论文部分内容阅读
摘 要 信号干扰是危及工业控制系统、设备的最大隐患，工控系统合理、可靠的系统接地，是系统安全非常重要的内容。文章由一起雷电干扰引起的事故分析入手，简要对干扰形成原因，系统接地方式、接地要求、信号屏蔽、接地线截面选择、接地极设计等几个问题进行探讨，供大家在进行控制系统接地测试、分析、改造时参考。
关键词 干扰；工业控制系统；保护接地；工作接地
中图分类号：TP2 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）17-0197-02
在工业控制系统中，危及工业控制设备的最大隐患是来自于工业现场的“干扰”。干扰源窜入或叠加在信号线、系统电源上，轻则造成测量误差，严重的干扰（如高电压串模、雷击等）则可能会造成设备的严重损坏。
为了保证自己系统设备能可靠安全运行，许多控制系统生产厂家提出了各种各样的接地要求、标准。其目的都是通过屏蔽层有效的将噪声引起的过载电流迅速地导入大地，消除电子噪声干扰，同时为整个控制系统提供参考零电位。
本文中所涉及严重干扰事故案例，发生在安顺电厂沙湾取水泵房。该泵房无人值班控制系统改造于2004年9月，采用的是南京朗坤自动化有限公司研发的PLC程控系统。控制系统设置有一个主站和三个远程从站，主站和从站之间通过RIO进行通讯。电源柜和配电房控制柜布置在配电控制室，取水泵房远程控制柜布置在取水泵房，升压水泵房远程控制柜布置在补水升压泵房。该套工控系统接地系统沿用改造前接地布置。由于该泵房位处山区傍临湖泊，附近无高层建筑，一遇梅雨季节，该地区属于典型的雷击事故高发区域。经常发生雷云对地放电，偶尔会产生球形雷电。在该案例中，雷击作为严重的干扰源，给该套工控系统造成了极大的经济损失。雷击事故发生造成了PLC主从控制站通讯故障，多块PLC通讯控制模件、模拟量采集模件、数字量控制模件烧毁，以及工业电视监控系统的整体瘫痪（视频矩阵切换器、多个彩色摄像机，彩色监视器烧毁），多台就地检测仪器仪表故障，6 kV开关跳闸及电流变送器的损坏等。
在事后的接地检查中，我们发现该套工控系统的接地中存在以下问题：该套工控系统由于沿用改造前接地装置，无特殊处理，对地释放高电荷干扰能力较差，其控制机柜间接地电阻过大，原避雷设施（避雷带和避雷网）覆盖不完全。另外，雷击期间，负载切换而引起的电涌也是造成工控系统设备、通讯设备、仪器仪表损坏的重要原因之一。
因此，正确地认识和理解干扰源，了解接地的方式，保证接地系统的有效可靠，是本文的目的所在。
1 工业控制系统中常见干扰的种类及原因
1）电阻耦合类干扰（传导引入）：在工业现场，很常见的原因一般是信号线在一起传输时，由于绝缘材料的老化，漏电等原因而影响到其他信号。由于信号线直接接触到干扰源信号，因此该类型干扰信号对设备来说会直接造成设备损坏。
2）电容电感耦合类干扰：属于比较典型的干扰类型，在生产现场中，信号电缆屏蔽层双端接地造成的干扰属于该类型。信号线的两端同时接地，两端电位差而产生的环流易造成信号电缆信号传输中加入较大的电容耦合干扰。此外，在许多工业应用场合，很多电缆布置于电缆桥架内，施工中未严格按照分层布置的原则走线，这些信号电缆有高压有低压信号，电缆信号线之间也易造成电容电感耦合干扰。
3）高频信号干扰：生产现场往往存在各种类型的高频信号。诸如一些高频对讲机、手机等等也是造成电子设备故障的干扰源之一。
4）雷击引入的干扰：其干扰源产生类型较为复杂。室外的电源线或信号直接遭受雷击，或者是电缆附近区域受到雷击，会通过分布电感和电容耦合到现场的信号线上，形成很大的脉冲干扰，严重时会烧坏设备，影响人员安全。同时，也可能通过系统的接地线引入系统对设备造成危害。
2 干扰源的应对措施
干扰源常规的抑制和防止手段一般有以下几种。
l）隔离，第一种隔离是将不同种类的信号线隔离铺设（在电缆桥架中，高低压电缆分层布置）。第二种隔离是对工控系统的接口部分采用隔离设计。比如：采用隔离变压器，或继电器、光电二极管隔离等。
2）屏蔽，即通过信号电缆的屏蔽层将噪声有效地释放，避免对信号传送造成影响。
3）采用雷击保护。避免雷击有两种方式：①对于耦合干扰，为形成良好接地，信号线可采用金属穿线管或槽铺设。②对于架空的信号线，需要在系统输入端子处采取防雷措施，如装加压敏电阻、避雷器、较强的滤波电路等等来抑制干扰。
3 工控系统接地方式及原则
良好的接地除了能有效释放噪声，而且还能有效保护人和设备不受损害。在安顺电厂沙湾取水泵房控制系统雷击事件中，暴露出了接地对控制系统的重要性，通过吸取经验教训，良好可靠的接地应具备以下因素。
工业控制系统中，接地类型一般分为：保护接地（也称为交流地，通过不带电的金属部分（操作台外壳，机柜外壳等）与大地之间形成良好导电连接，以保护人身和设备安全）与工作接地（也称为直流地，保证测量、控制设备而设的接地。它分为信号回路接地、屏蔽接地、机器模拟地等）。我们应考虑的接地方式和原则主要有以下几个方面。
1）企业内公用供电地网是否“干净”，是否严格分开？对应电力负荷很重，而且大负荷、大电流设备且经常启停的企业来说，将电力系统地和工控系统的所有地分开是很有好处的，工控系统所有接地应和供电系统地以及其他（例如避雷地等）严格分开，而且两者之间至少应有15米以上的距离。
当条件允许与企业地网采用共同接地时，屏蔽地和保护地连线应用铜芯绝缘电线或者接地电缆连接到厂区电气专用接地体或接地网上。表1列出了各类接地电缆选用规格。当其距离较长、控制系统对接地电阻要求比较高或接地的干线分接的支线数量比较多时，建议选用表中截面较大的电缆。
表1 2）控制系统的各类型接地是否采用一点接地方式？大部分系统均采用此方式，即机柜间保护地和保护地汇集，信号地和信号地汇集，分别接出，汇于一点，然后用比较粗的导体将各汇地点连接，接到公共的接地体上。此方式需要注意的是以下几个方面：①对应保护地来说，工控系统的所有机柜保护地一般在设计加工时就已在内部接好，所有的系统或外设的保护地应用较粗的绝缘铜导线相互连接，最后与大地接地系统相连。其连接时可以采用幅射连接法，也可以采用串行接法。然而，在有些系统中，其所有的输入，输出均是隔离的，而且保持内部浮空，不需要保护接地。②对于接地中要求最高的模拟地（又叫屏蔽地），常规的方案都是在机柜内部设计铜汇流排或其他设施，现场来的信号电缆屏蔽线接到汇流排上，每个机柜底部用绝缘的铜辫连到汇流点，通过辐射状连接到接地点上。工业设计中，大多数DCS厂家要求各机柜屏蔽地对地电阻<1Ω，各机柜之间的电阻要求<1Ω。③信号地一般上不允许各传感器或变送器在现场端接地，应考虑将其负端在计算机侧一点接地。
3）当工控系统需要单独设计接地体时的原则：①接地总干线与接地体之间采用铜焊，焊接后需做防腐处理。当采用搭接焊时，搭接长度应为扁钢宽度的2倍或者为圆钢直径的6倍。通过接地网干线把接地体连接成网。要注意的是，应满足DCS系统接地电阻的要求。②接地网干线与接地体的材料要求。钢材规格可按表2选用，若接地电阻满足不了要求，可选用铜材。在腐蚀性较强的场所（如海边环境），应根据腐蚀的性质采取阴极保护、热镀锌等防腐措施。
表2
4）其他常用注意事项。①为保证控制系统可靠性要求，接地系统的电阻必须定期检查。②控制系统I/O模件的直流24伏的负端应确保接至逻辑地上，逻辑地汇流排接入屏蔽地，再接入总接地汇流排。I/O柜电源地与UPS电源地应接至同一个接地，保证等电位。③现场控制柜保护地应从机柜下方的接地螺钉接到接地分干线。④工控系统中的操作员站、网络交换机、工程师站、服务器主机等设备采用外壳接地或直接将电源地线连接至电气接地网。⑤控制机柜本体与底座间应有胶皮形成绝缘，现场控制站必须按规定做好接地处理。避免施工期间电焊等工作对机柜内设备造成影响。
参考文献
[1]苏帮礼，崔秉球，吴望平，苏宇燕编著.雷电与避雷工
程[M].
[2]杨金夕主编.防雷、接地及电气安全技术[M].
[3]何金良主编.电力系统接地技术[M].
[4]分散型控制系统工程设计规定[M].化工部工程建设标准编辑中心出版.
关键词 干扰；工业控制系统；保护接地；工作接地
中图分类号：TP2 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）17-0197-02
在工业控制系统中，危及工业控制设备的最大隐患是来自于工业现场的“干扰”。干扰源窜入或叠加在信号线、系统电源上，轻则造成测量误差，严重的干扰（如高电压串模、雷击等）则可能会造成设备的严重损坏。
为了保证自己系统设备能可靠安全运行，许多控制系统生产厂家提出了各种各样的接地要求、标准。其目的都是通过屏蔽层有效的将噪声引起的过载电流迅速地导入大地，消除电子噪声干扰，同时为整个控制系统提供参考零电位。
本文中所涉及严重干扰事故案例，发生在安顺电厂沙湾取水泵房。该泵房无人值班控制系统改造于2004年9月，采用的是南京朗坤自动化有限公司研发的PLC程控系统。控制系统设置有一个主站和三个远程从站，主站和从站之间通过RIO进行通讯。电源柜和配电房控制柜布置在配电控制室，取水泵房远程控制柜布置在取水泵房，升压水泵房远程控制柜布置在补水升压泵房。该套工控系统接地系统沿用改造前接地布置。由于该泵房位处山区傍临湖泊，附近无高层建筑，一遇梅雨季节，该地区属于典型的雷击事故高发区域。经常发生雷云对地放电，偶尔会产生球形雷电。在该案例中，雷击作为严重的干扰源，给该套工控系统造成了极大的经济损失。雷击事故发生造成了PLC主从控制站通讯故障，多块PLC通讯控制模件、模拟量采集模件、数字量控制模件烧毁，以及工业电视监控系统的整体瘫痪（视频矩阵切换器、多个彩色摄像机，彩色监视器烧毁），多台就地检测仪器仪表故障，6 kV开关跳闸及电流变送器的损坏等。
在事后的接地检查中，我们发现该套工控系统的接地中存在以下问题：该套工控系统由于沿用改造前接地装置，无特殊处理，对地释放高电荷干扰能力较差，其控制机柜间接地电阻过大，原避雷设施（避雷带和避雷网）覆盖不完全。另外，雷击期间，负载切换而引起的电涌也是造成工控系统设备、通讯设备、仪器仪表损坏的重要原因之一。
因此，正确地认识和理解干扰源，了解接地的方式，保证接地系统的有效可靠，是本文的目的所在。
1 工业控制系统中常见干扰的种类及原因
1）电阻耦合类干扰（传导引入）：在工业现场，很常见的原因一般是信号线在一起传输时，由于绝缘材料的老化，漏电等原因而影响到其他信号。由于信号线直接接触到干扰源信号，因此该类型干扰信号对设备来说会直接造成设备损坏。
2）电容电感耦合类干扰：属于比较典型的干扰类型，在生产现场中，信号电缆屏蔽层双端接地造成的干扰属于该类型。信号线的两端同时接地，两端电位差而产生的环流易造成信号电缆信号传输中加入较大的电容耦合干扰。此外，在许多工业应用场合，很多电缆布置于电缆桥架内，施工中未严格按照分层布置的原则走线，这些信号电缆有高压有低压信号，电缆信号线之间也易造成电容电感耦合干扰。
3）高频信号干扰：生产现场往往存在各种类型的高频信号。诸如一些高频对讲机、手机等等也是造成电子设备故障的干扰源之一。
4）雷击引入的干扰：其干扰源产生类型较为复杂。室外的电源线或信号直接遭受雷击，或者是电缆附近区域受到雷击，会通过分布电感和电容耦合到现场的信号线上，形成很大的脉冲干扰，严重时会烧坏设备，影响人员安全。同时，也可能通过系统的接地线引入系统对设备造成危害。
2 干扰源的应对措施
干扰源常规的抑制和防止手段一般有以下几种。
l）隔离，第一种隔离是将不同种类的信号线隔离铺设（在电缆桥架中，高低压电缆分层布置）。第二种隔离是对工控系统的接口部分采用隔离设计。比如：采用隔离变压器，或继电器、光电二极管隔离等。
2）屏蔽，即通过信号电缆的屏蔽层将噪声有效地释放，避免对信号传送造成影响。
3）采用雷击保护。避免雷击有两种方式：①对于耦合干扰，为形成良好接地，信号线可采用金属穿线管或槽铺设。②对于架空的信号线，需要在系统输入端子处采取防雷措施，如装加压敏电阻、避雷器、较强的滤波电路等等来抑制干扰。
3 工控系统接地方式及原则
良好的接地除了能有效释放噪声，而且还能有效保护人和设备不受损害。在安顺电厂沙湾取水泵房控制系统雷击事件中，暴露出了接地对控制系统的重要性，通过吸取经验教训，良好可靠的接地应具备以下因素。
工业控制系统中，接地类型一般分为：保护接地（也称为交流地，通过不带电的金属部分（操作台外壳，机柜外壳等）与大地之间形成良好导电连接，以保护人身和设备安全）与工作接地（也称为直流地，保证测量、控制设备而设的接地。它分为信号回路接地、屏蔽接地、机器模拟地等）。我们应考虑的接地方式和原则主要有以下几个方面。
1）企业内公用供电地网是否“干净”，是否严格分开？对应电力负荷很重，而且大负荷、大电流设备且经常启停的企业来说，将电力系统地和工控系统的所有地分开是很有好处的，工控系统所有接地应和供电系统地以及其他（例如避雷地等）严格分开，而且两者之间至少应有15米以上的距离。
当条件允许与企业地网采用共同接地时，屏蔽地和保护地连线应用铜芯绝缘电线或者接地电缆连接到厂区电气专用接地体或接地网上。表1列出了各类接地电缆选用规格。当其距离较长、控制系统对接地电阻要求比较高或接地的干线分接的支线数量比较多时，建议选用表中截面较大的电缆。
表1 2）控制系统的各类型接地是否采用一点接地方式？大部分系统均采用此方式，即机柜间保护地和保护地汇集，信号地和信号地汇集，分别接出，汇于一点，然后用比较粗的导体将各汇地点连接，接到公共的接地体上。此方式需要注意的是以下几个方面：①对应保护地来说，工控系统的所有机柜保护地一般在设计加工时就已在内部接好，所有的系统或外设的保护地应用较粗的绝缘铜导线相互连接，最后与大地接地系统相连。其连接时可以采用幅射连接法，也可以采用串行接法。然而，在有些系统中，其所有的输入，输出均是隔离的，而且保持内部浮空，不需要保护接地。②对于接地中要求最高的模拟地（又叫屏蔽地），常规的方案都是在机柜内部设计铜汇流排或其他设施，现场来的信号电缆屏蔽线接到汇流排上，每个机柜底部用绝缘的铜辫连到汇流点，通过辐射状连接到接地点上。工业设计中，大多数DCS厂家要求各机柜屏蔽地对地电阻<1Ω，各机柜之间的电阻要求<1Ω。③信号地一般上不允许各传感器或变送器在现场端接地，应考虑将其负端在计算机侧一点接地。
3）当工控系统需要单独设计接地体时的原则：①接地总干线与接地体之间采用铜焊，焊接后需做防腐处理。当采用搭接焊时，搭接长度应为扁钢宽度的2倍或者为圆钢直径的6倍。通过接地网干线把接地体连接成网。要注意的是，应满足DCS系统接地电阻的要求。②接地网干线与接地体的材料要求。钢材规格可按表2选用，若接地电阻满足不了要求，可选用铜材。在腐蚀性较强的场所（如海边环境），应根据腐蚀的性质采取阴极保护、热镀锌等防腐措施。
表2
4）其他常用注意事项。①为保证控制系统可靠性要求，接地系统的电阻必须定期检查。②控制系统I/O模件的直流24伏的负端应确保接至逻辑地上，逻辑地汇流排接入屏蔽地，再接入总接地汇流排。I/O柜电源地与UPS电源地应接至同一个接地，保证等电位。③现场控制柜保护地应从机柜下方的接地螺钉接到接地分干线。④工控系统中的操作员站、网络交换机、工程师站、服务器主机等设备采用外壳接地或直接将电源地线连接至电气接地网。⑤控制机柜本体与底座间应有胶皮形成绝缘，现场控制站必须按规定做好接地处理。避免施工期间电焊等工作对机柜内设备造成影响。
参考文献
[1]苏帮礼，崔秉球，吴望平，苏宇燕编著.雷电与避雷工
程[M].
[2]杨金夕主编.防雷、接地及电气安全技术[M].
[3]何金良主编.电力系统接地技术[M].
[4]分散型控制系统工程设计规定[M].化工部工程建设标准编辑中心出版.