根据国际电工委员会IEC1158定义,安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线称为现场总线。当今全球最流行的现总线有FF总线(FieldbusFoundatiON）、Profibus、Modbus等,在造纸行业,ABB公司AF100应用也很多。但是无论哪一种现场总线,都是数字信号,当在介质上传输时,由于干扰噪音的原因,使得“1”变成了“0”,“0”变成了“1”,从而影响现场总线性能,以至于不能正常工作。因此研究现场总线的抗干扰问题并提高现场总线的抗干扰能力非常重要。

1 纸机车间存在的干扰源

(1)纸机传动系统是纸机车间最大的干扰源。纸机传动系统的总负荷约占造纸车间总负荷的1/3以上,在系统的整流和逆变中,大功率电力电子元器件(IGBT等)高速开和关转换,产生大量的高频电磁波,污染整个车间,并且产生大量高次谐波,污染工频电网。

(2)变压器、MCC柜、电力电缆和动力设备。这些设备均为工频,频率较低,干扰一般发生在近场,而近场中随着干扰源的特性不同,电场分量和磁场分量有很大差别。特别是动力设备启动时,瞬间电流能够达到额定电流的6~1倍,会产生大电流冲击的暂态干扰。

(3)来自工频电源的干扰。工频电源波形畸变和高次谐波若未加隔离或滤波,便会通过向纸机控制系统供电而进入控制系统,影响现场总线的信号。

(4)导线接触不良产生的火花、电弧等。

(5)三相供电不平衡产生的地电流、屏蔽层不共地产生的接地环流。

2 干扰的传播途径

(1)由导线传输,称为传导干扰。在现场总线中,主要表现为地线阻抗干扰和来自工频电源的干扰。

(2)通过空间以辐射的形式传输,称为辐射干扰。

3 现场总线的抗干扰措施

(1)远离干扰源 动力设备和电力电缆对现场总线的干扰,与距离的平方成反比,即随距离的增大,干扰衰减非常快。所以,现场总线设备远离用电设备,现场总线电缆与动力缆分层桥架布置,都能起到很好的防干扰作用。远离干扰源,是防止辐射干扰的重要措施。

(2)现场总线设备和电缆的屏蔽 现场总线屏蔽的机理,一是外来电磁波在金属表面产生涡流,从而抵消原来的磁场;二是电磁波在金属表面产生反射损耗,另一部分透射波在金属屏蔽层内传播过程中,衰减产生吸收损耗。现场总线的屏蔽是利用由导电材料制成的屏蔽并结合接地,来切断干扰源。

(3)采用UPS电源或隔离变压器 可防止来自工频电源的干扰。

(4)采用光缆传输信号 在现场总线传输速度高!传输距离远干扰大的情况下,尽可能地采用光缆。采用光缆后,有效解决了辐射扰和传导干扰的众多问题。若在不共地两点之间,或者在接地状况很不好的情况下,采用光缆传输现场总线信号,可有效防止接地环流等干扰。特别是纸机控制系统与纸机传动!MCC之间,容易存在接地电位差,或接地环流,要特别注意,选用光缆优于选用双绞线。

(5)正确选择和安装纸机传动系统 整流部分采用12脉冲整流可有效消除5次和7次谐波。传动柜与电机之间的动力电缆,一定要采用良好屏蔽且三芯对称的电力电缆。

4 现场总线的接地

良好的接地是现场总线防干扰的重要措施。所谓/地0,一般定义为电路或系统的零电位参考点;接地就是在两点之间建立传导通路其目的一是保护操作人员和设备的安全即保护地0;二是为了抑制电磁干扰,提供电子测量中的电位基准,即/工作地0。图1是工作地的接地方法:

单点接地是指系统中所有电子设备或元件都并联连接到一个接地参考点。这种接地方式的优点是各电子设备或元件的地电位只与本电子设备或元件的地线阻抗有关,不受其他回路的影响;缺点是需要多根地线,增加地线长度,增加了地线间的干扰耦合,在高频情况下地线阻抗大大增加。多点接地是指系统中各个需要接地的点都直接连接到距它最近的接地点上,以使接地线的长度最短。由于接地线很短,适用于高频情况;缺点是易构成各种地回路,造成低频地回路干扰。工作频率在1MHz以下,可采用单点接地方式;工作频率在10MHz以上,可采用多点接地方式;当然,亦可单点接地和多点接地混合使用。接地线太长时,亦应采用多点接地,以防止接地线阻抗太大,干扰噪声电压太高。在众多现场总线中,Profibu现场总线的发展尤为迅速,在造纸行业应用很广,现以Profibus2DP为例说明。Profibus2DP的通讯速率有9.6、19.2、87.5kbit/s和0.5、1.5、3、6、12Mbit/s,其中最常用的通讯速率为1.5Mbit/s,此时,Profibus双绞电缆的长度可达200m(使用中继器可延长)。当Profibus2DP通讯速率为1.5Mbit/s时,可认为通讯频率为7.5MHz,频率较高,接近10MHz,宜采用多点接地,应最大可能减小接地阻抗。

Profibus2DP电缆采用RS248双绞屏蔽电缆,由于通讯频率较高,干扰所产生的噪声电流只在屏蔽层外表流过(集肤效应),屏蔽层通常采用多点接地,一般在电缆屏蔽层两端接地,即始端和末端同时接地。若一端接地(始端或末端),仅仅有利于消除低频干扰。但在整个车间没有放置等电位接地板,不能实现等电位接地时,一端接地优于两端接地,并可防止形成地回路。

5 现场总线在造纸控制中的抗干扰应用

华泰集团PM、0纸机,设计车速1800m/min,卷纸幅宽635mm,年生产能力20万t,于200年7月20日投产,DCS系统由国际知名公司提供,控制器采用AC450,MCC使用INSUM系统DCS与MCC之间采用Profibus2D通讯连接,通讯速率115Mbit/s。由于INSUM内部通讯使用LONbus,必须通过Gateway网关将LONbus转换为Profibus,控制器侧连接至CI541卡。调试初期采用Profibus双绞屏蔽电缆,总长约150m,连接采用9针D型插头,电缆两端通过D型插头接地很快发现,Profibus站点不能全部找到,有时甚至一个站点也找不到,做过许多实验,排除了其他方面的所有原因。最后发现,DC侧电缆屏蔽不接地时,所有站点都能找到,于是采用了MCC侧单端接地。虽然已经能够正常运行但出现了一个新情况,每隔一段时间,突然出现某个Gateway运行中死机,复位后正常。分析原因Gateway位于MCC柜内,大量电力设备存在,电磁干扰大。此部分MCC靠近传动,纸机传动产生的干扰影响。DCS与MCC之间存在接地电位差,以至于电缆屏蔽两端接地时,形成回路,干扰总线信号。控制器侧工程师站亦出现大量CI541卡错误信息怀疑大量误码存在。

鉴于以上原因,决定将Profibus屏蔽电缆换为光缆。换后情况改善,Gateway不再死机。

6 结 语

在纸机控制系统的设计!安装!调试中,要特别注意现场总线的抗干扰问题,只有正确地采取抗干扰措施,才能使总线正常运转为生产提供有利的保证。