現(xiàn)場(chǎng)總線的抗干擾問(wèn)題并如何提高抗干擾能力

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(chēng)為現(xiàn)場(chǎng)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(wú)論哪一種現(xiàn)場(chǎng)總線，都是數(shù)字信號(hào)，當(dāng)在介質(zhì)上傳輸時(shí)，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(chǎng)總線性能，以至于不能正常工作。因此研究現(xiàn)場(chǎng)總線的抗干擾問(wèn)題并提高現(xiàn)場(chǎng)總線的抗干擾能力非常重要。

1、紙機(jī)車(chē)間存在的干擾源

（1） 紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)是紙機(jī)車(chē)間最大的干擾源。紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的總負(fù)荷約占造紙車(chē)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(kāi)和關(guān)轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生大量的高頻電磁波，污染整個(gè)車(chē)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(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6~1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)向紙機(jī)控制系統(tǒng)供電而進(jìn)入控制系統(tǒng)，影響現(xiàn)場(chǎng)總線的信號(hào)。

（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(chēng)為傳導(dǎo)干擾。在現(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)空間以輻射的形式傳輸，稱(chēng)為輻射干擾。

3、現(xiàn)場(chǎng)總線的抗干擾措施

（1） 遠(yuǎn)離干擾源 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，干擾衰減非常快。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(chǎng)總線設(shè)備和電纜的屏蔽 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） 采用UPS電源或隔離變壓器 可防止來(lái)自工頻電源的干擾。

（4） 采用光纜傳輸信號(hào) 在現(xiàn)場(chǎng)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(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。特別是紙機(jī)控制系統(tǒng)與紙機(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。

（5） 正確選擇和安裝紙機(jī)傳動(dòng)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(dòng)柜與電機(jī)之間的動(dòng)力電纜，一定要采用良好屏蔽且三芯對(duì)稱(chēng)的電力電纜。

4、現(xiàn)場(chǎng)總線的接地

良好的接地是現(xiàn)場(chǎng)總線防干擾的重要措施。所謂/地0，一般定義為電路或系統(tǒng)的零電位參考點(diǎn);接地就是在兩點(diǎn)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(cè)量中的電位基準(zhǔn)，即/工作地0。圖1是工作地的接地方法：

圖1 工作地的接地方法

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)是需要多根地線，增加地線長(zhǎng)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(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;缺點(diǎn)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(diǎn)接地方式;工作頻率在10MHz以上，可采用多點(diǎn)接地方式;當(dāng)然，亦可單點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地混合使用。接地線太長(zhǎng)時(shí)，亦應(yīng)采用多點(diǎn)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(chǎng)總線中，Profibu現(xiàn)場(chǎng)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(shuō)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(shí)，Profibus雙絞電纜的長(zhǎng)度可達(dá)200m（使用中繼器可延長(zhǎng)）。當(dāng)Profibus2DP通訊速率為1.5Mbit/s時(shí)，可認(rèn)為通訊頻率為7.5MHz，頻率較高，接近10MHz，宜采用多點(diǎn)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(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(chē)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，并可防止形成地回路。

5、現(xiàn)場(chǎng)總線在造紙控制中的抗干擾應(yīng)用

華泰集團(tuán)PM、0紙機(jī)，設(shè)計(jì)車(chē)速1800m/min，卷紙幅寬635mm，年生產(chǎn)能力20萬(wàn)t，于200年7月20日投產(chǎn)，DCS系統(tǒng)由國(guó)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(guò)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(zhǎng)約150m，連接采用9針D型插頭，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，做過(guò)許多實(shí)驗(yàn)，排除了其他方面的所有原因。最后發(fā)現(xiàn)，DC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。雖然已經(jīng)能夠正常運(yùn)行但出現(xiàn)了一個(gè)新情況，每隔一段時(shí)間，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：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(dòng)，紙機(jī)傳動(dòng)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(shí)，形成回路，干擾總線信號(hào)?？刂破鱾?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。

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)。

6、結(jié) 語(yǔ)

在紙機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試中，要特別注意現(xiàn)場(chǎng)總線的抗干擾問(wèn)題，只有正確地采取抗干擾措施，才能使總線正常運(yùn)轉(zhuǎn)為生產(chǎn)提供有利的保證。

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