自动化控制系统中屏蔽接地的应用探讨

 一、 概述

卷烟行业的自动化控制系统主要是采用PLC现场总线构建的。系统中各主机设备使用的温度参数、水分参数、阀门控制数据等多采用模拟量4～20mA电流方式进行传输。同时控制系统中还大量使用了变频器、软启动器等具有强烈电磁干扰的电器设备，而且工业现场动力线路密布，设备启停运转繁忙，因此存在严重的电场和磁场干扰。

模拟量信号等控制电缆和现场总线的网络电缆运行在干扰环境中，其屏蔽接地若不能得到较好的处理，将对整个系统的稳定性和系统的正常工作造成严重影响。

屏蔽接地的目的是为防止电气设备因受电磁干扰，而影响其工作或对其它设备造成电磁干扰。

二、 屏蔽接地方式

在卷烟行业的工业控制系统中，屏蔽接地通常采用两种方式来处理：屏蔽层单端接地和屏蔽层双端接地。

① 屏蔽层单端接地是在屏蔽电缆的一端将金属屏蔽层直接接地，另一端不接地或通过保护接地。如下图：

图1

在屏蔽层单端接地情况下，非接地端的金属屏蔽层对地之间有感应电压存在，感应电压与电缆的长度成正比，但屏蔽层无电势环流通过。单端接地就是利用抑制电势电位差达到消除电磁干扰的目的。

这种接地方式适合长度较短的线路，电缆长度所对应的感应电压不能超过安全电压。静电感应电压的存在将影响电路信号的稳定，有时可能会形成天线效应。

② 双端接地是将屏蔽电缆的金属屏蔽层的两端均连接接地，如下图：

图2

在屏蔽层双端接地情况下，金属屏蔽层不会产生感应电压，但金属屏蔽层受干扰磁通影响将产生屏蔽环流通过，如果地点A和地点B的电势不相等，将形成很大的电势环流，环流会对信号产生抵消衰减效果。

在实际的应用中，采用何种方式的接地处理，需要根据具体的现场情况来分析和选用。

三、 控制系统的屏蔽接地选用

卷烟行业的控制系统中，因PLC控制系统的集中性特点决定，现场动力线路分布相对集中，加上输入输出的数字量通道，导线之间形成相互耦合是信号干扰的重要原因。另外，控制系统使用的变频器、软启动器，也对环境形成了严重的电磁辐射干扰。

根据屏蔽接法的方式和特点，在处理控制系统的屏蔽时，需要考虑多个方面的因素。

① 减少导线间的串扰主要采用远离技术：弱信号的模拟数据线要远离强信号线敷设，尤其是远离动力线路。要避免平行走线，实际的操作中可以采用敷设不同桥架的方式进行隔离。

② 抑制磁场耦合干扰，尽量屏蔽干扰源：对于变频器、热启动器等强干扰源设备最好能将其用导磁材料屏蔽，但在工程中较难实现，不过应该杜绝的是将它们同控制系统的输入输出通道设计在同一个控制箱内。建议采用相对独立的电控箱安装。变频器的动力输出电源最好使用屏蔽电缆，采用单端接地的连接方式，即在控制柜变频器端的屏蔽接地，电机端的屏蔽层悬浮。(需要注意的是，电机侧屏蔽悬浮但正常的保护接地线仍然要正确安装和连接)

③ 模拟信号的传输选用双绞屏蔽线较好。双绞屏蔽线的信号线与其返回线绞合能减少感性耦合引起的干扰。绞合的两条线阻抗一样，自身产生的磁场干扰或外部磁场干扰都可以较好的抵消。同时，平衡式传输又独具很强的抗共模干扰能力。

④ 区分处理低频信号和高频信号的屏蔽接地。对于低频信号一般采用屏蔽电缆的屏蔽层单端接地方式，能较好的抑制电位差达到消除电磁干扰目的(4～20mA的模拟量信号多属于此类);对于高频信号，应该采用双端接地的方式，包括PLC控制系统的总线网络(例如ProfiBus网络、DeviceNet网络等)、同轴网络(ControlNet等)。同轴网络更是需要有良好的双端屏蔽接地，因为同轴网络的屏蔽层除担当屏蔽的作用外，还是高频通道的回程导线。

⑤ 屏蔽接地要遵循一点接地的原则，系统的控制柜和子控制箱尽可能做到等电势，减少静电干扰。可以在柜间安装直径6㎜以上连接地线用于平衡电势。

在安装连接屏蔽电缆时，要特别保持屏蔽的完整性，拆断或分开屏蔽将极大地降低屏蔽效率。

四、 结论

控制系统现场的干扰来源是多方面的，各种输入输出信号之间接地是否合理，不只是形成相互耦合干扰的问题，有时还危及计算机系统的安全。

针对不同的项目和不同的现场，屏蔽接地需要有不同的处理方法，正确的设计和利用它们、良好地抑制干扰，关系到控制系统安全稳定地运行。