造紙現(xiàn)場總線的抗干擾問題

根據(jù)國際電工委員會IEC1158定義,安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的動控制裝置之間的數(shù)字式、串行、多點通信的數(shù)據(jù)總線稱為現(xiàn)場總線。當(dāng)今全球最流行的現(xiàn)總線有FF總線(FieldbusFoundatiON）、Profibus、Modbus等,在造紙行業(yè),ABB公司AF100應(yīng)用也很多。但是無論哪一種現(xiàn)場總線,都是數(shù)字信號,當(dāng)在介質(zhì)上傳輸時,由于干擾噪音的原因,使得“1”變成了“0”,“0”變成了“1”,從而影響現(xiàn)場總線性能,以至于不能正常工作。因此研究現(xiàn)場總線的抗干擾問題并提高現(xiàn)場總線的抗干擾能力非常重要。

1 紙機車間存在的干擾源

(1)紙機傳動系統(tǒng)是紙機車間最大的干擾源。紙機傳動系統(tǒng)的總負(fù)荷約占造紙車間總負(fù)荷的1/3以上,在系統(tǒng)的整流和逆變中,大功率電力電子元器件(IGBT等)高速開和關(guān)轉(zhuǎn)換,產(chǎn)生大量的高頻電磁波,污染整個車間,并且產(chǎn)生大量高次諧波,污染工頻電網(wǎng)。

(2)變壓器、MCC柜、電力電纜和動力設(shè)備。這些設(shè)備均為工頻,頻率較低,干擾一般發(fā)生在近場,而近場中隨著干擾源的特性不同,電場分量和磁場分量有很大差別。特別是動力設(shè)備啟動時,瞬間電流能夠達(dá)到額定電流的6~1倍,會產(chǎn)生大電流沖擊的暫態(tài)干擾。

(3)來自工頻電源的干擾。工頻電源波形畸變和高次諧波若未加隔離或濾波,便會通過向紙機控制系統(tǒng)供電而進(jìn)入控制系統(tǒng),影響現(xiàn)場總線的信號。

(4)導(dǎo)線接觸不良產(chǎn)生的火花、電弧等。

(5)三相供電不平衡產(chǎn)生的地電流、屏蔽層不共地產(chǎn)生的接地環(huán)流。

2 干擾的傳播途徑

(1)由導(dǎo)線傳輸,稱為傳導(dǎo)干擾。在現(xiàn)場總線中,主要表現(xiàn)為地線阻抗干擾和來自工頻電源的干擾。

(2)通過空間以輻射的形式傳輸,稱為輻射干擾。

3 現(xiàn)場總線的抗干擾措施

(1)遠(yuǎn)離干擾源 動力設(shè)備和電力電纜對現(xiàn)場總線的干擾,與距離的平方成反比,即隨距離的增大,干擾衰減非常快。所以,現(xiàn)場總線設(shè)備遠(yuǎn)離用電設(shè)備,現(xiàn)場總線電纜與動力纜分層橋架布置,都能起到很好的防干擾作用。遠(yuǎn)離干擾源,是防止輻射干擾的重要措施。

(2)現(xiàn)場總線設(shè)備和電纜的屏蔽 現(xiàn)場總線屏蔽的機理,一是外來電磁波在金屬表面產(chǎn)生渦流,從而抵消原來的磁場;二是電磁波在金屬表面產(chǎn)生反射損耗,另一部分透射波在金屬屏蔽層內(nèi)傳播過程中,衰減產(chǎn)生吸收損耗?，F(xiàn)場總線的屏蔽是利用由導(dǎo)電材料制成的屏蔽并結(jié)合接地,來切斷干擾源。

(3)采用UPS電源或隔離變壓器 可防止來自工頻電源的干擾。

(4)采用光纜傳輸信號 在現(xiàn)場總線傳輸速度高!傳輸距離遠(yuǎn)干擾大的情況下,盡可能地采用光纜。采用光纜后,有效解決了輻射擾和傳導(dǎo)干擾的眾多問題。若在不共地兩點之間,或者在接地狀況很不好的情況下,采用光纜傳輸現(xiàn)場總線信號,可有效防止接地環(huán)流等干擾。特別是紙機控制系統(tǒng)與紙機傳動!MCC之間,容易存在接地電位差,或接地環(huán)流,要特別注意,選用光纜優(yōu)于選用雙絞線。

(5)正確選擇和安裝紙機傳動系統(tǒng) 整流部分采用12脈沖整流可有效消除5次和7次諧波。傳動柜與電機之間的動力電纜,一定要采用良好屏蔽且三芯對稱的電力電纜。

4 現(xiàn)場總線的接地

良好的接地是現(xiàn)場總線防干擾的重要措施。所謂/地0,一般定義為電路或系統(tǒng)的零電位參考點;接地就是在兩點之間建立傳導(dǎo)通路其目的一是保護(hù)操作人員和設(shè)備的安全即保護(hù)地0;二是為了抑制電磁干擾,提供電子測量中的電位基準(zhǔn),即/工作地0。圖1是工作地的接地方法:

單點接地是指系統(tǒng)中所有電子設(shè)備或元件都并聯(lián)連接到一個接地參考點。這種接地方式的優(yōu)點是各電子設(shè)備或元件的地電位只與本電子設(shè)備或元件的地線阻抗有關(guān),不受其他回路的影響;缺點是需要多根地線,增加地線長度,增加了地線間的干擾耦合,在高頻情況下地線阻抗大大增加。多點接地是指系統(tǒng)中各個需要接地的點都直接連接到距它最近的接地點上,以使接地線的長度最短。由于接地線很短,適用于高頻情況;缺點是易構(gòu)成各種地回路,造成低頻地回路干擾。工作頻率在1MHz以下,可采用單點接地方式;工作頻率在10MHz以上,可采用多點接地方式;當(dāng)然,亦可單點接地和多點接地混合使用。接地線太長時,亦應(yīng)采用多點接地,以防止接地線阻抗太大,干擾噪聲電壓太高。在眾多現(xiàn)場總線中,Profibu現(xiàn)場總線的發(fā)展尤為迅速,在造紙行業(yè)應(yīng)用很廣,現(xiàn)以Profibus2DP為例說明。Profibus2DP的通訊速率有9.6、19.2、87.5kbit/s和0.5、1.5、3、6、12Mbit/s,其中最常用的通訊速率為1.5Mbit/s,此時,Profibus雙絞電纜的長度可達(dá)200m(使用中繼器可延長)。當(dāng)Profibus2DP通訊速率為1.5Mbit/s時,可認(rèn)為通訊頻率為7.5MHz,頻率較高,接近10MHz,宜采用多點接地,應(yīng)最大可能減小接地阻抗。
Profibus2DP電纜采用RS248雙絞屏蔽電纜,由于通訊頻率較高,干擾所產(chǎn)生的噪聲電流只在屏蔽層外表流過(集膚效應(yīng)),屏蔽層通常采用多點接地,一般在電纜屏蔽層兩端接地,即始端和末端同時接地。若一端接地(始端或末端),僅僅有利于消除低頻干擾。但在整個車間沒有放置等電位接地板,不能實現(xiàn)等電位接地時,一端接地優(yōu)于兩端接地,并可防止形成地回路。

5 現(xiàn)場總線在造紙控制中的抗干擾應(yīng)用

華泰集團(tuán)PM、0紙機,設(shè)計車速1800m/min,卷紙幅寬635mm,年生產(chǎn)能力20萬t,于200年7月20日投產(chǎn),DCS系統(tǒng)由國際知名公司提供,控制器采用AC450,MCC使用INSUM系統(tǒng)DCS與MCC之間采用Profibus2D通訊連接,通訊速率115Mbit/s。由于INSUM內(nèi)部通訊使用LONbus,必須通過Gateway網(wǎng)關(guān)將LONbus轉(zhuǎn)換為Profibus,控制器側(cè)連接至CI541卡。調(diào)試初期采用Profibus雙絞屏蔽電纜,總長約150m,連接采用9針D型插頭,電纜兩端通過D型插頭接地很快發(fā)現(xiàn),Profibus站點不能全部找到,有時甚至一個站點也找不到,做過許多實驗,排除了其他方面的所有原因。最后發(fā),DC側(cè)電纜屏蔽不接地時,所有站點都能找到,于是采用了MCC側(cè)單端接地。雖然已經(jīng)能夠正常運行但出現(xiàn)了一個新情況,每隔一段時間,突然出現(xiàn)某個Gateway運行中死機,復(fù)位后正常。分析原因Gateway位于MCC柜內(nèi),大量電力設(shè)備存在,電磁干擾大。此部分MCC靠近傳動,紙機傳動產(chǎn)生的干擾影響。DCS與MCC之間存在接地電位差,以至于電纜屏蔽兩端接地時,形成回路,干擾總線信號。控制器側(cè)工程師站亦出現(xiàn)大量CI541卡錯誤信息懷疑大量誤碼存在。鑒于以上原因,決定將Profibus屏蔽電纜換為光纜。換后情況改善,Gateway不再死機。