计算机控制系统接地技术

2019-05-25 11:25

  现代的建筑物内存在多种接地,如防雷接地、电气安全接地、交流电源工作接地、通信及计算机控制系统接地等。其中,计算机控制系统的接地种类最为复杂,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,建立一个良好的接地系统是十分必要的。在计算机系统接地中,各功能的接地有六种之多,这些接地既相互联系,又相互排斥,所以,在设计时,处理得是否正确,将直接影响系统的正常工作和施工进度。为避免这种情况,需注意下面两个方面:(1)接地点是否正确,正确的接地方式可防止控制系统各部分的串扰;(2)接地是否牢固,尽量使各接地点处于零阻抗,以减少接地线上的电压降。

1计算机控制系统接地种类及作用

  按《电子计算机房设计规范》(gb50174-93)规定:电子计算机机房的接地一般有四种,交流工作接地、安全保护接地、直流工作接地、防雷保护接地等四种接地宜共用一组接地装置,其接地电阻按其中最小值确定。计算机接地系统的种类按其接地功能不同可分为两大类:工作接地和保护接地。

  1.1工作接地:

  (1)直流工作接地:①悬浮接地;②直接接地:串联接地、并联接地、网络接地;③数字地和模拟地。(2)交流工作接地。

  1.2保护接地:(1)安全保护接地:①屏蔽接地;②静电接地。(2)防雷保护接地。下面针对上述的各种接地方式依次进行分析:

  1.2.1直流工作接地

  这里的直流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1采样/保持器以及a/d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1mw时,可以认为直流工作接地是悬浮的。其优点是可以避免电路之间产生导电性电磁干扰,这产生地环路和电气噪声。适用于:杂散分布电容耦合通路可忽略不计和频率较低的情况;

  (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1w,对此处理主要有三种方法:①串联接地:将计算机控制系统中各设备的直流工作接地以串联的方式接至直流地母线上。②并联接地:将计算机控制系统中各设备的直流地并联接至直流地母线上;③网络接地:就是利用一定面积的铜排,在活动地板下组成铜排网络。为了保证绝缘,铜排网下需垫2-3mm厚的绝缘橡皮或其它绝缘物体。各设备的直流工作接地接至网络,同时网络与接地体相连。当网络边长等于30mhz波长,0.5m时,对从直流到30mhz的所有频率,在接地网上任何两点之间几乎没有电位差。以上三种接地方式的采用,应根据机房面积、计算机的工作性质、干扰源的情况和计算机厂家安装要求等实际情况综合加以确定;

 (3)数字地和模拟地:在计算机控制系统中,数字地和模拟地都是直流工作地,但在系统内部必须分别接地。即使同一芯片上有两种地也要分别进行接地,然后仅在一点处把两种地连接起来。否则,数字回路通过模拟电路的地线再返回到数字电,将会对模拟信号产生影响。

  1.2.2交流工作接地

  交流工作接地又称功率地,是控制系统中交流电源及交流大电流电路的接地,其性质和电力系统中的工作是一样的,实际上就是低压电力系统中,交流电力变压器地,它属于大电流系统的地,这样做的目的只有一个:安全。这个地有两个作用:

  (1)通过低阻抗导体把所有设备连接在一起,并把这个系统接到接地装置上去,于是,所有设备具有同样的电位,且此电位是地电位。这样,即使在故障状态下,任何两个暴露的非带电的金属之间或非带电金属与地之间,都不存在不安全的电位差;

  (2)设备接地为故障电流提供了一条安全的低阻抗返回通路,可以让过电流装置快速切除故障,使损坏减至最小。同时,又保证电路的干扰信号泄漏到大地中,不致干扰灵敏的信号电路或测量回路。对于直流地来说,它是噪声地。我国通用电气规程规定:交流工作地的接地电阻应小于4。


 1.2.3保护接地

  保护接地的作用是避免操作人员因电子设备的绝缘损坏或下降时遭受触电的危险并保证设备的安全。

  (1)安全保护接地:简称安全地,它是指电力设备的金属外壳由于进线电源绝缘被损坏,有可能带上危险相电压。为了防止这种危险电压危及人身和设备安全,将正常工作时的不带电的金属外壳(如机柜外壳、元件外壳等)接地。

  优点:机壳接地可使高频干扰电压形成低阻抗通路,防止其对电子电路的干扰。根据我国供电结线方式特点的不同,安全性接地有五种形式;tn-c系统、tn-s系充、tn-c-s系统、it系统、tt系统。目前,国内外的计算机安全接地多采用第②、第⑤种方式、安全保护接地电阻应小于4w;

  (2)静电接地:是为了消除计算系统运行过程中产生的静电电荷而设的一种接地。由于机房内的湿度一般不低于50%,且机房内大都采用抗静电活动地板,产生静电的可能性较小,因而,一般可不再设此接地。其接地电阻一般应小于10w;

  (3)屏蔽接地:一般用于通讯系统较多。是将设备屏蔽体和大地之间用低阻导线连接起来,形成电气通路,为高频干扰信号提供通路,其作用有两点:

  (1)防止计算机处理的信息被窃取;

  (2)防止外界电磁场干扰计算机系统的正常运行。其接地电阻一般应小于2。屏蔽接地已包含在计算机机壳的安全保护接地内,一般设计时不再另设。

2计算机接地系统的接地方式及作用

 此处的接地系统是指计算机控制系统的交流工作接地、直流工作接地、安全保护接地、防雷保护接地与大地之间的关系,接地系统的接地方式可分为二类:独立接地和共用接地。下面分别加以论述:

  2.1独立接地:每种接地分别接到独立的接地装置,其中部分接地通过接地母线相连分别接至独立的接地装置。

  特点:计算机的直接地、功率地、建筑物的防雷地等分别独立接大地,表面看上去较完美。

  缺点:在实际工程中,投资高,施工困难,除非在特定条件下非这样做不可时才采用这种接地系统。

 (1)直流工作接地悬浮时,诸地间的关系:当计算机控制系统的直流地悬浮时,除防雷接地外,其他诸地可分别接在同一母线上再接至接地装置;为了防止反击现象,要求与防雷接地装置的距离大于5m。

  (2)直流直接接地时,诸地间的关系:①直流地和防雷地各自独立,安全地和交流地共用一个接地装置。缺点:施工中这三个接地装置真正做到电气上的相互独立的要求是难以实现的;②直流地、交流地和安全地共用一个接地装置,防雷地为单独接地装置。优点:施工方便、投资少,目前的工程实践中采用较多,但对两个接地装置之间距离(大于5m)的要求必须满足;③计算机直流地和安全地共用一个接地装置,其他动力设备与计算机设备的交流地共用一接地装置,防雷地为单独接地装置。优点:可避免非计算机系统的动力设备对计算机的交流信号干扰。要求三个独立接地装置相互间距离应大于5m。


  2.2共用接地:

  从电气安全的观点看,最经济实用的措施是采用等电位联结,而总等电位联结实际上就是共用接地。即将一幢建筑物的各种接地装置共同连接到一个接地装置上。否则,当防雷装置遭雷击时,其电位升高(最高可达百万伏级),使人身遭受电击或引发火灾,损环设备等事故的概率远远高于采用共用接地的情况。另外,当220/380v系统发生的相线设备外壳的接地故障时,而保护开关未能及时跳开故障点,势必在接地的电气装置外露可导电部分与其他独立接地的金属体之间存在很高的危险电压。共用接地在施工中应该注意:各种接地在采用单点或多点接地时共用一个接地装置,但不能随意连接。正确的连接方法是:各设备或箱柜中的各种接地分别接至各自的接地母线上,然后将这些母线分别接到接地装置上,在这之前,设备的接地分支线和接地母线应严格地绝缘。共用接地的连接形式分三种。

  (1)单点接地:是电路中某一点被定义为零电位基准点,计算机控制系统中所有零电位接地点都直接接到它上面。当系统有多台箱柜时,每一个箱柜及其电子电路的接地可以与其它箱柜分开,各箱柜的接地仅在整个系统的接地基准点连接。优点:消除了公共阻抗耦合和低频接地环路,很好地工作于小于1mhz的频率;(2)多点接地:是每一接地以最补的连线连到零伏电位接地基准平面上,使接地线的申联电阻和驻波效应减到最小。这个基准面可以是一台设备的外壳,当采用多台设备时,则布遍整个系统的接地网(线)。优点:可应用于频率大于(等于)10mhz的高频电路,施工时接地连接比单点接地易实现,而且高频下驻波效应可减至最小;(3)混合接地:多点和单点接地同时存在的接地方式。特点:这种接地系统结构比较简单,施工较容易,但该系统不够安全,故国内外很少采用这种接地系统。

3结合实例分析

  在实际工作中,并非所有的计算站全部都具备上述接地,一般应根据计算机的工作性质和实际情况进行综合考虑,某计算机室一种接地作法,系统采用共用接地。直流工作地采用多点接地。为了使这个计算机直流系统有一个统一的电位参考面,这三台设备直流地应接到同一接地装置上,本设计采用接地网络作为系统的接地装置,这三台设备分别以最短连线接至悬浮网络上,①为多点接地的零伏电位接地基准平面,该接地网格的边长等于30mhz波长的0.5m时,对于从直流到30mhz的所有频率,在接地网上的任何两点之间几乎没有电位差。当活动地板的单件尺寸为0.6*0.6(m)时,接地网边长则宜采用0.6m。 ②~⑤点内容,网络与设备的交流工作地、安全保护地一同接至配电箱端子板上,并由端子板引至系统接地装置。这种使所有设备具有同样接地电位的作法非常安全,同时防止了由不合理接地引起的干扰问题。

4结束语

  目前,国内计算机接地有一个混淆不清的问题,即如何正确地选择与计算机接地系统相连接的接地体,许多计算机制造厂常见的一个错误就是要求装设一组与电力系统(包括防雷)接地体分开的独立接地体。这种作法不安全,在一些发达国家的电气法规上是不允许的,因为这种作法不仅不能消除噪声,还可能成为产生计算机噪声的一种根源。许多工程实践表明,电源、逻辑、安全保护和防雷各独立接地系统被雷击损坏的几率远远高于共用接地系统。

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