接地系統(tǒng)的準(zhǔn)備
在dcs應(yīng)用中，最讓人不清楚的，但又是必須理解的大概就是接地問題了。不僅很多用戶不清楚，就連有的系統(tǒng)集成商、dcs廠商代理處的有些人都未必特別清楚，原因是因?yàn)榇蟛糠謱W(xué)自動控制和計(jì)算機(jī)的人在學(xué)校學(xué)自動控制原理或計(jì)算機(jī)原理時是不學(xué)接地內(nèi)容的。而工業(yè)控制計(jì)算機(jī)又涉及到除了計(jì)算機(jī)本身外還有很多各種類型的信號線，直接與計(jì)算機(jī)i／o接口相連，這些信號有開關(guān)量型（包括開入、開出、而且負(fù)載能力也有很大差別，有模擬類的（大信號: 4－20mv，1－5v，小信號0－50mv。o－10mv，大信號中有四線制的，也有兩線制的）有的系統(tǒng)中還有交流信號直接通過互感器而接到計(jì)算機(jī)的交流信號來樣，這樣也就造成了各工控機(jī)廠家（特別是dcs廠家）為了保證自己系統(tǒng)能夠在各 種應(yīng)用現(xiàn)場正常運(yùn)行，提出了各種各樣的接地要求。而這些接地要求差別很大，有的很苛 刻，有的相對寬松一些。這就更使現(xiàn)場人員混亂了。不僅廠家提的接地要求不一致，而且各種教科書和設(shè)計(jì)手冊中對接地的解釋也不甚統(tǒng)一。為了讓現(xiàn)場施工人員和工程服務(wù)人員對接地問題有一個較全面的了解，我們在此較為詳細(xì)地介紹一個系統(tǒng)應(yīng)用中遇到的一些接 地概念和方法。
1、干擾原因
為了理解接地的目的，我們先介紹系統(tǒng)應(yīng)用中所面臨的幾種干擾。干擾又叫噪聲，是竄入或疊加在系統(tǒng)電源、信號線上的與信號無關(guān)的電信號。干擾會造成測量的誤差、嚴(yán)重的干擾（如雷擊、。大的串模干擾可會造成設(shè)備損壞。常見的干擾有以下幾種：
（1）電阻耦合引入的干擾（傳導(dǎo)引入）
①當(dāng)幾種信號線在一起傳輸時，由于絕緣材料老化，漏電而影響到其它信號，即在其它信號中引入干擾。
②在一些用電能作為執(zhí)行手段的控制系統(tǒng)中（如電熱爐、電解槽等）信號傳感器漏電，接觸到帶電體，也會引入很大的干擾。
③在一些老式儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)中，現(xiàn)場端采用220v供電，有時設(shè)備燒壞，造成電源與信號線間短路，也會造成較大的干擾。
④由于接地不合理，例如在信號線的兩端接地，會因?yàn)榈仉娢徊疃尤胍惠^大的干擾，如圖3.4.9所示。信號線的兩端同時接地，這樣，如果a、b兩點(diǎn)的距離較遠(yuǎn)，則可能會有較大的電位差en ，這個電位差可能會在a·b兩端之間的信號線上產(chǎn)生一個很大的環(huán)流。
（2）電容電感耦合引入的干擾
因?yàn)樵诒豢噩F(xiàn)場往往有很多信號同時接入計(jì)算機(jī)，而且這些信號線或者走電纜槽，或者走電纜管,但肯定是很多根信號在一起走線。這些信號之間均有分布電容存在，會通過這些分布電容將干擾加到別的信號線上，同時，在交變信號線的周圍會產(chǎn)生個交變的磁通，而這些交變磁通會在并行的導(dǎo)體之間產(chǎn)生電動勢，這也會造成線路上的干擾。
（3）計(jì)算機(jī)供電線路上引入的干擾
在有些工業(yè)現(xiàn)場(特別是電廠冶金企業(yè)、大的機(jī)械加工廠）大型電氣設(shè)備啟動頻繁，大的開關(guān)裝置動作也較頻繁，這些電動機(jī)的啟動、開關(guān)的閉合產(chǎn)生的火花會在其周圍產(chǎn)生很大的交變磁場．這些交變磁場既可以通過在信號線上耦合產(chǎn)生干擾，也可能通過電源線上產(chǎn)生高頻干擾，這些干擾如果超過容許范圍，也會影響計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作。
（4）雷擊引入的干擾
雷擊可能在系統(tǒng)周圍產(chǎn)生很大的電磁干擾，也可能通過各種接地線引入干擾。
2、干擾抑制
以上列舉了產(chǎn)生干擾的幾種原因，這些干擾如果得不到很好的抑制和防止，輕則影響系統(tǒng)的測量技術(shù)精度，因而使正常的控制無法實(shí)現(xiàn)，重則會造成設(shè)備損壞，人們在長期的工程實(shí)踐中總結(jié)出了很多干擾抑制的方法。
（l）隔離
①使所有的信號線很好地絕緣，使其不可能漏電，這樣，防止由于接觸引入的干擾；
②將不同種類的信號線隔離鋪設(shè)（在不同一電纜槽中，或用隔板隔開），我們可以根據(jù)信號不同類型將其按抗噪聲干擾的能力分成幾等。
模擬量信號（模人、摸出，特別是低電平的模人信號如熱電偶信號，熱電阻信號等）對高頻的脈沖信號的抗干擾能力是很差的。建議用屏蔽雙絞線連接，且這些信號線必須單獨(dú)占用電線管或電纜槽，不可與其它信號在同一電纜管（或槽）中走線。
低電平的開關(guān)信號（一些狀態(tài)干結(jié)點(diǎn)信號），數(shù)據(jù)通信線路（rs232、eia485等），對低頻的脈沖信號的抗干擾能力比上種信號要強(qiáng)，但建議最好采用屏蔽雙絞線（至少用雙絞線）連接。此類信號也要單獨(dú)走線，不可和動力線和大負(fù)載信號線在一起平行走線。
高電平（或大電流）的開關(guān)量的輸入輸出、catv、電話線，以及其它繼電器輸入輸出信號，這類信號的抗干擾能力又強(qiáng)于以上兩種，但這些信號會干擾別的信號，因此建議用雙絞線連接，也單獨(dú)走電纜管或電纜槽。
動力線ac 220v、380v，以及大通斷能力的斷路器、開關(guān)信號線等，這些線的電纜選擇主要不是依抗干擾能力，而是由電流負(fù)載和耐壓等級決定。
以上說明，同一類信號可能放在一條電纜管或槽中，相近種類信號如果必須在同一電纜槽中走線，則一定要用金屬隔板將它們隔開。
③還有一種隔離是將信號源同計(jì)算機(jī)在電氣上進(jìn)行隔離，這樣，會大大地減小共模干擾對計(jì)算機(jī)造成的危害。如圖 3．4．10所示。圖 3．4．10表示用隔離放大器將信號的輸入端子與計(jì)算機(jī)部分完全隔離（有的系統(tǒng)中采用隔離變壓器，或繼電器等方式隔離，對開關(guān)量則可以采用光電器件，或繼電器進(jìn)行隔離）。這樣，由于c和d之間地電位不同所產(chǎn)生的干擾信號形不成回路，抑制了干擾的危害。
④第四種隔離是供電系統(tǒng)的隔離
為了防止供電線路上引入共模高頻干擾信號，可以在供電線路上設(shè)隔離變壓器進(jìn)行干擾隔離，如圖3．4.11所示。
為了達(dá)到好的干擾抑制效果，有兩點(diǎn)必須注意：
·變壓器的屏蔽層要很好地接地；
·變壓器的次級線圈一定要用雙絞線。
（2）屏蔽
屏蔽就是用金屬導(dǎo)體，把被屏蔽的元件，組合件，電話線，信號線包圍起來。這種方法對電容性耦合噪聲抑制效果很好。最常見的就是用屏蔽雙絞線連接模擬信號。
以上說的電氣屏蔽，但在很多場合下，信號除了受電噪聲干擾以外，主要還受到強(qiáng)交變磁場的影響，如電站，冶煉廠重型機(jī)械廠等，那么，我們除了要考慮電氣屏蔽以外，還要考慮磁屏蔽，即考慮用鐵、鎳等導(dǎo)磁性能好的導(dǎo)體進(jìn)行屏蔽。
（3）絞線
用雙絞線代替兩根平行導(dǎo)線是抑制磁場干擾的有效辦法。原理如圖3．4．12所示：
圖3．4．12中，每個小絞紐環(huán)中會通過交變的磁通，而這些變化磁通會在周圍的導(dǎo)體中產(chǎn)生電動勢，它由電磁通感應(yīng)定律決定（如圖中導(dǎo)線中的箭頭所示）。從圖中可以看出，相鄰絞紐環(huán)中在同一導(dǎo)體上產(chǎn)生的電動勢方向相反，相互抵消，這對電磁干擾起到較好的抑制作用。
（4）雷擊保護(hù)
系統(tǒng)受雷擊干擾有兩種方式：架空電源線，信號線可能會遭受雷擊，另一種是信號電纜附近受到雷擊，通過分布電容和電感耦合到信號線，在信號線上產(chǎn)生一個很大的脈沖干擾，有時甚至?xí)龎脑O(shè)備，影響人員安全。針對不同的干擾原因，可以采用下面兩種措施防雷擊：
①對于耦合干擾，我們可用金屬電纜管或槽鋪設(shè)信號線，電纜管或金屬槽有很好的接地。
②對于架空信號線，則必須在計(jì)算機(jī)輸入端子處采取防雷措施，如裝避雷器，加壓敏電阻、較強(qiáng)的濾波電路等來抑制其干擾。
3、接地準(zhǔn)備
（l）接地的作用
接地的作用總的步說只有兩種：保護(hù)人和設(shè)備不受損害；抑制干擾；抑制干擾接地在有的書中又叫工作接地，而前者又叫保護(hù)接地。
①保護(hù)接地
保護(hù)接地是將dcs中平時不帶電的金屬部分（機(jī)柜外殼，操作臺外殼等)與地之間形成良好的導(dǎo)電連接，以保護(hù)設(shè)備和人身安全。原因是dcs的供電是強(qiáng)電供電（220v或11ov），通常情況下機(jī)殼等是不帶電的，當(dāng)故障發(fā)生（如主機(jī)電源故障或其它故障）造成電源的供電火線與外殼等導(dǎo)電金屬部件短路時，這些金屬部件或外殼就形成了帶電體，如果沒有很好的接地，那么這帶電體和地之間就有很高的電位差，如果人不小心觸到這些帶電體，那么就會通過人身形成通路，產(chǎn)生危險(xiǎn)。因此，必須將金屬外殼和地之間作很好的連接，使機(jī)殼和地等電位。此外，保護(hù)接地還可以防止靜電的積聚。
②工作接地
工作接地是為了使dcs以及與之相連的儀表均能可靠運(yùn)行并保證測量和控制精度而設(shè)的接地。它分為機(jī)器邏輯地、信號回路接地、屏蔽接地，在石化和其它防爆系統(tǒng)中還有本安接地。
·機(jī)器邏輯地，也叫主機(jī)電源地，是計(jì)算機(jī)內(nèi)部的邏輯電平負(fù)端公共地，也是+5v等電源的輸出地。
·信號回路接地，如各變送器的負(fù)端接地，開關(guān)量信號的負(fù)端接地等。
·屏蔽接地（模人信號的屏蔽層的接地）。
·本安接地，是本安儀表或安全柵的接地。這種接地除了抑制干擾外，還有使儀表和系統(tǒng)具有本質(zhì)安全性質(zhì)的措施之一。本安接地會因?yàn)椴捎玫脑O(shè)備的本實(shí)措施不同而不同，下面以齊納式安全柵為例，說明其接地內(nèi)容，如圖3．413所示：該圖是一個齊納式安全柵的接地原理圖。
安全柵的作用是保護(hù)危險(xiǎn)現(xiàn)場端永遠(yuǎn)處于安全電源和安全電壓范圍之內(nèi)。如果現(xiàn)場端短路，則由于負(fù)載電阻和安全柵電阻r的限流作用，會將導(dǎo)線上的電流限制在安全范圍內(nèi)，使現(xiàn)場端不至于產(chǎn)生很高的溫度，引起燃燒。第二種情況，如果計(jì)算機(jī)一端產(chǎn)生故障，則高壓電信號加入了信號回路，則由于齊納二級的嵌位作用，也使電壓位于安全范圍。
值得提醒的是，由于齊納安全柵的引入，使得信號回路上的電阻增大了許多，因此，在設(shè)計(jì)輸出回路的負(fù)載能力時，除了要考慮真正的負(fù)載要求以外，還要充分考慮安全柵的電阻，留有余地。
除了上述幾種接地外，在很多場合下容易引起混亂的還有一個供電系統(tǒng)地，也叫交流電源工作地，它是電力系統(tǒng)中為了運(yùn)行需要設(shè)的接地(如中性點(diǎn)接地）。
（l）接地要求和方法：<