淺述沖壓車間壓力機現場總線系統抗干擾能力的提升

劉向榮

（陜西重型汽車有限公司車身廠，陜西 西安 710200）

前言

現場總線是一種串行的數字數據通訊鏈路，它溝通了生產過程領域的基本控制設備（即現場級設備）與更高層次自動控制領域的自動化控制設備（即車間級設備）之間的聯系。現場總線控制系統主要包括一些實際應用的設備，如PLC、掃描器、電源、輸入輸出站、終端電阻等。其它系統也可以包括變頻器、智能儀表、人機界面等。

目的：由于現代化壓力機電氣系統是以PLC為控制核心，以現場總線為紐帶組成的高速、準確的信息通道。而現場工廠的應用環境極易對這種弱電系統造成干擾而產生設備故障。為了解決這個難題，我與齊齊哈爾二機床廠、金豐中國機械有限公司、日本AIDA公司技術人員深入交流，摸索經驗，創立出一系列應用于現場的解決方案。

1 通訊方式的轉變

由于沖壓車間配電平臺位于地面4米，加上電柜自身2米多的高度和現場布線距離，要想使電柜內的控制核心PLC(可編程控制器)與壓力機操作面板的人機界面觸摸屏進行通訊，必須要經過電纜橋架、電纜溝引線進入壓機線管再進入觸摸屏，這樣實際通訊距離長達20米到30米，因而工業控制觸摸屏通訊線纜與PLC距離過遠極易造成信號衰減或受到其他強電場干擾造成開機后無法連接人機界面。通過現場勘查并分析原因，我認為齊齊哈爾二機床廠原設計通訊接口RS232不能滿足該工況，因為RS232接口的缺點為以下四點：

接口的信號電平值較高，易損壞接口電路的芯片，又因為與TTL電平不兼容故需使用電平轉換電路方能與TTL電路連接。

傳輸速率較低，在異步傳輸時，波特率為20Kbps；

接口使用一根信號線和一根信號返回線而構成共地的傳輸形式，這種共地傳輸容易產生共模干擾，所以抗噪聲干擾性弱。

傳輸距離有限，實際有效傳輸距離最大在30米左右。

圖1

因此我要求齊齊哈爾二機床廠技術人員購置RS422接口，RS422通過兩對雙絞線可以全雙工工作收發互不影響，該接口模塊在19kpbs下能傳輸1200米，完全能夠滿足現場情況，在現場其中一臺壓力機將RS422接口更換后，原故障從未發生，從而推廣到其他兩臺，有效的避免了因信號損失和強點干擾引起的設備故障。圖1為更換后的RS422接口。

2 浪涌、諧波的影響和強弱電隔離

由于車間內包括壓力機本身在內存在大量的電動機、變頻器、直流調速等動力設備，因而浪涌和諧波的電網干擾相當嚴重，同時壓力機各個終端是強電和弱電的結合體，交流與直流的電流干擾長期存在，對于MITSUBISHI公司獨產的CC-LINK和德國PROFIBUS DP、OMRON公司的DEVICE NET三種現場總線易受到變頻的干擾、電源浪涌、諧波影響而頻繁故障的情況在設備使用初期比比皆是。

浪涌主要指的是電源(只是主要指電源)剛開通的那一瞬息產生的強力脈沖,由于電路本身的非線性有可能有高于電源本身的脈沖;或者由于電源或電路中其它部分受到本身或外來尖脈沖干擾叫做浪涌.它很可能使電路在浪涌的一瞬間燒壞,如PN結電容擊穿,電阻燒斷等等。

在電力系統中諧波產生的根本原因是由于非線性負載所致。當電流流經負載時，與所加的電壓不呈線性關系，就形成非正弦電流，即電路中有諧波產生。諧波的危害十分嚴重。諧波使電能的生產、傳輸和利用的效率降低，使電氣設備過熱、產生振動和噪聲，并使絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發生故障或燒毀。諧波可引起電力系統局部并聯諧振或串聯諧振，使諧波含量放大，造成電容器等設備燒毀。諧波還會引起繼電保護和自動裝置誤動作，使電能計量出現混亂。對于電力系統外部，諧波對通信設備和電子設備會產生嚴重干擾。

現場總線系統一般暴露于浪涌環境中，浪涌過電流就可能被感應到主干回路和交流或直流電源供應上進入現場總線系統。受影響的單元包含控制器和電源供應設備，現場設備如，現場總線終端，中繼器，擴展模塊，電源模塊。

因為現場總線系統是通過一個普通的主干回路來控制和處理數據處理，保護整個現場總線系統是至關重要的，保證不會發生多個設備停工的情況。這在現場總線過程應用領域是非常重要的，因為有可能發生工作人員受傷和過程設備的損壞。

為了避免出現上述復雜的電磁干擾現象，我分析該問題并與金豐機械有限公司電氣技術人員深入交流后，要求將PROFIBUS現場總線供電電源與設備低壓供電電源分開供電，由于直流DC24V低壓供電回路中的終端設備引線與交流220V電源引線有很多交叉合并列分布，極易引起交變電場干擾。單獨設立一個為PROFIBUS現場總線供電的直流DC24V模塊顯得尤為重要。圖2為增加后的新DC24V直流電源。

圖2

3 屏蔽的有效措施

屏蔽是抑制空間場干擾的主要措施,它是利用屏蔽體切斷或削弱干擾場的空間耦合通道,阻止其電磁能量傳遞.屏蔽可以分為電場屏蔽,磁場屏蔽和電磁場屏蔽三種.其中電磁場屏蔽同時兼有抗電磁干擾和抗輻射干擾能力,即同時具有磁場屏蔽和電場屏蔽的功能。

我們對網絡周圍的強電磁干擾源利用其自身的金屬殼體作為屏蔽罩,并將屏蔽罩進行良好接地.當利用電氣控制屏作為屏蔽罩時,則要求殼體各部分間有良好的電氣連接,任何殼體間的絕緣都會導致干擾外逸.屏蔽罩的作用是切斷干擾源通過分布電容耦合通道引起的電場干擾.同時還能利用屏蔽罩在干擾源高頻磁場的作用下產生反方向的渦流磁場使之抵消并削弱其干擾作用,顯著降低了高頻電磁場對受擾電路的影響.在現場總線終端設備例如編碼器、通訊模塊和觸摸屏接口處增加屏蔽和接地處理，我們在原有的現場總線屏蔽接頭處進行金屬護網線的包裹，對旋轉編碼器也進行了金屬屏蔽。同時將其總線單處接地線變為多處接地，以防止接地線阻抗太大，干擾噪聲電壓太高而引起的設備故障。

小結：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，通過上述增強車間內壓力機現場總線有效措施的應用，使得車身廠沖壓車間壓力機現場總線系統抗干擾能力得到了全面的提升。

[1]美 James A.Rehg Glenn J.Sartori.工業電子技術[M].北京：科學出版社.

[2]舒志兵.現場總線運動控制系統[M]北京：電子工業出版社.