现场总线仪表信号的屏蔽接地

随着数字通信技术的发展，不同的控制系统之间都会存在通信连接，新一代的智能化数字仪表已经与传统的模拟仪表有了本质区别。目前智能工厂已经步入当今社会，现场总线技术也逐步趋于完善，但在数字总线电缆的屏蔽要求上，仍然沿用模拟信号时代单点接地的要求，已经不能满足现阶段技术发展的要求。因此，根据最新的技术发展，在工控仪表的设计领域，提出了双端接地、多点接地、电容接地的概念及要求。

1 新版仪表系统接地设计规范

HG/T 20513—2000《仪表系统接地设计规范》中，电缆屏蔽层采用单点接地。HG/T 20513—2014《仪表系统接地设计规范》中新增了现场总线仪表接地的相关内容，提出了现场总线仪表的信号以数字方式传输，总线电缆屏蔽层的两端宜做接地连接。在不能确定控制室与现场之间有良好的等电位接地系统时，宜在总线信号电缆屏蔽层的现场端直接将屏蔽层接地，而电缆屏蔽层的另一端通过电容与接地系统连接。

2 现场总线通信模型

国际标准化组织(ISO)为建立一套中立的、开放的计算机通信系统，在ISO 7498中建立了开放系统互连的分层模型，简称OSI(open system interconnection)参考模型。ISO 7498对于通信提出了7层参考模型，模型功能如下：

1) 物理层。物理层提供用于建立、保持、断开物理连接的条件，同时提供有关同步和比特流在物理媒体上的传输手段。

2) 数据链路层。用于建立、维持、拆除链路连接，实现无差错传输功能。

3) 网络层。规定了网络建立、维持、拆除的协议，主要利用数据链路层的功能，通过路由选择和中继功能，实现2个系统之间的连接。

4) 传输层。完成开放系统之间的数据传送控制。

5) 会话层。依靠传输层以下的通信功能，使数据传送功能在开放系统间有效地进行。

6) 表示层。把应用层提供的信息变换为能够共同理解的形式，提供字符代码、数据格式、控制信息、加密等的统一表示。

7) 应用层。实现用户程序、终端操作员等应用进程之间的信息交换，同时具有一系列业务处理所需要的服务功能。

随着现场总线技术在工控仪表领域的兴起，目前在实际工程中大量应用的主要有两大阵营： 一个是以美国为代表的基金会现场总线(FF现场总线)，代表厂商为艾默生；另一个是以欧洲为代表的Profibus现场总线，代表厂商为西门子。基于OSI模型的两种现场总线通信模型对比见表1所列。

表1 基于OSI模型的两种现场总线通信模型对比

注： 1) FF总线在应用层基础上增加了用户层，规定了标准的功能模块、对象字典、设备描述，供用户组成所需要的应用程序，实现网络和系统管理；

2) Profibus-PA隐去了3～7层，采用PA行规，增加了直接数据连接拟合，作为用户接口。

从表1可以看出，由于FF现场总线的H1总线与Profibus-PA总线具有相同的物理层，两者的传输速率均为31.25 Kbit/s，而物理层又规定了信号传输的机械、电气、功能、规程特性，因此从原则上来说，两者对屏蔽接地应该有相同的要求。目前的现状是FF现场总线推荐电缆屏蔽层采用单点接地；Profibus现场总线要求多点接地。两大阵营观点不同，在以往的工程项目中，FF现场总线在石油化工领域占有率较高，大部分项目的现场总线都采用传统的单点接地。

3 干扰与屏蔽的相关概念

3.1 主动干扰及主动屏蔽

主动干扰与主动屏蔽的概念：

1) 主动干扰。信号源即干扰源，用于干扰其他信号的干扰为主动干扰。

2) 主动屏蔽。将主动干扰封闭起来的屏蔽就是主动屏蔽，主动屏蔽的目的是为了防止噪声源向外辐射，即对噪声源的屏蔽。

3.2 被动干扰及被动屏蔽

被动干扰及被动屏蔽的概念：

1) 被动干扰。来自外部环境的干扰，称为被动干扰。

2) 被动屏蔽。为防止被动干扰而采取的屏蔽，为被动屏蔽；被动屏蔽的目的是为了防止敏感设备遭到噪声源的干扰，是对敏感设备的屏蔽。

对于低频和直流模拟量信号，主要考虑被动屏蔽；对于高频信号，则既要考虑被动屏蔽，也要考虑主动屏蔽。

3.3 共模干扰和差模干扰

共模干扰和差模干扰的概念：

1) 差模干扰。干扰源通过磁场耦合在2根导线和设备构成的回路上产生的感应电压，进而产生差模干扰电流。差模电流大小相等、方向相反，差模电流直接叠加在有用信号上。通过屏蔽和减少回路面积，可以减少差模干扰。

2) 共模干扰。干扰源通过电场耦合在1根导线与系统地构成的回路上产生的感应电压，进而产生共模干扰电流。

3.4 干扰源的传输路径

产生干扰的3个要素： 干扰源、耦合路径、潜在的易受干扰的器件。干扰源可以通过空间的辐射、电磁耦合传递至敏感设备，也可以通过导线的传输进入敏感设备。

1) 对于高频数字信号，为防止信号之间的干扰，通常不能采用多芯电缆，应采用只有1对双绞线的屏蔽电缆传输。

2) 对于直流模拟信号，采用总屏或分屏加总屏的多芯双绞线电缆进行传输。根据TICW/06—2009《计算机与仪表电缆》的规定：

a) 对于只有总屏或分屏的仪表电缆，电缆的屏蔽抑制系数最大不能超过0.05。

b) 对于分屏加总屏的仪表电缆，电缆的屏蔽抑制系数最大不能超过0.01。

3.5 法拉第笼

法拉第笼是一个由金属或者良导体形成的笼子，是以电磁学的奠基人、英国物理学家迈克尔·法拉第的姓氏命名的一种用于演示等电势、静电屏蔽和高压带电作业原理的设备。法拉第笼由笼体、高压电源、电压显示器和控制部分组成，其笼体与大地连通，高压电源通过限流电阻将100 kV直流高压输送给放电杆，当放电杆尖端距笼体10 cm时，出现放电火花，根据接地导体静电平衡的条件，笼体是1个等位体，内部电势为0，电场为0，电荷分布在接近放电杆的外表面上。

3.6 干扰耦合

主要的耦合类型包含以下三种：

1) 电容性耦合，起源于线路间电场的相互作用。

2) 电感性耦合，起源于线路间磁场的相互作用。

3) 电磁场耦合，是电场和磁场相结合的混合作用的耦合，故也被称为电磁耦合或辐射耦合。

如果干扰源为大电流、低电压的情况，则近场主要为磁场，波阻抗呈低阻抗特性，以电感性耦合的噪声为主；如果干扰源为高电压、小电流的情况，则近场主要为电场，波阻抗呈高阻抗特性，以电容性耦合的噪声为主。

4 总线信号干扰与屏蔽的原理

电缆屏蔽的原理和类型比较复杂，本文只针对几种典型干扰和防护予以描述、分析。

4.1 静电场的主动屏蔽

对于静电场的主动屏蔽，干扰源为导线，屏蔽层为法拉第笼，屏蔽层外表面仍然会有感应电荷；若将屏蔽层接地，感应电荷将会消失。因此，对静电场的主动屏蔽，必须将屏蔽层接地。

图1为电场屏蔽层单端接地示意，对于电场的单端屏蔽接地，在直流和低频的情况下，可以达到很好的屏蔽效果。如果频率升高到大于20 kHz或导线过长，必须考虑屏蔽层的阻抗(高频时感抗远大于阻抗)。这样图1中屏蔽层A点的对地电压UA将不再为0，则信号电缆屏蔽层作用于信号上的干扰电压Us大于0，屏蔽的效果被衰减，这时需要多点接地或每隔λ/20(Profibus的要求，国内通信行业也有按λ/10考虑的)做1次接地，从而保证屏蔽层零电位。通常对低频及模拟信号的主动屏蔽采用单端接地，以防止产生地环流。

图1 电场屏蔽层单端接地示意
Uq——干扰源电压；Ck——干扰源电缆与信号电缆屏蔽层之间的电容；Ca——屏蔽层与信号电缆之间的电容；Ce——屏蔽层与地之间的电容

4.2 磁场屏蔽的单端接地

对于磁场屏蔽，须把低频和高频分开考虑。

1) 对直流或低频磁场小于10 kHz的情况，选择低磁阻抗的材料作为屏蔽，用来传导磁力线，使大部分磁力线从屏蔽层中穿过，从而削弱屏蔽层所包围的内部场强。

2) 对于高频磁场，会在屏蔽层中产生旋涡电流，旋涡电流会产生1个反磁场从而削弱原有的磁场。屏蔽层的电阻越小，产生的涡流越大，屏蔽效果越好。因此，在高频磁场干扰下，要选择导电好的导体。

对于磁场的单端屏蔽，由于屏蔽层没有构成回路，感应电动势在屏蔽层不能形成反向电流，从而无法形成反磁场去消减干扰源产生的磁场，达不到屏蔽作用。磁场屏蔽层单端接地示意如图2所示。

图2 磁场屏蔽层单端接地示意
I1——干扰源电缆电流；I2——干扰源电缆经地流回源端的电流；L1——屏蔽层电感；L2——干扰源导线电感

4.3 主动磁场干扰的屏蔽层双端接地

主动屏蔽双端接地时，I1在A点分流为干扰源电缆经屏蔽层流回源端的电流I3及经参考地电流I2后，流回源端。随着频率的升高，I3越来越大，当I1的频率远大于屏蔽层的截止频率时，I3≈I1，此时I2≈0。I3形成的反磁场消减了I1干扰源的源磁场，从而达到屏蔽作用。主动磁场干扰的屏蔽层双端接地示意如图3所示。

图3 主动磁场干扰的屏蔽层双端接地示意

4.4 被动磁场干扰的屏蔽层双端接地

在被动磁场干扰的屏蔽层双端接地情况下，导线1为干扰源，线芯2为被保护信号。通过干扰源电感L在信号屏蔽层上产生的干扰电压为Us1，干扰源电感L在线芯2上产生的干扰电压为Us2；屏蔽层上的干扰电压Us1在线芯2上产生的干扰电压为Usa，Usa与Us2方向相反，因此最终在线芯2上产生的干扰电压Usn=Us2-Usa，消减了干扰源的影响，达到了屏蔽效果。被动磁场干扰的屏蔽层双端接地示意如图4所示。

图4 被动磁场干扰的屏蔽层双端接地示意
Ls——信号电缆屏蔽层的电感

4.5 现场总线屏蔽要求对比

FF和Profibus现场总线各自出版了安装或应用指南，FF现场总线2.0版的AG-163与AG-181之间存在矛盾，2004年出版的AG-181规定只能采用单端屏蔽接地，2006年出版的AG-163规定了单端接地、双端接地和电容接地3种方法。2010年出版的3.1版AG-181进行了比较大的修改，随着现场总线安全栅的推出，规定了包括复合接地的4种方法，前3种与2006年出版的2.0版AG-163保持了一致，但FF现场总线仍然首先推荐单端接地，指南中同时也描述了在欧洲单端接地不被认可，要求采用双端接地。欧洲的Profibus现场总线只描述了多点接地(包含双端接地)以及在没有等电位接地连接的条件下，现场侧仪表屏蔽层直接接地，控制室侧采用电容接地。两种总线系统不同版本接地对比见表2所列。

表2 标准中有关现场总线接地规定对比

在之前的工程设计中，屏蔽要求单点接地，在4～20 mA信号中是可行的(少数强干扰除外)；但在现场总线等数字信号的传输中，不时会有干扰问题发生，导致有些用户反对使用数字通信。为安全起见，对于联锁信号，要求不能采用数字通信信号，必须采用硬接线连接。关于数字信号的干扰，在HG/T 20513—2014《仪表系统接地设计规范》中也提出了双端接地(含电容接地)的新概念和要求。

4.6 仪表通信屏蔽的综合说明

传统仪表接地时，要求必须单点接地，这具有历史的局限性。由于有些工厂或项目很少做全厂等电位接地网，比较典型的就是控制室与现场的地电位不同，因此当采用屏蔽层双端接地，地电位的不同将造成屏蔽层中存在地环流，这时的屏蔽层反而成为干扰源，将影响信号的传输。

FF和Profibus两种现场总线关于屏蔽接地的要求不同，对于FF现场总线的H1总线和Profibus现场总线的PA总线来说，它们的通信速率都是31.25 Kbit/s，而且它们通信协议的物理层也一样。因此，同样的物理层规范，接地要求却不同，从而存有争议。对于争议，笔者更倾向于屏蔽效果更好的多点接地模式，尤其是存在高频干扰的环境中，如果电缆距离较长，多点接地的屏蔽效果比单端接地的屏蔽效果要好得多。

对于数字信号的屏蔽，电子通信行业应该比工控仪表行业的研究更为超前，在YD/T 2191.2—2010《电信设备安装的电磁兼容和缓和措施》第2部分第6.4节规定如下：“电缆类型及EMC方面的应用，低频时使用较多的是信号电缆、控制电缆以及双股电缆(平行导线，双绞线或非双绞线)。对于多导体组成的电缆，每个信号线都应在较近处有正确的返回路径；2个接头须绞合在一起。信号发出和接收导线必须是同1根。对于带有屏蔽层双股线或者多导体电缆，屏蔽层必须遵循平行接地原则，即屏蔽层两端必须接地。内屏蔽层或者接地导线应该1点或者2点接地。”

根据以往的工程经验，发生过电信专业的高频信号电缆干扰了仪表专业的4～20 mA信号，因此须特别注意的是，电信专业的高频信号电缆更应该多点接地。

由于目前许多现场总线的屏蔽采用了FF现场总线推荐的单端接地，在HG/T 20513—2014中对总线信号的单端接地也未作描述，而是提出“宜”做双端接地，用户可以根据自己的实际情况，灵活掌握。对于现存的总线通信，如果发现有干扰存在，可以做双端接地改造，从而消除干扰。

5 对总线仪表及通信信号屏蔽的建议

根据以上分析，对总线仪表及通信信号屏蔽提出如下建议：

1) 高频-低频分界。20 kHz以上必须考虑感抗，50 kHz以上属于高频干扰，1 MHz以上应多点接地。

2) 电缆屏蔽层必须是低磁性、低阻抗导体，例如铜或铝。

3) 根据法拉第笼及电流的集肤效应，密铜网比稀铜网屏蔽性能好。在静电场的影响下，铝皮屏蔽比铜网屏蔽效果好，但铝皮屏蔽的传输阻抗远大于铜网编织线的屏蔽层，抗高频干扰能力差，不能用作数字信号电缆。

4) 对于无高频干扰的场合，一般来说，屏蔽层的单端接地可以满足大多数场合。

5) 对于有高频干扰的场合，必须考虑屏蔽层的感抗，且频率越高、距离越长，感抗越大。在该场合中，单端接地不能将感应电压消除，必须进行多点接地。要求多点接地的间隔距离不大于λ/20，有些国内电信规范要求为λ/10。实际应用中，考虑到长距离通信采用光纤，因此对于双绞线数字信号，只要求双端接地。

6) 在控制室与现场之间的等电位连接缺失或效果不佳的情况下，可以现场端直接接地，控制室侧电容接地。

7) 可以在控制室设置专用的电容接地汇流板，汇流板再通过不大于10 nF的电容接至总汇流板，通过总汇流板接入接地网。

6 结束语

仪表信号电缆屏蔽的单端接地是模拟信号时代的规范要求，随着数字通信技术的普遍采用，多点接地在电缆信号的电磁兼容性上，尤其是高频干扰上显示出比单端接地强得多的屏蔽能力。