1 引言

由于計算機技術、微電子技術、通訊技術等在自控領域廣泛應用，抗干擾技術就更顯得尤為重要。實際生產現場環境極其復雜，對自控系統產生的干擾已經成為不可能回避的問題。作為控制系統重要組成部分的現場總線，處在復雜的現場環境中，不可避免地存在各種各樣的干擾，因此，提高現場總線的抗干擾能力，是控制系統高效運行的重要因素。

隨著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自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場總線有FF總線（Fieldbus Foundation）、Profibus、Modbus等。不管哪一種現場總線，在介質上傳輸的都是數字信號，由于干擾噪音的原因，使得“1”變成了“0”，“0”變成了“1”，從而影響到現場總線的性能，甚至于現場總線不能正常工作。不管從理論分析，還是從經驗獲得，現場總線的抗干擾能力均低于4-20mA模擬電流信號，研究并解決現場總線的抗干擾問題非常重要。

2 現場存在的干擾源

2.1 軋鋼廠主要干擾源來源

（1） 傳動系統

是現場最大的干擾源。傳動系統的總負荷，約占水處理車間總負荷的1/3以上，在系統的整流和逆變中，大功率電力電子元器件不定時的進行高速開和關的轉換，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著很大差別。特別是動力設備啟動時，瞬間電流能夠達到額定電流的6-11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，便會通過供電系統而進入控制系統，從而影響整個現場總線。

（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。

2.2 干擾的傳播途徑

（1） 由導線來傳輸，稱為傳導干擾。說處理車間的現場總線中，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來傳輸，稱為輻射干擾。

3 現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強度B，服從畢奧-薩伐定律，見下式：

（1）

式中：

μ：磁導率，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：

（2）

式中：

dl—源點附近的長度，m

式（1）適用于用電設備周圍的磁感應強度，式（2）適用于動力電纜周圍的磁感應強度。可見，水處理車間的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 現場總線設備和電纜的屏蔽

隨著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。

3.3 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。特別是車間的自動控制系統與電機傳動、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。

3.5 正確選擇和安裝水處理傳動系統

水處理車間整流部分采用的是12脈沖整流，傳動柜與電機之間的動力電纜，采用了良好屏蔽且三芯對稱的電力電纜，有效的消除了5次和7次諧波。

4 現場總線的接地

良好的接地是現場總線防干擾的重要內容。所謂“地”，一般定義為電路或系統的零電位參考點;所謂接地，就是在兩點之間建立傳導通路，以便將電子設備或元件連接到“地”。接地的目的，一是保護操作人員和設備的安全，即“保護地”;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”。圖1是“工作地”的接地方法。

圖1 接地的方法

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，缺點是此方法增加了地線間的干擾耦合，在高頻情況下地線使阻抗大大增加。

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，其缺點是易構成各種地回路，造成低頻地回路干擾。

一般來說，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，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，Profibus現場總線的發展尤為迅速，在自動化控制行業應用很廣，現以Profibus-DP為例說明。Profibus-DP的通訊速率有9.6kbps、19.2kbps、187.5kbps、0.5Mbps、1.5Mbps、3Mbps、6Mbps、12Mbps，其中最常用的通訊速率為1.5Mbps，此時，Profibus雙絞電纜的長度可達200m（使用中繼器可延長）。

根據傅立葉分析可知，任何信號都可以由各種頻率的正弦波組成。數字通訊的1、0信號是矩形波，可用下式表示：

式中：

A為基頻振幅;

f1為基頻頻率。

可見，第k個頻率kf1的振幅僅為基頻的1/k，當k值很大時，振幅很小，通訊的帶寬通常限定在前三個頻率成分范圍內。因此，當Profibus-DP通訊速率為1.5Mbps時，可認為通訊的頻率為k=5時，即基頻的5倍，1.5×5=7.5MHz，頻率較高，接近10MHz，宜采用多點接地，應最大可能地減小接地阻抗。

隨著Profibus-DP電纜采用RS-485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，一端接地可防止形成地回路。

5 現場總線在水處理控制系統中的抗干擾應用

萊鋼大型軋機水處理系統的DCS系統采用國際知名公司提供的先進DCS系統，控制器采用AC450，MCC使用了INSUM系統，DCS與MCC之間采用Profibus-DP通訊連接，通訊速率1.5Mbps。圖2為AC124控制器與MCC的連接框圖。

圖2 AC124控制器與MCC的連接框圖

由于INSUM內部通訊使用LONbus，必須通過Gateway網關將LON bus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，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，通過實驗，排除了其它方面的所有原因。最后發現，DCS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。當時能夠正常運行，但過一段時間就會突然出現某個Gateway運行中死機，復位后正常。分析原因：

（1） Gateway位于MCC柜內，大量電力設備存在，電磁干擾大。

（2） 此部分MCC靠近傳動，電機傳動產生的干擾影響。

（3） 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。

（4） 控制器側工程師站亦出現大量CI541卡錯誤信息，懷疑大量誤碼存在。

隨著鑒于以上原因，決定將Profibus屏蔽電纜換為光纜。換后情況改善，Gateway不再死機。

隨著總之，在自動化控制系統的設計、安裝、調試中，我們要特別注意現場 總線的干擾問題，并采取適當的措施，消除干擾的影響。

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