現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)抗干擾的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

隨著根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)IEC1158定義，安裝在制造或過(guò)程區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)裝置與控制室內(nèi)的自動(dòng)控制裝置之間的數(shù)字式、串行、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線稱為現(xiàn)場(chǎng)總線。當(dāng)今全球最流行的現(xiàn)場(chǎng)總線有FF總線(Fieldbus FoundatiON)、Profibus、Modbus等。不管哪一種現(xiàn)場(chǎng)總線，在介質(zhì)上傳輸?shù)亩际菙?shù)字信號(hào)，由于干擾噪音的原因，使得“1”變成了“0”，“0”變成了“1”，從而影響到現(xiàn)場(chǎng)總線的性能，甚至于現(xiàn)場(chǎng)總線不能正常工作。不管從理論分析，還是從經(jīng)驗(yàn)獲得，現(xiàn)場(chǎng)總線的抗干擾能力均低于4-20mA模擬電流信號(hào)，研究并解決現(xiàn)場(chǎng)總線的抗干擾問(wèn)題非常重要。

2 現(xiàn)場(chǎng)存在的干擾源

(2) 變壓器、MCC柜、電力電纜和動(dòng)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(chǎng)，而近場(chǎng)中隨著干擾源的特性不同，電場(chǎng)分量和磁場(chǎng)分量有著很大差別。特別是動(dòng)力設(shè)備啟動(dòng)時(shí)，瞬間電流能夠達(dá)到額定電流的6-11倍，會(huì)產(chǎn)生大電流沖擊的暫態(tài)干擾。

(3) 來(lái)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?yàn)V波，便會(huì)通過(guò)供電系統(tǒng)而進(jìn)入控制系統(tǒng)，從而影響整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線。

(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。

2.2 干擾的傳播途徑

(1) 由導(dǎo)線來(lái)傳輸，稱為傳導(dǎo)干擾。說(shuō)處理車間的現(xiàn)場(chǎng)總線中，主要表現(xiàn)為地線阻抗干擾和來(lái)自工頻電源的干擾。

(2) 通過(guò)空間以輻射的形式來(lái)傳輸，稱為輻射干擾。

3 現(xiàn)場(chǎng)總線的抗干擾措施

3.1 抗遠(yuǎn)離干擾源

空間中任一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B，服從畢奧-薩伐定律，見(jiàn)下式:

(1)
式中:
μ:磁導(dǎo)率，H/m;
dv:源點(diǎn)周圍處的體積元，m3;
r:dv到場(chǎng)點(diǎn)(x,y,z)的距離，m;
er:源點(diǎn)指向場(chǎng)點(diǎn)的單位矢量。
對(duì)于線形電流I，由Jdv=Idl，得:

(2)
式中:
dl—源點(diǎn)附近的長(zhǎng)度,m

式(1)適用于用電設(shè)備周圍的磁感應(yīng)強(qiáng)度，式(2)適用于動(dòng)力電纜周圍的磁感應(yīng)強(qiáng)度。可見(jiàn)，水處理車間的動(dòng)力設(shè)備和電力電纜對(duì)現(xiàn)場(chǎng)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?？?。所以，現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備遠(yuǎn)離用電設(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)總線電纜與動(dòng)力電纜分層橋架布置，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。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備和電纜的屏蔽

隨著現(xiàn)場(chǎng)總線屏蔽的機(jī)理，一是外來(lái)電磁波在金屬表面產(chǎn)生渦流，從而抵消原來(lái)的磁場(chǎng);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(guò)程中，衰減產(chǎn)生吸收損耗?，F(xiàn)場(chǎng)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(lái)切斷干擾源。

3.3 采用UPS電源或隔離變壓器

采用UPS電源或隔離變壓器可防止來(lái)自工頻電源的干擾。

3.4 采用光纜傳輸信號(hào)

隨著在現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸速率高、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，能夠解決輻射干擾和傳導(dǎo)干擾的眾多問(wèn)題。若在不共地兩點(diǎn)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(chǎng)總線信號(hào)，可有效防止接地環(huán)流等干擾。特別是車間的自動(dòng)控制系統(tǒng)與電機(jī)傳動(dòng)、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。3.5 正確選擇和安裝水處理傳動(dòng)系統(tǒng)

水處理車間整流部分采用的是12脈沖整流，傳動(dòng)柜與電機(jī)之間的動(dòng)力電纜，采用了良好屏蔽且三芯對(duì)稱的電力電纜，有效的消除了5次和7次諧波。

4 現(xiàn)場(chǎng)總線的接地

良好的接地是現(xiàn)場(chǎng)總線防干擾的重要內(nèi)容。所謂“地”，一般定義為電路或系統(tǒng)的零電位參考點(diǎn);所謂接地，就是在兩點(diǎn)之間建立傳導(dǎo)通路，以便將電子設(shè)備或元件連接到“地”。接地的目的，一是保護(hù)操作人員和設(shè)備的安全，即“保護(hù)地”;二是為了抑制電磁干擾，提供電子測(cè)量中的電位基準(zhǔn)，即“工作地”。圖1是“工作地”的接地方法。

　　　　　　　　　　　　圖1 接地的方法

單點(diǎn)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(gè)接地參考點(diǎn)。這種接地方式的優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)是此方法增加了地線間的干擾耦合，在高頻情況下地線使阻抗大大增加。

多點(diǎn)接地，是指系統(tǒng)中各個(gè)需要接地的點(diǎn)都直接連接到距它最近的接地點(diǎn)上，以使接地線的長(zhǎng)度最短。由于接地線很短，適用于高頻情況，其缺點(diǎn)是易構(gòu)成各種地回路，造成低頻地回路干擾。

在眾多現(xiàn)場(chǎng)總線中，Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展尤為迅速，在自動(dòng)化控制行業(yè)應(yīng)用很廣，現(xiàn)以Profibus-DP為例說(shuō)明。Profibus-DP的通訊速率有9.6kbps、19.2kbps、187.5kbps、0.5Mbps、1.5Mbps、3Mbps、6Mbps、12Mbps，其中最常用的通訊速率為1.5Mbps，此時(shí)，Profibus雙絞電纜的長(zhǎng)度可達(dá)200m(使用中繼器可延長(zhǎng))。

根據(jù)傅立葉分析可知，任何信號(hào)都可以由各種頻率的正弦波組成。數(shù)字通訊的1、0信號(hào)是矩形波，可用下式表示:

式中:
A為基頻振幅;
f1為基頻頻率。

可見(jiàn)，第k個(gè)頻率kf1的振幅僅為基頻的1/k，當(dāng)k值很大時(shí)，振幅很小，通訊的帶寬通常限定在前三個(gè)頻率成分范圍內(nèi)。因此，當(dāng)Profibus-DP通訊速率為1.5Mbps時(shí)，可認(rèn)為通訊的頻率為k=5時(shí)，即基頻的5倍，1.5×5=7.5MHz，頻率較高，接近10MHz，宜采用多點(diǎn)接地，應(yīng)最大可能地減小接地阻抗。

隨著Profibus-DP電纜采用RS-485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(guò)(集膚效應(yīng))，屏蔽層通常采用多點(diǎn)接地，一般在電纜屏蔽層兩端接地，即始端和末端同時(shí)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(gè)車間沒(méi)有放置等電位接地板，不能實(shí)現(xiàn)等電位接地時(shí)，一端接地優(yōu)于兩端接地，一端接地可防止形成地回路。

5 現(xiàn)場(chǎng)總線在水處理控制系統(tǒng)中的抗干擾應(yīng)用

萊鋼大型軋機(jī)水處理系統(tǒng)的DCS系統(tǒng)采用國(guó)際知名公司提供的先進(jìn)DCS系統(tǒng)，控制器采用AC450，MCC使用了INSUM系統(tǒng)，DCS與MCC之間采用Profibus-DP通訊連接，通訊速率1.5Mbps。圖2為AC124控制器與MCC的連接框圖。

圖2

AC124控制器與MCC的連接框圖由于INSUM內(nèi)部通訊使用LONbus，必須通過(guò)Gateway網(wǎng)關(guān)將LON bus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(zhǎng)約150m，電纜兩端通過(guò)D型插頭接地，很快發(fā)現(xiàn)Profibus站點(diǎn)不能全部找到，有時(shí)甚至一個(gè)站點(diǎn)也找不到，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，排除了其它方面的所有原因。最后發(fā)現(xiàn)，DCS側(cè)電纜屏蔽不接地時(shí)，所有站點(diǎn)都能找到，于是采用了MCC側(cè)單端接地。當(dāng)時(shí)能夠正常運(yùn)行，但過(guò)一段時(shí)間就會(huì)突然出現(xiàn)某個(gè)Gateway運(yùn)行中死機(jī)，復(fù)位后正常。分析原因:

(1) Gateway位于MCC柜內(nèi)，大量電力設(shè)備存在，電磁干擾大。
(2) 此部分MCC靠近傳動(dòng)，電機(jī)傳動(dòng)產(chǎn)生的干擾影響。
(3) DCS與MCC之間存在接地電位差，以至于電纜屏蔽兩端接地時(shí)，形成回路，干擾總線信號(hào)。
(4) 控制器側(cè)工程師站亦出現(xiàn)大量CI541卡錯(cuò)誤信息，懷疑大量誤碼存在。

隨著鑒于以上原因，決定將Profibus屏蔽電纜換為光纜。換后情況改善，Gateway不再死機(jī)。隨著總之，在自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試中，我們要特別注意現(xiàn)場(chǎng)總線的干擾問(wèn)題,并采取適當(dāng)?shù)拇胧?，消除干擾的影響。