現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的屏蔽／接地分析

將以現(xiàn)場總線技術(shù)為基礎(chǔ)的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)用于發(fā)電廠機組級控制，在我國正處于起步階段。FCS有許多設(shè)計和應(yīng)用技術(shù)是傳統(tǒng)控制系統(tǒng)(如DCS、PLC)所不曾遇到的，如區(qū)域(站點)劃分與位置確定、FCS 網(wǎng)段設(shè)計、FCS的屏蔽/接地等，其中屏蔽/接地直接關(guān)系到FCS的監(jiān)測控制精度和機組的安全、可靠、穩(wěn)定運行。由于現(xiàn)場總線標準繁多，本文以適用于發(fā)電廠控制，且配套產(chǎn)品相對齊全的FF和Profibus現(xiàn)場總線標準為例，闡述現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)屏蔽/接地。

1 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)屏蔽/接地

控制系統(tǒng)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(tǒng)，還要求具有本安地。

1.1 FF現(xiàn)場總線屏蔽/接地

FF現(xiàn)場總線系統(tǒng)中儀表信號導(dǎo)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(dǎo)線;在網(wǎng)絡(luò)中的任何一處現(xiàn)場總線設(shè)備不得將雙絞線對中的任一根導(dǎo)線與地連接，現(xiàn)場總線導(dǎo)線中的任一根導(dǎo)線接地將導(dǎo)致該總線網(wǎng)絡(luò)/網(wǎng)段上的所有設(shè)備通信中斷。與傳統(tǒng)儀表系統(tǒng)相同，采用雙絞線外部的屏蔽是為了避免信號干擾(噪聲)，現(xiàn)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(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，整個網(wǎng)段的電纜屏蔽層不得與現(xiàn)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(yīng)該遵循這種屏蔽層單端接地原則。

(2)在現(xiàn)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(nèi)的系統(tǒng)接地連接在一起，這就不可避免地存在多點接地。只有當設(shè)有等電位地時，才可以采用此方法。

(3)在多數(shù)現(xiàn)場中，沒有完善的等電位地(儀表的安裝現(xiàn)場設(shè)有裝置區(qū)域范圍的等電位地，而控制室與裝置現(xiàn)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(xiàn)場的接線盒和儀表機殼連接在一起，實現(xiàn)現(xiàn)場等電位基礎(chǔ)上的多點接地，而電纜屏蔽層在控制室內(nèi)經(jīng)由一個隔離電容接地。該電容的參數(shù)為10nF/1500V，可集成在 FF 配電單元中。

對少數(shù)現(xiàn)場等電位地不完善的裝置區(qū)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(xiàn)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(nèi);(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(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(tǒng)的各個總線站之間存在電位差且不能實現(xiàn)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(chǎn)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(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€插頭連接器將Pronbus 電纜的屏蔽與網(wǎng)絡(luò)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(shè)備就近單點接地。另外，應(yīng)該注意與接地點相連的連接線應(yīng)有足夠大的載面積，同時還須確保在控制柜內(nèi)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(guī)范中，均提到了多點接地和就地設(shè)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(lián)在一起。為了保證控制系統(tǒng)穩(wěn)定運行，F(xiàn)F與Profibus屏蔽/接地規(guī)范中，均要求等電位地，如圖2所示。

圖2(a)為系統(tǒng)串聯(lián)多點接地。理論上各柜接地極與大地間的接地電阻應(yīng)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(chǎn)生具有隨機性，在各個接地點產(chǎn)生的影響也相同。假設(shè)在接地系統(tǒng)中，每個接地點產(chǎn)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(dǎo)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(tǒng)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(tǒng)中，不允許這種情況的存在。這是因為控制系統(tǒng)監(jiān)控信號為弱電流信號，即使微小的信號干擾，也會給系統(tǒng)的檢測和控制帶來誤差。同時，干擾信號具有隨機性，在系統(tǒng)聯(lián)校時無法消除，從而影響系統(tǒng)的正常運行。由于大型發(fā)電廠存在變壓器、電動機、大功率可控硅整流設(shè)備等干擾源，并且目前國內(nèi)設(shè)計、施工以及等電位聯(lián)結(jié)的配件不配套使得在現(xiàn)場難以尋找等電位地，因此采用系統(tǒng)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(shè)有匯流板，將各個需要接地的點單獨并聯(lián)于匯流板上，匯流板為整個系統(tǒng)設(shè)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(shè)系統(tǒng)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(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，從而使各個接地點的電位保持在同一電位U上。由于電位U對系統(tǒng)中每一個檢測點的影響相同，因此可通過聯(lián)?；蛞欢螘r間的試運行，得到一個經(jīng)驗參數(shù)，以消除電位U對控制系統(tǒng)的影響。

2.2 電纜屏蔽層兩端接地與一端接地[!--empirenews.page--]

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(zhì)仍然是單屏蔽層)，雙層屏蔽電纜的最外屏蔽層兩端接地。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(chǎn)生的磁通所包圍時，在電纜屏蔽層中將因電位差而被感應(yīng)屏蔽電流，由屏蔽電流產(chǎn)生的磁通，將抵消源磁場產(chǎn)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(jié)果，將使被屏蔽層完全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完全理想狀態(tài)，被屏蔽的電纜芯線在源磁場產(chǎn)生的磁通作用下，仍然會感應(yīng)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(chǎn)生的暫態(tài)感應(yīng)電壓。當雷電經(jīng)避雷器注入地網(wǎng)，使發(fā)電廠地網(wǎng)中的沖擊電流增大時，將產(chǎn)生暫態(tài)的電位波動，同時地網(wǎng)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(shù)倍乃至10倍以上。如果低壓控制電纜敷設(shè)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(tài)感應(yīng)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(yīng)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最快的。對相互絕緣隔離型的雙層屏蔽電纜的內(nèi)層屏蔽層必須單點接地。

3 結(jié)論

(1)大型發(fā)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，且最外屏蔽層兩端接地;為了保證人身和設(shè)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(yīng)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。

[參考文獻]

[l]Fieldbus Foundation. FF系統(tǒng)工程指南(AG-181)(2.0版本).2004.

[2] Profibus International.Profibus工程應(yīng)用指南[Z].2004.