1、东北大学毕业论文、实习报告题 目：电气接地与自动化系统干扰问题研究学习中心：XXXXXXX 奥鹏学习中心XX 专 业： 电气工程及其自动化 姓 名： XXXXXXXXXXXXX 班 级： XX 级电气工程及其自动化 学 号：XXXXXXXXXXXXXX 指导教师： XXXXX 教师单位： XXXXX 题目类型： 毕业论文 实习报告 2015 年 3 月 5 日电气接地与自动化系统干扰问题研究摘要：接地系统在 DCS 安装和应用过程中是很重要的一环，很多令人费解的故障现象往往都是系统不好引起的，不同 DCS 厂家对接地系统的要求和接法又都不一样。本文主要介绍了 HONEYWELL 接地系统的主要
2、特点，并对克拉处理厂因接地或信号干扰引发的问题及处理过程进行了分析，对其它 DCS 系统接地或抗干扰方面的故障处理具有一定的指导意义。 关键词：DCS 控制系统；接地；分析1. 前言随着科学技术的发展，DCS 在工业控制中的应用越来越广泛。DCS 控制系统的可靠性直接影响到工业企业的安全生产和经济运行，系统的抗干扰能力是关系到整个系统可靠运行的关键。而 DCS 接地系统的可靠性，又在很大程度上决定了该系统抗干扰能力的强弱。一般认为，DCS 接地系统应该具备二种功能：1、当进入 DCS 系统的信号、供电电源或 DCS 系统设备本身出现问题时，能有效地承受过载电流并可以迅速将过载电流导入大地。2、
3、接地系统应能够为 DCS 提供屏蔽层，消除电子噪声干扰，并为整个控制系统提供公共信号参考点，即 参 考 零 电 位 。为了满足上述功能，DCS 系统一般具有 2 个接地，即保护接地和工作接地：1）保护接地 保护接地是将 DCS 中平时不带电的金属部分（机柜外壳，操作台外壳等）与地之间形成良好的导电连接，以保护设备和人身安全。 2）工作接地工作接地是为了使 DCS 以及与之相连的仪表均能可靠运行并保证测量和控制精度而设的接地。不同资料对工作接地的分类和表述不同，一般分为逻辑地、信号地 、 系 统 地 和 屏蔽 地 。a、逻辑地：也叫主机电源地，是计算机内部的逻辑电平负端公共地，也是+5V 等电源
4、的输出地。 b、信号地：也叫信号回路地，是现场返回信号的负端。当 DCS 给 现 场 提 供 24VDC 时，且 AI、AO 为非隔离式，信号地就是系统地。当由其他设备提供电源时，根据信号源 原 理 决 定 是否 接 入 公 共 接地极 。c、系统地：也叫系统基准地，通常也是系统电源地，是为 DCS 信号提供的一个基准点。在DCS 中系统地就是给模件供电的 24VDC 或 5VDC 的电源地。对于通道隔离的 I/O 模块应用场合，它与信号地是有区别的，因为两者没有电气联系。系统地接地比较复杂，一般要考虑如下几种情况：1）信号在 现 场 侧 已 经 接地的情况；2）系统 I/O 的输入、输出在现
5、场接入同一装置（而装置的电路原理不明确）的情况。d、屏蔽地：也叫模拟地，是为了避免电磁场对仪表和信号的干扰而采取的屏蔽网接地。屏蔽地的接法电气和仪控专业是有争议的，电气一般要求电缆屏蔽线二端接地， 而 仪 控 要求 电 缆 屏 蔽 层 必 须 一 端 接地，以防止形成闭合回路干扰。铠装电缆的金属铠不应作为屏蔽保护接地，必 须 是 铜 丝 网 或 镀 铝 屏 蔽 层 接地。接入公共接地极。除了上述几种接地外，在很多场合下容易引起混乱的还有一个供电系统地，也叫交流电源工作地，它是电力系统中为了运行需要设的接地(如中性点接地)。 2. 系统接地故障分析2.1 HONEYWELL 系统接地特点克拉中央
6、处理厂 6 套装置控制系统均使用 HONEYWELL 的 PKS 集散型控制系统，其系统接地主 要 特 点 及 要 求 如 下 ：a) 系统必须单点接地。b) 机柜（包括远程 I/O 柜）在安装时都要求装绝缘垫，机柜和地之间的电阻在 5 兆欧以上。c) 一般以控制器为单位，每个控制器的机柜要求所有保护地（CG）串联，工作地（PG）d) 以 电 源 卡 为 单 位 串 联 ， 最终在中心机柜的电源分配模件中与保护地连接，最终接入接地系 统 汇 流 排 ,由汇流排再接入 DCS 专用的接地地桩。 e) HONEYWELL 系统要求配置独立的 DCS 接地地 桩 ， 不 能 与 其 它 系 统 共
7、用 。 f) 机柜到接地地 桩 的 电 阻 不 能 大 于 1 欧姆，并尽量使接地电 缆 最 短 。g) 远 程 柜 一 般 也 要 求 接 入 DCS 的接地汇 流 排 ， 但 如 果 距 离 比 较 远 ， 且 附 近 没 有 大的电机设备，可以就近接地。h) 操作员站机柜不要求装绝缘垫，保护地也不能接入 DCS 接地系 统 的 汇 流 排 ， 应该就近接地。 2）我厂 HONEYWELL 系统投入使用已将近 4 年，系统运行一直比较稳定。但在 2008 年，曾发生过由于接地和 干 扰 原 因 引 起 的 异 常 。具体情况介绍如下：2.2 事件经过及原因分析2008 年 7 月 19 日
8、 13 时 04 分，中央处理厂BDV2107、BDV2108、BDV22301、BDV22401、BDV22601 等 5 个阀门误动作打开 40多开度，造成中央处理厂放空停产。当时克拉作业区降雨较多，发生故障当天已经连续下小雨两个小时以上，但没观察到雷电现象。中央处理厂的放空阀门执行机构为 REXA 的电液执行机构，该机构自带 PLC 控制器，具有远程模拟量调节开度、远程两位式开关和就地模拟量调节开度功能。系统结构示意图如下图：阀门开度 OP 值：420mA阀位反馈 PV 值：420mAOPEN/CLOSE命令OPEN/CLOSE状态反馈OPEN/CLOSE状态反馈为了查找故障原因，先仔细
9、查看分析自控系统事件记录。事件记录显示，只有阀门动作记录，无开关阀门命令输出，并且现场及系统无维护检修行为，所以判断为非人为误操作事件，而是设备故障事件。确定故障类型后技术人员对系统进行全面检查分析，查找故障原因及故障点。1) 检查 FSC 系统的 BDV 阀门组态逻辑，及逻辑状态是否正常。组态逻辑经分析没有问题，逻辑状态由于现场阀门处于中间位置，开和关反馈都为 0，所以阀门处于故障PKS 系统 FSC 系统执行机构 PLC操作员开关阀命令状态。2) 检查信号电缆有无中间接线箱。因为下雨可能导致中间接线箱进水，造成线路间短路。经核实所有 BDV 阀门执行机构的信号电缆无中间接线箱，信号电缆由现
10、场控制柜直接引到了主控室机柜间。3) 检查各种信号的板卡分布情况，是否有所有 BDV 阀门的某同一类信号集中于一个板卡。经检查，所有阀门开度反馈信号（PV 值）进了同一个 PKS 的 AI 卡，而阀门FSC 的开关命令信号（OPEN、CLOSE 信号）和 PKS 给出的开度信号（OP 值）都没有集中到一个板卡的现象。那么只有这个 AI 卡故障可能影响所有 BDV 阀，而不影响其他仪表，所以决定更换 AI 卡，检验是否为该卡故障，更换 AI 卡后，故障依旧。排除 AI 卡故障的可能性。4) 因为 5 个 BDV 阀门的信号电缆都有一个埋地段，并且该电缆为非铠装电缆，怀疑电缆绝缘老化。对所有电缆进
11、行对地绝缘测试、线间绝缘测试，结果绝缘性能良好，也无短路和断路现象。5) 现场测试就地控制功能和远程控制功能及回路电流情况。在主控室给阀门 OP 值，当 OP 值小于 41时阀门开度保持在 35左右，阀门 PV 值保持在 41左右。当阀门 OP 值大于 41以后，阀门 OP 值和阀门实际开度与阀门 OP 值相等。并且在 OP值小于 41时，阀门开度反馈电流不正常，为88mA，远远超出 420mA 的范围。当把阀门开度给定信号线拆除后，阀门开度反馈信号恢复正常，可以正确反映阀门的实际开度；当把阀门开度反馈信号线拆除后，阀门开度给定信号恢复正常，阀门实际开度开度根据阀门给定开度值对应变化。这两个模
12、拟量信号不能同时接入，否则都变得不正常。并且如果用电流源给信号，PKS 和 PLC 都能正确接收和反映信号。经测试，PLC 的 AI 和 AO 信号的负极共地。6) 7 月 20 日下午将 BDV22601 的 PLC 断电，在拆接 OP 信号线正极时浪涌保护器保险烧断，瞬时电流达 280mA，浪涌保护器保险容量为 250mA。保险被烧断后测量端子电压，发现输出 OP 值的 PKS 的 AO 卡端子对地电压：正极 24V，负极 0V；接收 PV值的 PKS 的 AI 卡端子对地电压：正极和负极均为22V。现场 PLC 板卡侧的电压：正极 13.5V，负极 0V。OP 信号和 PV 信号不在同一
13、个控制器，并且使用两组不同的冗余直流电源，而这两组冗余电源及现场 PLC 电源的对地电位不相等。其原因位降雨对各电源的接地电阻有不同的影响，所以造成各电源对地电位出现差值。7) 由于 OP 信号和 PV 信号到达现场 PLC 后，其负极是接到 PLC 电源负极进行共地的，又由于它们两个信号的电位不同，OP 信号的正极 24V 电位经过 PLC 的 AI 通道OP 值的负极PV 信号的负极（22V）,共产生 46V 的电压，该电压产生一个大电流，从 OP 正极流入 PV 负极，不仅会影响 PV 值和 OP 值，也可以烧断 PV 信号的防浪涌保护器的保险。现场其余 BDV 阀门未动作就是因为这个原
14、因。21 日上午技术人员在回路中接入电阻箱对以上判断进行验证测试。通过反复测试各种接线状态下 OP 信号和 PV 信号的电位值与各可能回路的电流值，并根据电位差及回路电阻换算得到的电流值，与实际测量得到的回路电流值基本相符。有效证明由于各电源的电位差可以引发 OP 信号及 PV 信号的故障，从而造成 BDV 阀误动作打开，但是只打开一定的开度，而不是全开。2.3 故障结论电液阀门执行机构功能多，控制结构复杂，存在 PKS 与现场 PLC 模拟量板卡对模拟量板卡之间的信号连接，这种连接造成 3 个相互独立的电源产生交接。由以上分析及试验可以证明，由于降雨，改变各电源接地电阻，各电源对地电压发生偏
15、移，从而造成各电源对地电位的差值。又由于 OP 信号与 PV 信号到达 PLC 的 AI/AO 板时共地，而且该共地无法摘除。那么 OP 信号的正极与 PV 信号的负极产生一个较高的异常电压，生成一个从 OP 信号正极到 PV 信号负极的回路，并在该回路中产生一个额外的电流，影响 OP 值和 PV 值，造成阀门误动作。3. 关于系统接地的拓展和建议：按国家电子计算机房设计规范（）规定：在计算机控制系统中，为防止杂散分布电容耦合、静电及冲击电流的影响，保证计算机控制系统稳定可靠的工作，保证操作人员的安全，需要建立一个良好的接地系统并采用正确的接地方式，来有效防止安全事故的发生。由于各功能的接地种
16、类繁多，既相互联系，又相互排斥。所以，在日常维护工作中，能否正确处理控制系统接地问题，将直接影响系统的正常运行和生产安全。 3.1 接地方式对系统及设备的影响： 这里的系统接地是指计算机控制系统中的直流电源的地线，就是计算机本身的逻辑参考地，即计算机控制系统中的数字电路的等电位地；放大器采样保持器以及转换器输入信号的零电位（称为模拟地）；传感器的地（称为信号地），目的是保证控制系统电路工作时有一个统一的基准电位，不致因零电位浮动而引起信号的误差，在具备统一的基准电位时，还可防止外界电磁场干扰。这个基准电位点（面）对整个系统来说是一个参考面，不一定就是大地零电位，本身可能带电，此等电位点又称“工
17、作地”。这个“工作地”只是用来描述具有零伏电位的有关系统接到基准点、线或平面上，由于零电流接地故障和短路电流的短时出现，该零伏电位基准点、线或平面对远处的大地来讲，可能具有很高的电位，但对有关系统来说，仍然是零伏电位。1) 悬浮接地 当该“工作地”不直接地时，称为悬浮接地，当“工作地”与大地之间的绝缘电阻值大于 50 时，可以认为直流工作接地是悬浮的。在浮地的情况下，当系统回路中由于接线或线路破损导致某一点接地时，由于系统电源没有和大地构成环路，不会导致系统电源电压被拉垮、导致现场仪表和执行器无法正常工作误动作发生安全事故的现象，可以有效提高系统安全性，其适用于：杂散分布电容耦合通路可忽略不计
18、和频率较低的情况。优点：a) 可以有效避免电路之间产生导电性电磁干扰，产生接地环路和电气噪声b) 不管正、或负极任意一极接地不会对现场仪表及控制系统产生影响，从而导致控制系统误动着导致生产事故。浮地与否的具体现象：a) 正常浮地：测试电压正负极间为 24VDC，由于处于浮空状态，没有把大地作为 0电压基准点，故正对地电压为一小于 24VDC 的值且连续变小，负极对地电压为小于 0 的负值且连续变大；b) 正极接地：情况测试电压一般正对地为小于 24VDC 的一个固定值，负极对地为小于 0VDC 的一个固定值，但正负极之间电压为 24VDC；c) 负极接地：测试电压正对地为 24VDC 的一个固
19、定值，负极对地为 0VDC，正负极间电压为 24VDC；正极故障接地情况负极故障接地情况2) 直接接地：当该“工作地”经一低阻抗通路接至大地时，称为直接接地。当悬浮接地不满足上述条件时，就必须采用其它的接地形式。通常采用直流直接接地的作法，直流地的接地电阻原则上越小越好，就目前国内外生产的计算机看，一般小于；表现现象为上述悬浮接地的第三种，即正负极间电压为 24VDC，正极对地电压为 24VDC，负极对地电压为 0VDC；优点：可以消除线路信号干扰；缺点：当正极有接地时会导致电源电压降低直至出现低于仪表工作极限电压从而导致检测控制仪表、设备失效发生生产安全事故的情况；负极直接接地情况回路正极出
20、现接地时导致用电设备电压异常情况由于低电压时变送器等仪表设备正常工作存在一个极限稳定工作电压，且不同品牌的变送器及设备极限电压也不尽相同，一般情况下系统接地不当都会造成现场仪表由于电压降低导致合格的仪表变送器测量不准确，与实际值出现偏差。当系统由于接地等导致电压下降甚至低于其极限稳定工作电压时变送器仪表测量会出现不稳定、异常现象，且该极限稳定工作电压与仪表工作量程状态有关系。3.2 接地故障的预防措施：a) 在年度检修期间对系统接地电阻进行测试，确保系统保护接地电阻小于 4； b) 检查、紧固系统机柜接地线及连接螺栓，确保接地点牢固、可靠 c) 在年度检修期间对系统电源、系统回路进行检查、测试
21、，及时处理和排查故障隐患； ； d) 定期检查测试系统电源电压变化情况，通过对电源电压变化的监测，及时发现和处理接地问题； e) 建立和使用系统工作日志及故障记录制度，每天通过日常巡检系统电源模块、控制器、卡件工作运行状态，提早发现问题； f) 建立和完善系统机柜拆、接线操作卡、确认卡制度，防止在维护过程中出现接地、短路故障； g) 检查核实回路保险容量配置情况，从多个环节入手，防止单个回路接地短路导致整个电源系统失效的情况； h) 建立和完善系统故障应急处理预案、事故处理流程及操作指南等指导性文件，提高故障处理的效率和安全性； 4.结束语接地系统在 DCS 安装和应用过程中是很重要的一环，很多令人费解的故障现象往往都是系统接地不好引起的。但接地系统又是最让人不清楚的，不仅很多用户不清楚，就连DCS 厂商的现场服务技术人员也未必特别清楚，不同 DCS 厂家对接地系统的要求和接法是不一样的，就是同一家 DCS，其接地系统也是在不断的改变之中，有关接地系统的说明书或手册的说法往往也不尽相同。本人通过查阅相关资料，并结合北仑电厂 DCS 的实际应用情况撰写本文，主要目的也是想起到抛砖引玉的作用，引起有关专家的注意，共同探讨，尽快制定出 DCS 接地系统的标准或规范来，进一步提高控制系统的安全性和可靠性。
