现场总线控制系统的屏蔽／接地分析

将以现场总线技术为基础的现场总线控制系统(FCS)用于发电厂机组级控制，在我国正处于起步阶段。FCS有许多设计和应用技术是传统控制系统(如DCS、PLC)所不曾遇到的，如区域(站点)划分与位置确定、FCS 网段设计、FCS的屏蔽/接地等，其中屏蔽/接地直接关系到FCS的监测控制精度和机组的安全、可靠、稳定运行。由于现场总线标准繁多，本文以适用于发电厂控制，且配套产品相对齐全的FF和Profibus现场总线标准为例，阐述现场总线控制系统屏蔽/接地。

1 现场总线控制系统屏蔽/接地

控制系统具有保护地和工作地2 种接地方式，其中工作地分为逻辑地、屏蔽地等，对于装有安全栅防爆措施的控制系统，还要求具有本安地。

1.1 FF现场总线屏蔽/接地

FF现场总线系统中仪表信号导线不得用于接地，仪表安全接地必须通过信号电缆之外的独立导线;在网络中的任何一处现场总线设备不得将双绞线对中的任一根导线与地连接，现场总线导线中的任一根导线接地将导致该总线网络/网段上的所有设备通信中断。与传统仪表系统相同，采用双绞线外部的屏蔽是为了避免信号干扰(噪声)，现场总线电缆的屏蔽层必须接地。

针对不同工程，原则上可选用以下3种电缆屏蔽层接地方法。

(l)整个网段中所有电缆的屏蔽层连接在一起，只在网段的一端接地，通常是在控制室端接地。在此情况下，整个网段的电缆屏蔽层不得与现场仪表和接线盒的机壳连接，因为这些机壳通常总是接地的。在没有等电位地的情况下，应该遵循这种屏蔽层单端接地原则。

(2)在现场电磁干扰较强的情况下，理想的抗干扰措施是将电缆屏蔽层与金属接线盒、仪表机壳及控制室内的系统接地连接在一起，这就不可避免地存在多点接地。只有当设有等电位地时，才可以采用此方法。

(3)在多数现场中，没有完善的等电位地(仪表的安装现场设有装置区域范围的等电位地，而控制室与装置现场的地没有等电位)，为了获得很好的抗干扰效果，可将电缆屏蔽层与现场的接线盒和仪表机壳连接在一起，实现现场等电位基础上的多点接地，而电缆屏蔽层在控制室内经由一个隔离电容接地。该电容的参数为10nF/1500V，可集成在 FF 配电单元中。

对少数现场等电位地不完善的装置区域，建议实施的接地方法为：(l )主干线电缆屏蔽层在控制室单点接地，且与现场接线盒机箱之间通过隔离电容连接，该隔离电容可集成在接线盒内;(2)将各分支的电缆屏蔽层与接线盒机箱之间也通过隔离电容连接，此时分支的电缆屏蔽层即可经仪表机壳接地。

(l)电缆屏蔽层通常是两端接地。特别是在高频干扰情况下，用此种方法可以抑制信号干扰。如果在大范围分散系统的各个总线站之间存在电位差且不能实现等电位屏蔽层接地时，建议仅在一端将电缆屏蔽层接地，以避免在 Profibus 电缆屏蔽层中产生等电位屏蔽接地电流。对于静止的总线站，将机柜入口一端的 Profibus 电缆屏蔽网连接到基准地。

(2)在工业装备中安装Profibus DP的标准方法是有接地基准电位地，即必须把所有模块机架和负载电流回路与公共的基准电位地相连接。总线插头连接器将Pronbus 电缆的屏蔽与网络中所有的总线站相连接，然后将各个部件的接地连接到控制柜的公共接地点(接地总线汇流条)。就地设备就近单点接地。另外，应该注意与接地点相连的连接线应有足够大的载面积，同时还须确保在控制柜内的各个接地总线汇流条都有相同的接地电位，即它们之间不能存在电位差和电流。

2 屏蔽/接地分析

2.1 多点接地与等电位地

在FF与Profibus屏蔽/接地规范中，均提到了多点接地和就地设备就近单点接地。由图1可见，主站与1号、2号从站皆有就地接地，同时接地电缆将3个机柜的接地汇流条串联在一起。为了保证控制系统稳定运行，FF与Profibus屏蔽/接地规范中，均要求等电位地，如图2所示。

图2(a)为系统串联多点接地。理论上各柜接地极与大地间的接地电阻应该为零，但在实际中由于天气、土壤、施工等诸多因素的影响，各柜接地极与大地之间存在一定的电阻。由于干扰信号的产生具有随机性，在各个接地点产生的影响也相同。假设在接地系统中，每个接地点产生的干扰信号I、(i=1,2,3，…，n)可等效为一个扰动信号I(地回路电流)，其流向为从1号机柜到n号机柜，再到大地，由于接地导线间也存在电阻(图2(a)中的r, (i=1, 2,3，…，n)，因此忽略交流阻抗的影响整个接地系统的电阻值可表示为：

R=rl+r2+r3+……+rn+r

在相邻两个接地点之间必然存在一个微小的电位差(Ui-Ui-1=I×rn)，且接地点之间距离越长，电位差越大，如1号机柜和n号机柜之间的电位差为：U1-Un=I×(r1+r2+r3+……+rn)

因此，1号机柜与n号机柜的基准电压不同。在同一系统中，不允许这种情况的存在。这是因为控制系统监控信号为弱电流信号，即使微小的信号干扰，也会给系统的检测和控制带来误差。同时，干扰信号具有随机性，在系统联校时无法消除，从而影响系统的正常运行。由于大型发电厂存在变压器、电动机、大功率可控硅整流设备等干扰源，并且目前国内设计、施工以及等电位联结的配件不配套使得在现场难以寻找等电位地，因此采用系统单点接地(图2(b))较为合理。由图2(b)可见，在FCS的接地装置中设有汇流板，将各个需要接地的点单独并联于汇流板上，汇流板为整个系统设置了一个基准电位面，在汇流板上所有各点的电位均相等。假设系统中存在一个等效的干扰信号I，汇流板与接地装置间存在着一个微小的电阻R，接地极与大地之间的电阻为r，因此该干扰信号所产生的等效电压U=I(R+r)，并始终存在于汇流板与大地之间，从而使各个接地点的电位保持在同一电位U上。由于电位U对系统中每一个检测点的影响相同，因此可通过联校或一段时间的试运行，得到一个经验参数，以消除电位U对控制系统的影响。[!--empirenews.page--]

2.2 电缆屏蔽层两端接地与一端接地

2.2.1 两端接地

电缆屏蔽层两端接地是针对相互绝缘隔离型的双层屏蔽电缆(无绝缘隔离的双屏蔽层，其实质仍然是单屏蔽层)，双层屏蔽电缆的最外屏蔽层两端接地。电缆屏蔽层两端接地适用于外部有强电流干扰的情况。

(1)当控制电缆被源磁场产生的磁通所包围时，在电缆屏蔽层中将因电位差而被感应屏蔽电流，由屏蔽电流产生的磁通，将抵消源磁场产生的磁通对电缆芯线的影响。假定屏蔽作用理想，两者共同作用的结果，将使被屏蔽层完全包围的电缆芯线中的磁通为零，电缆屏蔽层形成了一个理想的法拉第笼，这与带有二次短路线圈的理想变压器一样，铁芯中的磁通将为零。但是，电缆屏蔽层的屏蔽作用不可能达到完全理想状态，被屏蔽的电缆芯线在源磁场产生的磁通作用下，仍然会感应出一定的电压。

(2)电缆屏蔽层两端接地，可以降低由于地电位上升产生的暂态感应电压。当雷电经避雷器注入地网，使发电厂地网中的冲击电流增大时，将产生暂态的电位波动，同时地网的视在接地电阻也将暂时增大。与正常交流电阻相比，此时接地电阻常常增大数倍乃至10倍以上。如果低压控制电缆敷设在地电位升高的附近，将由于电缆电位的波动而受到干扰。采用两端接地的屏蔽电缆，可以将暂态感应电压抑制为原值的10%以下，是降低干扰电压的一种有效措施。

2.2.2 一端接地

一端接地时，不形成电位差，电缆屏蔽层电压为零，可显著减少静电感应电压。如果是防止静电干扰，电缆屏蔽层必须一端接地(不论是单层还是双层屏蔽)，因为单端接地的静电放电速度是最快的。对相互绝缘隔离型的双层屏蔽电缆的内层屏蔽层必须单点接地。

3 结论

(1)大型发电厂以电缆屏蔽层单点接地为宜。

(2)对于有外部电击、雷电及强电流干扰的情况，宜采用相互绝缘隔离型的双层屏蔽电缆，且最外屏蔽层两端接地;为了保证人身和设备安全，必须多点接地。值得注意的是，在电缆屏蔽层中因电位差而感应出屏蔽电流将引起额外的冲击或干扰电压。

(3)为了快速消除静电干扰，在保证接地线截面积足够大的情况下， FCS 的控制电缆采用单层屏蔽电缆，且一端接地，是性价比较高的选择。

[参考文献]

[l]Fieldbus Foundation. FF系统工程指南(AG-181)(2.0版本).2004.

[2] Profibus International.Profibus工程应用指南[Z].2004.