控制系統中屏蔽接地的應用探討

一、 概述

　　卷煙行業(yè)的自動(dòng)化控制系統主要是采用PLC現場(chǎng)總線(xiàn)構建的。系統中各主機設備使用的溫度參數、水分參數、閥門(mén)控制數據等多采用模擬量4～20mA電流方式進(jìn)行傳輸。同時(shí)控制系統中還大量使用了變頻器、軟啟動(dòng)器等具有強烈電磁干擾的電器設備，而且工業(yè)現場(chǎng)動(dòng)力線(xiàn)路密布，設備啟停運轉繁忙，因此存在嚴重的電場(chǎng)和磁場(chǎng)干擾。

　　模擬量信號等控制電纜和現場(chǎng)總線(xiàn)的網(wǎng)絡(luò )電纜運行在干擾環(huán)境中，其屏蔽接地若不能得到較好的處理，將對整個(gè)系統的穩定性和系統的正常工作造成嚴重影響。

　　屏蔽接地的目的是為防止電氣設備因受電磁干擾，而影響其工作或對其它設備造成電磁干擾。

　　二、 屏蔽接地方式

　　在卷煙行業(yè)的工業(yè)控制系統中，屏蔽接地通常采用兩種方式來(lái)處理：屏蔽層單端接地和屏蔽層雙端接地。

　?、?屏蔽層單端接地是在屏蔽電纜的一端將金屬屏蔽層直接接地，另一端不接地或通過(guò)保護接地。如下圖：

　　圖1

　　在屏蔽層單端接地情況下，非接地端的金屬屏蔽層對地之間有感應電壓存在，感應電壓與電纜的長(cháng)度成正比，但屏蔽層無(wú)電勢環(huán)流通過(guò)。單端接地就是利用抑制電勢電位差達到消除電磁干擾的目的。

　　這種接地方式適合長(cháng)度較短的線(xiàn)路，電纜長(cháng)度所對應的感應電壓不能超過(guò)安全電壓。靜電感應電壓的存在將影響電路信號的穩定，有時(shí)可能會(huì )形成天線(xiàn)效應。

　?、?雙端接地是將屏蔽電纜的金屬屏蔽層的兩端均連接接地，如下圖：

　　圖2

　　在屏蔽層雙端接地情況下，金屬屏蔽層不會(huì )產(chǎn)生感應電壓，但金屬屏蔽層受干擾磁通影響將產(chǎn)生屏蔽環(huán)流通過(guò)，如果地點(diǎn)A和地點(diǎn)B的電勢不相等，將形成很大的電勢環(huán)流，環(huán)流會(huì )對信號產(chǎn)生抵消衰減效果。

　　在實(shí)際的應用中，采用何種方式的接地處理，需要根據具體的現場(chǎng)情況來(lái)分析和選用。

　　三、 控制系統的屏蔽接地選用

　　卷煙行業(yè)的控制系統中，因PLC控制系統的集中性特點(diǎn)決定，現場(chǎng)動(dòng)力線(xiàn)路分布相對集中，加上輸入輸出的數字量通道，導線(xiàn)之間形成相互耦合是信號干擾的重要原因。另外，控制系統使用的變頻器、軟啟動(dòng)器，也對環(huán)境形成了嚴重的電磁輻射干擾。

　　根據屏蔽接法的方式和特點(diǎn)，在處理控制系統的屏蔽時(shí)，需要考慮多個(gè)方面的因素。

　?、?減少導線(xiàn)間的串擾主要采用遠離技術(shù)：弱信號的模擬數據線(xiàn)要遠離強信號線(xiàn)敷設，尤其是遠離動(dòng)力線(xiàn)路。要避免平行走線(xiàn)，實(shí)際的操作中可以采用敷設不同橋架的方式進(jìn)行隔離。

　?、?抑制磁場(chǎng)耦合干擾，盡量屏蔽干擾源：對于變頻器、熱啟動(dòng)器等強干擾源設備最好能將其用導磁材料屏蔽，但在工程中較難實(shí)現，不過(guò)應該杜絕的是將它們同控制系統的輸入輸出通道設計在同一個(gè)控制箱內。建議采用相對獨立的電控箱安裝。變頻器的動(dòng)力輸出電源最好使用屏蔽電纜，采用單端接地的連接方式，即在控制柜變頻器端的屏蔽接地，電機端的屏蔽層懸浮。(需要注意的是，電機側屏蔽懸浮但正常的保護接地線(xiàn)仍然要正確安裝和連接)

　?、?模擬信號的傳輸選用雙絞屏蔽線(xiàn)較好。雙絞屏蔽線(xiàn)的信號線(xiàn)與其返回線(xiàn)絞合能減少感性耦合引起的干擾。絞合的兩條線(xiàn)阻抗一樣，自身產(chǎn)生的磁場(chǎng)干擾或外部磁場(chǎng)干擾都可以較好的抵消。同時(shí)，平衡式傳輸又獨具很強的抗共模干擾能力。

　?、?區分處理低頻信號和高頻信號的屏蔽接地。對于低頻信號一般采用屏蔽電纜的屏蔽層單端接地方式，能較好的抑制電位差達到消除電磁干擾目的(4～20mA的模擬量信號多屬于此類(lèi));對于高頻信號，應該采用雙端接地的方式，包括PLC控制系統的總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )(例如ProfiBus網(wǎng)絡(luò )、DeviceNet網(wǎng)絡(luò )等)、同軸網(wǎng)絡(luò )(ControlNet等)。同軸網(wǎng)絡(luò )更是需要有良好的雙端屏蔽接地，因為同軸網(wǎng)絡(luò )的屏蔽層除擔當屏蔽的作用外，還是高頻通道的回程導線(xiàn)。

　?、?屏蔽接地要遵循一點(diǎn)接地的原則，系統的控制柜和子控制箱盡可能做到等電勢，減少靜電干擾?？梢栽诠耖g安裝直徑6㎜以上連接地線(xiàn)用于平衡電勢。

　　在安裝連接屏蔽電纜時(shí)，要特別保持屏蔽的完整性，拆斷或分開(kāi)屏蔽將極大地降低屏蔽效率。

　　四、 結論

　　控制系統現場(chǎng)的干擾來(lái)源是多方面的，各種輸入輸出信號之間接地是否合理，不只是形成相互耦合干擾的問(wèn)題，有時(shí)還危及計算機系統的安全。

　　針對不同的項目和不同的現場(chǎng)，屏蔽接地需要有不同的處理方法，正確的設計和利用它們、良好地抑制干擾，關(guān)系到控制系統安全穩定地運行。