現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統屏蔽/接地

將以現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)為基礎的現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(FCS)用于發(fā)電廠(chǎng)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(shù)是傳統控制系統(如DCS、PLC)所不曾遇到的，如區域(站點(diǎn))劃分與位置確定、FCS 網(wǎng)段設計、FCS的屏蔽/接地等，其中屏蔽/接地直接關(guān)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(chǎng)總線(xiàn)標準繁多，本文以適用于發(fā)電廠(chǎng)控制，且配套產(chǎn)品相對齊全的FF和Profibus現場(chǎng)總線(xiàn)標準為例，闡述現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統屏蔽/接地。

1 現場(chǎng)總線(xiàn)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。

1.1 FF現場(chǎng)總線(xiàn)屏蔽/接地

FF現場(chǎng)總線(xiàn)系統中儀表信號導線(xiàn)不得用于接地，儀表安全接地必須通過(guò)信號電纜之外的獨立導線(xiàn);在網(wǎng)絡(luò )中的任何一處現場(chǎng)總線(xiàn)設備不得將雙絞線(xiàn)對中的任一根導線(xiàn)與地連接，現場(chǎng)總線(xiàn)導線(xiàn)中的任一根導線(xiàn)接地將導致該總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )/網(wǎng)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(xiàn)外部的屏蔽是為了避免信號干擾(噪聲)，現場(chǎng)總線(xiàn)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(gè)網(wǎng)段中所有電纜的屏蔽層連接在一起，只在網(wǎng)段的一端接地，通常是在控制室端接地。在此情況下，整個(gè)網(wǎng)段的電纜屏蔽層不得與現場(chǎng)儀表和接線(xiàn)盒的機殼連接，因為這些機殼通?？偸墙拥氐?。在沒(méi)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(chǎng)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(xiàn)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(diǎn)接地。只有當設有等電位地時(shí)，才可以采用此方法。

(3)在多數現場(chǎng)中，沒(méi)有完善的等電位地(儀表的安裝現場(chǎng)設有裝置區域范圍的等電位地，而控制室與裝置現場(chǎng)的地沒(méi)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(chǎng)的接線(xiàn)盒和儀表機殼連接在一起，實(shí)現現場(chǎng)等電位基礎上的多點(diǎn)接地，而電纜屏蔽層在控制室內經(jīng)由一個(gè)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(chǎng)等電位地不完善的裝置區域，建議實(shí)施的接地方法為：(l )主干線(xiàn)電纜屏蔽層在控制室單點(diǎn)接地，且與現場(chǎng)接線(xiàn)盒機箱之間通過(guò)隔離電容連接，該隔離電容可集成在接線(xiàn)盒內;(2)將各分支的電纜屏蔽層與接線(xiàn)盒機箱之間也通過(guò)隔離電容連接，此時(shí)分支的電纜屏蔽層即可經(jīng)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(gè)總線(xiàn)站之間存在電位差且不能實(shí)現等電位屏蔽層接地時(shí)，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(chǎn)生等電位屏蔽接地電流。對于靜止的總線(xiàn)站，將機柜入口一端的 Profibus 電纜屏蔽網(wǎng)連接到基準地。

(2)在工業(yè)裝備中安裝Profibus DP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?？偩€(xiàn)插頭連接器將Pronbus 電纜的屏蔽與網(wǎng)絡(luò )中所有的總線(xiàn)站相連接，然后將各個(gè)部件的接地連接到控制柜的公共接地點(diǎn)(接地總線(xiàn)匯流條)。就地設備就近單點(diǎn)接地。另外，應該注意與接地點(diǎn)相連的連接線(xiàn)應有足夠大的載面積，同時(shí)還須確保在控制柜內的各個(gè)接地總線(xiàn)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(diǎn)接地與等電位地

在FF與Profibus屏蔽/接地規范中，均提到了多點(diǎn)接地和就地設備就近單點(diǎn)接地。由圖1可見(jiàn)，主站與1號、2號從站皆有就地接地，同時(shí)接地電纜將3 個(gè)機柜的接地匯流條串聯(lián)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(lián)多點(diǎn)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(shí)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(chǎn)生具有隨機性，在各個(gè)接地點(diǎn)產(chǎn)生的影響也相同。假設在接地系統中，每個(gè)接地點(diǎn)產(chǎn)生的干擾信號I、 (i=1,2,3，…，n)可等效為一個(gè)擾動(dòng)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(xiàn)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(gè)接地系統的電阻值可表示為：

R=rl+r2+r3+……+rn+r

在相鄰兩個(gè)接地點(diǎn)之間必然存在一個(gè)微小的電位差(Ui-Ui-1=I×rn)，且接地點(diǎn)之間距離越長(cháng)，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(huì )給系統的檢測和控制帶來(lái)誤差。同時(shí)，干擾信號具有隨機性，在系統聯(lián)校時(shí)無(wú)法消除，從而影響系統的正常運行。由于大型發(fā)電廠(chǎng)存在變壓器、電動(dòng)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(lián)結的配件不配套使得在現場(chǎng)難以尋找等電位地，因此采用系統單點(diǎn)接地(圖2(b))較為合理。由圖2(b)可見(jiàn)，在FCS的接地裝置中設有匯流板，將各個(gè)需要接地的點(diǎn)單獨并聯(lián)于匯流板上，匯流板為整個(gè)系統設置了一個(gè)基準電位面，在匯流板上所有各點(diǎn)的電位均相等。假設系統中存在一個(gè)等效的干擾信號I，匯流板與接地裝置間存在著(zhù)一個(gè)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(chǎn)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(gè)接地點(diǎn)的電位保持在同一電位U上。由于電位U對系統中每一個(gè)檢測點(diǎn)的影響相同，因此可通過(guò)聯(lián)?；蛞欢螘r(shí)間的試運行，得到一個(gè)經(jīng)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