自動化控制系統(tǒng)中屏蔽接地的應(yīng)用探討

 一、 概述

卷煙行業(yè)的自動化控制系統(tǒng)主要是采用PLC現(xiàn)場總線構(gòu)建的。系統(tǒng)中各主機設(shè)備使用的溫度參數(shù)、水分參數(shù)、閥門控制數(shù)據(jù)等多采用模擬量4～20mA電流方式進行傳輸。同時控制系統(tǒng)中還大量使用了變頻器、軟啟動器等具有強烈電磁干擾的電器設(shè)備，而且工業(yè)現(xiàn)場動力線路密布，設(shè)備啟停運轉(zhuǎn)繁忙，因此存在嚴重的電場和磁場干擾。

模擬量信號等控制電纜和現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)電纜運行在干擾環(huán)境中，其屏蔽接地若不能得到較好的處理，將對整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和系統(tǒng)的正常工作造成嚴重影響。

屏蔽接地的目的是為防止電氣設(shè)備因受電磁干擾，而影響其工作或?qū)ζ渌O(shè)備造成電磁干擾。

二、 屏蔽接地方式

在卷煙行業(yè)的工業(yè)控制系統(tǒng)中，屏蔽接地通常采用兩種方式來處理：屏蔽層單端接地和屏蔽層雙端接地。

① 屏蔽層單端接地是在屏蔽電纜的一端將金屬屏蔽層直接接地，另一端不接地或通過保護接地。如下圖：

圖1

在屏蔽層單端接地情況下，非接地端的金屬屏蔽層對地之間有感應(yīng)電壓存在，感應(yīng)電壓與電纜的長度成正比，但屏蔽層無電勢環(huán)流通過。單端接地就是利用抑制電勢電位差達到消除電磁干擾的目的。

這種接地方式適合長度較短的線路，電纜長度所對應(yīng)的感應(yīng)電壓不能超過安全電壓。靜電感應(yīng)電壓的存在將影響電路信號的穩(wěn)定，有時可能會形成天線效應(yīng)。

② 雙端接地是將屏蔽電纜的金屬屏蔽層的兩端均連接接地，如下圖：

圖2

在屏蔽層雙端接地情況下，金屬屏蔽層不會產(chǎn)生感應(yīng)電壓，但金屬屏蔽層受干擾磁通影響將產(chǎn)生屏蔽環(huán)流通過，如果地點A和地點B的電勢不相等，將形成很大的電勢環(huán)流，環(huán)流會對信號產(chǎn)生抵消衰減效果。

在實際的應(yīng)用中，采用何種方式的接地處理，需要根據(jù)具體的現(xiàn)場情況來分析和選用。

三、 控制系統(tǒng)的屏蔽接地選用

卷煙行業(yè)的控制系統(tǒng)中，因PLC控制系統(tǒng)的集中性特點決定，現(xiàn)場動力線路分布相對集中，加上輸入輸出的數(shù)字量通道，導(dǎo)線之間形成相互耦合是信號干擾的重要原因。另外，控制系統(tǒng)使用的變頻器、軟啟動器，也對環(huán)境形成了嚴重的電磁輻射干擾。

根據(jù)屏蔽接法的方式和特點，在處理控制系統(tǒng)的屏蔽時，需要考慮多個方面的因素。

① 減少導(dǎo)線間的串擾主要采用遠離技術(shù)：弱信號的模擬數(shù)據(jù)線要遠離強信號線敷設(shè)，尤其是遠離動力線路。要避免平行走線，實際的操作中可以采用敷設(shè)不同橋架的方式進行隔離。

② 抑制磁場耦合干擾，盡量屏蔽干擾源：對于變頻器、熱啟動器等強干擾源設(shè)備最好能將其用導(dǎo)磁材料屏蔽，但在工程中較難實現(xiàn)，不過應(yīng)該杜絕的是將它們同控制系統(tǒng)的輸入輸出通道設(shè)計在同一個控制箱內(nèi)。建議采用相對獨立的電控箱安裝。變頻器的動力輸出電源最好使用屏蔽電纜，采用單端接地的連接方式，即在控制柜變頻器端的屏蔽接地，電機端的屏蔽層懸浮。(需要注意的是，電機側(cè)屏蔽懸浮但正常的保護接地線仍然要正確安裝和連接)

③ 模擬信號的傳輸選用雙絞屏蔽線較好。雙絞屏蔽線的信號線與其返回線絞合能減少感性耦合引起的干擾。絞合的兩條線阻抗一樣，自身產(chǎn)生的磁場干擾或外部磁場干擾都可以較好的抵消。同時，平衡式傳輸又獨具很強的抗共模干擾能力。

④ 區(qū)分處理低頻信號和高頻信號的屏蔽接地。對于低頻信號一般采用屏蔽電纜的屏蔽層單端接地方式，能較好的抑制電位差達到消除電磁干擾目的(4～20mA的模擬量信號多屬于此類);對于高頻信號，應(yīng)該采用雙端接地的方式，包括PLC控制系統(tǒng)的總線網(wǎng)絡(luò)(例如ProfiBus網(wǎng)絡(luò)、DeviceNet網(wǎng)絡(luò)等)、同軸網(wǎng)絡(luò)(ControlNet等)。同軸網(wǎng)絡(luò)更是需要有良好的雙端屏蔽接地，因為同軸網(wǎng)絡(luò)的屏蔽層除擔當屏蔽的作用外，還是高頻通道的回程導(dǎo)線。

⑤ 屏蔽接地要遵循一點接地的原則，系統(tǒng)的控制柜和子控制箱盡可能做到等電勢，減少靜電干擾。可以在柜間安裝直徑6㎜以上連接地線用于平衡電勢。

在安裝連接屏蔽電纜時，要特別保持屏蔽的完整性，拆斷或分開屏蔽將極大地降低屏蔽效率。

四、 結(jié)論

控制系統(tǒng)現(xiàn)場的干擾來源是多方面的，各種輸入輸出信號之間接地是否合理，不只是形成相互耦合干擾的問題，有時還危及計算機系統(tǒng)的安全。

針對不同的項目和不同的現(xiàn)場，屏蔽接地需要有不同的處理方法，正確的設(shè)計和利用它們、良好地抑制干擾，關(guān)系到控制系統(tǒng)安全穩(wěn)定地運行。