叶向东评《从九个方面深入讲解DCS系统接地知识》的观点

2021/7/6 12:27:08 人评论 次浏览 分类:调试维修  文章地址:/tech/3844.html

关于评论:中国石化工程建设公司叶向东副总工程师读完本文后,发现文章内容关于接地的讲法错误百出●!漏洞皆是●!自相矛盾●!如不解释会影响对控制系统的正确导向,故撰写评论,希望通过评论以正视听。评论采用在原文版本逐段评论的方式,以便对照。关于仪表及控制系统接地应当遵照SH/T3081-2019和HG/T20513-2014规范的规定。

文章从DCS系统接地的基本要求、DCS系统接地分类、DCS系统接地方式、对公共接地极(网)的要求、接地原则、降低土壤电阻率的方法、接地材料及要求、DCS现场接地注意事项和接地施工规范要求这九个方面深入介绍DCS系统接地知识。


叶向东评论:DCS系统的“监测控制精度和安全”与“接地线截面选择、接地极布置”没有任何关系。接地线截面积与机械强度、连接方式的便捷、接地电流散流、地线电压降相关。

1、DCS系统接地的基本要求

DCS系统接地是为了保证当进入DCS系统的信号、供电电源或DCS系统设备本身出现问题时,有效的接地系统能承受过载电流并可以迅速将过载电流导入大地。接地系统能够为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)。

叶向东评论:DCS系统的信号出现问题不会出现“过载电流”;供电电源出现问题时,对地短路电流会使保护电器(如:空气开关、保险丝等)动作,而不是“将过载电流导入大地”;设备发生漏电事故而使金属外表面带电时,接地可以避免人身伤害。

接地系统并不是“为DCS提供屏蔽层”,而是为机柜、屏蔽电缆作为屏蔽层起到屏蔽作用。


当接地系统发生问题时(接地电阻过大,多点接地,接地线断线或接地线与高电压、大电流设备相接触等),会造成人员的触电伤害及设备的损坏,据了解,有些DCS系统经●!八阑 (或不明原因的“死机”),大多是因为接地系统不良或存在问题所引起的。因此,完善、可靠、正确的DCS系统接地,是DCS系统能够安全、可靠和良好运行的关键。


叶向东评论:“接地电阻过大,多点接地,接地线断线”并不能造成人员的触电伤害及设备的损坏,“接地线与高电压、大电流设备相接触”恰好是电气设备保护接地的功能和必要。

DCS系统的“死机”并不是因为接地不良,多数是由于硬件故障、通信网络故障、系统软件或控制软件问题造成的,更换故障硬件,重新安装、下载、启动软件就能恢复。接地系统不好引起DCS死机是供应商推卸责任的主要借口,没有“不明原因”,只有不查原因●!既然是“不明原因”,怎么能确定是接地的问题呢?

2、DCS系统接地分类

在一般情况下,DCS控制系统需要两种接地:保护地和工作地(逻辑地、屏蔽地等)。对于装有安全栅防爆措施的系统如化工行业所用的系统,还要求有本安地。

①保护地(CG,Cabinet Grounding)

是为了防止设备外壳的静电荷积累、避免造成人身伤害而采取的保护措施。DCS系统所有的操作员机柜、现场控制站机柜、打印机、端子柜等均应接保护地。保护地应接至厂区电气专业接地网,接地电阻小于4Ω。

叶向东评论:保护接地的前提是:正常时不带电,在设备、仪表或电路发生故障、损坏或非正常情况时可能带危及人身或设备安全的危险电压,而不是“防止设备外壳静电荷积累”。DCS没有操作员机柜,是操作员站、操作台。打印机也不需要接地。

②逻辑地

也叫机器逻辑地、主机电源地,是计算机内部的逻辑电平负端公共地,也是+5V等的电源输出地。如CPU的正负5伏、正负12伏的负端。需要接入公共接地极。

叶向东评论:计算机内部不需要接地。公共地没有“电平负端”,电源也没有输出地,只有正、负端●!啊5V、±12 V”没有负端,只有0 V端。电源公共参考点仅仅是电路板上的公共点,根本就不需要接“公共接地极”●!

③屏蔽地(AG,Analog Grounding)

也叫模拟地,它可以把现场信号传输时所受到的干扰屏蔽掉,以提高信号精度。DCS系统中信号电缆的屏蔽层应做屏蔽接地。线缆屏蔽层必须一端接地,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。

叶向东评论:屏蔽接地不称为“模拟地”,“模拟地”是模拟电路中所用,相对于“数字地”的。干扰对信号的影响使信号变形或产生错误信号,而信号精度是信号数值与真实值的偏差,与干扰影响不是同一个概念,信号精度正常时也存在,跟有没有干扰没关系。

④本安地

应独立设置接地系统,接地电阻≤4Ω。本安地的接地系统应保持独立,与厂区电气地网或其它仪表系统接地网的距离应在5m以上。

叶向东评论:本质安全系统分齐纳式安全栅和隔离式安全栅,隔离式安全栅不需要接地;齐纳式安全栅需要接地连接,必须要与直流供电系统和交流供电系统公用接地,否则就不能起到本质安全保护作用。如果“独立设置接地系统”,电气设备短路引起的地电位差就会击穿安全栅,造成损坏。齐纳式安全栅接地没有接地电阻的要求,只有接地连接电阻≤1Ω的规定。

3、DCS系统接地方式

①利用电气接地网作为DCS接地网,即与电气接地网共地;
②设DCS系统专用独立的接地网;
③设DCS专用接地网,经接地线、再接至电气接地网。
由于第三种接地方式与第二种接地方式有较多相同处,过去,计算机或DCS系统曾经较多的采用过专用的接地网。但这种接地方式存在的缺点是:占地面积太大,投资高,电缆及接地网钢材耗量大,距厂房有相当的距离(因不易在厂房内找到合适的位置),管理、维护、测量及查找接地极和接地线不方便,且效果不甚良好。根据实际运行表明,设置专用的DCS接地网是既困难又不安全的。

叶向东评论:DCS设专用接地网的做法是错误的,很多事故都是由此产生,现在所有的DCS都已经采用与电气接地共用的形式。文中所述缺点并不如是:既然DCS是用电设备,就一定是电气的低压配电系统的接地,否则就起不到接地的作用。既然承认“效果不甚良好”、“又不安全”,怎么就能采用专用的独立接地网呢?另外,接地极都是在室外,因为是接大地,而不是“不易在厂房内找到合适的位置”,也不是“距厂房有相当的距离”才使得“占地面积太大,投资高,电缆及接地网钢材耗量大”的。

4、对公共接地极(网)的要求

①当厂区电气接地网对地分布电阻≤4Ω时,可将厂区电气接地网当着DCS系统的公共接地极(网)。
②当厂区电气接地网接地电阻较大或杂乱时,应独立设置接地系统,即为DCS系统的公共接地极(网)。

叶向东评论:采用电气的低压配电系统的接地装置,中国和欧洲的接地电阻标准就是4Ω。DCS并没有接地电阻的要求,采用共用接地系统也没有接地电阻的要求。无论电气接地网(接地装置)接地电阻多大都能符合等电位接地系统,DCS不需要单独的接地装置。如果电气接地网做不到4Ω的接地电阻,单独的接地装置也同样做不到。

③没有本安地接入的公共接地极(网)的对地分布电阻小于4Ω;有本安地的小于1Ω。接地总干线的线路阻抗小于0.1Ω。


叶向东评论:“本安地的小于1Ω。接地总干线的线路阻抗小于0.1Ω”是极端错误的说法●!要认真领会学习石化和化工行业的接地规范,也可参照ISA、IEC的标准。

④接地极周围15米内无避雷地的接入点,8米内无 30KW 以上的高低压用电设备外壳的接入点。当现场无法满足该条件时,防雷保护地通过避雷器/冲击波抑制器与公共接地极的主干线相连。电焊地切勿与公共接地极及其接地网搭接在一起,二者应距离10米以上。


叶向东评论:“避雷地”一词不符合规范,相关术语应认真学习GB50057-2010,GB50065-2011中的相关规定。

5、DCS系统接地原则

①DCS系统设置的接地装置
a、操作台、打印台、服务器柜:设有保护地螺钉。
b、继电器柜、UPS柜、配电柜:设有保护地螺钉。
c、DCS的I/O机柜:设有屏蔽接地汇流排,保护地螺钉,系统地(+24V地)悬浮。
d、仪表柜、手操盘台:设有屏蔽地接地汇流排,保护地螺钉。
e、安全栅柜:设有屏蔽地接地汇流排,本安地接地汇流排,保护地螺钉。

叶向东评论:“保护地螺钉”是接地装置吗?接地装置是接地体和接地体之间连接导体的集合。接地体是埋入地下并与大地形成电气接触的金属导体,也称接地极。另外,“系统地(+24V)”到底是悬浮还是接地?

②信号屏蔽及其接地

根据有关技术规定要求,计算机或 DCS系统信号电缆的屏蔽层不得浮空,必须接地,其接地方式应符合下列规定:
a、当信号源浮空时,屏蔽层应在计算机侧接地;
b、当信号源接地时,屏蔽层应在信号源侧接地;
c、当放大器浮空时,屏蔽层的一端与屏蔽罩相连,另一端宜接共模地(当信号源接地时,接信号地。当信号源浮空时接现场地);

叶向东评论:什么是“共模地”?什么是“信号地”?什么是“现场地”?

d、当屏蔽电缆途经接线盒分断或合并时,应在接线盒内将其两端电缆的屏蔽层连接。


6、DCS系统接地降低土壤电阻率的方法

①改变接地体周围的土壤结构。在接地体周围的土壤2-3m范围内,掺入不容于水的、有良好吸水性的物质,如木炭、焦碳煤渣或矿渣等,该法可使土壤电阻率降低到原来的1/5-1/10。
②用食盐、木炭降低土壤电阻率用食盐、木炭分层夯实。木炭和细掺匀为一层,约10-15cm厚,再铺2-3cm的食盐,共5-8层。铺好后打入接地体。此法可使电阻率降至原来的1/3-1/5。但食盐日久会随流水流失,一般超过两年就要补充一次。
③用长效化学降阻剂。用长效化学降阻剂方法可使土壤电阻率降至原来的40%。

叶向东评论:降低土壤电阻率的方法没那么简单,应当参见电气的有关规范和手册。不是所有的地方都需要降低土壤电阻率的。

7、DCS系统接地材料及要求

①接地体与接地网干线的材料要求
接地体和接地网干线所用钢材规格可按下表选用,若接地电阻满足不了要求时,也可选用铜材。如果接地体和接地网干线安装在腐蚀性较强的场所,应根据腐蚀的性质采取热镀锌、热镀锡等防腐措施或适当加大截面。

典型的接地体安装


叶向东评论:原文没有选用表。如果钢材满足不了接地电阻的场合,铜材也满足不了。因为接地装置的接地电阻不仅仅是接地体本身的电阻,更重要的是接地体与大地土壤的接触电阻。

②接地连线要求

DCS系统的保护地和屏蔽地连线应使用铜芯绝缘电线或电缆连接到厂区电气专用接地网或接地体上。当接地连线距离较长、DCS系统对接地电阻要求较高或接地干线分接的支线数量较多时,欧宝娱乐登入仪表宜选用表中截面较大的电线电缆。

叶向东评论:原文没有选用表。接地连接用的导体不一定是绝缘电线或电缆,电气常常用扁钢等材料。

8、DCS系统现场接地常用注意事项

①现场控制站
接地螺丝因机柜本体与底座间有胶皮形成绝缘,屏蔽地汇流排与底座间绝缘,现场控制站必须按规定做好接地处理。即分别接至现场控制站接地汇流排上。I/O柜的电源地与UPS的电源地必须接至同一个地,保证等电位。

叶向东评论:控制站机柜内有保护接地和工作接地两个接地条,在分支集中型结构的接地系统中,应分别接到两个接地汇总板上,然后这两个汇总板再接到总接地板。I/O柜的电源地是交流的保护接地还是直流的工作接地?UPS的电源地是什么地?UPS输出电源端都有“地”吗?如果没有怎么办?正确的说法是:DCS供电应采用TN-S系统电源,这样电气就一定有接地线送过来。

②各个硬件设备

操作员站、工程师站、网络交换机、服务器主机、系统显示器等采用外壳接地或直接将电源地线连接至电气接地网。

叶向东评论:这些设备都是PC计算机、服务器,外壳没有接地端,电源采用插头,如何将电源地线接到电气接地网?前面说DCS要单独设接地系统,到底接到哪里?显示器没有接地,显示器的电源是接在主机上的,还要接地吗?

③I/O组件

模拟量模件的直流24伏的负端接至逻辑地汇流排上,逻辑地汇流排接至屏蔽地,再接入总接地汇流排。

叶向东评论:“逻辑地汇流排”、“屏蔽地”都在什么地方?除了模拟量模件,还有开关量模件,不管了吗?

I/O模件(组件)没有接地端,接地是通过底板或底座接到一起的。直流电源装置的24VDC负端是接到机柜的工作接地汇流排的,220VAC的地是通过供电线接到配电柜的地线母排的。


④屏蔽地

现场控制站的保护地应从机柜下方的接地螺钉接至接地分干线, 现场控制站的屏蔽地应从接地汇流排接至公共连接板。

叶向东评论:说的是保护地还是屏蔽地?

⑤接地电阻测试

接地系统的电阻必须进行测试,以保证接地能满足控制系统制造商的要求。

叶向东评论:接地装置是电气的接地系统,就应当符合电气规范,接地电阻就是电气接地系统的电阻?刂葡低持圃焐逃Φ弊翊佑没诠业慕拥乇曜脊娣叮皇窍喾础U馐枪释ㄐ性颉

9、DCS系统接地的施工规范要求

①用电仪表的外壳、仪表盘、柜、箱、盒和电缆槽 、保护管、支架、底座等正常不带电的金属部分,由于绝缘破坏而有可能带危险电压者,均应做保护接地。对于供电电压不高于36V的就地仪表、开关等,当设计文件无特殊要求时,可不做保护接地。
②在非爆炸危险区域的金属盘、板上安装的按扭、信号灯、继电器等小型低压电器的金属外壳,当与已接地金属盘、板接触良好时,可不做保护接地。
③仪表保护接地系统应接到电气工程低压电气设备的保护接地网上,连接应牢固可靠,不应串联接地。

叶向东评论:第1-3条内容是设计规定,不是施工要求。

④保护接地的接地电阻值,应符合设计文件规定。

⑤在建筑物上安装的电缆槽及电缆保护管,可重复接地。
⑥仪表及控制系统应做工作接地,工作接地包括信号回路接地和屏蔽接地,以及特殊要求的本质安全电路接地,接地系统的连接方式和接地电阻值应符合设计文件规定。
⑦仪表及控制系统的信号回路接地、屏蔽接地应共用接地装置。
⑧各仪表回路只应有一个信号回路接地点,除非使用隔离器将两个接地点之间的直流信号回路隔离开。
⑨信号回路的接地点应在显示仪表侧,当采用接地型热电偶和检测元件已接地的仪表时,不应再在显示仪表侧接地。
⑩仪表电缆电线的屏蔽层,应在控制室仪表盘柜侧接地,同一回路的屏蔽层应具有可靠的电气连续性,不应浮空或重复接地,不应再在显示仪表等接地。现场仪表端电缆的屏蔽层不得露出保护层外。
?当有防干扰要求时,多芯电缆中的备用芯线应在一点接地,屏蔽电缆的备用芯线与电缆屏蔽层,应在同一侧接地。
?仪表盘、柜、箱内各回路的各类接地,应分别由各自的接地支线引至接地汇流排或接地端子板,由接地汇流排或接地端子板引出接地干线,再与接地总干线和接地极相连。各接地支线、汇流排或接地端子板之间在非连接处应彼此绝缘。

叶向东评论:第6-12条内容是设计规定,不是施工要求。施工单位能判别第8条、第9条、第11条的内容吗?

?接地系统的连接应使用铜芯绝缘电线或电缆,采用镀锌螺栓固定,仪表盘、、柜、箱、内的接地汇流排应使用铜材,并有绝缘支架固定。接地总干线与接地体之间应采用焊接。

?本质安全电路本身除设计文件有特殊规定外,不应接地。采用二极管安全栅时,欧宝娱乐登入仪表建议其接地应与直流电源的公共端相连。

叶向东评论:本质安全电路到底该不该接地?与前文观点自相矛盾。

?防静电接地应符合设计文件规定,可与设备、管道和电气的防静电工程同时进行。

叶向东评论:防静电接地接到哪儿?怎么接?

?接地连线应采用多股绞合铜芯绝缘电线或电缆,采用镀锌或铜螺栓连接,接地汇流排应使用铜材,并由绝缘支架固定。

?接地线的截面积应符合设计文件和制造厂的规定,当设计文件和制造厂无规定时,接地连线应大于2mm?,接地分干线应大于6mm?,接地干线应大于20mm?,接地总干线应大于30mm?。
?接地总干线与接地体之间应采用焊接。埋地的接地干线可用有效截面积相同的热镀锌扁钢或圆钢进行焊接。接头可采用搭接,扁钢搭接长度为宽度的2倍,园钢为直径的6倍,接触应良好,连接应牢固,焊接处应做防腐处理。
?接地电阻值应符合设计文件和制造厂的规定,如设计文件或制造厂未规定时,应符合下列规定:
a、仪表系统保护接地电阻值一般为4Ω,最高不宜超过10Ω。当设置有高灵敏度接地自动报警装置或接地自动切断装置等情况时,接地电阻值可大于10Ω,但应在100Ω以内,当设置有防雷系统时,接地电阻不应大于1Ω;
b、屏蔽接地和工作接地应在10Ω以内;
c、本质安全回路接地和其它仪表接地电阻应符合欧宝娱乐登入技术文件的要求;
d、DCS、PLC、PCS系统接地电阻应小于4Ω;
e、接地板之间的距离应大于5m。

叶向东评论:第19条内容来自哪里?哪项规范规定防雷系统的接地电阻不应大于10Ω?是什么电阻?哪项规范规定屏蔽接地和工作接地应在10Ω以内?接地板之间的间距来自何处?所有与接地相关的规范却没有这些内容与规定。

?接地系统施工时,应及时作好隐蔽工程记录。


DCS合理、可靠的系统接地,是DCS系统非常重要的内容。为了保证DCS系统的监测控制精度和安全、可靠运行,必须对DCS系统接地方式、接地要求、信号屏蔽、接地线截面选择、接地极布置等方面,进行认真统筹考虑。


评论作者:叶向东,男,1982年毕业于抚顺石油学院自动化系,中国石化工程建设公司副总工程师,教授级高级工程师,SH/T- 3092-2013《石油化工分散控制系统设计规范》,SH/T3081-2019《石油化工仪表接地设计规范》,SH/T3164-2021《石油化工仪表系统防雷设计规范》三项规范主编人。

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