現(xiàn)場總線系統(tǒng)抗干擾的實現(xiàn)與應(yīng)用
| 1 引言 由于計算機技術(shù)、微電子技術(shù)、通訊技術(shù)等在自控領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，抗干擾技術(shù)就更顯得尤為重要。實際生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境極其復(fù)雜，對自控系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾已經(jīng)成為不可能回避的問題。作為控制系統(tǒng)重要組成部分的現(xiàn)場總線，處在復(fù)雜的現(xiàn)場環(huán)境中，不可避免地存在各種各樣的干擾，因此，提高現(xiàn)場總線的抗干擾能力，是控制系統(tǒng)高效運行的重要因素。 隨著根據(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)的自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)場總線有FF總線（Fieldbus Foundation）、Profibus、Modbus等。不管哪一種現(xiàn)場總線，在介質(zhì)上傳輸?shù)亩际菙?shù)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(xiàn)場總線的性能，甚至于現(xiàn)場總線不能正常工作。不管從理論分析，還是從經(jīng)驗獲得，現(xiàn)場總線的抗干擾能力均低于4-20mA模擬電流信號，研究并解決現(xiàn)場總線的抗干擾問題非常重要。 2 現(xiàn)場存在的干擾源 （1） 傳動系統(tǒng) 是現(xiàn)場******的干擾源。傳動系統(tǒng)的總負荷，約占水處理車間總負荷的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不定時的進行高速開和關(guān)的轉(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著很大差別。特別是動力設(shè)備啟動時，瞬間電流能夠達到額定電流的6-11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，便會通過供電系統(tǒng)而進入控制系統(tǒng)，從而影響整個現(xiàn)場總線。 （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)線來傳輸，稱為傳導(dǎo)干擾。說處理車間的現(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來傳輸，稱為輻射干擾。 3 現(xiàn)場總線的抗干擾措施 3.1 抗遠離干擾源 空間中任一點的磁感應(yīng)強度B，服從畢奧-薩伐定律，見下式：
式中： μ：磁導(dǎo)率，H/m； dv：源點周圍處的體積元，m3； r：dv到場點（x,y,z）的距離，m； er：源點指向場點的單位矢量。 對于線形電流I，由Jdv=Idl，得：
式中： dl—源點附近的長度,m 式（1）適用于用電設(shè)備周圍的磁感應(yīng)強度，式（2）適用于動力電纜周圍的磁感應(yīng)強度?？梢?，水處理車間的動力設(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?？?。所以，現(xiàn)場總線設(shè)備遠離用電設(shè)備，現(xiàn)場總線電纜與動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(xiàn)場總線設(shè)備和電纜的屏蔽 隨著現(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。現(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。 3.3 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自工頻電源的干擾。 3.4 采用光纜傳輸信號 隨著在現(xiàn)場總線傳輸速率高、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(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。特別是車間的自動控制系統(tǒng)與電機傳動、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。 |
