自動(dòng)化控制系統(tǒng)中屏蔽接地的應(yīng)用探討

 一、 概述

卷煙行業(yè)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)主要是采用PLC現(xiàn)場(chǎng)總線構(gòu)建的。系統(tǒng)中各主機(jī)設(shè)備使用的溫度參數(shù)、水分參數(shù)、閥門控制數(shù)據(jù)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(tǒng)中還大量使用了變頻器、軟啟動(dòng)器等具有強(qiáng)烈電磁干擾的電器設(shè)備，而且工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)力線路密布，設(shè)備啟停運(yùn)轉(zhuǎn)繁忙，因此存在嚴(yán)重的電場(chǎng)和磁場(chǎng)干擾。

模擬量信號(hào)等控制電纜和現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)電纜運(yùn)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(duì)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和系統(tǒng)的正常工作造成嚴(yán)重影響。

屏蔽接地的目的是為防止電氣設(shè)備因受電磁干擾，而影響其工作或?qū)ζ渌O(shè)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(tǒng)中，屏蔽接地通常采用兩種方式來處理：屏蔽層單端接地和屏蔽層雙端接地。

① 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保護(hù)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(duì)地之間有感應(yīng)電壓存在，感應(yīng)電壓與電纜的長度成正比，但屏蔽層無電勢(shì)環(huán)流通過。單端接地就是利用抑制電勢(shì)電位差達(dá)到消除電磁干擾的目的。

這種接地方式適合長度較短的線路，電纜長度所對(duì)應(yīng)的感應(yīng)電壓不能超過安全電壓。靜電感應(yīng)電壓的存在將影響電路信號(hào)的穩(wěn)定，有時(shí)可能會(huì)形成天線效應(yīng)。

② 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(yīng)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，如果地點(diǎn)A和地點(diǎn)B的電勢(shì)不相等，將形成很大的電勢(shì)環(huán)流，環(huán)流會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生抵消衰減效果。

在實(shí)際的應(yīng)用中，采用何種方式的接地處理，需要根據(jù)具體的現(xiàn)場(chǎng)情況來分析和選用。

三、 控制系統(tǒng)的屏蔽接地選用

卷煙行業(yè)的控制系統(tǒng)中，因PLC控制系統(tǒng)的集中性特點(diǎn)決定，現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)力線路分布相對(duì)集中，加上輸入輸出的數(shù)字量通道，導(dǎo)線之間形成相互耦合是信號(hào)干擾的重要原因。另外，控制系統(tǒng)使用的變頻器、軟啟動(dòng)器，也對(duì)環(huán)境形成了嚴(yán)重的電磁輻射干擾。

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

① 減少導(dǎo)線間的串?dāng)_主要采用遠(yuǎn)離技術(shù)：弱信號(hào)的模擬數(shù)據(jù)線要遠(yuǎn)離強(qiáng)信號(hào)線敷設(shè)，尤其是遠(yuǎn)離動(dòng)力線路。要避免平行走線，實(shí)際的操作中可以采用敷設(shè)不同橋架的方式進(jìn)行隔離。

② 抑制磁場(chǎng)耦合干擾，盡量屏蔽干擾源：對(duì)于變頻器、熱啟動(dòng)器等強(qiáng)干擾源設(shè)備最好能將其用導(dǎo)磁材料屏蔽，但在工程中較難實(shí)現(xiàn)，不過應(yīng)該杜絕的是將它們同控制系統(tǒng)的輸入輸出通道設(shè)計(jì)在同一個(gè)控制箱內(nèi)。建議采用相對(duì)獨(dú)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(jī)端的屏蔽層懸浮。(需要注意的是，電機(jī)側(cè)屏蔽懸浮但正常的保護(hù)接地線仍然要正確安裝和連接)

③ 模擬信號(hào)的傳輸選用雙絞屏蔽線較好。雙絞屏蔽線的信號(hào)線與其返回線絞合能減少感性耦合引起的干擾。絞合的兩條線阻抗一樣，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(dú)具很強(qiáng)的抗共模干擾能力。

④ 區(qū)分處理低頻信號(hào)和高頻信號(hào)的屏蔽接地。對(duì)于低頻信號(hào)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(dá)到消除電磁干擾目的(4～20mA的模擬量信號(hào)多屬于此類);對(duì)于高頻信號(hào)，應(yīng)該采用雙端接地的方式，包括PLC控制系統(tǒng)的總線網(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?yàn)橥S網(wǎng)絡(luò)的屏蔽層除擔(dān)當(dāng)屏蔽的作用外，還是高頻通道的回程導(dǎo)線。

⑤ 屏蔽接地要遵循一點(diǎn)接地的原則，系統(tǒng)的控制柜和子控制箱盡可能做到等電勢(shì)，減少靜電干擾?？梢栽诠耖g安裝直徑6㎜以上連接地線用于平衡電勢(shì)。

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

四、 結(jié)論

控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)的干擾來源是多方面的，各種輸入輸出信號(hào)之間接地是否合理，不只是形成相互耦合干擾的問題，有時(shí)還危及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的安全。

針對(duì)不同的項(xiàng)目和不同的現(xiàn)場(chǎng)，屏蔽接地需要有不同的處理方法，正確的設(shè)計(jì)和利用它們、良好地抑制干擾，關(guān)系到控制系統(tǒng)安全穩(wěn)定地運(yùn)行。