自动化控制设备的接地问题
|
也许每位自动化领域的同仁都有同感，在工程施工中，最让我们头疼的是通信控制。通过对EMC理论的学习，我们可以解决这方面的问题。 我们往往会遇到这种情况，当我们完成一个工程项目，经过反复检测没有问题，可等到真正通电测试时，却出现各种各样的问题，不是仪表设备信号乱跳，就是找不到某个通信子站……我曾经遇到过两个类似的问题。其中一个是市政污水行业的plc通信问题，业主方为了节约运行成本，将提升泵站的5台工频提升泵的其中两台换成了变频泵，两台变频器、电磁流量计、分布式I/O子站与PLC主站之间均采用Profibus现场总线通信，项目前期调试阶段一切运行正常，但没过多久，甲方技术人员就联系我们说，变频器正常开启后，通信出现时断时续的症状，并且找不到最后一个子站了，经过我们多名技术人员去现场反复测试，终于找到故障原因，原来是我们的施工人员在连接电磁流量计Profibus现场总线时，没有将总线电缆屏蔽层连接到流量计主板的屏蔽螺丝上，按照EMC电磁兼容规范正常连接后，故障消除；另外一个也是找不到通信子站问题。我到项目现场后，发现机柜内PS 307电源的PE保护接地端均悬空，也就是所谓的“浮地”，测量PE端子对机柜背板的交流电压，我们看到有60多伏的电压降出现，打电话咨询西门子技术人员了解到，西门子PS 307最大承受电压降为40多伏，按照规范将PS 307保护地端子可靠接地，故障消除。类似以上的故障现象还有很多，这些大多是由于不规范地设计及施工造成的。由此可见，EMC电磁兼容理论在自动化控制领域占有很重要的地位。 要想了解EMC电磁兼容，先让我们引入两个概念：电磁骚扰和电磁干扰。电磁骚扰（EMD, ElectroMagnetic Distur－bance）:任何可能引起装置、设备或系统性能降级或对有生命或无生命物质产生作用的电磁现象。电磁骚扰可能是电磁噪声、无用信号或传播媒介自身的变化；电磁干扰（EMI, Elec－troMagnetic Interference）:是电磁骚扰引起的设备、传输通道或系统性能的下降。电磁干扰有三大因素：（1）电磁干扰源；（2）耦合路径（传输通道）；（3）敏感设备。而电磁兼容（EMC, ElectroMagnetic Compatibility）一般指电气及电子设备在共同的电磁环境中能执行各自功能的共存状态，正常工作而互不干扰，达到“兼容”。在IEC的定义中，EMC是设备的一种能力，它在其电磁环境中能完成自身的功能而不致于在其环境中产生不允许的干扰。 为了实现自动化控制系统的内、外电磁兼容性，需要分别从技术和组织上来采取措施：首先，从技术上就是要分析电磁干扰三要素，抑制干扰源，减少不必要的发射；消除或减弱干扰耦合；增加敏感设备的抗干扰能力，削弱不必要的响应，如接地、屏蔽、滤波限幅等。另外，从组织上考虑，需要成立认证机构并制订相应的标准。 设备接地不是EMC的要求，而是出于安全考虑（防止电击）。这主要包括四个方面：（1）减小电位差，包括雷击电流产生的电位差；（2）允许自动断开的情况被检测到；（3）确定故障电流的路径（短路电流）；（4）降低分布电容。这里需要注意的是，闭合电路总是存在电流的，这部分电流不是流入大地，而是流入源端。因此，如果接地点之间本身就存在电位差，则在这些接地点之间将形成地环流，不但不能避免干扰，反而更容易产生这些EMC问题。 下面我们来简单谈谈设备的接地问题，总的来说有三种基本的参考接地方法，即浮地、单点接地和多点接地。（1）浮地：采用浮地的目的是将设备或电路与公共地或可能引起环流的公共导体隔离开来,减少外来设备的共模干扰。浮地还可以使不同电位的电路间配合（通过光耦或变压器）变得容易。
图1 浮地接地方式 从图1中我们可以看出，低频时电容与电阻并联的阻抗大，近似开路，高频时电容与电阻并联的阻抗减小，共模电流I1/I2,流经ZL产生差模电压。 （2）单点接地：单点接地是在一个电路或设备中，只有一个物理点被定义为参考接地点，其他凡是需要接地的点都被连接到这一点上。如果在一个系统中包含有许多机柜，则每个机柜的“地”都是独立的（即机柜内的电路采用自己的单点接地），然后各机柜的“地”再被连到系统中唯一的参考点上。我们平时在自控仪表的工程项目中，仪表信号屏蔽电缆多数就是采用的这种单点接地方式。 单点接地又分为串联单点接地和并联单点接地。从噪声观点看，串联单点接地是最差的接地方式，因任何导线都有电阻，流经导线的电流都会在导线上产生压降，造成相互间干扰。
串联单点接地 并联单点接地 图2 单点接地方式
图3 串联单点接地等效电路 图3中各接地点的电位是： Va＝(I1＋I2＋I3)R1； Vb＝(I2＋I3)R2＋(I1＋I2＋I3)R1； Vc＝I3R3＋(I2＋I3)R2＋(I1＋I2＋I3)R1 对于地线电流大，而线径细的场合，三点电位将相差很多，高频阻抗将产生共阻抗干扰。因此，我们在进行自控系统设计时，在选用单点接地方式时尽可能采用并联单点接地方式外，还应考虑将参考点分开（数字量参考点、模拟量参考点、电源参考点），然后将它们连接到系统参考点。有可能的话，将系统参考点连接到现有的金属外壳（可以减小共振和天线效应）。
图4 单点接地系统原理图 单点接地方式最大的优点就是简单，但它也有很大的缺陷：当系统工作频率很高，以致波长小到与系统接地线长度可以比拟时（如达到λ/4时），就不能再用单点接地了。此时，这根接地线就好像是一根天线，通过它向外辐射电磁波，影响周围设备和电路的工作，在这种情况下，我们应当转而采用多点接地。 （3）多点接地：多点接地是指设备（或系统）中凡是需要接地的点都是直接接到离它最近的接地平面上（就近接地），以便使接地线的长度为最短。这里所说的接地平面可以是设备的底板、专用接地母线、甚至是设备的框架。多点接地的这一特点使得它在高频场合下的应用有上佳表现（而单点接地在低频时的性能为最好）。多点接地的形式看似比较简单，但对系统中的众多接地线的维护提出了更高的要求。因为任何接地点上的腐蚀、松动都会使接地系统出现高阻抗，从而使接地效果变差。目前我们最常见的多点接地方式为等电位接地网，网格的宽度应尽可能小（15～50米），见下图5：
图5 等电位接地网
图6 多点接地系统原理图 EMC电磁兼容是一门相当复杂的技术知识，它不仅包含了我们以上提到的设备接地问题，还囊括了涉及多个学科的知识点，如高、低压变频器如何通过区分电场、磁场的概念来消除电磁干扰，等等，这都需要我们大家一同去学习和探讨，这里由于篇幅问题，不在赘述。另外，需要值得一提的是，自控系统的防雷及浪涌保护功能也属于EMC范畴，随着近期雷雨天气增多，设备的雷击损坏问题频现，这也需要引起大家的高度重视。 |
