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DCS系统的可靠接地，是保证电厂DCS安全，可靠运行的首要条件。我根据对一些电厂的系统设计、现场经验，对DCS系统的接地，进行了探讨和简要介绍。
前 言
随着电力工业的迅速发展和热工自动化水平的**，分散控制系统（DCS）已在国内各电厂中得到广泛应用，这对保证电厂安全、经济和文明运行起到了十分重要的作用，并取得了良好的效果。
DCS合理、可靠的系统接地，是DCS 系统非常重要的内容。为了保证DCS 系统的监测控制精度和安全、可靠运行，必须对系统接地方式、接地要求、信号屏蔽、接地线截面选择、接地极设计、接地箱布置等方面，进行认真设计和统筹考虑。本文根据DCS系统的设计规范要求，对DCS系统接地进行讨论和简要的介绍，以供大家在DCS系统设计、安装、维护中参考。
1、DCS系统接地的基本要求
DCS系统接地是为了保证当进入DCS系统的信号、供电电源或DCS系统设备本身出现问题时，有效的接地系统能承受过载电流并可以迅速将过载电流导入大地。接地系统能够为DCS提供屏蔽层，消除电子噪声干扰，并为整个控制系统提供公共信号参考点（即参考零电位）。当接地系统发生问题时（接地电阻过大，多点接地，接地线断线或接地线与高电压、大电流设备相接触等），会造成人员的触电伤害及设备的损坏，据了解，有些电厂DCS系统经常“死机” （或不明原因的“死机”），大多是因为接地系统不良或存在问题所引起的。 因此，完善、可靠、正确的接地，是DCS 系统能够安全、可靠和良好运行的关键。
1.1DCS接地分类
在一般情况下，DCS控制系统需要两种接地：保护地和工作地（逻辑地、屏蔽地等）。对于装有安全栅防爆措施的系统如化工行业所用的系统，还要求有本安地。
1.1.1保护地（CG，Cabinet Grounding） 是为了防止设备外壳的静电荷积累、避免造成人身伤害而采取的保护措施。DCS系统所有的操作员机柜、现场控制站机柜、打印机、端子柜等均应接保护地。保护地应接至厂区电气接地网，接地电阻小于4Ω。
1.1.2逻辑地：也叫机器逻辑地、主机电源地，是计算机内部的逻辑电平负端公共地，也是+5V等的电源输出地。如CPU的正负5伏、正负12伏的负端。需要接入公共接地极。
1.1.3屏蔽地（AG，Analog Grounding） 也叫模拟地，它可以把现场信号传输时所受到的干扰屏蔽掉，以**信号精度。DCS系统中信号电缆的屏蔽层应做屏蔽接地。线缆屏蔽层必须一端接地，防止形成闭合回路干扰。铠装电缆的金属铠不应作为屏蔽保护接地，必须是铜丝网或镀铝屏蔽层接地。接入公共接地极。
1.1.4本安地 应独立设置接地系统，接地电阻≤4Ω。本安地的接地系统应保持独立，与厂区电气地网或其它仪表系统接地网的距离应在5m以上。
1.2DCS系统接地方式 DCS系统一般接地方式
1.2.1利用电气接地网作为DCS接地网，即与电气接地网共地；
1.2.2设DCS系统专用独立的接地网；
1.2.3设DCS专用接地网，经接地线、再接至电气接地网；
由于第三种接地方式与第二种接地方式有较多相同处，过去，计算机或DCS系统曾经较多的采用过专用的接地网。但这种接地方式存在的缺点是：占地面积太大，投资高，电缆及接地网钢材耗量大，距厂房有相当的距离（因不易在厂房内找到合适的位置），管理、维护、测量及查找接地极和接地线不方便，且效果不甚良好。根据实际运行表明，设置专用的DCS接地网是既困难又不安全的。如某电厂曾因接地问题，造成机组跳闸数十次。根据调查，不少电厂DCS后来改用电气接地网接地，取得了良好的效果。
1.3对公共接地极（网）的要求
1.3.1当厂区电气接地网对地分布电阻≤4Ω时，可将厂区电气接地网当着DCS系统的公共接地极（网）。
1.3.2当厂区电气接地网接地电阻较大或杂乱时，应独立设置接地系统，即为DCS系统的公共接地极（网）。
1.3.3没有本安地接入的公共接地极（网）的对地分布电阻小于4欧姆；有本安地的小于1欧姆。接地总干线的线路阻抗小于0.1欧姆。
1.3.4接地极周围15米内无避雷地的接入点，8米内无 30KW 以上的高低压用电设备外壳的接入点。当现场无法满足该条件时，防雷保护地通过避雷器/冲击波抑制器与公共接地极的主干线相连。电焊地切勿与公共接地极及其接地网搭接在一起，二者应距离10米以上。
2、DCS系统的接地原则
2.1DCS系统设置的接地装置
2.2.1操作台、打印台、服务器柜：设有保护地螺钉。
2.2.2继电器柜、UPS柜、配电柜：设有保护地螺钉。
2.2.3DCS的I/O机柜：设有屏蔽接地汇流排，保护地螺钉。系统地（+24V地）悬浮。
2.2.4仪表柜、手操盘台：设有屏蔽地接地汇流排，保护地螺钉。
2.2.5安全栅柜：设有屏蔽地接地汇流排，本安地接地汇流排，保护地螺钉。
2.2信号屏蔽及其接地
2.2.1根据有关技术规定要求，计算机或 DCS系统信号电缆的屏蔽层不得浮空，必须接地，其接地方式应符合下列规定：
2.2.1.1当信号源浮空时，屏蔽层应在计算机侧接地；
2.2.1.2当信号源接地时，屏蔽层应在信号源侧接地；
2.2.1.3当放大器浮空时，屏蔽层的一端与屏蔽罩相连，另一端宜接共模地（当信号源接地时，接信号地。当信号源浮空时接现场地）。
2.2.1.4当屏蔽电缆途经接线盒分断或合并时，应在接线盒内将其两端电缆的屏蔽层连接。
2.2.2 DCS系统信号电缆的选择与敷设，应严格按照有关规定执行。屏蔽电缆的屏蔽层应按以上要求进行接地。为了**DCS 系统的抗干扰能力，DCS系统开关量输入/输出信号，选用阻燃型对绞铜网屏蔽计算机电缆还是比较恰当的。
3、DCS系统的接地方法
3.1集中布置的DCS设备接地方法
3.2分散布置的DCS设备接地方法
分散布置DCS系统设备之间的连接一般是网络（通讯）线，例如：现场控制站分散到现场，而操作员站位于不同的控制室，分散直径在500米的范围内，各站点间使用多模光纤或5类双绞线或DP屏蔽双绞线等连接。
3.2.1使用光纤连接的站点：各站点内的接地方法同集中布置的DCS设备。
3.2.2使用5类双绞线或DP屏蔽双绞线连接的站点：
3.2.2.1控制室的各类地线先连接到公共连接板，公共连接板通过接地总干线与公共接地极相连。从公共接地极看过去，整个接地网络是一个星型结构。
3.2.2.2 使用5类双绞线或DP屏蔽双绞线两头通过网络浪涌保护设备（信号避雷器、通**不小于5KA）与DCS的SWITCH、HUB、REPEAT、或其他网络设备相连。两边的站点有各自的公共接地极，二者不必有金属连接，各站点的接地方法同集中布置的DCS设备。5类双绞线或DP屏蔽双绞线必须穿镀锌钢管或金属桥架敷设，钢管或桥架必须可靠接地。当雷击，或者电气事故造成两边地电位差过大时，信号避雷器可以保护两边的设备。
3.3 DCS设备接地安装
3.3.1接地体：为钉入地下的良导体，由接地总干线传来的电流通过接地体导入大地。接地体与接地总干线之间采用铜焊，焊接后应做防腐处理。可用接地网干线把多个接地体连接成网，接地网应满足DCS系统接地电阻的要求。当接地网干线与接地体采用搭接焊时，其搭接长度必须为扁钢宽度的2倍或圆钢直径的6倍。图3-2为典型的多接地体安装图。
3.4 DCS系统接地降低土壤电阻率的方法
3.4.1改变接地体周围的土壤结构。在接地体周围的土壤2～3m范围内，掺入不容于水的、有良好吸水性的物质，如木炭、焦碳煤渣或矿渣等，该法可使土壤电阻率降低到原来的1/5～1/10。
3.4.2用食盐、木炭降低土壤电阻率用食盐、木炭分层夯实。木炭和细掺匀为一层，约10～15cm厚，再铺2～3cm的食盐，共5～8层。铺好后打入接地体。此法可使电阻率降至原来的1/3～1/5。但食盐日久会随流水流失，一般超过两年就要补充一次。
3.4.3用长效化学降阻剂。用长效化学降阻剂方法可使土壤电阻率降至原来的40%。
3.5 DCS系统接地材料及要求
3.5.1接地体与接地网干线的材料要求
接地体和接地网干线所用钢材规格可按下表选用，若接地电阻满足不了要求时，也可选用铜材。如果接地体和接地网干线安装在腐蚀性较强的场所，应根据腐蚀的性质采取热镀锌、热镀锡等防腐措施或适当加大截面。 
3.5.2接地连线要求
DCS系统的保护地和屏蔽地连线应使用铜芯绝缘电线或电缆连接到厂区电气专用接地网或接地体上。小表列出各类接地电缆可选用的规格。当接地连线距离较长、DCS系统对接地电阻要求较高或接地干线分接的支线数量较多时，宜选用表中截面较大的电线电缆。
4、现场接地常用注意事项
4.1现场控制站：接地螺丝因机柜本体与底座间有胶皮形成绝缘，屏蔽地汇流排与底座间绝缘，现场控制站必须按规定做好接地处理。即分别接至现场控制站接地汇流排上。I/O柜的电源地与UPS的电源地必须接至同一个地，保证等电位。
4.2现场控制站：操作员站、工程师站、网络交换机、服务器主机、系统显示器等采用外壳接地或直接将电源地线连接至电气接地网。
4.3 I/O模件：模拟量模件的40端即直流24伏的负端接至逻辑地汇流排上，逻辑地汇流排接至屏蔽地，再接入总接地汇流排。
4.4.现场控制站的保护地应从机柜下方的接地螺钉接至接地分干线, 现场控制站的屏蔽地应从接地汇流排接至公共连接板。
4.5接地系统的电阻必须进行测试，以保证接地能满足控制系统制造商的要求
变频器的应用日益普及，为各行业的工业自动化控制提供了良好的生产及工艺效益。但随着自动化程度的不断**，自动化设备对电源污染的程度也越来越深，相应的对自动控制系统的干扰也越来越强，对电源滤波、净化，取得相对稳定的绿色电源的要求也越来越高。
国际上对电磁兼容（EMC或EMI）的设计及应用已有比较明确的法律及法规，对电子设备的干扰及被干扰、电源的谐波含量都有明确的规定。由于我国电子设备的自动化发展相对较慢，对其谐波含量对电网的污染还没有一定的认识，因此这一方面的认知还没有发展到法律化的程度。但是，在一些工业生产自动化程度相对较高的场合，电磁兼容的意义已相对明显，有些电子设备对电磁干扰非常的敏感，已至于无法正常工作。
在河南新乡华星制药厂我们安装变频器设备时就遇到了该类问题，我们利用滤波措施，经过多次调试，已顺利解决。这里我们把问题解决的方法谈一下，供业界人士共同探讨。
2发酵车间自动控制系统简介
河南新乡华星制药厂青霉素发酵107车间，采用北京康拓生化工程有限公司设计制造的全自动DCS控制系统，对每台发酵罐的温度、压力、酸碱度（PH值）进行全方位监控，并对发酵过程中的补料、出料，包括加糖、苯乙酸、加氨等进行全自动操作，有三个传感器进行检测，发出电信号至微机控制系统。由微机控制系统根据检测的电压（或电流）值适时发出脉冲信号（+5V），去控制电磁阀的开闭（电磁阀工作电压为+24V），来实现进出料的补给。这样每台发酵罐就有三项进出料控制的六个电磁阀，三个传感器，两块检测仪表，在微机上全部实行远距离监控，并将全部数据全面显示于一面大屏幕墙上。全车间共有18个发酵罐。由此可想而知该类系统结构庞大，控制繁杂，布线稠密，安装时考虑必须十分周到、细致。
3电磁干扰问题分析及解决方法
由于用户已试用了一台变频器，根据更换皮带轮，调整电机转速，对用变频器节能已有一定的认识，因此决定安装我公司的变频器，以实现节能增效的目的。
我们在次安装变频器时，由于未考虑到电磁兼容的严重性，变频器开机后干扰原控制系统，在微机上多台发酵罐发出报警信号，后来加了输入、输出电抗器，也没能解决问题。后来我们观察用户原应用的变频器，他采用了济南菲奥特电子设备有限公司生产的变频器输入端及输出端专用电源滤波器，已正常运行一年，于是制药厂建议我公司购买该类同型号的电源滤波器。
变频器输入端电源滤波器是采用高导磁率的铁氧体磁心及铁粉芯，配接一定的电容，构成LC滤波器，将变频器产生的高次谐波（在某一频带内的）滤掉，而使临近或同一电网工作的电器设备不受干扰，能够正常工作。其原理图如图1所示。
图1 输入滤波器电路原理图
变频器输出端电源滤波器采用电感（L）滤波，抑制变频器输出的传导干扰和减少输出线上低频辐射干扰，使直接驱动的电机电磁噪声减小，使电机的铜损、铁损大幅减少。其原理图如图2所示。
图2 输出滤波器电路原理图
购买了该类滤波器后，我们去现场进行了调试。由于对该类现场接触较少，技术人员准备不太充分，虽然增加了滤波器，但滤波效果仍不理想，在重载时仍存在干扰，DCS系统不能正常工作，变频器仍无法运行。于是我们对问题做了具体的分析。
变频器产生干扰的原因
图3 变频器主电路图
变频器主电路一般是交流—直流—交流模式见图3，外部输入380V/50Hz的工频电源经三相桥路不可控整流成直流电压信号，经滤波电容滤波及大功率晶体管开关元件逆变为频率可变的交流信号。在整流回路中，输入电流的波形为不规则的矩形波，波形按傅立叶级数分解为基波和各次谐波，其中的高次谐波将干扰输入供电系统。在逆变输出回路中，输出电流信号是受PWM载波信号调制的脉冲波形，对于GTR大功率逆变元件，其PWM的载波频率为2～3kHz，而IGBT大功率逆变元件的PWM高载频可达15kHz。同样，输出回路电流信号也可分解为只含正弦波的基波和其他各次谐波，而高次谐波电流对负载直接干扰。另外高次谐波电流还通过电缆向空间辐射，干扰邻近电气设备。
变频器干扰的主要传播途径
变频器工作时，作为一个强大的干扰源，其干扰途径一般分为辐射、传导、电磁耦合、二次辐射和边传导边辐射等。主要途径如图4所示：
图4变频器干扰的主要传播途径
从上图可以看出，变频器产生的辐射干扰对周围的无线电接收设备产生强烈的影响，传导干扰使直接驱动的电机产生电磁噪声，使得铜损、铁损大幅增加，同时传导干扰和辐射干扰对电源输入端所连接或邻近的电子敏感设备有很大的影响。
针对这两次调试情况和变频器产生干扰及干扰的途径，我们联合电源滤波器生产厂商的工程师进行了分析总结，并与北京康拓生物工程有限公司的工程师多次进行了沟通，了解了其工作原理、布线情况，分析认为主要还是变频器输入端产生的高频谐波造成的干扰。因装变频器后，变频器的输入线在原动力线槽内，而输出线不在线槽内，离电机也比较近。再者，原布线系统不太合理，动力线槽与控制线槽距离较近，只有20cm，按规定应不少于50cm，且两线槽平行走线，这些都是比较忌讳的。变频器的地线接的也不太合理，接在了电源线的走线槽上，线槽的作用一是支撑电源线、二是起屏蔽的作用，变频器的干扰又通过地线到了线槽上。变频器产生的高次谐波通过变频器的输入线和地线辐射到其它设备的电源线和信号线上（尤其是比较敏感的传感器的信号线。这里强调一点：我们的变频器与DCS控制系统不是同一台变压器给电，可以排除直接传导干扰），干扰了控制系统的正常工作。
分析这些问题，由于原布线系统已成定型，再动几乎是不可能，因此改变电源线和信号线布线的想法应予以排除，变频器地线可以另走，拉一根地线直接接至配电室电控柜的地线上，对变频器的输入端再加强滤波措施，按理论问题应于解决。
在现场原发酵罐停车后，我们在原滤波器基础上又增加了一套共模及差模磁环，在输入、输出每相线上各套二个差模环，在输入的三根相线上套两个共模磁环，并将地线接至配电室的地上。这样处理后开机运行，在电机空载的情况下运行正常，没有出现干扰报警现象。
带载运行时，305、307罐出现干扰报警。将地线改至控制307罐（该罐已使用变频器，线槽内走的是该变频器的输出线）变压器的地线上，305罐不再干扰报警，但307罐仍间隔几分钟出现干扰报警现象，分析可能是两台变频器产生的共模干叠加所至，也可能是地线放在动力线槽内，走线较长引起的，于是在地线上加装地线滤波器，但效果也不太好。后来将地线拆除（经测量变频器整机漏电流很小，对人体不会造成危害，所以可以将地线拆除），效果好一些，但报警现象也是间断出现，这样分析应该不是地线引起的，还是输入端的滤波措施不够，没有将高频干扰滤除干净。因此停机，在输入的每相线上再加两只差模环，在三条输入相线上再套三个共模环，这样开机运行，工作正常，整个系统不再出现干扰现象。系统处理后的框图如图5所示。
图5 系统框图
4结束语
这次试验，为发酵行业在自动控制与变频器兼容（即电磁兼容）问题的解决进行了一次尝试。据北京康拓生化工程有限公司的工程师讲，该类自控系统在制药行业应用很广泛。我们付出了努力，同时也得到了锻炼，使我们在电磁兼容问题的处理上又向前迈出了一步，变频器必将在医药制造行业的应用上获得较大突破。随着我国变频器市场的日益扩大，电磁兼容的意义将更广泛，其应用的前景将是十分乐观的。
新风光公司发酵罐部可为制药厂提供完善的变频节能方案，菲奥特公司电磁兼容工程部可为广大变频器制造厂商提供免费的技术指导与工程整改服务。