控技術股份有限公司，2008：27.