工厂工程设计中控制系统的屏蔽与接地

李民选 钟益联

(中国中轻国际工程有限公司，北京，100026)

工厂工程设计中控制系统的屏蔽与接地至关重要，它不仅关系到工艺设备及其控制系统稳定、准确、可靠的运行，而且关系到人身和设备的安全。控制系统的接地不仅要考虑采用正确的屏蔽措施，防止信号干扰以免影响控制系统正常运行，而且要了解工厂供电方式及其接地、防雷设计方案。本文简要介绍了干扰、屏蔽、接地等基本知识，给出典型的控制系统接地系统图，供有关技术人员参考。

1 关于控制系统干扰

1.1 控制系统信号

控制系统信号包括:

·低电平模拟信号

·高电平模拟信号

·有源开关量信号

·无源开关量信号

·低频数字通信信号

·高频数字通信信号

1.2 控制系统干扰来源

(1)直接耦合

例如热电偶套管在高温下产生的漏电电阻，形成直接耦合。

(2)公共阻抗耦合

产生于两个以上的电路共用一段公共段导线的情况。比较常见的是通过一段公共段导线，由一个公共电源向几个电路供电的情况。

(3)电场耦合

通过电容产生的耦合。(4)磁场耦合

通过互感产生的耦合。

(5)辐射和空间电磁场耦合

干扰源有:自然干扰，包括宇宙干扰，太阳干扰，雷电干扰;人工干扰，包括放电干扰，开关通电干扰。

1.3 控制系统易受干扰部位

控制系统的信号线、接地线、电源线等为易受干扰部位，工程设计及其施工、维护维修时应特别予以足够关注。

1.4 干扰的模式

(1)正常模干扰 (Normal Mode Interference)

它是测量电路端电子间的非有用信号，包括:

·由于静电感应产生的非有用信号

·由于电磁感应产生的非有用信号

·导体中不同金属连接处产生的结电位和热电位

·差模干扰

·由共模干扰通过共模变换转换产生的差模干扰

(2)差模干扰 (Differential Mode Interference)信号传输路径中的一边电位相对另一边变化的干扰:这时，干扰电流完全处在信号传输过程中。它直接包含在正常模干扰中。

(3)共模干扰 (Common Mode Interference)

在两条引线和共同基准面之间所出现的干扰，这种干扰使传输通路两侧的电位同时发生变化，而且变化量相对于共同基准面也相同。基准面为电平的基准，用作返回电路并作为电位的公共参比点或信号电位的公共参比点。通常以地平面 (Ground Plane)即大地为基准面。

1.5 共模抑制 (Common Mode Rejection—CMR)

装置消除共模干扰信号的能力称为共模抑制。

1.6 共模抑制比 (Common Mode Rejection Ratio—CMRR)

系统输入端的共模干扰电压与共模干扰对放大器输入端产生效果的比。

2 零信号参比电位

图1所示为零信号参比电位。图1中的a、b、c、d、e及f为电子线路的信号回路。显然它们都应有相同的基准电位。它们各自的相对零电位点，都要连接在一起，即b、d、f各点都要在G处连接在一起。G点的电位称作零信号参比电位。为了提高抗干扰能力，G点应接地。

图1 零信号参比电位

3 屏蔽(Shield)

完全封闭的导电壳体外部的电场，不会影响该封闭导电壳体内部空间中的电场。因此，封闭的导体壳体对其壳体内部导体形成屏蔽，使内部的导体不受壳体外部电场的影响。实际上，不能做到完全的屏蔽，如将导电壳体接地，对壳体的内部导体有影响的外部电场电力线，有相当多的一部分将以接地的屏蔽为终点，使接地的导电壳体形成更有效的屏蔽。

完全封闭的导电壳体内部的电荷，对该封闭导电壳体外部空间中的电场的影响，理论上不会因导电壳体的存在而有所降低。如将该导电壳体接地，则壳体内部电荷的电力线将以接地的导电壳体为终点，使接地的导电壳体形成屏蔽。

如图2所示，封闭的导电壳体3为导体2的屏蔽。由于屏蔽3已经接地，V3=0，所以导体2上的电荷Q对导体1没有影响;又由于封闭导电壳体外部的电荷不会影响封闭导电壳体内部空间中的电场，因此，可以认为互容C12=C21=0。

图2 通电导体的电场

当导体3没有接地时，则壳体外表面仍存在电荷Q产生的感应电荷，形成电场。由于C13=C31的存在，导体2上的电荷通过导体3对导体1产生影响，因此作为屏蔽的导体应接地。

如封闭导电壳体3没有完全封闭，则会出现以导体2为起点，以导体1为终点的漏电力线，这时屏蔽是不完整的。为防止外部电场对控制设备的干扰，屏蔽应接地。

电子兼容要求要同时满足防止外部电场对电子设备的干扰和防止电子设备对外部空间电场的影响，这都要求屏蔽必须接地。

在具体实施时，屏蔽实际上是分段的，其原因不单是因为防止屏蔽的范围过大从而会增加产生屏蔽电流的可能性，也是由于控制系统是由电子装置、电源装置等用电缆连接起来的，其在出厂时，一般都设置了参比电位和屏蔽。

通常Shield和Screen都为屏蔽，从严格意义上讲，它们是有区别的。按美国电工电子工程师学会(IEEE)的名词术语，屏蔽应为Shield而不是Screen。在国际电工委员会 (IEC)标准中，为防止触电而设置的接地栅格被称为Screen。

4 接地

4.1 接地目的

接地的目的是为了满足电气设备安全和工作的要求。接地有 Earth和 Ground之分，其实 Earth和Ground是不同的，Ground并不一定和大地相连，而Earth则必须与大地相连。

4.2 接地分类

接地包括以下几种:

(1)保护接地PE(Protective Earthing)

以保护人身安全为目的的接地称为保护接地或安全接地。保护接地所指的自控设备包括［1］:

·仪表盘、仪表操作台、仪表柜、仪表架和仪表箱

·DCS/PLC/ESD/SRS机柜和操作员站

·计算机系统机柜和操作台

·供电盘、供电箱、用电仪表外壳、电缆桥架(托盘)、穿线管、接线盒和铠装电缆的铠装护套

·其他各种自控辅助设备

(2)工作接地 (Technical Earthing-TE)或功能接地(Function Earthing-FE)或称Signal Earthing-SE)

工作接地是指系统、装置或设备中，以防止人身受电击保护为目的以外的接地，包括信号回路接地、屏蔽接地和本质安全仪表接地［1］。

就控制系统而言，TE包括信号接地 (信号参比电位接地)和屏蔽接地。信号接地的目的是保持信号的准确性和稳定性。

4.3 零电位和大地

以下处所可称为零电位:

(1)无穷远处

如空间中有一电荷Q，与该电荷Q距离为r处的电位V=Q/4πr，当r无穷大时，V=0。因此，无穷远处可认为是零电位。

(2)大地

大地的自电容C=4πεr，由于地球的半径r很大，其自电容可认为无穷，又由于V=Q/C，可以认为地的电位V=0。虽然大地可认为是零电位体，但大地不是金属导体，各处的电位是有差异的。不同位置的电位差，正常时最大可达10 V，甚至大于50 V。实际上，一般稳态电压不会大于50 V，但脉冲或瞬态电压常大于50 V。

如前所述，由于地面上不同位置实际存在电位差，该问题在设置屏蔽和接地系统时需要认真加以考虑，而且常是问题的关键。

5 电源

5.1 供电系统

电源的供电方式、接地方式、PE的连接方式与控制系统接地有密切的关系。

供电系统按接地方式的不同分为3类，即TN系统、IT系统、TT系统。其中TN供电系统又可分为TN-C、TN-S和TN-C-S系统。

为明确起见，图3简略表示出供电系统电源的连接和接地连接形式。对控制系统而言，TN-S系统是常用的，它是把整个系统的中线 (N线)和PE线严格分开的供电系统，如图3(b)所示。

图3 供电系统电源的连接和接地连接形式

5.2 电源的中性线 (N)

当电力系统变压器低压侧为Y结法时，其低压侧中性点的电压为电源电压的参比电压。在三相平衡时，它与三相电源线电压形成的虚拟中性点是一致的。该中性点接地后，其电位为地电位，即电源的参比电压为地电位。配合其他电源线，由该中性点接出的回路为电源的中性线 (N)。

5.3 电源的连接和电源接地连接形式

TN-C的最大缺点是PEN线中有负荷电流，它常是地干扰的根源。

TN-S的优点是负荷电流不进入工作接地的系统，适用于电子设备和防爆场合。为使控制系统运行良好，一般应采用TN-S接法。

对控制系统防干扰而言，不推荐采用TN-C接法，也不要采用IT和TT系统。虽然IT系统有很好的供电可靠性，但其中性线N与地电位不同，对控制系统的抗干扰不利，不应采用。

当供电系统不是TN-S系统时，应装设专用的变压器向控制系统供电。当采用专用的变压器、电动发电机、UPS向控制系统或电子设备供电时，其输出必须是 TN-S系统，以避免在 TE或PE出现电流。

虽然一些重要的国际标准规定，在某些情况下PE和TE不必分开，但为了有利于控制系统的运行，仍强调一定将N、PE、TE分开为宜。

6 对屏蔽的基本要求

6.1 屏蔽和参比电位导体的连接

电子线路的参比电位应与屏蔽处于相同的电位。屏蔽和参比电位导体的连接见图4。由图4(a)可见，A和B之间有地电位差VAB，当屏蔽和参比电位导体2在装置S处附近相连时，在参比电位导体内产生零信号参比电位导体电流，影响电子系统的工作。当屏蔽和参比电位导体2在2的接地点附近相连时，在参比电位导体内不产生零信号参比电位导体电流，因而不影响电子系统的工作。因此，屏蔽应在参比电位的接地处与参比电位导体相连，见图4(b)。

6.2 屏蔽的单点接地

由于不同接地点间存在电位差，为避免屏蔽电流，屏蔽只能有一个接地点。

6.3 参比电位导体的单点接地

由于不同接地点间存在电位差，为避免参比电位导体电流，每段参比电位导体只能有一个接地点。

图4 屏蔽和参比电位导体的连接

7 等电位连接 (Equipotential bonding)

7.1 连接 (Bonding)和等电位连接

连接是指把与电气设备有关的裸露金属部分以及与电气设备无关的裸露金属部分都连接起来并连接到系统接地。因此，连接一般就是指接地的等电位连接。

7.2 主等电位连接 (Main equipotential bonding)

在各个建筑内，以下导电部件的连接为主等电位连接:

(1)主接地导体 (Main earthing conductor)或主接地连接板。

(2)主保护导体 (Main protective conductor)。

(3)建筑内的供料管道，如水管等。

(4)结构的金属部件，集中采暖和空调系统。

7.3 辅助等电位连接 (Supplementary equipotential bonding)

将导电部分间用导体直接连通，使其电位相等或接近，称为辅助等电位连接［2］。另外，当不能满足自动切换电源的要求时 (主要是由于低压短路电流太小所致);或采用辅助等电位连接能使接地更为方便可靠，应在就地进行辅助等电位连接。

7.4 控制系统采用等电位连接方式时的优点

·接地母线截面大

·电阻和电感小

·大地的任意两点间的电位差小，特别是由于大地中高频电流小，大地的任意两点间高频电位差小

·减少地线干扰

·理论上，屏蔽可两点接地以提高屏蔽系数，但实际上对高频屏蔽可以将屏蔽进行两点接地，获得较好效果;而对频率低于1 MHz的屏蔽，即在工程设计中经常处理的屏蔽接地，不允许两点接地，而只能单点接地。对控制系统的高频屏蔽必须按照控制设备制造厂的要求进行

·减少大地杂散电流的影响

·可提高控制系统的工作频率，大约能比不用等电位接地提高10倍

·投资省

·有形成屏蔽网保护防止雷击的作用

7.5 控制系统的接地采用等电位连接方式时的一些

要求

·外部引入的金属部件，应在建筑内的入口处在同一地点进行等电位连接

·电源用TN-S系统连接法

·防雷的接地线最好是多点接地

·室外的信号线，避免采用金属架空线，可用埋地敷设。如一定要用架空敷设，则必须穿入金属管内，或敷设在封闭的金属槽内，并做好防雷保护。当然采用光缆最好

·室外最好有环形接地线，起均压作用，以抑制防雷系统对电子装置的影响

·接地连接线愈短愈好

·单芯的接地线要穿入等电位的非导磁金属管内

·两个等电位连接系统之间连接时，要用光缆或非导电系统如微波、激光等

·PE及TE连接导体应采用绝缘电缆

8 控制系统的接地及其与供电系统接地的连接

8.1 典型的控制系统接地系统

典型的控制系统接地系统见图5。应该特别指出，图5中设置仪表MPEB、MTEB主要是针对大型或较大型控制系统，其控制室和现场机柜、操作箱、控制箱数量较多的情况。例如大型高速现代化纸机，其控制系统包括PCS(如DCS或PLC)、QCS、MCS、WMS、WIS、WRS等［3］，其控制室和现场控制设备数量较多，故而采用图5的接地系统是合适的。如果控制系统属中小型系统，控制室和现场的控制设备数量不多，可取消MPEB、MTEB，现场PE、TE接地箱酌情设置或不设置。控制室内的机柜接地分别接至接线架室 (或称机柜室)内的PEB、TEB，现场控制设备的接地视不同情况可接至PEB、TEB，也可适当汇总接至MEB。

8.2 接地系统各部分的基本要求

·不要用TN-C系统，也不要用TN-C-S系统，而要用TN-S系统，N、PE、TE都要分开

·接地连接线愈短愈好

·单芯的接地线路需要穿管时，要穿入等电位的非导磁金属管内

·两个等电位连接系统之间进行信号连接时，要用光缆或非导电系统如微波、激光等

图5 典型的控制系统接地系统图

·PE接地干线和接地连接板以及全部TE必须对建筑物、管道、各种支架等绝缘

·机柜或机架的长度超过10 m时，要在机柜或机架的两端都设PE分干线，进行等电位接地

·控制系统的电源应从变电所的低压配电盘引出

8.3 接地系统各部分导体截面要求

关于接地系统各部分导体截面要求，虽然国际、国内各种标准的基本原则都一致，但具体数字却有明显差异。究其原因是作为接地导体截面愈大愈好，但要结合造价来统一考虑。由于统一考虑的具体做法不一致，且各国的情况不同，不同行业的具体条件也存在差异，因此国际、国内各种标准中对其导体截面要求并不一致。具体工程设计中采用的数据应根据有关标准和规程，并在其允许的范围内确定。

(1)接地连接板

控制系统专用的接地连接板，主要是为了提高接地系统的可靠性和减少接地线的长度。接地连接板要与建筑物、管道、各种支架等绝缘。接地连接板本身可用绝缘的，也可用裸露的，但在用裸露的母线时，其支架必须是绝缘的。

接地板要有足够的截面，其电压不能超过1 mV。

a.主接地连接板MEB属供电专业，由供电专业确定其技术要求及导体截面。

b.自控仪表保护接地汇总板MPEB、工作接地汇总板MTEB，机柜室 (有时称接线架室)的 PEB、TEB，其铜排截面可为:100 mm×10 mm。现场PE(或TE)接线箱铜排截面可为:50 mm×6 mm。

(2)接地电缆［2］

对照图5，接地连线1～2.5mm2;接地分干线4～16 mm2;接地干线10～25 mm2;接地总干线16～50 mm2。(作者注:德国标准往往要求比上述截面大1～2级)。上述数据详见文献 ［1］。

8.4 联结电阻、对地电阻和接地电阻［2］

·从仪表设备的接地端子到总接地板 (图5中的主接地连接板)之间导体及连接点电阻的总和称为联接电阻。仪表系统的接地联结电阻不应大于1 Ω

·接地极的电位与通过接地极流入大地的电流之比称为接地极对地电阻

·接地极对地电阻和总接地板、接地总干线及接地总干线两端的连接点电阻之和称为接地电阻。仪表系统的接地电阻不应大于4 Ω

8.5 隔离

本身没有电源，由AI单独直接供电的变送器为本身无电源的变送器 (Passive mode transmitter)。

由另外电源直接供电的变送器为有电源的变送器(Active mode transmitter)。电磁流量计、分析仪表、电量变送器、变频器的信号变送部分等均为有电源的变送器。

对于现场仪表被要求或必须在现场接地，同时又要将控制室接收仪表在控制室侧接地的，应将两个接地点隔离［1］，见图6。例如，有电源的变送器与控制系统的AI连接时，变送器的输出应为隔离输出，且为全隔离型。所谓全隔离，即不仅信号隔离，而且电源也具有隔离功能。如果有电源的变送器没有全隔离的输出，应在信号线路中装设带有地隔离功能的全隔离型隔离器。

图6 信号回路在集中安装仪表和现场仪表两侧同时接地时的工作接地方法

对TTL输入的DI，即使输入为无源信号，也建议核查其是否有高电平输入的可能，考虑是否采用相应的隔离措施，以便对DI装置加以保护。

带有电源的接受装置或带有电源的中间装置与控制系统的AO连接时，也要在AO的输出线路中装设带有地隔离功能的全隔离型隔离器。变频器的控制信号输入为带有电源的接受装置，许多手操器应属带有电源的中间装置。

在考虑是否采用隔离措施时，要对控制系统的输入输出模件本身具有的隔离功能作深入的了解。

8.6 带有接地的检测元件

接地的检测元件，包括接地热电偶、接地的应变测量元件、电磁流量计的流量测量管等，其检测部分已接地。在进行系统接地时，要特别注意不要形成不允许的两点接地。如电磁流量计流量测量管的接地，尽管有信号接地的性质，但不能接到TE上，应进行单独的等电位连接。

8.7 控制变压器的屏蔽

为了抑制控制变压器的电源侧干扰，控制变压器应有屏蔽。控制系统内的控制变压器的屏蔽供货时已接好。当需另设控制变压器时，在单屏蔽情况时，该屏蔽与二次侧系统屏蔽相连，在双屏蔽情况时，靠近二次侧的屏蔽与二次侧系统屏蔽相连，靠近一次侧的屏蔽，视具体情况，与电源接的中性线相连或与支架相连。

8.8 屏蔽的连接

电缆选用时，不得选用屏蔽外露的屏蔽电缆。当控制系统制造商同意时，一般高电平的开关量信号可不采用屏蔽电缆。模拟量信号应采用屏蔽电缆。当控制系统制造商同意时，一般情况下，可采用单屏蔽电缆。对于多芯或多对屏蔽电缆，为稳妥起见一般应采用带双屏蔽 (总屏蔽和分屏蔽)电缆。一般情况下，对于单屏蔽或双屏蔽电缆，其屏蔽应在控制室侧与TE连接。

在高频干扰严重时，双屏蔽电缆的屏蔽接法可以有所不同。双屏蔽电缆的分屏蔽主要为抑制低频干扰，其分屏蔽接至主机侧TE上。双屏蔽电缆的总屏蔽主要为抑制高频干扰，其总屏蔽可接至信号接受端PE或支架上，此时，要注意必须保持PE与TE的隔离，不能影响TE的工作与安全。上述高频信号回路的双屏蔽电缆的屏蔽接法最好要与控制系统供货商共同商定。

9 结语

工厂工程设计中控制系统的接地是一项技术性很强的工作。有关技术人员在进行控制系统接地工程设计或施工时，不仅要掌握接地的一般知识，而且要善于向电气专业主要设计人员了解该工程采用的供电、接地与防雷技术方案。随着我国经济持续较快发展，轻工行业如造纸行业大型现代化装备已经或将落户我国，有些已在实际生产中正常运行。这些工厂控制系统规模较大，工艺设备控制要求复杂，控制系统类型较多，其接地工程设计与施工均提出了更高更广的要求。因此，采用符合有关规定、规范且合理的控制系统接地方案，采用正确的屏蔽措施，减少对控制系统信号传输的干扰，从而确保生产装置的顺利运行，保障人身和设备的安全，这既是一项十分重要的工程设计工作，也是一个需要不断学习、研究的课题。

［1］国家石油和化学工业局 .HG/T 20513——2000.仪表系统接地设计规定［S］.

［2］中国航空工业规划设计研究院.，工业与民用配电设计手册［M］.3版.北京:中国电力出版社，2005.

［3］ZHONG Yi-lian.Control System for Paper Machine and QCS/DCS Selection［J］.China Pulp ＆ Paper，2002，21(3):65.钟益联.造纸机控制系统及QCS、DCS的选择［J］.中国造纸，2002，21(3):65. CPP