烟草制丝线中现场总线的抗干扰问题

摘 要：介绍烟草制丝线中现场总线的抗干扰解决方案。
      
　　近年来，现场总线技术在烟草制丝线中广泛应用，自2000年以来，几乎所有技改过的制丝线均应用到了现场总线。目前在烟草制丝线中主流的现场总线为Siemens公司ProFiBus/ProFiNet，其它的现场总线还有AB公司的ControlNet，DeviceNet，除此以外，还有极少量的其它品牌的总线，如CanBus等。      
　　现场总线是安装在生产过程区域的现场设备/仪表与控制室内的自动控制装置/系统之间的一种串行数字式多点双向通信的数据总线。其中“生产过程”包括断续生产过程和连续生产过程两类，或者现场总线是以单个分散的数字化、智能化的测量和控制设备。作为网络节点，用总线相连接，实现相互交换信息，共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统。
      
　　现场总线是计算机网络在工业领域的延伸，是应用在工业现场的网络系统。既然是网络系统，就存在网络电磁干扰的问题，目前在烟草行业，现场总线的干扰问题，是在各个卷烟企业中比较普遍存在的现象。 
     
　　电磁干扰（Electromagnetic Interference），有传导干扰和辐射干扰两种。传导干扰是指通过导电介质把一个电网络上的信号耦合（干扰）到另一个电网络。辐射干扰是指干扰源通过空间把其信号耦合（干扰）到另一个电网络。  
    
　　在烟草制丝设备中，电磁干扰的源头主要有变频器、变压器、维修用电焊机等。其中，以变频器产生的电磁干扰对制丝线现场总线影响最为严重。
      
　　变频器之所以会产生严重的电磁干扰，是因为变频器在逆变过程中，通过斩波实现调速，由于斩波，产生了许多高次谐波，高次谐波通过传导干扰和辐射干扰对现场总线产生干扰。      
　　构成电磁干扰的三个主要因素为：干扰产生源、受到干扰的感受体及干扰传播路径，若三者缺一便无法构成干扰问题。
      
　　多数电磁干扰抑制都采用外壳屏蔽和缝隙屏蔽结合的方式来实现，大多数时候下面这些简单原则可以有助于实现电磁干扰屏蔽：从源头处降低干扰；通过屏蔽、过滤或接地将干扰产生电路隔离以及增强敏感电路的抗干扰能力等。电磁干扰抑制性、隔离性和低敏感性应该作为所有电气自动化设计人员的目标，这些性能在设计阶段的早期就应完成。
      
　　要解决电磁干扰有三种方法：其一为干扰产生源产生的干扰必须被压到最小的情况；二为感受体（如网络，PLC，计算机等等）必须受到保护，以期能抗拒高次谐波的干扰；三是干扰的传播路径完全被阻断或是尽可能减少干扰的传播机会。 
     
　　解决制丝线中电磁干扰的解决办法，主要从三个方面来论述。    

  
1 从干扰产生源方面来讲     

 
　　 既然制丝线中的电磁干扰主要来自变频器，那么，对变频器就要做特殊的处理，处理措施如下：      
（1）在变频器的进、出线端增加滤波器      
    变频器是大家公认的在各种系统中产生干扰的源头，在变频器的进线端、出线端都会产生高次谐波，如果将高次谐波滤掉，那么，变频器产生的干扰就会大大降低。通过在变频器的进、出端增加滤波器，能将绝大多数高次谐波滤掉，从而保证控制系统正常运行。 
     
（2）变频器的出线端采用屏蔽电缆      
    一个简单的屏蔽罩会使所产生的电磁场强度降至最初的十分之一。只有如金属之类导磁率高的材料才能在极低频率下达到较高屏蔽效率。这些材料的导磁率会随着频率增加而降低，另外如果初始磁场较强也会使导磁率降低，还有就是采用机械方法将屏蔽罩作成规定形状同样会降低导磁率。      
    在高频电场下，采用薄层金属作为外壳或内衬材料可达到良好的屏蔽效果，但条件是屏蔽必须连续，并将敏感部分完全遮盖住，没有缺口或缝隙（形成一个法拉第笼）。      
    在变频器的出线端采用屏蔽电缆，可以有效抑制高次谐波的空间传递，从而降低电磁干扰。      
（3）变频器的安装位置应尽量远离弱信号线      
    在烟草制丝线的控制系统中，变频器，PLC，电机启动器等器件经常分布在一套电控柜中，这样变频器产生的干扰就会对PLC等弱信号线产生非常大的干扰。 
     
    所以，设计者在做电控系统设计时，要将PLC等弱信号器件与变频器等分开放置。      

2 从受到干扰的感受体方面来讲
      
（1）在PLC的电源处增加滤波器      
    为了增强PLC的抗干扰能力，在PLC电源入口处增加电源滤波器，将变频器产生的高次谐波滤掉，从而保证PLC工作正常。 
     
（2）良好的接地系统      
电控系统另一个重要的措施是接地的处理。首先，必须保证电气件可靠接地，不能有虚接现象；其次，网线的屏蔽层只能单端接地，目的是防止高次谐波形成的电流，窜入到其它系统中。      

3 从干扰传播途径方面来讲
      
（1）采用双层桥架      
    在电缆线敷设时，采用双层桥架设计，即动力桥架和信号桥架。动力桥架内敷设380VAC和220VAC电源线，信号桥架内敷设24VDC电源线，各种网线等弱信号线。 
     
    动力桥架和信号桥架在空中与地面平行敷设时，两层桥架之间的高度差应在450cm以上。在动力桥架和信号桥架引入控制柜，与地面垂直敷设时，两层桥架可以并行，或者背靠背由空中引下，但是绝对不能将二者合在一块共同引下，这样会对整个系统的抗干扰能力大大减弱。      
（2）电控柜内布线作特殊处理      
    电控柜内存在动力线380VAC和低压控制电源24VDC，网线等，电控柜在布线时，要考虑到将强、弱电分开走线。这就要求设计者在设计柜内器件布置时，考虑到两种器件的分布位置，避免在柜内布线时，产生交叉，从而造成干扰。如图所示，红色箭头代表动力走线槽，兰色箭头代表信号线走线槽。这样布线，就相当于采用了双层桥架。      

（3）电控柜网线的敷设      
    在控制柜内有网线存在时，除了采用上面提到的布线方式以外，还有一种避免干扰的方法，那就是，将网线从走线槽中拿出来置于空中处于悬浮状态，这种布线方式与上面提的布线方式结合起来，在烟草制丝线中，抗干扰效果非常好。