DCS控制系統(tǒng)接地技術(shù)探討

曲偉華

摘要：DCS系統(tǒng)接地是否規(guī)范合理直接影響DCS系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性，接地的規(guī)范性、合理性及施工質(zhì)量對人身設(shè)備安全也有重要影響。依據(jù)相關(guān)規(guī)范對DCS系統(tǒng)工作接地、屏蔽接地及在接地設(shè)計(jì)與實(shí)施過程中容易出現(xiàn)的問題分別進(jìn)行探討。對未來DCS系統(tǒng)接地主流技術(shù)進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：接地規(guī)范;工作接地;屏蔽接地;DCS控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TM862;TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-9129（2020）06-0072-02

Abstract：WhetherthegroundingofDCSsystemisstandardizedandreasonabledirectlyaffectstheoperationstabilityandreliabilityofDCSsystem.Thegroundingstandardization，rationalityandconstructionqualityalsohaveanimportantimpactonpersonalequipmentsafety.Accordingtotherelevantregulations，thegrounding，shieldinggroundingandtheproblemsingroundingdesignandimplementationarediscussedrespectively.ThefuturegroundingtechnologyofDCSsystemisanalyzed.

Keywords：groundingspecification;Workgrounding;Shieldingground;DCScontrolsystem

引言：DCS控制系統(tǒng)是石化企業(yè)常用的控制系統(tǒng)。尤其對于大型石化裝置，DCS系統(tǒng)更有其獨(dú)有的優(yōu)勢。而DCS系統(tǒng)能否可靠、穩(wěn)定的運(yùn)行，系統(tǒng)接地是否合理十分關(guān)鍵。如果接地系統(tǒng)不合理，很有可能使DCS系統(tǒng)的弱電信號(hào)受電磁噪聲、干擾等影響而信號(hào)失真、數(shù)值不準(zhǔn)等情況，有時(shí)也會(huì)造成系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定，甚至計(jì)算機(jī)、控制器死機(jī)。因此，合理、規(guī)范的實(shí)施DCS系統(tǒng)接地，對控制系統(tǒng)有著重要意義。

石化企業(yè)DCS、PLC等控制系統(tǒng)接地設(shè)計(jì)，可以參照電氣專業(yè)相關(guān)接地規(guī)范以及化工、石化行業(yè)等儀表系統(tǒng)接地設(shè)計(jì)行業(yè)規(guī)范執(zhí)行。由于防雷接地、防靜電接地及保護(hù)接地等參照電氣相關(guān)接地規(guī)范執(zhí)行已足夠，所以本文針對在接地設(shè)計(jì)及施工當(dāng)中容易出現(xiàn)問題的工作接地、屏蔽接地進(jìn)行分別探討。

1工作接地

DCS系統(tǒng)工作接地一般是指儀表信號(hào)接地及直流電源地。目前石化裝置主流都是應(yīng)用智能型儀表，供電電源電源基本都是直流24伏，或者由交流220V供電的儀表的信號(hào)回路也是直流24伏。直流電源的負(fù)極目前一般是做浮空處理，即懸浮地。懸浮地的優(yōu)點(diǎn)是使強(qiáng)電和弱電間隔離電阻很大，這樣可以把交流電源地和直流電源地（信號(hào)公共參考點(diǎn)）分開，達(dá)到隔離來自交流系統(tǒng)電磁干擾的目的。但缺點(diǎn)是易受電纜寄生電容的影響，使地電位變化而對模擬信號(hào)產(chǎn)生感應(yīng)干擾。

但是在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SH/T3081-2003《石油化工儀表接地設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]中規(guī)定“非隔離信號(hào)應(yīng)以直流電源負(fù)極為參考點(diǎn)，并接地”，還規(guī)定“直流電源的負(fù)端必須接到本機(jī)柜的工作接地匯流排”。對于此規(guī)定，筆者認(rèn)為應(yīng)該分情況區(qū)別對待，不應(yīng)一概而論，否則容易給設(shè)計(jì)或施工帶來困擾。筆者認(rèn)為對于非本安系統(tǒng)，如果直流電源負(fù)端母排接到工作地排上，反而會(huì)因工作接地在施工中的一些不規(guī)范處而帶來干擾，如零地電位差。而懸浮地就不存在這個(gè)問題。筆者見過的幾套裝置都是如此設(shè)計(jì)，運(yùn)行中并沒有發(fā)現(xiàn)問題。當(dāng)然，懸浮地應(yīng)注意以下事項(xiàng)：1，盡量提高對地絕緣電阻，有利于降低進(jìn)入浮地系統(tǒng)的共模干擾。2注意寄生電容影響，高頻干擾信號(hào)可能通過寄生電容耦合到浮地系統(tǒng)。3浮地技術(shù)必須和屏蔽、隔離等技術(shù)結(jié)合使用。

對于本安系統(tǒng)，因?yàn)楸景蚕到y(tǒng)需要保證在直流電源故障時(shí)，危險(xiǎn)場所的設(shè)備本質(zhì)安全，所以要求本安系統(tǒng)接地匯流排必須接到工作接地上，同時(shí)必須和交流中線有良好的連接，這是為了保證危險(xiǎn)場所安全而定。《危險(xiǎn)場所儀表的接地實(shí)施本質(zhì)安全》[2]規(guī)定“安全柵匯流排須和交流中線連接并共用接地裝置。且這兩者之間連接電阻<1歐姆”。而從信號(hào)方面，本安系統(tǒng)接地和其它儀表信號(hào)地又不能分開。所以才要求直流電源負(fù)極接到工作接地匯流排上。但是對于這種接地形式，施工時(shí)一是要注意本安儀表要集中安裝，與其它儀表要分柜安裝。二是工作接地匯流排與機(jī)柜外殼等金屬間絕緣一定要良好，避免引入干擾。

2屏蔽接地

HG/T20513-2014《儀表系統(tǒng)接地設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]明確規(guī)定屏蔽接地屬于工作接地范疇，在標(biāo)準(zhǔn)[1]中，亦明確強(qiáng)調(diào)屏蔽接地屬于工作接地。所以屏蔽接地按工作接地處理并無異議。在標(biāo)準(zhǔn)[1]中“宜先將各信號(hào)屏蔽電纜的屏蔽層匯接到工作接地匯流排上，再經(jīng)接地干線接到工作接地匯總板上”“信號(hào)電纜屏蔽層接地應(yīng)為單點(diǎn)接地，根據(jù)不同情況，要么在信號(hào)源側(cè)，要么在控制室側(cè)只做一點(diǎn)接地。”某文獻(xiàn)[4]就曾提到在改造中誤將AO模擬卡件兩端都接地，造成網(wǎng)絡(luò)噪聲急劇增加，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備死機(jī)，甚至控制器死機(jī)。所以屏蔽層單點(diǎn)接地十分必要。務(wù)必加以重視。尤其在二期工程、后期改造過程中，由于各種設(shè)備廠家都有自己的接地要求，如果不統(tǒng)籌考慮系統(tǒng)整體接地情況，就很可能出現(xiàn)上述故障。

在SH/T3081-2019《石油化工儀表接地設(shè)計(jì)規(guī)范》報(bào)批稿[5]中，將屏蔽接地單獨(dú)列為一種接地類型。好處是為分層屏蔽及單層屏蔽接地施工具體操作指導(dǎo)性更強(qiáng)。這是比標(biāo)準(zhǔn)[1]的一個(gè)進(jìn)步之處。另外一個(gè)不同之處是在條文說明中推薦統(tǒng)一在控制室側(cè)單點(diǎn)接地，解釋是屏蔽接地既不屬于保護(hù)接地又不屬于工作接地，所以接在保護(hù)接地和工作接地區(qū)別不大。這個(gè)解釋與標(biāo)準(zhǔn)[1]及標(biāo)準(zhǔn)[3]不一致。筆者認(rèn)為接到工作接地更合適，理由是保護(hù)接地在外部電源故障或絕緣不良時(shí)易引入交流地電位差干擾。

3接地設(shè)計(jì)與實(shí)施中的問題

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[1]中相關(guān)規(guī)定，DCS系統(tǒng)接地設(shè)計(jì)指導(dǎo)如圖1。標(biāo)準(zhǔn)[3]也明確規(guī)定“儀表及控制系統(tǒng)的接地連接宜采用分類匯總，最終接到總接地板的方式”。而筆者見過某DCS系統(tǒng)接地設(shè)計(jì)如圖2所示：

圖2設(shè)計(jì)直接將工作接地匯流排和保護(hù)接地匯流排連接到接地干線上并通過接地干線在連接到電氣接地網(wǎng)上，這明顯不符合規(guī)范設(shè)計(jì)要求。接地分類匯總的目的就是減少或者消除工作地和保護(hù)地之間的相互干擾，盡量提供各自穩(wěn)定的零電位參考點(diǎn)。省略分類匯總的環(huán)節(jié)就容易出現(xiàn)干擾問題。如果是本安系統(tǒng)中，當(dāng)直流電源地接到工作接地匯流排時(shí)，此種接法更不可取。正如某文獻(xiàn)[6]中所說“錯(cuò)誤的工程設(shè)計(jì)不一定出現(xiàn)運(yùn)行事故，正確的設(shè)計(jì)亦有可能因其它原因而引起事故”，雖然此系統(tǒng)未出現(xiàn)過接地故障，但是如此設(shè)計(jì)會(huì)留下隱患，尤其是如果以后改造擴(kuò)容的話，可能就會(huì)出現(xiàn)問題。另外在某文獻(xiàn)[7]當(dāng)中提到機(jī)柜接地鏈?zhǔn)浇拥?，結(jié)果因?yàn)樽詈髾C(jī)柜接地螺栓松動(dòng)造成所有機(jī)柜全部通信故障。這種施工問題也是規(guī)范中明令禁止的。這在設(shè)計(jì)和施工當(dāng)中都需要注意。

4網(wǎng)格型接地結(jié)構(gòu)的應(yīng)用與發(fā)展

在標(biāo)準(zhǔn)[3]中條文說明中提到儀表控制系統(tǒng)屬于信息系統(tǒng)。所以儀表控制系統(tǒng)接地設(shè)計(jì)可以參考GB50343-2012《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》，GB50174-2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》以及GB16895.17-2002《信息技術(shù)裝置接地和等電位連接》等規(guī)范執(zhí)行。在上述規(guī)范中都推薦局部網(wǎng)格型接地網(wǎng)絡(luò)，對于電子設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，消除干擾作用十分明顯，經(jīng)過實(shí)踐證明效果比較理想。所以在標(biāo)準(zhǔn)[5]報(bào)批稿中重點(diǎn)推薦控制系統(tǒng)也采用網(wǎng)格型接地結(jié)構(gòu)。

對于本安系統(tǒng)，筆者尤其推薦網(wǎng)格型專用接地網(wǎng)絡(luò)。標(biāo)準(zhǔn)[10]中形容“網(wǎng)格可以提供足夠低的阻抗消除大部分網(wǎng)絡(luò)噪音、干擾”。所以在未來DCS系統(tǒng)接地設(shè)計(jì)中應(yīng)該盡量采用在機(jī)柜室內(nèi)做網(wǎng)格型接地網(wǎng)絡(luò)，雖然初始投資增加但對未來發(fā)展十分有利。不過在實(shí)際設(shè)計(jì)與施工中需要注意的是一是網(wǎng)絡(luò)必須保證閉環(huán)，否則容易引入干擾。其次網(wǎng)格的網(wǎng)眼間隔尺寸對等電位效果影響較大，在設(shè)計(jì)階段務(wù)必加以重視。

結(jié)論：DCS系統(tǒng)接地設(shè)計(jì)與施工好壞直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，因此一個(gè)好的設(shè)計(jì)和高質(zhì)量的施工就顯得尤為重要。這樣雖然初始投資會(huì)增加，但是為日后的運(yùn)行穩(wěn)定和擴(kuò)容發(fā)展打下良好基礎(chǔ)。

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