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现场总线系统抗干扰的实现与应用

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  一、前言

  在实际生产中,干扰对自控系统产生的影响是不可回避的问题。现场总线控制系统处在复杂的现场环境中,不可避免地受到各种干扰。因此,提高现场总线的抗干扰能力,是控制系统高效运行的重要因素。

  根据IEC61158标准的定义,安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字众串行、多点通信的数据总线称为现场总线。它们在介质上传输的都是数字信号,由于干扰噪音的原因,使得"1"变成了"0","0"变成了"1",从而影响到现场总线的性能,甚至于现场总线不能正常工作。不论从理论分析,还是从经验获得,现场总线的抗干扰均低于4~20mA模拟电流信号,因此研究并解决现场总的抗干扰问题非常重要。

  二、现场存在的干扰源

  以山东莱芜钢铁集团股份公司轧钢厂水处理车间为例,主要干扰源有如下几种:

  (1)传动系统:是现场最大的干扰源。传动系统的总负荷,约占水处理车间总负荷的1/3以上,在系统的整流和逆变中,大功率电力电子元器件不定时的进行高速开和关的转换,产生大量的高频电磁波,并且产生大量高次谐波,污染整个车间和工频电网。

  (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着很大差别。特别是动力设备启动时,瞬间电流能够达到额定电流的6-11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,若末加隔离或滤波,便会通过供电系统而进入控制系统,从而影响整个现场总线。

  (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。

  三、干扰的传播途径

  干扰的传播途径有两条:一是由导线传输,称为传导干扰。水处理车间的现场总线中,主要表现为地线阻抗干扰和来自工频电源的干扰。二是通过空间以辐射的形式传输,称为辐射干扰。

  四、现场总线的抗干扰措施

  4.1 远离干扰源

  空间中任意点的磁感应强度B服从毕奥-萨伐定律:  

  式中:d1为源点附近的长度,m。

  式(1)适用于用电设备周围的磁感应强度,式(2)适用于动力电缆周围的磁感应强度。可见,水处理车间的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。所以,现场总线设备远离用电设备,现场总线电缆与动力电缆分层桥架布置,都能起到很好的防干扰作用。

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