對控制系統(tǒng)接地的思考和改造

鄧勇　劉冬根　席細(xì)勇

摘 要：由PLC控制系統(tǒng)故障引發(fā)了對控制系統(tǒng)接地的思考。通過對接地規(guī)范、電纜屏蔽層接法和控制系統(tǒng)的接地方式等的分析和改造，有效提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：電纜；接地方式；控制系統(tǒng)；壓力傳感器

中圖分類號：TM862 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.16.156

新鋼集團公司中厚板廠中板線2690軋機系統(tǒng)在2008年進行了改造，改造過程中對部分廠房和設(shè)備基礎(chǔ)進行了重新施工?；謴?fù)生產(chǎn)后，部分控制系統(tǒng)發(fā)生故障，比如PLC電源燒壞、位移傳感器和壓力傳感器信號丟失或不變化等。通過討論和分析一致認(rèn)為系統(tǒng)接地存在問題，并制定了檢查整改方案，重點從3個方面進行，即接地規(guī)范、控制電纜屏蔽層接法、控制系統(tǒng)接地方式。

1 接地規(guī)范方面的檢查整改

重點檢查的項目有系統(tǒng)是否與接地網(wǎng)相連、接地線是否與接地面良好搭接、電纜的布設(shè)方式。檢查發(fā)現(xiàn)，雖然部分PLC柜內(nèi)的接地線與控制電纜的屏蔽線、原本柜內(nèi)的接地端口相連，但此接地端口并沒有連接接地網(wǎng)，而是直接連接在機柜的基礎(chǔ)上，進而可能產(chǎn)生干擾現(xiàn)象。我們利用電纜將機柜的接地端口與接地網(wǎng)相連，信號浮動在正常的數(shù)值范圍內(nèi)。電磁干擾主要通過連接導(dǎo)線與設(shè)備的電纜端口傳播，利用電源線、接地線與信號線等不同的途徑傳播。在檢測的過程中我們發(fā)現(xiàn)，電源線串有抗干擾低通濾波電容。雖然電源模塊使用的為高頻開關(guān)，但外殼的金屬接地線和保護接地線有多處阻值在20 Ω以上，我們對其進行了重新連接和緊固，最終阻值變?yōu)?.9 Ω。

據(jù)現(xiàn)場運行人員的測量，設(shè)備正常運行時控制電纜的屏蔽層電壓可達10～60 V。當(dāng)遇到雷雨天或有電纜接地時，控制電纜的屏蔽層電壓可達100～200 V。因此，我們初步認(rèn)為，干擾是由信號控制線引入的。由于各種線路、電纜錯綜復(fù)雜，且大多敷設(shè)于電纜溝中，與地線緊貼，遇到雷雨天或現(xiàn)場電纜有接地時會引起信號混亂，嚴(yán)重時會燒壞模塊。因此，采取了以下措施進行整改：①盡可能地采用電纜橋架分層鋪設(shè)；②盡可能地將動力電纜與控制電纜拉開一定的距離；③在控制電纜與動力電纜未分開的區(qū)域的管子上噴鍍了一層鋅金屬，并將鍍鋅管與接地網(wǎng)連接，這樣既能達到防干擾的目的，又能保護線路。

2 控制電纜屏蔽層方面的檢查整改

在檢查中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場的控制電纜采用了未帶屏蔽層、單層屏蔽層和雙屏蔽層雙絞線等多種電纜。其中，未帶屏蔽層的控制電纜受到的干擾最大，其未使用的芯線電壓最大可達100 V。

2.1 控制電纜屏蔽層的接地方式

控制電纜屏蔽層的接地方式有以下2種：①使電纜屏蔽層的一端與地面直接連接，電纜的另一端不與地面連接或設(shè)置保護措施后再與地面連接。只將電纜屏蔽層其中的一段與地面連接的主要目的是充分降低電勢電位差，從而減小或消除電磁的干擾。②要想控制電纜屏蔽層的兩端接地，必須將電纜兩端的金屬屏蔽層都連接在接地裝置上，并保持兩端的電勢相同，否則，會導(dǎo)致屏蔽層中出現(xiàn)較大的電勢環(huán)流。該環(huán)流會對通訊信號造成影響，使信號變?nèi)趸虻窒?/p>

2.2 控制電纜單端接地與兩端接地的比較

使電纜屏蔽層的一端與地面連接，這樣能阻止電纜中的線芯因環(huán)境電場的變化而出現(xiàn)充電或放電現(xiàn)象，從而防止控制電纜的線芯與外界環(huán)境相交而產(chǎn)生電容和減少靜電的產(chǎn)生；屏蔽層選用的是與地面連接的一段，從而避免了因兩端同時接地而產(chǎn)生的電位差，不會導(dǎo)致屏蔽層的內(nèi)部與地面連接形成電環(huán)流。

使屏蔽層的兩端都與地面連接，這樣能在磁通包圍整個電纜時，了解屏蔽電流處在控制電纜的哪個層中，屏蔽電流能根據(jù)其產(chǎn)生磁通，并抵消原磁通，從而消除對電纜線芯的損害；可減小因大地電位升高而產(chǎn)生的暫態(tài)感應(yīng)電壓。

電纜屏蔽層兩端都與地面連接也有缺點：①當(dāng)接地系統(tǒng)中出現(xiàn)短路或遭遇雷擊時，會導(dǎo)致屏蔽層兩端的電位出現(xiàn)差異，屏蔽層內(nèi)會產(chǎn)生電流，并出現(xiàn)其他的沖擊和干擾電壓；②每當(dāng)電流流過屏蔽層時，都會對所有線芯發(fā)出干擾信號。如果電纜芯處于強回路上，則電流所產(chǎn)生的干擾信號會減弱。

綜上所述，我們根據(jù)現(xiàn)場的實際情況對屏蔽層分別采用了不同的接地方式，以抗干擾效果最佳的為標(biāo)準(zhǔn)。此外，我們對屏蔽層還采取了一些相應(yīng)的措施，即檢查了所有線路屏蔽層中電器的連續(xù)性；屏蔽電纜被接線盒或中間接頭柜分開或合并時，通過端子在端子箱內(nèi)連接屏蔽層的兩端；相同的信號回路或線路屏蔽層只設(shè)了1個接地點；如果信號線的中間有接頭，則會加固屏蔽層，并對其周圍進行絕緣處理，避免出現(xiàn)多點與地面連接的情況。

3 控制系統(tǒng)接地方式方面的檢查整改

我們在控制系統(tǒng)的接地方式方面進行了認(rèn)真的討論和分析，并根據(jù)現(xiàn)場的實際情況對設(shè)備進行了檢查整改。

3.1 控制系統(tǒng)與電網(wǎng)接地的方式

控制系統(tǒng)與電網(wǎng)接地一共有3種方式，分別為浮地、共地和電容接地。其中，共地方式的接地點與電網(wǎng)中的接地點相連接，可提高PLC控制系統(tǒng)電位的穩(wěn)定性，共地方式的線路簡單，可大大減少操作人員的施工步驟，提高工作的安全性；在浮地方式中，PLC接點連接著機殼接地點，運行時要注意做好各線路的絕緣處理工作，減少互相干擾，但該方式的安全性較低，無法保證操作人員的人身安全；機殼共地方式的安全保障系數(shù)最高，且每個接地點均為單獨連接，因此，其抗干擾的能力較強。

3.2 控制系統(tǒng)的一般接地方式

控制系統(tǒng)的一般接地方式共有3種，即單獨接地、串聯(lián)接地和并聯(lián)接地。由于公用地線串聯(lián)單點接地的方法會形成共地干擾，因此，從防止噪聲和抑制干擾的角度出發(fā)，這種接地方法是最不適用的，在整改方案中沒有考慮該方式。對于與獨立地線并聯(lián)的單點接地方式的各個電路中的地電位，其他線路的運行情況并不會對其造成影響，其只與本電路的地電流和地線阻有關(guān)系，適合用于低頻電路。但這種方式會造成地線的根數(shù)過多，進而使阻抗增加、接地干擾增強。為了減小地線阻抗，必須在高頻段采用多點接地的方式。此外，還可以通過縮短電路地線的方式來降低電路地電位和減小地線阻抗。

4 整改效果

整改效果較為明顯，控制系統(tǒng)運行1年來，未出現(xiàn)電源模塊燒壞的故障，位移傳感器、壓力、溫度、系統(tǒng)控制精度等檢測信號的穩(wěn)定性明顯提高，為生產(chǎn)的順利進行和產(chǎn)品質(zhì)量提供了保證。

參考文獻

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[2]周威.儀表控制系統(tǒng)接地問題闡述[J].中國科技信息，2012（13）.

〔編輯：張思楠〕