現場(chǎng)總線(xiàn)系統抗干擾的實(shí)現與應用

隨著(zhù)根據國際電工委員會(huì )IEC1158定義，安裝在制造或過(guò)程區域的現場(chǎng)裝置與控制室內的自動(dòng)控制裝置之間的數字式、串行、多點(diǎn)通信的數據總線(xiàn)稱(chēng)為現場(chǎng)總線(xiàn)。當今全球最流行的現場(chǎng)總線(xiàn)有FF總線(xiàn)(Fieldbus FoundatiON)、Profibus、Modbus等。不管哪一種現場(chǎng)總線(xiàn)，在介質(zhì)上傳輸的都是數字信號，由于干擾噪音的原因，使得“1”變成了“0”，“0”變成了“1”，從而影響到現場(chǎng)總線(xiàn)的性能，甚至于現場(chǎng)總線(xiàn)不能正常工作。不管從理論分析，還是從經(jīng)驗獲得，現場(chǎng)總線(xiàn)的抗干擾能力均低于4-20mA模擬電流信號，研究并解決現場(chǎng)總線(xiàn)的抗干擾問(wèn)題非常重要。

2 現場(chǎng)存在的干擾源

(2) 變壓器、MCC柜、電力電纜和動(dòng)力設備

這些設備均為工頻，頻率較低，干擾一般發(fā)生在近場(chǎng)，而近場(chǎng)中隨著(zhù)干擾源的特性不同，電場(chǎng)分量和磁場(chǎng)分量有著(zhù)很大差別。特別是動(dòng)力設備啟動(dòng)時(shí)，瞬間電流能夠達到額定電流的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，若未加隔離或濾波，便會(huì )通過(guò)供電系統而進(jìn)入控制系統，從而影響整個(gè)現場(chǎng)總線(xiàn)。

(4) 導線(xiàn)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) 由導線(xiàn)來(lái)傳輸，稱(chēng)為傳導干擾。說(shuō)處理車(chē)間的現場(chǎng)總線(xiàn)中，主要表現為地線(xiàn)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(chēng)為輻射干擾。

3 現場(chǎng)總線(xiàn)的抗干擾措施

3.1 抗遠離干擾源

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

(1)
式中:
μ:磁導率，H/m;
dv:源點(diǎn)周?chē)幍捏w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。
對于線(xiàn)形電流I，由Jdv=Idl，得:

(2)
式中:
dl—源點(diǎn)附近的長(cháng)度,m

式(1)適用于用電設備周?chē)拇鸥袘獜姸?，?2)適用于動(dòng)力電纜周?chē)拇鸥袘獜姸??？梢?jiàn)，水處理車(chē)間的動(dòng)力設備和電力電纜對現場(chǎng)總線(xiàn)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，現場(chǎng)總線(xiàn)設備遠離用電設備，現場(chǎng)總線(xiàn)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。遠離干擾源，是防止輻射干擾的重要措施。

3.2 現場(chǎng)總線(xiàn)設備和電纜的屏蔽

隨著(zhù)現場(chǎng)總線(xiàn)屏蔽的機理，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傳播過(guò)程中，衰減產(chǎn)生吸收損耗?，F場(chǎng)總線(xiàn)的屏蔽是利用由導電材料制成的屏蔽并結合接地，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

隨著(zhù)在現場(chǎng)總線(xiàn)傳輸速率高、傳輸距離遠、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，采用光纜傳輸現場(chǎng)總線(xiàn)信號，可有效防止接地環(huán)流等干擾。特別是車(chē)間的自動(dòng)控制系統與電機傳動(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(xiàn)。3.5 正確選擇和安裝水處理傳動(dòng)系統

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

4 現場(chǎng)總線(xiàn)的接地

良好的接地是現場(chǎng)總線(xiàn)防干擾的重要內容。所謂“地”，一般定義為電路或系統的零電位參考點(diǎn);所謂接地，就是在兩點(diǎn)之間建立傳導通路，以便將電子設備或元件連接到“地”。接地的目的，一是保護操作人員和設備的安全，即“保護地”;二是為了抑制電磁干擾，提供電子測量中的電位基準，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，是指系統中所有電子設備或元件都并聯(lián)連接到一個(gè)接地參考點(diǎn)。這種接地方式的優(yōu)點(diǎn)是各電子設備或元件的地電位，只與本電子設備或元件的地線(xiàn)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(xiàn)間的干擾耦合，在高頻情況下地線(xiàn)使阻抗大大增加。

多點(diǎn)接地，是指系統中各個(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(xiàn)的長(cháng)度最短。由于接地線(xiàn)很短，適用于高頻情況，其缺點(diǎn)是易構成各種地回路，造成低頻地回路干擾。

在眾多現場(chǎng)總線(xiàn)中，Profibus現場(chǎng)總線(xiàn)的發(fā)展尤為迅速，在自動(dòng)化控制行業(yè)應用很廣，現以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(cháng)度可達200m(使用中繼器可延長(cháng))。

根據傅立葉分析可知，任何信號都可以由各種頻率的正弦波組成。數字通訊的1、0信號是矩形波，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。因此，當Profibus-DP通訊速率為1.5Mbps時(shí)，可認為通訊的頻率為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，應最大可能地減小接地阻抗。

隨著(zhù)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)，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(chē)間沒(méi)有放置等電位接地板，不能實(shí)現等電位接地時(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 現場(chǎng)總線(xiàn)在水處理控制系統中的抗干擾應用

萊鋼大型軋機水處理系統的DCS系統采用國際知名公司提供的先進(jìn)DCS系統，控制器采用AC450，MCC使用了INSUM系統，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內部通訊使用LONbus，必須通過(guò)Gateway網(wǎng)關(guān)將LON bus轉換為Profibus，控制器側連接至CI541卡。調試初期，采用Profibus雙絞屏蔽電纜，總長(cháng)約150m，電纜兩端通過(guò)D型插頭接地，很快發(fā)現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，排除了其它方面的所有原因。最后發(fā)現，DCS側電纜屏蔽不接地時(shí)，所有站點(diǎn)都能找到，于是采用了MCC側單端接地。當時(shí)能夠正常運行，但過(guò)一段時(shí)間就會(huì )突然出現某個(gè)Gateway運行中死機，復位后正常。分析原因:

(1) Gateway位于MCC柜內，大量電力設備存在，電磁干擾大。
(2) 此部分MCC靠近傳動(dòng)，電機傳動(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(xiàn)信號。
(4) 控制器側工程師站亦出現大量CI541卡錯誤信息，懷疑大量誤碼存在。

隨著(zhù)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。隨著(zhù)總之，在自動(dòng)化控制系統的設計、安裝、調試中，我們要特別注意現場(chǎng)總線(xiàn)的干擾問(wèn)題,并采取適當的措施，消除干擾的影響。