DCS控制系统接地技术探讨

曲伟华

摘要：DCS系统接地是否规范合理直接影响DCS系统的运行稳定性和可靠性，接地的规范性、合理性及施工质量对人身设备安全也有重要影响。依据相关规范对DCS系统工作接地、屏蔽接地及在接地设计与实施过程中容易出现的问题分别进行探讨。对未来DCS系统接地主流技术进行了分析。

关键词：接地规范;工作接地;屏蔽接地;DCS控制系统

中图分类号：TM862;TP273 文献标识码：A 文章编号：1672-9129（2020）06-0072-02

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

Keywords：groundingspecification;Workgrounding;Shieldingground;DCScontrolsystem

引言：DCS控制系统是石化企业常用的控制系统。尤其对于大型石化装置，DCS系统更有其独有的优势。而DCS系统能否可靠、稳定的运行，系统接地是否合理十分关键。如果接地系统不合理，很有可能使DCS系统的弱电信号受电磁噪声、干扰等影响而信号失真、数值不准等情况，有时也会造成系统控制网络不稳定，甚至计算机、控制器死机。因此，合理、规范的实施DCS系统接地，对控制系统有着重要意义。

石化企业DCS、PLC等控制系统接地设计，可以参照电气专业相关接地规范以及化工、石化行业等仪表系统接地设计行业规范执行。由于防雷接地、防静电接地及保护接地等参照电气相关接地规范执行已足够，所以本文针对在接地设计及施工当中容易出现问题的工作接地、屏蔽接地进行分别探讨。

1工作接地

DCS系统工作接地一般是指仪表信号接地及直流电源地。目前石化装置主流都是应用智能型仪表，供电电源电源基本都是直流24伏，或者由交流220V供电的仪表的信号回路也是直流24伏。直流电源的负极目前一般是做浮空处理，即悬浮地。悬浮地的优点是使强电和弱电间隔离电阻很大，这样可以把交流电源地和直流电源地（信号公共参考点）分开，达到隔离来自交流系统电磁干扰的目的。但缺点是易受电缆寄生电容的影响，使地电位变化而对模拟信号产生感應干扰。

但是在行业标准SH/T3081-2003《石油化工仪表接地设计规范》[1]中规定“非隔离信号应以直流电源负极为参考点，并接地”，还规定“直流电源的负端必须接到本机柜的工作接地汇流排”。对于此规定，笔者认为应该分情况区别对待，不应一概而论，否则容易给设计或施工带来困扰。笔者认为对于非本安系统，如果直流电源负端母排接到工作地排上，反而会因工作接地在施工中的一些不规范处而带来干扰，如零地电位差。而悬浮地就不存在这个问题。笔者见过的几套装置都是如此设计，运行中并没有发现问题。当然，悬浮地应注意以下事项：1，尽量提高对地绝缘电阻，有利于降低进入浮地系统的共模干扰。2注意寄生电容影响，高频干扰信号可能通过寄生电容耦合到浮地系统。3浮地技术必须和屏蔽、隔离等技术结合使用。

对于本安系统，因为本安系统需要保证在直流电源故障时，危险场所的设备本质安全，所以要求本安系统接地汇流排必须接到工作接地上，同时必须和交流中线有良好的连接，这是为了保证危险场所安全而定。《危险场所仪表的接地实施本质安全》[2]规定“安全栅汇流排须和交流中线连接并共用接地装置。且这两者之间连接电阻<1欧姆”。而从信号方面，本安系统接地和其它仪表信号地又不能分开。所以才要求直流电源负极接到工作接地汇流排上。但是对于这种接地形式，施工时一是要注意本安仪表要集中安装，与其它仪表要分柜安装。二是工作接地汇流排与机柜外壳等金属间绝缘一定要良好，避免引入干扰。

2屏蔽接地

HG/T20513-2014《仪表系统接地设计规范》[3]明确规定屏蔽接地属于工作接地范畴，在标准[1]中，亦明确强调屏蔽接地属于工作接地。所以屏蔽接地按工作接地处理并无异议。在标准[1]中“宜先将各信号屏蔽电缆的屏蔽层汇接到工作接地汇流排上，再经接地干线接到工作接地汇总板上”“信号电缆屏蔽层接地应为单点接地，根据不同情况，要么在信号源侧，要么在控制室侧只做一点接地。”某文献[4]就曾提到在改造中误将AO模拟卡件两端都接地，造成网络噪声急剧增加，导致网络接口设备死机，甚至控制器死机。所以屏蔽层单点接地十分必要。务必加以重视。尤其在二期工程、后期改造过程中，由于各种设备厂家都有自己的接地要求，如果不统筹考虑系统整体接地情况，就很可能出现上述故障。

在SH/T3081-2019《石油化工仪表接地设计规范》报批稿[5]中，将屏蔽接地单独列为一种接地类型。好处是为分层屏蔽及单层屏蔽接地施工具体操作指导性更强。这是比标准[1]的一个进步之处。另外一个不同之处是在条文说明中推荐统一在控制室侧单点接地，解释是屏蔽接地既不属于保护接地又不属于工作接地，所以接在保护接地和工作接地区别不大。这个解释与标准[1]及标准[3]不一致。笔者认为接到工作接地更合适，理由是保护接地在外部电源故障或绝缘不良时易引入交流地电位差干扰。

3接地设计与实施中的问题

根据标准[1]中相关规定，DCS系统接地设计指导如图1。标准[3]也明确规定“仪表及控制系统的接地连接宜采用分类汇总，最终接到总接地板的方式”。而笔者见过某DCS系统接地设计如图2所示：

图2设计直接将工作接地汇流排和保护接地汇流排连接到接地干线上并通过接地干线在连接到电气接地网上，这明显不符合规范设计要求。接地分类汇总的目的就是减少或者消除工作地和保护地之间的相互干扰，尽量提供各自稳定的零电位参考点。省略分类汇总的环节就容易出现干扰问题。如果是本安系统中，当直流电源地接到工作接地汇流排时，此种接法更不可取。正如某文献[6]中所说“错误的工程设计不一定出现运行事故，正确的设计亦有可能因其它原因而引起事故”，虽然此系统未出现过接地故障，但是如此设计会留下隐患，尤其是如果以后改造扩容的话，可能就会出现问题。另外在某文献[7]当中提到机柜接地链式接地，结果因为最后机柜接地螺栓松动造成所有机柜全部通信故障。这种施工问题也是规范中明令禁止的。这在设计和施工当中都需要注意。

4网格型接地结构的应用与发展

在标准[3]中条文说明中提到仪表控制系统属于信息系统。所以仪表控制系统接地设计可以参考GB50343-2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》，GB50174-2017《数据中心设计规范》以及GB16895.17-2002《信息技术装置接地和等电位连接》等规范执行。在上述规范中都推荐局部网格型接地网络，对于电子设备稳定运行，消除干扰作用十分明显，经过实践证明效果比较理想。所以在标准[5]报批稿中重点推荐控制系统也采用网格型接地结构。

对于本安系统，笔者尤其推荐网格型专用接地网络。标准[10]中形容“网格可以提供足够低的阻抗消除大部分网络噪音、干扰”。所以在未来DCS系统接地设计中应该尽量采用在机柜室内做网格型接地网络，虽然初始投资增加但对未来发展十分有利。不过在实际设计与施工中需要注意的是一是网络必须保证闭环，否则容易引入干扰。其次网格的网眼间隔尺寸对等电位效果影响较大，在设计阶段务必加以重视。

结论：DCS系统接地设计与施工好坏直接影响系统的稳定运行，因此一个好的设计和高质量的施工就显得尤为重要。这样虽然初始投资会增加，但是为日后的运行稳定和扩容发展打下良好基础。

参考文献：

[1]SH/T3081-2003，石油化工仪表接地设计规范【S】.

[2]ISA-RP12.6，危险场所仪表的接地实施第一部分本质安全【S】

[3]HT/T20513-2014，仪表系统接地设计规范【S】.

[4]张凯，郭长城.TPS控制系统接地故障分析.《中国石油和化工质量标准》2014年，23期：P46、P130页

[5]SH/T3081-2019，石油化工仪表接地设计规范报批稿【S】

[6]叶向东.仪表及控制系统接地.《石油化工自动化》，1999年，6期：P2-6页。

[7]翼樹春.电厂DCS系统接地可靠性的探讨.《神华科技》，2009年12月，7卷6期：P51-54页

[8]GB50343-20，电子信息系统防雷【S】.

[9]GB50174-2017，数据中心设计规范【S】.

[10]GB16895.17-2002，信息技术装置接地和等电位连接【S】.