接地系统设计方案

接地系统的准备

在 DCS 应用中，最让人不清楚的，但又是必须理解的大概就是接地问题了。不仅很多用户不清楚，就连有的系统集成商、 DCS 厂商代理处的有些人都未必特别清楚，原因是因为大部分学自动控制和计算机的人在学校学自动控制原理或计算机原理时是不学接地内容的。而工业控制计算机又涉及到除了计算机本身外还有很多各种类型的信号线，直接与计算机 I ／ O 接口相连，这些信号有开关量型（包括开入、开出、而且负载能力也有很大差别，有模拟类的（大信号 : 4 － 20mV ， 1 － 5V ，小信号 0 － 50mV 。 O － 10mV ，大信号中有四线制的，也有两线制的）有的系统中还有交流信号直接通过互感器而接到计算机的交流信号采样，这样也就造成了各工控机厂家（特别是 DCS 厂家）为了保证自己系统能够在各种应用现场正常运行，提出了各种各样的接地要求。而这些接地要求差别很大，有的很苛刻，有的相对宽松一些。这就更使现场人员混乱了。不仅厂家提的接地要求不一致，而且各种教科书和设计手册中对接地的解释也不甚统一。为了让现场施工人员和工程服务人员对接地问题有一个较全面的了解，我们在此较为详细地介绍一个系统应用中遇到的一些接地概念和方法。

1 、干扰原因

为了理解接地的目的，我们先介绍系统应用中所面临的几种干扰。干扰又叫噪声，是窜入或叠加在系统电源、信号线上的与信号无关的电信号。干扰会造成测量的误差、严重的干扰（如雷击,大的串模干扰可会造成设备损坏。常见的干扰有以下几种：

（ 1 ）电阻耦合引入的干扰（传导引入）

①当几种信号线在一起传输时，由于绝缘材料老化，漏电而影响到其它信号，即在其它信号中引入干扰。

②在一些用电能作为执行手段的控制系统中（如电热炉、电解槽等）信号传感器漏电，接触到带电体，也会引入很大的干扰。

③在一些老式仪表和执行机构中，现场端采用 220V 供电，有时设备烧坏，造成电源与信号线间短路，也会造成较大的干扰。

④由于接地不合理，例如在信号线的两端接地，会因为地电位差而加入一较大的干扰，如图 3.4.9 所示。信号线的两端同时接地，这样，如果 A 、 B 两点的距离较远，则可能会有较大的电位差 eN ，这个电位差可能会在 A · B 两端之间的信号线上产生一个很大的环流。

（ 2 ）电容电感耦合引入的干扰

因为在被控现场往往有很多信号同时接入计算机，而且这些信号线或者走电缆槽，或者走电缆管 , 但肯定是很多根信号在一起走线。这些信号之间均有分布电容存在，会通过这些分布电容将干扰加到别的信号线上，同时，在交变信号线的周围会产生个交变的磁通，而这些交变磁通会在并行的导体之间产生电动势，这也会造成线路上的干扰。

（ 3 ）计算机供电线路上引入的干扰

在有些工业现场 ( 特别是电厂冶金企业、大的机械加工厂）大型电气设备启动频繁，大的开关装置动作也较频繁，这些电动机的启动、开关的闭合产生的火花会在其周围产生很大的交变磁场．这些交变磁场既可以通过在信号线上耦合产生干扰，也可能通过电源线上产生高频干扰，这些干扰如果超过容许范围，也会影响计算机系统的工作。

（ 4 ）雷击引入的干扰

雷击可能在系统周围产生很大的电磁干扰，也可能通过各种接地线引入干扰。

2、干扰抑制

以上列举了产生干扰的几种原因，这些干扰如果得不到很好的抑制和防止，轻则影响系统的测量技术精度，因而使正常的控制无法实现，重则会造成设备损坏，人们在长期的工程实践中总结出了很多干扰抑制的方法。

（ l ）隔离

①使所有的信号线很好地绝缘，使其不可能漏电，这样，防止由于接触引入的干扰；

②将不同种类的信号线隔离铺设（在不同一电缆槽中，或用隔板隔开），我们可以根据信号不同类型将其按抗噪声干扰的能力分成几等。

模拟量信号（模入、模出，特别是低电平的模人信号如热电偶信号，热电阻信号等）对高频的脉冲信号的抗干扰能力是很差的。建议用屏蔽双绞线连接，且这些信号线必须单独占用电线管或电缆槽，不可与其它信号在同一电缆管（或槽）中走线。

低电平的开关信号（一些状态干结点信号），数据通信线路（ RS232 、 EIA485 等），对低频的脉冲信号的抗干扰能力比上种信号要强，但建议最好采用屏蔽双绞线（至少用双绞线）连接。此类信号也要单独走线，不可和动力线和大负载信号线在一起平行走线。

高电平（或大电流）的开关量的输入输出、 CATV 、电话线，以及其它继电器输入输出信号，这类信号的抗干扰能力又强于以上两种，但这些信号会干扰别的信号，因此建议用双绞线连接，也单独走电缆管或电缆槽。

动力线 AC 220V 、 380V ，以及大通断能力的断路器、开关信号线等，这些线的电缆选择主要不是依抗干扰能力，而是由电流负载和耐压等级决定。

以上说明，同一类信号可能放在一条电缆管或槽中，相近种类信号如果必须在同一电缆槽中走线，则一定要用金属隔板将它们隔开。

③还有一种隔离是将信号源同计算机在电气上进行隔离，这样，会大大地减小共模干扰对计算机造成的危害。如图 3 ． 4 ． 10 所示。图 3 ． 4 ． 10 表示用隔离放大器将信号的输入端子与计算机部分完全隔离（有的系统中采用隔离变压器，或继电器等方式隔离，对开关量则可以采用光电器件，或继电器进行隔离）。这样，由于 C 和 D 之间地电位不同所产生的干扰信号形不成回路，抑制了干扰的危害。

④第四种隔离是供电系统的隔离

为了防止供电线路上引入共模高频干扰信号，可以在供电线路上设隔离变压器进行干扰隔离，如图

3 ． 4.11 所示。

为了达到好的干扰抑制效果，有两点必须注意：

·变压器的屏蔽层要很好地接地；

·变压器的次级线圈一定要用双绞线。

（ 2 ）屏蔽

屏蔽就是用金属导体，把被屏蔽的元件，组合件，电话线，信号线包围起来。这种方法对电容性耦合噪声抑制效果很好。最常见的就是用屏蔽双绞线连接模拟信号。

以上说的电气屏蔽，但在很多场合下，信号除了受电噪声干扰以外，主要还受到强交变磁场的影响，如电站，冶炼厂重型机械厂等，那么，我们除了要考虑电气屏蔽以外，还要考虑磁屏蔽，即考虑用铁、镍等导磁性能好的导体进行屏蔽。

（ 3 ）绞线

用双绞线代替两根平行导线是抑制磁场干扰的有效办法。原理如图 3 ． 4 ． 12 所示：