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接地接不好,DCS、PLC控制系统常被干扰!

jijun  发表于 2018/4/21 10:44:16      133 查看 0 回复  [上一主题]  [下一主题]

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随着DCS、PLC的广泛应用,仪表系统的接地已经成为仪表工程设计的一个组成部分。仪表及控制系统的可靠性直接影响到生产装置安全、稳定的运行,系统的抗干扰能力是关系到整个系统可靠运行的关键。特别是采用分散控制系统,若不考虑和处理好现场电磁干扰和兼容问题,一方面要求生产制造单位提高系统抗干扰能力;另一方面,要求工程设计、安装施工和使用维护单位引起高度重视。

1
DCS、PLC控制系统接地的重要性


1)保护接地:保护设备和人身安全。
2)工作接地:保证仪表精确、可靠地正常工作。
(1)信号回路接地;分两种类型:一是仪表、PLC、DCS、计算机系统等电子设备本身结构造成的事实上的接地;一是为抑制干扰而设置接地。
(2)屏蔽接地:抑制电容性耦合干扰,降低电磁干扰的部件的一种有效措施。

在仪表系统中要做屏蔽的接地的有:
 a、导线的屏蔽层、排扰线;
 b、仪表上的屏蔽接地端子;

 c 、未作保护接地而起屏蔽作用的金属导线管、金属汇线槽及金属仪表外壳。
(3)本安仪表系统接地。这种接地除了具有抑制干扰的作用外,还有使仪表具有本安性质的措施之一。
本安仪表系统的本安性能是借助于安全栅的隔离和能量限制作用,以保证进入危险的能量限制在安全定额以下,从而达到安全火花型的防爆性能。

2
控制系统接地设计


控制室内的仪表接地系统由接地线、接地汇流排、公用连接板、接地体等几部分组成。


接地系统设计中应遵守的原则、接地体的设置以及接地线等有关问题介绍如下:


 1、工作接地的原则——单点接地

由于地电位差的存在,如果出现一个以上的接地点就会形成回路,使仪表引入干扰,所以同一信号回路、同一屏蔽层或排扰线只能有根据一个接地点,不能有一个以上的接地点,除了既定接地以外,其他部位应与一切金属构件绝缘。


信号回路的接地位置根据仪表类型决定。有些信号回路,信号源和接收仪表的公共线都要接地,必须把两个接地点作电气隔离。仪表线路中常用隔离变压器来实现。
 

2、接地体的设置


仪表接地系统的保护接地一般情况下宜和电力系统的接地体共用,不必单独设置接地体。

仪表系统工作接地体的设置有三种处理方式:


  • 单独设置的仪表系统接地体

  • 厂区电气系统接地网

  • 电气系统在不同装置或不同界区分设的接地分配器。


采取何种方式,应根据具体情况决定。

下面几种情况推荐单独设置接地体:

  • 需要单独设置的本质安全仪表系统;

  • 需要单独设置的DCS或计算机系统;

  • 电气系统接地网接地电阻不能满足仪表系统接地要求时;

  • 土壤电阻率高,接地电阻不能达到设计值的场所,例如砂地、岩石或干燥地区;

  • 周围环境存在严重的电磁干扰;

  • 所选用的仪表对躁声相当敏感,抗干扰要求高,如电磁流量计等;

  • 控制室与电力系统接地体距离较远,若共用接地体,会使接地线过长,给施工维护带来不便;

  • 单独设置接地体较为经济合理时。


从抑制干扰的观点,防止电力系统对仪表的干扰,把两个系统的接地完全分开,各自设置接地体,对仪表的防干扰是有利的。但从工程观点看,单独设置接地体比共用接地体投资大,费钢材,占地面积大,安装维护麻烦。一般,除上述特殊情况外,仪表接地系统可以和电力系统共用接地体而不必单独设置。


实际工程设计中,电气专业往往把全厂的地下管道、地下结构、接地体连接成一个统一的接地网,其接地电阻值可达到很小的一个值,这对抑制干扰是很有利的。在这种情况下要把仪表接地系统和电力接地系统完全分开,对于安装和维护是件很麻烦的事,采取共用接地体比较方便。


仪表系统单独设置接地体,也应该把仪表系统的接地体和电力系统的接地体连接起来,以达到电位平衡的目的。


 3、接地电阻


接地体或自然接地体的对地电阻和接地线电阻的总和称为接地电阻。

仪表系统的保护接地电阻,一般为4Ω,最高不宜超过10Ω。当设置有高灵敏度接地自动报警装置时,如漏电开关,接地电阻值可大于10Ω。


PLC主要用于开关量的检测控制,它的输入、输出模块大多具有光电隔离功能,因而接地要求相对比较低。用于模拟量检测控制的DCS系统,接地要求相对比较高。


当信号回路多点接地时,由于地点位的不同,会在信号传输中引起误差。但也有一些信号回路不接地的浮动工作地系统。


 4、接地线的选择和连接


仪表系统的接地连线应使用多股铜芯绝缘电线或电缆,不允许再用裸导线或钢材,这对保证接地系统的质量,提高接地连线的连续性和可靠性有较大的好处。


仪表系统的接地连线,除可引向单独设置的仪表系统接地体、厂区电气系统接地网以外,还可以引向电气系统在不同装置或不同界区分设的接地分配器。


(1)保护接地的接地线   

接地支线、接地分干线和接地总干线的截面数值选择。


(2)工作接地的接地线

仪表盘、仪表柜、控制柜上需要接地的仪表,应连接到接地端子或接地汇流排。接地汇流排宜采用25mm×6mm的铜条,应设置绝缘支撑。


仪表盘、仪表柜、控制柜内的接地端子或汇流排,经各自的接地分干线至接地连接板,再由接地总干线与接地体连接。各汇流排、分干线应彼此绝缘。接地连接板应采用铜板制作,且采用绝缘支架固定。接地支线的连接、接地分干线的连接、接地总干线与接地连接板的连接,应设置铜制接线片,并采用铜制紧固件固定。各类接地连线中严禁接入开关或熔断器。


当仪表盘内同时有保护接地和工作接地时,应分别设置供这两类接地的专用汇流排或端子板。各台仪表的保护接地、工作接地分别接至相应的接地汇流排或端子板。盘内的这两类接地汇流排或端子板经各自的分干线引至各自的公用接地板或接地总干线。这两类接地汇流排、分干线、总干线应彼此绝缘。


当仪表系统和电力系统共用接地体时,两个系统的接地汇流排分干线、总干线应彼此绝缘。它们只能在接地体处或公用连接板处作相互连接,绝对不能在这点之前相连接,否则会引入干扰。接地线用色泽标记。在一根接地线上严禁串接多个需要接地的仪表或装置,因为这种做法不安全,一个接头的中断会引起多台仪表脱开接地点。


接地线的连接必须牢靠。接地支线与仪表和接地汇流排的连接为螺栓连接;接地分干线与接地汇流排和公用连接板的连接用焊接或螺栓连接;接地分干线、接地总干线与接地体的连接为焊接。螺栓连接时应装配防松零件。


3
DCS控制系统接地


DCS合理、可靠的系统接地,是DCS系统非常重要的内容。为了保证DCS系统的监测控制精度和安全、可靠运行,必须对系统接地方式、接地要求、信号屏蔽、接地线截面选择、接地极布置等方面,进行认真统筹考虑。


DCS接地基本要求

DCS系统接地是为了保证当进入DCS系统的信号、供电电源或DCS系统设备本身出现问题时,有效的接地系统能承受过载电流并可以迅速将过载电流导入大地。接地系统能够为DCS提供屏蔽层,消除电子噪声干扰,并为整个控制系统提供公共信号参考点(即参考零电位)。当接地系统发生问题时(接地电阻过大,多点接地,接地线断线或接地线与高电压、大电流设备相接触等),会造成人员的触电伤害及设备的损坏,据了解,有些DCS系统经常“死机” (或不明原因的“死机”),大多是因为接地系统不良或存在问题所引起的。因此,完善、可靠、正确的接地,是DCS系统能够安全、可靠和良好运行的关键。

DCS接地分类


在一般情况下,DCS控制系统需要两种接地:保护地和工作地(逻辑地、屏蔽地等)。对于装有安全栅防爆措施的系统如化工行业所用的系统,还要求有本安地。


  • 保护地:(CG,Cabinet Grounding) 是为了防止设备外壳的静电荷积累、避免造成人身伤害而采取的保护措施。DCS系统所有的操作员机柜、现场控制站机柜、打印机、端子柜等均应接保护地。保护地应接至厂区电气专业接地网,接地电阻小于4Ω。

  • 逻辑地:也叫机器逻辑地、主机电源地,是计算机内部的逻辑电平负端公共地,也是+5V等的电源输出地。如CPU的正负5伏、正负12伏的负端。需要接入公共接地极。

  • 屏蔽地:(AG,Analog Grounding) 也叫模拟地,它可以把现场信号传输时所受到的干扰屏蔽掉,以提高信号精度。DCS系统中信号电缆的屏蔽层应做屏蔽接地。线缆屏蔽层必须一端接地,防止形成闭合回路干扰。铠装电缆的金属铠不应作为屏蔽保护接地,必须是铜丝网或镀铝屏蔽层接地。接入公共接地极。

  • 本安地:应独立设置接地系统,接地电阻≤4Ω。本安地的接地系统应保持独立,与厂区电气地网或其它仪表系统接地网的距离应在5m以上。


DCS对公共接地极(网)的要求


  • 当厂区电气接地网对地分布电阻≤4Ω时,可将厂区电气接地网当着DCS系统的公共接地极(网)。

  • 当厂区电气接地网接地电阻较大或杂乱时,应独立设置接地系统,即为DCS系统的公共接地极(网)。

  • 没有本安地接入的公共接地极(网)的对地分布电阻小于4欧姆;有本安地的小于1欧姆。接地总干线的线路阻抗小于0.1欧姆。

  • 接地极周围15米内无避雷地的接入点,8米内无 30KW 以上的高低压用电设备外壳的接入点。当现场无法满足该条件时,防雷保护地通过避雷器/冲击波抑制器与公共接地极的主干线相连。电焊地切勿与公共接地极及其接地网搭接在一起,二者应距离10米以上。


DCS系统接地原则

  • DCS系统设置的接地装置

  1. 操作台、打印台、服务器柜:设有保护地螺钉。

  2. 继电器柜、UPS柜、配电柜:设有保护地螺钉。

  3.  DCS的I/O机柜:设有屏蔽接地汇流排,保护地螺钉。系统地(+24V地)悬浮。

  4. 仪表柜、手操盘台:设有屏蔽地接地汇流排,保护地螺钉。

  5. 安全栅柜:设有屏蔽地接地汇流排,本安地接地汇流排,保护地螺钉。

  • 信号屏蔽及其接地

根据有关技术规定要求,计算机或 DCS系统信号电缆的屏蔽层不得浮空,必须接地,其接地方式应符合下列规定:

  1. 当信号源浮空时,屏蔽层应在计算机侧接地;

  2. 当信号源接地时,屏蔽层应在信号源侧接地;

  3. 当放大器浮空时,屏蔽层的一端与屏蔽罩相连,另一端宜接共模地(当信号源接地时,接信号地。当信号源浮空时接现场地)。

  4. 当屏蔽电缆途经接线盒分断或合并时,应在接线盒内将其两端电缆的屏蔽层连接。


DCS系统接地方式

  • 利用电气接地网作为DCS接地网,即与电气接地网共地;

  • 设DCS系统专用独立的接地网;

  • 设DCS专用接地网,经接地线、再接至电气接地网;由于第三种接地方式与第二种接地方式有较多相同处,过去,计算机或DCS系统曾经较多的采用过专用的接地网。但这种接地方式存在的缺点是:占地面积太大,投资高,电缆及接地网钢材耗量大,距厂房有相当的距离(因不易在厂房内找到合适的位置),管理、维护、测量及查找接地极和接地线不方便,且效果不甚良好。根据实际运行表明,设置专用的DCS接地网是既困难又不安全的。

4
 PLC控制系统接地


一般要求

  ①系统接地必须良好,对于PLC控制系统,接地电阻应小于4Q。
  ②接地线必须有足够大的线径,独立安装的PLC基本单元,应使用截面积在2.5nim2以上的黄/绿线与系统保护接地线(PE)连接。
  ③模块化结构的PLC,各模块与机架间一般可以通过模块本身的接地连接端,使得各模块与叽架间保持良好的接地,但机架与系统保护地之间应保证接地良好,应使用截面积在2.5mm2以上的黄/绿线与系统保护接地线(PE)连接。

  ④系统中的其他控制装置(如驱动器、变频器等)的接地必须同样符合规范,并独立接地。
  ⑤系统中的各类屏蔽电缆的屏蔽层、金属软管、走线槽(管)、分线盒等均必须保证接地良好。

不同接地的处理

在PLC系统中,主要有以下几种与接地有关的常用“地”,需要根据不同的情况进行分别处理。


(1)数字信号地


数字信号地是指系统中各种开关量(数字量)的OV端,如接近开关的OV线、PLC输入的公共OV、晶体管输出的公共OV等。


数字信号地在PLC控制系统中,原则上只需要按照PLC规定的输入/输出连接方式进行连接即可,无须另外考虑专门的地线,也不需要与PE线进行连接。


(2)模拟信号地


模拟信号地是指系统中各类模拟量的OV端,如用于驱动器(变频器)的速度给定电压输出、测速反馈输入、传感器输入等。


模拟信号通常采用差动输出/输入,各信号间的OV各自独立,因此,模拟信号地一般不允许进行相互间的连接,也不允许与系统的PE线进行连接。


用于模拟量输入/输出的连接线,原则上应使用带有屏蔽的“双绞”电缆,屏蔽电缆的屏蔽层必须根据不同的要求与系统的PE线连接。


(3)保护地


保护地是指系统中各控制装置、用电设备的外壳接地,如电动机、驱动器的保护接地等。这些保护地必须直接与电柜内的接地母线(PE母线)连接,不允许控制装置、用电设备的PE线进行“互连”。


(4)直流电源地


系统直流电源地是指除PLC内部电源以外的外部直流电源的OV端PLC内部直流电源的OV端,一般与PLC的数字信号地共用。可以分以下几种情况进行处理:
①当PLC输入/输出直流电源分离时,用于PLC输入的直流电源的OV,必须按本章7.3节“I/O接口设计”部分的要求,与PLC的OV公共线进行连接。用于PLC输出的直流电源,根据需要,可以不与PLC的OV公共端连接或与PLC的OV公共端连接。
②当PLC输入/输出直流电源共用时,直流电源的OV必须与PLC的OV公共线连接。用于PLC输入/输出的直流电源OV与系统接地(PE)线之间,根据系统的实际需要,可以连接也可以不连接。
 ③单独用于PLC系统执行元件的直流电源OV,原则上不与PLC的OV连接,但一般需要与系统的接地(PE)线进行连接。


(5)交流电源地


交流电源地是指系统中使用的交流电源的OV端(或N线),如220V控制回路的OV端、交流照明电路、交流指示灯的OV端等。


在交流控制回路使用隔离变压器时,出于“电击防护”等方面的考虑,为了让变压器起到“隔离”作用,原则上不应将交流电源的OV端与系统接地(PE)线相连。


从抗干扰的角度考虑,控制系统的PE线原则上也不应与电网的N线相连。但在某些进口机床上,也有使用特殊的“短接端”,将交流电源的OV端、N线、接地(PE)线进行相互连接的情况。


PLC控制系统通常属于1MHz以下的低频电路的范畴,因此,一般应采用“单点接地”的接地方式。


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