現場總線控制系統的屏蔽／接地分析

　　摘要：現場總線控制系統（FCS）屏蔽／接地直接關系到控制系統的監測控制精度和機組的安全、可靠、穩定運行。對此，以基金會現場總線（FF）和過程現場總線（Profthus）為例，對FCS屏蔽／接地進行分析，并給出了FCS防止外部電擊、雷電、強電流及靜電干擾的電纜屏蔽層接地方法。
　　
　　將以現場總線技術為基礎的現場總線控制系統（FCS）用于發電廠機組級控制，在我國正處于起步階段。FCS有許多設計和應用技術是傳統控制系統（如DCS、PLC）所不曾遇到的，如區域（站點）劃分與位置確定、FCS網段設計、FCS的屏蔽／接地等，其中屏蔽／接地直接關系到FCS的監測控制精度和機組的安全、可靠、穩定運行。由于現場總線標準繁多，本文以適用于發電廠控制，且配套產品相對齊全的FF和Profibus現場總線標準為例，闡述現場總線控制系統屏蔽／接地。
　　
　　1、現場總線控制系統屏蔽／接地
　　
　　控制系統具有保護地和工作地2種接地方式，其中工作地分為邏輯地、屏蔽地等，對于裝有安全柵防爆措施的控制系統，還要求具有本安地。
　　
　　1.1FF現場總線屏蔽／接地
　　
　　FF現場總線系統中儀表信號導線不得用于接地，儀表安全接地必須通過信號電纜之外的獨立導線；在網絡中的任何一處現場總線設備不得將雙絞線對中的任一根導線與地連接，現場總線導線中的任一根導線接地將導致該總線網絡／網段上的所有設備通信中斷。與傳統儀表系統相同，采用雙絞線外部的屏蔽是為了避免信號干擾（噪聲），現場總線電纜的屏蔽層必須接地。
　　
　　針對不同工程，原則上可選用以下3種電纜屏蔽層接地方法。
　　
　　（l）整個網段中所有電纜的屏蔽層連接在一起，只在網段的一端接地，通常是在控制室端接地。在此情況下，整個網段的電纜屏蔽層不得與現場儀表和接線盒的機殼連接，因為這些機殼通常總是接地的。在沒有等電位地的情況下，應該遵循這種屏蔽層單端接地原則。
　　
　　（2）在現場電磁干擾較強的情況下，理想的抗干擾措施是將電纜屏蔽層與金屬接線盒、儀表機殼及控制室內的系統接地連接在一起，這就不可避免地存在多點接地。只有當設有等電位地時，才可以采用此方法。
　　
　　（3）在多數現場中，沒有*的等電位地（儀表的安裝現場設有裝置區域范圍的等電位地，而控制室與裝置現場的地沒有等電位），為了獲得很好的抗干擾效果，可將電纜屏蔽層與現場的接線盒和儀表機殼連接在一起，實現現場等電位基礎上的多點接地，而電纜屏蔽層在控制室內經由一個隔離電容接地。該電容的參數為10nF/1500V，可集成在FF配電單元中。
　　
　　對少數現場等電位地不*的裝置區域，建議實施的接地方法為：（l）主干線電纜屏蔽層在控制室單點接地，且與現場接線盒機箱之間通過隔離電容連接，該隔離電容可集成在接線盒內；（2）將各分支的電纜屏蔽層與接線盒機箱之間也通過隔離電容連接，此時分支的電纜屏蔽層即可經儀表機殼接地。　　
　　（l）電纜屏蔽層通常是兩端接地。特別是在高頻干擾情況下，用此種方法可以抑制信號干擾。如果在大范圍分散系統的各個總線站之間存在電位差且不能實現等電位屏蔽層接地時，建議僅在一端將電纜屏蔽層接地，以避免在Profibus電纜屏蔽層中產生等電位屏蔽接地電流。對于靜止的總線站，將機柜入口一端的Profibus電纜屏蔽網連接到基準地。
　　
　　（2）在工業裝備中安裝ProfibusDP的標準方法是有接地基準電位地，即必須把所有模塊機架和負載電流回路與公共的基準電位地相連接。總線插頭連接器將Pronbus電纜的屏蔽與網絡中所有的總線站相連接，然后將各個部件的接地連接到控制柜的公共接地點（接地總線匯流條）。就地設備就近單點接地。另外，應該注意與接地點相連的連接線應有足夠大的載面積，同時還須確保在控制柜內的各個接地總線匯流條都有相同的接地電位，即它們之間不能存在電位差和電流。
　　
　　2、屏蔽／接地分析
　　
　　2.1多點接地與等電位地
　　
　　在FF與Profibus屏蔽／接地規范中，均提到了多點接地和就地設備就近單點接地。由圖1可見，主站與1號、2號從站皆有就地接地，同時接地電纜將3個機柜的接地匯流條串聯在一起。為了保證控制系統穩定運行，FF與Profibus屏蔽／接地規范中，均要求等電位地，如圖2所示。　　
　　圖2（a）為系統串聯多點接地。理論上各柜接地極與大地間的接地電阻應該為零，但在實際中由于天氣、土壤、施工等諸多因素的影響，各柜接地極與大地之間存在一定的電阻。由于干擾信號的產生具有隨機性，在各個接地點產生的影響也相同。假設在接地系統中，每個接地點產生的干擾信號I、（i=1,2,3，…，n）可等效為一個擾動信號I（地回路電流），其流向為從1號機柜到n號機柜，再到大地，由于接地導線間也存在電阻（圖2（a）中的r,（i=1,2,3，…，n），因此忽略交流阻抗的影響整個接地系統的電阻值可表示為：
　　
　　R=rl＋r2＋r3＋……＋rn＋r
　　
　　在相鄰兩個接地點之間必然存在一個微小的電位差（Ui-Ui-1=I×rn），且接地點之間距離越長，電位差越大，如1號機柜和n號機柜之間的電位差為：U1-Un=I×（r1+r2+r3＋……＋rn）
　　
　　因此，1號機柜與n號機柜的基準電壓不同。在同一系統中，不允許這種情況的存在。這是因為控制系統監控信號為弱電流信號，即使微小的信號干擾，也會給系統的檢測和控制帶來誤差。同時，干擾信號具有隨機性，在系統聯校時無法消除，從而影響系統的正常運行。由于大型發電廠存在變壓器、電動機、大功率可控硅整流設備等干擾源，并且目前國內設計、施工以及等電位聯結的配件不配套使得在現場難以尋找等電位地，因此采用系統單點接地（圖2（b））較為合理。由圖2（b）可見，在FCS的接地裝置中設有匯流板，將各個需要接地的點單獨并聯于匯流板上，匯流板為整個系統設置了一個基準電位面，在匯流板上所有各點的電位均相等。假設系統中存在一個等效的干擾信號I，匯流板與接地裝置間存在著一個微小的電阻R，接地極與大地之間的電阻為r，因此該干擾信號所產生的等效電壓U=I（R+r），并始終存在于匯流板與大地之間，從而使各個接地點的電位保持在同一電位U上。由于電位U對系統中每一個檢測點的影響相同，因此可通過聯校或一段時間的試運行，得到一個經驗參數，以消除電位U對控制系統的影響。
　　
　　2.2電纜屏蔽層兩端接地與一端接地
　　
　　2.2.1兩端接地
　　
　　電纜屏蔽層兩端接地是針對相互絕緣隔離型的雙層屏蔽電纜（無絕緣隔離的雙屏蔽層，其實質仍然是單屏蔽層），雙層屏蔽電纜的zui外屏蔽層兩端接地。電纜屏蔽層兩端接地適用于外部有強電流干擾的情況。
　　
　　（1）當控制電纜被源磁場產生的磁通所包圍時，在電纜屏蔽層中將因電位差而被感應屏蔽電流，由屏蔽電流產生的磁通，將抵消源磁場產生的磁通對電纜芯線的影響。假定屏蔽作用理想，兩者共同作用的結果，將使被屏蔽層*包圍的電纜芯線中的磁通為零，電纜屏蔽層形成了一個理想的法拉第籠，這與帶有二次短路線圈的理想變壓器一樣，鐵芯中的磁通將為零。但是，電纜屏蔽層的屏蔽作用不可能達到*理想狀態，被屏蔽的電纜芯線在源磁場產生的磁通作用下，仍然會感應出一定的電壓。
　　
　　（2）電纜屏蔽層兩端接地，可以降低由于地電位上升產生的暫態感應電壓。當雷電經避雷器注入地網，使發電廠地網中的沖擊電流增大時，將產生暫態的電位波動，同時地網的視在接地電阻也將暫時增大。與正常交流電阻相比，此時接地電阻常常增大數倍乃至10倍以上。如果低壓控制電纜敷設在地電位升高的附近，將由于電纜電位的波動而受到干擾。采用兩端接地的屏蔽電纜，可以將暫態感應電壓抑制為原值的10％以下，是降低干擾電壓的一種有效措施。
　　
　　2.2.2一端接地
　　
　　一端接地時，不形成電位差，電纜屏蔽層電壓為零，可顯著減少靜電感應電壓。如果是防止靜電干擾，電纜屏蔽層必須一端接地（不論是單層還是雙層屏蔽），因為單端接地的靜電放電速度是zui快的。對相互絕緣隔離型的雙層屏蔽電纜的內層屏蔽層必須單點接地。
　　
　　3、結論
　　
　　（1）大型發電廠以電纜屏蔽層單點接地為宜。
　　
　　（2）對于有外部電擊、雷電及強電流干擾的情況，宜采用相互絕緣隔離型的雙層屏蔽電纜，且zui外屏蔽層兩端接地；為了保證人身和設備安全，必須多點接地。值得注意的是，在電纜屏蔽層中因電位差而感應出屏蔽電流將引起額外的沖擊或干擾電壓。
　　
　　（3）為了快速消除靜電干擾，在保證接地線截面積足夠大的情況下，FCS的控制電纜采用單層屏蔽電纜，且一端接地，是性價比較高的選擇。