控制系統中屏蔽接地的應用探討

一、 概述

卷煙行業的自動化控制系統主要是采用PLC現場總線構建的。系統中各主機設備使用的溫度參數、水分參數、閥門控制數據等多采用模擬量4～20mA電流方式進行傳輸。同時控制系統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備，而且工業現場動力線路密布，設備啟停運轉繁忙，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場總線的網絡電纜運行在干擾環境中，其屏蔽接地若不能得到較好的處理，將對整個系統的穩定性和系統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備因受電磁干擾，而影響其工作或對其它設備造成電磁干擾。

二、 屏蔽接地方式

在卷煙行業的工業控制系統中，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：

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電壓存在，感應電壓與電纜的長度成正比，但屏蔽層無電勢環流通過。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，電纜長度所對應的感應電壓不能超過安全電壓。靜電感應電壓的存在將影響電路信號的穩定，有時可能會形成天線效應。

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：

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

在實際的應用中，采用何種方式的接地處理，需要根據具體的現場情況來分析和選用。

三、 控制系統的屏蔽接地選用

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

根據屏蔽接法的方式和特點，在處理控制系統的屏蔽時，需要考慮多個方面的因素。

① 減少導線間的串擾主要采用遠離技術：弱信號的模擬數據線要遠離強信號線敷設，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備最好能將其用導磁材料屏蔽，但在工程中較難實現，不過應該杜絕的是將它們同控制系統的輸入輸出通道設計在同一個控制箱內。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，應該采用雙端接地的方式，包括PLC控制系統的總線網絡（例如ProfiBus網絡、DeviceNet網絡等）、同軸網絡（ControlNet等）。同軸網絡更是需要有良好的雙端屏蔽接地，因為同軸網絡的屏蔽層除擔當屏蔽的作用外，還是高頻通道的回程導線。

⑤ 屏蔽接地要遵循一點接地的原則，系統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、 結論

控制系統現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的安全。

針對不同的項目和不同的現場，屏蔽接地需要有不同的處理方法，正確的設計和利用它們、良好地抑制干擾，關系到控制系統安全穩定地運行。