現(xiàn)場(chǎng)總線儀表信號(hào)的屏蔽接地

王華，陳鵬

(華陸工程科技有限責(zé)任公司，陜西 西安 710065)

隨著數(shù)字通信技術(shù)的發(fā)展，不同的控制系統(tǒng)之間都會(huì)存在通信連接，新一代的智能化數(shù)字儀表已經(jīng)與傳統(tǒng)的模擬儀表有了本質(zhì)區(qū)別。目前智能工廠已經(jīng)步入當(dāng)今社會(huì)，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)也逐步趨于完善，但在數(shù)字總線電纜的屏蔽要求上，仍然沿用模擬信號(hào)時(shí)代單點(diǎn)接地的要求，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)階段技術(shù)發(fā)展的要求。因此，根據(jù)最新的技術(shù)發(fā)展，在工控儀表的設(shè)計(jì)領(lǐng)域，提出了雙端接地、多點(diǎn)接地、電容接地的概念及要求。

1 新版儀表系統(tǒng)接地設(shè)計(jì)規(guī)范

HG/T 20513—2000《儀表系統(tǒng)接地設(shè)計(jì)規(guī)范》中，電纜屏蔽層采用單點(diǎn)接地。HG/T 20513—2014《儀表系統(tǒng)接地設(shè)計(jì)規(guī)范》中新增了現(xiàn)場(chǎng)總線儀表接地的相關(guān)內(nèi)容，提出了現(xiàn)場(chǎng)總線儀表的信號(hào)以數(shù)字方式傳輸，總線電纜屏蔽層的兩端宜做接地連接。在不能確定控制室與現(xiàn)場(chǎng)之間有良好的等電位接地系統(tǒng)時(shí)，宜在總線信號(hào)電纜屏蔽層的現(xiàn)場(chǎng)端直接將屏蔽層接地，而電纜屏蔽層的另一端通過(guò)電容與接地系統(tǒng)連接。

2 現(xiàn)場(chǎng)總線通信模型

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)為建立一套中立的、開(kāi)放的計(jì)算機(jī)通信系統(tǒng)，在ISO 7498中建立了開(kāi)放系統(tǒng)互連的分層模型，簡(jiǎn)稱(chēng)OSI(open system interconnection)參考模型。ISO 7498對(duì)于通信提出了7層參考模型，模型功能如下：

1)物理層。物理層提供用于建立、保持、斷開(kāi)物理連接的條件，同時(shí)提供有關(guān)同步和比特流在物理媒體上的傳輸手段。

2)數(shù)據(jù)鏈路層。用于建立、維持、拆除鏈路連接，實(shí)現(xiàn)無(wú)差錯(cuò)傳輸功能。

3)網(wǎng)絡(luò)層。規(guī)定了網(wǎng)絡(luò)建立、維持、拆除的協(xié)議，主要利用數(shù)據(jù)鏈路層的功能，通過(guò)路由選擇和中繼功能，實(shí)現(xiàn)2個(gè)系統(tǒng)之間的連接。

4)傳輸層。完成開(kāi)放系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳送控制。

5)會(huì)話層。依靠傳輸層以下的通信功能，使數(shù)據(jù)傳送功能在開(kāi)放系統(tǒng)間有效地進(jìn)行。

6)表示層。把應(yīng)用層提供的信息變換為能夠共同理解的形式，提供字符代碼、數(shù)據(jù)格式、控制信息、加密等的統(tǒng)一表示。

7)應(yīng)用層。實(shí)現(xiàn)用戶(hù)程序、終端操作員等應(yīng)用進(jìn)程之間的信息交換，同時(shí)具有一系列業(yè)務(wù)處理所需要的服務(wù)功能。

隨著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在工控儀表領(lǐng)域的興起，目前在實(shí)際工程中大量應(yīng)用的主要有兩大陣營(yíng)： 一個(gè)是以美國(guó)為代表的基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(FF現(xiàn)場(chǎng)總線)，代表廠商為艾默生；另一個(gè)是以歐洲為代表的Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線，代表廠商為西門(mén)子?；贠SI模型的兩種現(xiàn)場(chǎng)總線通信模型對(duì)比見(jiàn)表1所列。

表1 基于OSI模型的兩種現(xiàn)場(chǎng)總線通信模型對(duì)比

注： 1) FF總線在應(yīng)用層基礎(chǔ)上增加了用戶(hù)層，規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)的功能模塊、對(duì)象字典、設(shè)備描述，供用戶(hù)組成所需要的應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)管理；

2) Profibus-PA隱去了3～7層，采用PA行規(guī)，增加了直接數(shù)據(jù)連接擬合，作為用戶(hù)接口。

從表1可以看出，由于FF現(xiàn)場(chǎng)總線的H1總線與Profibus-PA總線具有相同的物理層，兩者的傳輸速率均為31.25 Kbit/s，而物理層又規(guī)定了信號(hào)傳輸?shù)臋C(jī)械、電氣、功能、規(guī)程特性，因此從原則上來(lái)說(shuō)，兩者對(duì)屏蔽接地應(yīng)該有相同的要求。目前的現(xiàn)狀是FF現(xiàn)場(chǎng)總線推薦電纜屏蔽層采用單點(diǎn)接地；Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線要求多點(diǎn)接地。兩大陣營(yíng)觀點(diǎn)不同，在以往的工程項(xiàng)目中，F(xiàn)F現(xiàn)場(chǎng)總線在石油化工領(lǐng)域占有率較高，大部分項(xiàng)目的現(xiàn)場(chǎng)總線都采用傳統(tǒng)的單點(diǎn)接地。

3 干擾與屏蔽的相關(guān)概念

3.1 主動(dòng)干擾及主動(dòng)屏蔽

主動(dòng)干擾與主動(dòng)屏蔽的概念：

1)主動(dòng)干擾。信號(hào)源即干擾源，用于干擾其他信號(hào)的干擾為主動(dòng)干擾。

2)主動(dòng)屏蔽。將主動(dòng)干擾封閉起來(lái)的屏蔽就是主動(dòng)屏蔽，主動(dòng)屏蔽的目的是為了防止噪聲源向外輻射，即對(duì)噪聲源的屏蔽。

3.2 被動(dòng)干擾及被動(dòng)屏蔽

被動(dòng)干擾及被動(dòng)屏蔽的概念：

1)被動(dòng)干擾。來(lái)自外部環(huán)境的干擾，稱(chēng)為被動(dòng)干擾。

2)被動(dòng)屏蔽。為防止被動(dòng)干擾而采取的屏蔽，為被動(dòng)屏蔽；被動(dòng)屏蔽的目的是為了防止敏感設(shè)備遭到噪聲源的干擾，是對(duì)敏感設(shè)備的屏蔽。

對(duì)于低頻和直流模擬量信號(hào)，主要考慮被動(dòng)屏蔽；對(duì)于高頻信號(hào)，則既要考慮被動(dòng)屏蔽，也要考慮主動(dòng)屏蔽。

3.3 共模干擾和差模干擾

共模干擾和差模干擾的概念：

1)差模干擾。干擾源通過(guò)磁場(chǎng)耦合在2根導(dǎo)線和設(shè)備構(gòu)成的回路上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓，進(jìn)而產(chǎn)生差模干擾電流。差模電流大小相等、方向相反，差模電流直接疊加在有用信號(hào)上。通過(guò)屏蔽和減少回路面積，可以減少差模干擾。

2)共模干擾。干擾源通過(guò)電場(chǎng)耦合在1根導(dǎo)線與系統(tǒng)地構(gòu)成的回路上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓，進(jìn)而產(chǎn)生共模干擾電流。

3.4 干擾源的傳輸路徑

產(chǎn)生干擾的3個(gè)要素： 干擾源、耦合路徑、潛在的易受干擾的器件。干擾源可以通過(guò)空間的輻射、電磁耦合傳遞至敏感設(shè)備，也可以通過(guò)導(dǎo)線的傳輸進(jìn)入敏感設(shè)備。

1)對(duì)于高頻數(shù)字信號(hào)，為防止信號(hào)之間的干擾，通常不能采用多芯電纜，應(yīng)采用只有1對(duì)雙絞線的屏蔽電纜傳輸。

2)對(duì)于直流模擬信號(hào)，采用總屏或分屏加總屏的多芯雙絞線電纜進(jìn)行傳輸。根據(jù)TICW/06—2009《計(jì)算機(jī)與儀表電纜》的規(guī)定：

a)對(duì)于只有總屏或分屏的儀表電纜，電纜的屏蔽抑制系數(shù)最大不能超過(guò)0.05。

b)對(duì)于分屏加總屏的儀表電纜，電纜的屏蔽抑制系數(shù)最大不能超過(guò)0.01。

3.5 法拉第籠

法拉第籠是一個(gè)由金屬或者良導(dǎo)體形成的籠子，是以電磁學(xué)的奠基人、英國(guó)物理學(xué)家邁克爾·法拉第的姓氏命名的一種用于演示等電勢(shì)、靜電屏蔽和高壓帶電作業(yè)原理的設(shè)備。法拉第籠由籠體、高壓電源、電壓顯示器和控制部分組成，其籠體與大地連通，高壓電源通過(guò)限流電阻將100 kV直流高壓輸送給放電桿，當(dāng)放電桿尖端距籠體10 cm時(shí)，出現(xiàn)放電火花，根據(jù)接地導(dǎo)體靜電平衡的條件，籠體是1個(gè)等位體，內(nèi)部電勢(shì)為0，電場(chǎng)為0，電荷分布在接近放電桿的外表面上。

3.6 干擾耦合

主要的耦合類(lèi)型包含以下三種：

1)電容性耦合，起源于線路間電場(chǎng)的相互作用。

2)電感性耦合，起源于線路間磁場(chǎng)的相互作用。

3)電磁場(chǎng)耦合，是電場(chǎng)和磁場(chǎng)相結(jié)合的混合作用的耦合，故也被稱(chēng)為電磁耦合或輻射耦合。

如果干擾源為大電流、低電壓的情況，則近場(chǎng)主要為磁場(chǎng)，波阻抗呈低阻抗特性，以電感性耦合的噪聲為主；如果干擾源為高電壓、小電流的情況，則近場(chǎng)主要為電場(chǎng)，波阻抗呈高阻抗特性，以電容性耦合的噪聲為主。

4 總線信號(hào)干擾與屏蔽的原理

電纜屏蔽的原理和類(lèi)型比較復(fù)雜，本文只針對(duì)幾種典型干擾和防護(hù)予以描述、分析。

4.1 靜電場(chǎng)的主動(dòng)屏蔽

對(duì)于靜電場(chǎng)的主動(dòng)屏蔽，干擾源為導(dǎo)線，屏蔽層為法拉第籠，屏蔽層外表面仍然會(huì)有感應(yīng)電荷；若將屏蔽層接地，感應(yīng)電荷將會(huì)消失。因此，對(duì)靜電場(chǎng)的主動(dòng)屏蔽，必須將屏蔽層接地。

圖1為電場(chǎng)屏蔽層單端接地示意，對(duì)于電場(chǎng)的單端屏蔽接地，在直流和低頻的情況下，可以達(dá)到很好的屏蔽效果。如果頻率升高到大于20 kHz或?qū)Ь€過(guò)長(zhǎng)，必須考慮屏蔽層的阻抗(高頻時(shí)感抗遠(yuǎn)大于阻抗)。這樣圖1中屏蔽層A點(diǎn)的對(duì)地電壓UA將不再為0，則信號(hào)電纜屏蔽層作用于信號(hào)上的干擾電壓Us大于0，屏蔽的效果被衰減，這時(shí)需要多點(diǎn)接地或每隔λ/20(Profibus的要求，國(guó)內(nèi)通信行業(yè)也有按λ/10考慮的)做1次接地，從而保證屏蔽層零電位。通常對(duì)低頻及模擬信號(hào)的主動(dòng)屏蔽采用單端接地，以防止產(chǎn)生地環(huán)流。

圖1 電場(chǎng)屏蔽層單端接地示意Uq——干擾源電壓；Ck——干擾源電纜與信號(hào)電纜屏蔽層之間的電容；Ca——屏蔽層與信號(hào)電纜之間的電容；Ce——屏蔽層與地之間的電容

4.2 磁場(chǎng)屏蔽的單端接地

對(duì)于磁場(chǎng)屏蔽，須把低頻和高頻分開(kāi)考慮。

1)對(duì)直流或低頻磁場(chǎng)小于10 kHz的情況，選擇低磁阻抗的材料作為屏蔽，用來(lái)傳導(dǎo)磁力線，使大部分磁力線從屏蔽層中穿過(guò)，從而削弱屏蔽層所包圍的內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)。

2)對(duì)于高頻磁場(chǎng)，會(huì)在屏蔽層中產(chǎn)生旋渦電流，旋渦電流會(huì)產(chǎn)生1個(gè)反磁場(chǎng)從而削弱原有的磁場(chǎng)。屏蔽層的電阻越小，產(chǎn)生的渦流越大，屏蔽效果越好。因此，在高頻磁場(chǎng)干擾下，要選擇導(dǎo)電好的導(dǎo)體。

對(duì)于磁場(chǎng)的單端屏蔽，由于屏蔽層沒(méi)有構(gòu)成回路，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在屏蔽層不能形成反向電流，從而無(wú)法形成反磁場(chǎng)去消減干擾源產(chǎn)生的磁場(chǎng)，達(dá)不到屏蔽作用。磁場(chǎng)屏蔽層單端接地示意如圖2所示。

圖2 磁場(chǎng)屏蔽層單端接地示意I1——干擾源電纜電流；I2——干擾源電纜經(jīng)地流回源端的電流；L1——屏蔽層電感；L2——干擾源導(dǎo)線電感

4.3 主動(dòng)磁場(chǎng)干擾的屏蔽層雙端接地

主動(dòng)屏蔽雙端接地時(shí)，I1在A點(diǎn)分流為干擾源電纜經(jīng)屏蔽層流回源端的電流I3及經(jīng)參考地電流I2后，流回源端。隨著頻率的升高，I3越來(lái)越大，當(dāng)I1的頻率遠(yuǎn)大于屏蔽層的截止頻率時(shí)，I3≈I1，此時(shí)I2≈0。I3形成的反磁場(chǎng)消減了I1干擾源的源磁場(chǎng)，從而達(dá)到屏蔽作用。主動(dòng)磁場(chǎng)干擾的屏蔽層雙端接地示意如圖3所示。

圖3 主動(dòng)磁場(chǎng)干擾的屏蔽層雙端接地示意

4.4 被動(dòng)磁場(chǎng)干擾的屏蔽層雙端接地

在被動(dòng)磁場(chǎng)干擾的屏蔽層雙端接地情況下，導(dǎo)線1為干擾源，線芯2為被保護(hù)信號(hào)。通過(guò)干擾源電感L在信號(hào)屏蔽層上產(chǎn)生的干擾電壓為Us1，干擾源電感L在線芯2上產(chǎn)生的干擾電壓為Us2；屏蔽層上的干擾電壓Us1在線芯2上產(chǎn)生的干擾電壓為Usa，Usa與Us2方向相反，因此最終在線芯2上產(chǎn)生的干擾電壓Usn=Us2-Usa，消減了干擾源的影響，達(dá)到了屏蔽效果。被動(dòng)磁場(chǎng)干擾的屏蔽層雙端接地示意如圖4所示。

圖4 被動(dòng)磁場(chǎng)干擾的屏蔽層雙端接地示意Ls——信號(hào)電纜屏蔽層的電感

4.5 現(xiàn)場(chǎng)總線屏蔽要求對(duì)比

FF和Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線各自出版了安裝或應(yīng)用指南，F(xiàn)F現(xiàn)場(chǎng)總線2.0版的AG-163與AG-181之間存在矛盾，2004年出版的AG-181規(guī)定只能采用單端屏蔽接地，2006年出版的AG-163規(guī)定了單端接地、雙端接地和電容接地3種方法。2010年出版的3.1版AG-181進(jìn)行了比較大的修改，隨著現(xiàn)場(chǎng)總線安全柵的推出，規(guī)定了包括復(fù)合接地的4種方法，前3種與2006年出版的2.0版AG-163保持了一致，但FF現(xiàn)場(chǎng)總線仍然首先推薦單端接地，指南中同時(shí)也描述了在歐洲單端接地不被認(rèn)可，要求采用雙端接地。歐洲的Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線只描述了多點(diǎn)接地(包含雙端接地)以及在沒(méi)有等電位接地連接的條件下，現(xiàn)場(chǎng)側(cè)儀表屏蔽層直接接地，控制室側(cè)采用電容接地。兩種總線系統(tǒng)不同版本接地對(duì)比見(jiàn)表2所列。

表2 標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)現(xiàn)場(chǎng)總線接地規(guī)定對(duì)比

在之前的工程設(shè)計(jì)中，屏蔽要求單點(diǎn)接地，在4～20 mA信號(hào)中是可行的(少數(shù)強(qiáng)干擾除外)；但在現(xiàn)場(chǎng)總線等數(shù)字信號(hào)的傳輸中，不時(shí)會(huì)有干擾問(wèn)題發(fā)生，導(dǎo)致有些用戶(hù)反對(duì)使用數(shù)字通信。為安全起見(jiàn)，對(duì)于聯(lián)鎖信號(hào)，要求不能采用數(shù)字通信信號(hào)，必須采用硬接線連接。關(guān)于數(shù)字信號(hào)的干擾，在HG/T 20513—2014《儀表系統(tǒng)接地設(shè)計(jì)規(guī)范》中也提出了雙端接地(含電容接地)的新概念和要求。

4.6 儀表通信屏蔽的綜合說(shuō)明

傳統(tǒng)儀表接地時(shí)，要求必須單點(diǎn)接地，這具有歷史的局限性。由于有些工廠或項(xiàng)目很少做全廠等電位接地網(wǎng)，比較典型的就是控制室與現(xiàn)場(chǎng)的地電位不同，因此當(dāng)采用屏蔽層雙端接地，地電位的不同將造成屏蔽層中存在地環(huán)流，這時(shí)的屏蔽層反而成為干擾源，將影響信號(hào)的傳輸。

FF和Profibus兩種現(xiàn)場(chǎng)總線關(guān)于屏蔽接地的要求不同，對(duì)于FF現(xiàn)場(chǎng)總線的H1總線和Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線的PA總線來(lái)說(shuō)，它們的通信速率都是31.25 Kbit/s，而且它們通信協(xié)議的物理層也一樣。因此，同樣的物理層規(guī)范，接地要求卻不同，從而存有爭(zhēng)議。對(duì)于爭(zhēng)議，筆者更傾向于屏蔽效果更好的多點(diǎn)接地模式，尤其是存在高頻干擾的環(huán)境中，如果電纜距離較長(zhǎng)，多點(diǎn)接地的屏蔽效果比單端接地的屏蔽效果要好得多。

對(duì)于數(shù)字信號(hào)的屏蔽，電子通信行業(yè)應(yīng)該比工控儀表行業(yè)的研究更為超前，在YD/T 2191.2—2010《電信設(shè)備安裝的電磁兼容和緩和措施》第2部分第6.4節(jié)規(guī)定如下：“電纜類(lèi)型及EMC方面的應(yīng)用，低頻時(shí)使用較多的是信號(hào)電纜、控制電纜以及雙股電纜(平行導(dǎo)線，雙絞線或非雙絞線)。對(duì)于多導(dǎo)體組成的電纜，每個(gè)信號(hào)線都應(yīng)在較近處有正確的返回路徑；2個(gè)接頭須絞合在一起。信號(hào)發(fā)出和接收導(dǎo)線必須是同1根。對(duì)于帶有屏蔽層雙股線或者多導(dǎo)體電纜，屏蔽層必須遵循平行接地原則，即屏蔽層兩端必須接地。內(nèi)屏蔽層或者接地導(dǎo)線應(yīng)該1點(diǎn)或者2點(diǎn)接地?！?/p>

根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn)，發(fā)生過(guò)電信專(zhuān)業(yè)的高頻信號(hào)電纜干擾了儀表專(zhuān)業(yè)的4～20 mA信號(hào)，因此須特別注意的是，電信專(zhuān)業(yè)的高頻信號(hào)電纜更應(yīng)該多點(diǎn)接地。

由于目前許多現(xiàn)場(chǎng)總線的屏蔽采用了FF現(xiàn)場(chǎng)總線推薦的單端接地，在HG/T 20513—2014中對(duì)總線信號(hào)的單端接地也未作描述，而是提出“宜”做雙端接地，用戶(hù)可以根據(jù)自己的實(shí)際情況，靈活掌握。對(duì)于現(xiàn)存的總線通信，如果發(fā)現(xiàn)有干擾存在，可以做雙端接地改造，從而消除干擾。

5 對(duì)總線儀表及通信信號(hào)屏蔽的建議

根據(jù)以上分析，對(duì)總線儀表及通信信號(hào)屏蔽提出如下建議：

1)高頻-低頻分界。20 kHz以上必須考慮感抗，50 kHz以上屬于高頻干擾，1 MHz以上應(yīng)多點(diǎn)接地。

2)電纜屏蔽層必須是低磁性、低阻抗導(dǎo)體，例如銅或鋁。

3)根據(jù)法拉第籠及電流的集膚效應(yīng)，密銅網(wǎng)比稀銅網(wǎng)屏蔽性能好。在靜電場(chǎng)的影響下，鋁皮屏蔽比銅網(wǎng)屏蔽效果好，但鋁皮屏蔽的傳輸阻抗遠(yuǎn)大于銅網(wǎng)編織線的屏蔽層，抗高頻干擾能力差，不能用作數(shù)字信號(hào)電纜。

4)對(duì)于無(wú)高頻干擾的場(chǎng)合，一般來(lái)說(shuō)，屏蔽層的單端接地可以滿足大多數(shù)場(chǎng)合。

5)對(duì)于有高頻干擾的場(chǎng)合，必須考慮屏蔽層的感抗，且頻率越高、距離越長(zhǎng)，感抗越大。在該場(chǎng)合中，單端接地不能將感應(yīng)電壓消除，必須進(jìn)行多點(diǎn)接地。要求多點(diǎn)接地的間隔距離不大于λ/20，有些國(guó)內(nèi)電信規(guī)范要求為λ/10。實(shí)際應(yīng)用中，考慮到長(zhǎng)距離通信采用光纖，因此對(duì)于雙絞線數(shù)字信號(hào)，只要求雙端接地。

6)在控制室與現(xiàn)場(chǎng)之間的等電位連接缺失或效果不佳的情況下，可以現(xiàn)場(chǎng)端直接接地，控制室側(cè)電容接地。

7)可以在控制室設(shè)置專(zhuān)用的電容接地匯流板，匯流板再通過(guò)不大于10 nF的電容接至總匯流板，通過(guò)總匯流板接入接地網(wǎng)。

6 結(jié)束語(yǔ)

儀表信號(hào)電纜屏蔽的單端接地是模擬信號(hào)時(shí)代的規(guī)范要求，隨著數(shù)字通信技術(shù)的普遍采用，多點(diǎn)接地在電纜信號(hào)的電磁兼容性上，尤其是高頻干擾上顯示出比單端接地強(qiáng)得多的屏蔽能力。