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根據國際電工委員會IEC1158定義,安裝在制造或過程區域的現場裝置與控制室內的動控制裝置之間的數字式、串行、多點通信的數據總線稱為現場總線。當今全球最流行的現總線有FF總線(FieldbusFoundatiON）、Profibus、Modbus等,在造紙行業,ABB公司AF100應用也很多。但是無論哪一種現場總線,都是數字信號,當在介質上傳輸時,由于干擾噪音的原因,使得“1”變成了“0”,“0”變成了“1”,從而影響現場總線性能,以至于不能正常工作。因此研究現場總線的抗干擾問題并提高現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)紙機傳動系統是紙機車間最大的干擾源。紙機傳動系統的總負荷約占造紙車間總負荷的1/3以上,在系統的整流和逆變中,大功率電力電子元器件(IGBT等)高速開和關轉換,產生大量的高頻電磁波,污染整個車間,并且產生大量高次諧波,污染工頻電網。
(2)變壓器、MCC柜、電力電纜和動力設備。這些設備均為工頻,頻率較低,干擾一般發生在近場,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。特別是動力設備啟動時,瞬間電流能夠達到額定電流的6~1倍,會產生大電流沖擊的暫態干擾。
(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供電而進入控制系統,影響現場總線的信號。
(4)導線接觸不良產生的火花、電弧等。
(5)三相供電不平衡產生的地電流、屏蔽層不共地產生的接地環流。
2 干擾的傳播途徑
(1)由導線傳輸,稱為傳導干擾。在現場總線中,主要表現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 現場總線的抗干擾措施
(1)遠離干擾源 動力設備和電力電纜對現場總線的干擾,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,現場總線設備遠離用電設備,現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。遠離干擾源,是防止輻射干擾的重要措施。
(2)現場總線設備和電纜的屏蔽 現場總線屏蔽的機理,一是外來電磁波在金屬表面產生渦流,從而抵消原來的磁場;二是電磁波在金屬表面產生反射損耗,另一部分透射波在金屬屏蔽層內傳播過程中,衰減產生吸收損耗。現場總線的屏蔽是利用由導電材料制成的屏蔽并結合接地,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 在現場總線傳輸速度高!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,有效解決了輻射擾和傳導干擾的眾多問題。若在不共地兩點之間,或者在接地狀況很不好的情況下,采用光纜傳輸現場總線信號,可有效防止接地環流等干擾。特別是紙機控制系統與紙機傳動!MCC之間,容易存在接地電位差,或接地環流,要特別注意,選用光纜優于選用雙絞線。
(5)正確選擇和安裝紙機傳動系統 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 現場總線的接地
良好的接地是現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的零電位參考點;接地就是在兩點之間建立傳導通路其目的一是保護操作人員和設備的安全即保護地0;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0。圖1是工作地的接地方法:
單點接地是指系統中所有電子設備或元件都并聯連接到一個接地參考點。這種接地方式的優點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阻抗有關,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;當然,亦可單點接地和多點接地混合使用。接地線太長時,亦應采用多點接地,以防止接地線阻抗太大,干擾噪聲電壓太高。在眾多現場總線中,Profibu現場總線的發展尤為迅速,在造紙行業應用很廣,現以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200m(使用中繼器可延長)。當Profibus2DP通訊速率為1.5Mbit/s時,可認為通訊頻率為7.5MHz,頻率較高,接近10MHz,宜采用多點接地,應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,干擾所產生的噪聲電流只在屏蔽層外表流過(集膚效應),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,不能實現等電位接地時,一端接地優于兩端接地,并可防止形成地回路。
5 現場總線在造紙控制中的抗干擾應用
華泰集團PM、0紙機,設計車速1800m/min,卷紙幅寬635mm,年生產能力20萬t,于200年7月20日投產,DCS系統由國際知名公司提供,控制器采用AC450,MCC使用INSUM系統DCS與MCC之間采用Profibus2D通訊連接,通訊速率115Mbit/s。由于INSUM內部通訊使用LONbus,必須通過Gateway網關將LONbus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型插頭接地很快發現,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。最后發現,DC側電纜屏蔽不接地時,所有站點都能找到,于是采用了MCC側單端接地。雖然已經能夠正常運行但出現了一個新情況,每隔一段時間,突然出現某個Gateway運行中死機,復位后正常。分析原因Gateway位于MCC柜內,大量電力設備存在,電磁干擾大。此部分MCC靠近傳動,紙機傳動產生的干擾影響。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�？刂破鱾裙こ處熣疽喑霈F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。
6 結 語
在紙機控制系統的設計!安裝!調試中,要特別注意現場總線的抗干擾問題,只有正確地采取抗干擾措施,才能使總線正常運轉為生產提供有利的保證。
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