張 健

(大唐石門(mén)發(fā)電有限責(zé)任公司控制部，湖南 石門(mén) 415300)

1 存在的問(wèn)題

現(xiàn)代火電企業(yè)采用DCS控制系統(tǒng)已較為普遍。由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜多樣，造成DCS控制系統(tǒng)在運(yùn)行中產(chǎn)生一些難以預(yù)計(jì)的故障現(xiàn)象，而影響安全生產(chǎn)。其中DCS控制系統(tǒng)接地方式不當(dāng)，是影響系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要原因之一，輕者可能造成測(cè)量信號(hào)不準(zhǔn)，嚴(yán)重時(shí)將燒壞模件，甚至影響DCS系統(tǒng)的安全和人員安全。筆者所在企業(yè)脫硫DCS系統(tǒng)中，就發(fā)生過(guò)接地不當(dāng)引起設(shè)備故障的問(wèn)題。

(1)在對(duì)DCS系統(tǒng)接地要求的理解上，存在著混亂的現(xiàn)象。DCS的接地原則是：“獨(dú)立引出，一點(diǎn)接地”。該原則的目的是為DCS系統(tǒng)有一個(gè)統(tǒng)一的等電位。

(2)所有DCS制造商出于對(duì)DCS設(shè)備本身的考慮，提出了獨(dú)立接地的要求，設(shè)計(jì)者為滿(mǎn)足DCS設(shè)備要求，采用獨(dú)立接地，通常忽視其他接地網(wǎng)的存在和影響。由于火電企業(yè)建筑物的金屬構(gòu)件和管線等，使得各接地系統(tǒng)很難真正獨(dú)立。發(fā)生故障時(shí)，工廠其他電氣接地網(wǎng)和DCS接地網(wǎng)之間可能產(chǎn)生巨大電位差，可能使大批電氣設(shè)備或DCS設(shè)備受到損害。鑒于以上狀況，DCS系統(tǒng)采用獨(dú)立的接地網(wǎng)并非是最好的處理方式。對(duì)DCS系統(tǒng)的接地，有必要進(jìn)行綜合分析，選擇合適的接地網(wǎng)。

2 DCS系統(tǒng)相關(guān)接地的分析

DCS系統(tǒng)包括：主機(jī)箱、操作站(工程師操作站和操作員操作站)、輸入輸出卡、輸入輸出端子板、信號(hào)線和現(xiàn)場(chǎng)儀表等。主機(jī)箱、操作站、輸入、輸出模件柜、安全柵柜等設(shè)安全地、交流工作地、邏輯地；DCS傳輸?shù)闹绷餍盘?hào)需要直流工作地和電纜屏蔽接地；由于火電企業(yè)的特殊性，一般廠內(nèi)都會(huì)安裝避雷裝置，還有避雷地。因此，與DCS系統(tǒng)運(yùn)行相關(guān)的地有：安全保護(hù)地、交流工作地、直流工作地、安全柵地、屏蔽接地和避雷地。

2.1 安全保護(hù)地

安全保護(hù)地即電器設(shè)備和電子學(xué)設(shè)備的金屬機(jī)箱接地，當(dāng)出現(xiàn)漏電時(shí)，漏電流被保護(hù)地旁路。其目的是防止因DCS設(shè)備漏電，機(jī)殼對(duì)地電位升高對(duì)人身和設(shè)備安全造成威脅。為了防止設(shè)備外殼的靜電荷積累。儀表盤(pán)、儀表柜、儀表箱、PLC及DCS機(jī)柜、操作站及輔助設(shè)備、供電盤(pán)、供電箱、接線盒、電纜槽、電纜托盤(pán)、穿線管、鎧裝電纜的鎧裝護(hù)層等均應(yīng)接保護(hù)地。保護(hù)地應(yīng)接至廠區(qū)電氣專(zhuān)業(yè)接地網(wǎng)，

2.2 交流工作地

交流工作地是DCS系統(tǒng)所使用的交流電源設(shè)備的N線接地。為防止變壓器線圈擊穿而使變壓器次級(jí)帶上危險(xiǎn)的高壓，在供電系統(tǒng)的源端(電力變壓器次級(jí))處將中線接到大地電極。為減少于擾，防止不穩(wěn)定電位的侵入，現(xiàn)在的配電系統(tǒng)中N線與安全保護(hù)地線是分開(kāi)的，即采用HN—S配電方法。

2.3 直流工作地

直流工作地也可以成為邏輯地。DCS系統(tǒng)的直流電源地線即DCS數(shù)字電路地和信號(hào)線的接地。它是接至DCS的外部接口模塊通路的負(fù)極和所有邏輯電路地的等電位參考點(diǎn)。地線干擾和地線電位變化不僅影響CPU正常工作，而且會(huì)使模擬量和開(kāi)關(guān)量的輸入與輸出產(chǎn)生誤差，特別是一些專(zhuān)用設(shè)備送至DCS系統(tǒng)的模擬量，常常因?yàn)橹绷鞴ぷ鞯氐碾娢徊灰恢拢斐尚盘?hào)不準(zhǔn)或信號(hào)亂變。DCS系統(tǒng)直流工作地包含其本身的直流地和外部接口及輸人輸出信號(hào)的直流地兩部分。DCS本身的直流地一般稱(chēng)為系統(tǒng)地，外部接口及輸入輸出信號(hào)的直流地分為現(xiàn)場(chǎng)端信號(hào)接地和計(jì)算機(jī)端接地。DCS系統(tǒng)的接地原則是“單獨(dú)引出，一點(diǎn)接地”，DCS系統(tǒng)接地要求單獨(dú)引出，是為了將各類(lèi)接地進(jìn)行隔離，實(shí)行單獨(dú)處理，減少各類(lèi)接地問(wèn)的共模干擾。DCS系統(tǒng)要求進(jìn)行一點(diǎn)接地，這是考慮到如果兩點(diǎn)或多點(diǎn)接地，就會(huì)形成地回路，產(chǎn)生地回路噪聲。這樣就會(huì)對(duì)測(cè)量信號(hào)造成一定的影響。所以DCS的系統(tǒng)地和外部接口及輸入輸出信號(hào)的現(xiàn)場(chǎng)端信號(hào)接地和計(jì)算機(jī)端信號(hào)接地必須各自集于一點(diǎn)后，再接人接地網(wǎng)。在實(shí)際應(yīng)用中，由于現(xiàn)場(chǎng)儀表相對(duì)分散，把現(xiàn)場(chǎng)儀表的信號(hào)地線集中于一點(diǎn)接地，工程浩大。而且，系統(tǒng)或信號(hào)進(jìn)行接地處理的目的，是讓各自電路有一個(gè)統(tǒng)一的等電位參考點(diǎn)。由于DCS系統(tǒng)傳遞的是差模信號(hào)，現(xiàn)場(chǎng)儀表的電路地與DCS系統(tǒng)的電路地通過(guò)信號(hào)線實(shí)現(xiàn)了很好的等電位連接；現(xiàn)場(chǎng)儀表的電子部分與機(jī)械部分及地是隔離的，在計(jì)算機(jī)端，一般系統(tǒng)地與機(jī)箱也是隔離的；傳輸線用屏蔽電纜，防止電磁輻射的干擾。所以，對(duì)系統(tǒng)地和信號(hào)地也可采用懸空地(即系統(tǒng)地和信號(hào)線低端不接地)。系統(tǒng)地和信號(hào)地采用懸空地的方法。

2.4 屏蔽接地

屏蔽接地是指電氣裝置為防止其內(nèi)部或外部電磁感應(yīng)或靜電感應(yīng)的干擾而對(duì)屏蔽體進(jìn)行的接地。如某些電氣設(shè)備的金屬外殼、電子設(shè)備的屏蔽罩或屏蔽線纜的接地。對(duì)一般工廠DCS系統(tǒng)的屏蔽接地主要是信號(hào)傳輸線路線纜屏蔽層的接地。根據(jù)有關(guān)技術(shù)規(guī)定要求，計(jì)算機(jī)或DCS系統(tǒng)信號(hào)電纜的屏蔽層不得懸空，必須接地，其接地方式應(yīng)符合下列規(guī)定：當(dāng)信號(hào)源懸空時(shí)，屏蔽層應(yīng)在計(jì)算機(jī)側(cè)接地；當(dāng)信號(hào)源接地時(shí)，屏蔽層應(yīng)在信號(hào)源側(cè)接地；當(dāng)放大器懸空時(shí)，屏蔽層的一端與屏蔽罩相連，另一端宜接共模地(當(dāng)信號(hào)源接地時(shí)，接信號(hào)地。當(dāng)信號(hào)源懸空時(shí)接現(xiàn)場(chǎng)地)。當(dāng)屏蔽電纜途經(jīng)接線盒分?jǐn)嗷蚝喜r(shí)，應(yīng)在接線盒內(nèi)將其兩端電纜的屏蔽層連接。DCS系統(tǒng)信號(hào)電纜的選擇與敷設(shè)，應(yīng)嚴(yán)格按照有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。屏蔽電纜的屏蔽層應(yīng)按以上要求進(jìn)行接地。為了提高DCS系統(tǒng)的抗干擾能力，DCS系統(tǒng)開(kāi)關(guān)量輸Ⅳ輸出信號(hào)，選用阻燃型對(duì)絞銅網(wǎng)屏蔽計(jì)算機(jī)電纜。

2.5 避雷地

避雷接地旨在安全分散易被設(shè)備金屬外殼和電氣系統(tǒng)接收的放電電荷，保護(hù)人和設(shè)備免遭雷擊，同時(shí)也抑制雷擊對(duì)系統(tǒng)的干擾，保證系統(tǒng)在閃電閃擊過(guò)程中正常運(yùn)行。應(yīng)在工廠主要裝置和主要建筑的頂部安裝避雷裝置。各避雷針與接地電極相連，接地電極的電阻小于0.1 Q。

3 DCS系統(tǒng)接地和等電位聯(lián)結(jié)

3.1 DCS系統(tǒng)接地極的建立

目前，供電系統(tǒng)普遍采用三相五線制(HN—S制)配電方法，中線N和保護(hù)地PE是各自獨(dú)立相互絕緣的導(dǎo)體，只是在供電系統(tǒng)的源端(電力變壓器次級(jí))處才接在一起，并接到大地電極。因?yàn)楸Ｗo(hù)地與中線完全獨(dú)立，在正常工作狀態(tài)下，保護(hù)地線不會(huì)帶任何電流，十分“干凈”。DCS系統(tǒng)主要適用220 V交流電源，沒(méi)有高電壓或強(qiáng)電流設(shè)備，這樣采用供電系統(tǒng)的保護(hù)地、DCS系統(tǒng)的保護(hù)地及工作地共用一個(gè)接地網(wǎng)。避雷地通過(guò)避雷器／沖擊波抑制器與公用接地網(wǎng)的主干線相連。公用接地極建在中控室地下，接地體為釘入地下的良導(dǎo)體，由接地總干線傳來(lái)的電流通過(guò)接地體導(dǎo)人大地。接地體與接地總干線之間采用銅焊，焊接后做防腐處理。用接地網(wǎng)干線把多個(gè)接地體連接成網(wǎng)，接地網(wǎng)應(yīng)滿(mǎn)足DCS系統(tǒng)接地電阻的要求。接地網(wǎng)干線與接地體采用搭接焊，其搭接長(zhǎng)度必須為扁鋼寬度的2倍或圓鋼直徑的6倍。圖l為接地體安裝圖。圖1接地體安裝圖為保證接地電阻達(dá)到系統(tǒng)要求，改變接地體周?chē)耐寥澜Y(jié)構(gòu)。在接地體周?chē)耐寥?～3 m范圍內(nèi)，摻人不容于水的、有良好吸水性的物質(zhì)，如木炭、焦碳煤渣或礦渣等，該法可使土壤電阻率降低到原來(lái)的I／5～1／10。完成后，接地網(wǎng)與大地間電阻可滿(mǎn)足對(duì)接地電阻的要求。DCS系統(tǒng)接地要求：模擬接地65 Q，屏蔽接地≤10 Q，保護(hù)接地≤100 Q。

3.2 DCS系統(tǒng)等電位連接

DCS所在建筑物的強(qiáng)電系統(tǒng)和各種弱電系統(tǒng)應(yīng)采用共用接地系統(tǒng)，并于中控室(DCS所在房間)作等電位連接。在實(shí)施等電位連接時(shí)，要嚴(yán)格區(qū)分不同性質(zhì)的地，做到不混接。在處理信號(hào)時(shí)把電阻、24V直流電壓、20 MA直流電流信號(hào)、開(kāi)關(guān)量信號(hào)分開(kāi)處理，以防止不同信號(hào)間的干擾。計(jì)算機(jī)的輸入輸出信號(hào)電纜敷設(shè)在帶蓋的電纜槽中，電纜槽道及蓋板保證良好接地。單根信號(hào)電纜穿鋼管或金屬軟管敷設(shè)，電纜管要保證良好接地。電纜屏蔽層宜選用銅帶屏蔽或鋁箔屏蔽。屏蔽層接地的原則為一端接地，屏蔽層接地有兩種方式：

(1)傳輸模擬信號(hào)、脈沖頻率信號(hào)時(shí)，若信號(hào)源沒(méi)有接地，屏蔽電纜在控制室一側(cè)接地。

(2)信號(hào)源接地如熱電偶、pH計(jì)電極等本身接地時(shí)，屏蔽電纜在現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)源一側(cè)接地。

在控制室內(nèi)，工作接地匯總板和保護(hù)接地匯總板各自分別由兩條單獨(dú)的接地干線接到總接地板上，總接地板經(jīng)接地總干線接到接地極。在每個(gè)DCS機(jī)柜里，有兩條接地匯流條，一條是供DCS系統(tǒng)用的屏蔽接地，另一條供保護(hù)接地用，兩路接地分別接到工作接地匯總板和保護(hù)接地匯總板。DCS機(jī)柜需要采用絕緣墊片與基礎(chǔ)槽鋼絕緣使機(jī)柜懸空。

圖1 為接線柜接線圖

3.3 DCS 系統(tǒng)接地要求

(1)系統(tǒng)的接地銅板到大地的接地電阻＜1Ω最佳，不得大于2.5Ω

(2)接地總干線的線路阻抗小于0.1Ω

(3)各機(jī)柜與機(jī)房的金屬槽鋼必須絕緣，最低不能低于2MΩ

(4)工程師站、操作員站采用3*2.5mm電源電纜在電源柜內(nèi)接地

(5)接地極周?chē)?5米內(nèi)無(wú)避雷地的接入點(diǎn)

4 DCS系統(tǒng)接地方式

4.1 利用電氣接地網(wǎng)作為DCS接地網(wǎng)，即與電氣接地網(wǎng)共地

4.2 設(shè)DCS系統(tǒng)專(zhuān)用獨(dú)立的接地網(wǎng)

4.3 設(shè)DCS專(zhuān)用接地網(wǎng)，經(jīng)接地線、再接至電氣接地網(wǎng)

由于第三種接地方式與第二種接地方式有較多相同處，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，以往計(jì)算機(jī)或DCS系統(tǒng)曾經(jīng)較多的采用過(guò)專(zhuān)用的接地網(wǎng)，但這種接地方式存在的缺點(diǎn)是：占地面積太大，投資高，電纜及接地網(wǎng)鋼材耗量大，距廠房有相當(dāng)?shù)木嚯x(因不易在廠房?jī)?nèi)找到合適的位置)，管理、維護(hù)、測(cè)量及查找接地極和接地線不方便，且效果不甚良好。

4.4 遠(yuǎn)程I/O柜接地方式

分散布置DCS系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)控制站分散到現(xiàn)場(chǎng)，而操作員站位于不同的控制室，分散直徑在500米的范圍內(nèi)，各站點(diǎn)間使用多模光纖或5類(lèi)雙絞線或DP屏蔽雙絞線等連接。使用光纖連接的站點(diǎn)，各站點(diǎn)內(nèi)的接地方法同集中布置的DCS設(shè)備；使用5類(lèi)雙絞線或DP屏蔽雙絞線連接的站點(diǎn)：控制室的各類(lèi)地線先連接到公共連接板，公共連接板通過(guò)接地總干線與公共接地極相連。從公共接地極看過(guò)去，整個(gè)接地網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)星型結(jié)構(gòu)。使用5類(lèi)雙絞線或DP屏蔽雙絞線兩頭通過(guò)網(wǎng)絡(luò)浪涌保護(hù)設(shè)備 (信號(hào)避雷器、通流量不小于5KA)與DCS的SWITCH、HUB、REPEAT、或其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備相連。兩邊的站點(diǎn)有各自的公共接地極，二者不必有金屬連接，各站點(diǎn)的接地方法同集中布置的DCS設(shè)備。5類(lèi)雙絞線或DP屏蔽雙絞線必須穿鍍鋅鋼管或金屬橋架敷設(shè)，鋼管或橋架必須可靠接地。當(dāng)雷擊，或者電氣事故造成兩邊地電位差過(guò)大時(shí)，信號(hào)避雷器可以保護(hù)兩邊的設(shè)備。

5 小結(jié)

DCS控制系統(tǒng)的接地技術(shù)是十分復(fù)雜而又非常重要的技術(shù)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)施中必須給予高度重視。我廠主機(jī)房DCS系統(tǒng)采用了文中所述的接地技術(shù)，系統(tǒng)工作多年，沒(méi)有出現(xiàn)因接地問(wèn)題而造成人員傷害和設(shè)備損壞以及系統(tǒng)的不正常運(yùn)行。對(duì)DCS控制系統(tǒng)的接地，不能像當(dāng)然以為只要接地電阻符合要求就解決了問(wèn)題，還要考慮本文中提到到可能出現(xiàn)的種種問(wèn)題，以保證DCS系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。

[1]GB50057-1994 建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范[S].2000.

[2]王厚余.信息技術(shù)(IT)設(shè)備的接地和等電位聯(lián)結(jié)[Z].WTO與中國(guó)電氣設(shè)備全國(guó)巡回研討會(huì)交流材料，2004.

[3]劉松強(qiáng).計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的原理與方法[M].2007.