某自主可控PLC 溫度采集模塊抗干擾性能提升研究

向強(qiáng)銘，夏國(guó)強(qiáng)，張 鵬

（中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司三峽水力發(fā)電廠，湖北 宜昌 443133）

0 引言

目前，我國(guó)巨型水電機(jī)組計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地控制單元LCU（Local Control Unit）可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)基本上采用的ABB、西門(mén)子、施耐德等外國(guó)品牌。在當(dāng)前復(fù)雜的國(guó)際關(guān)系格局下，電力行業(yè)作為關(guān)系到國(guó)計(jì)民生的基礎(chǔ)性行業(yè)，為提高安全保障水平，迫切需要建立一套基于國(guó)產(chǎn)自主可控PLC 的水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)?，F(xiàn)某巨型水力發(fā)電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)軟硬件已完全實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，現(xiàn)地LCU 核心控制器PLC 仍采用國(guó)外品牌，隨著國(guó)產(chǎn)PLC 產(chǎn)品不斷成熟，PLC 從內(nèi)部核心芯片的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，再到外部驅(qū)動(dòng)回路的制造[3]，均已實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，這為巨型水電機(jī)組計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)完全自主可控打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

在機(jī)組正常運(yùn)行過(guò)程中，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)對(duì)軸瓦溫度、定子鐵心、空冷器進(jìn)出水溫度等進(jìn)行采集，如果溫度超過(guò)相關(guān)定值，監(jiān)控系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出告警信息，嚴(yán)重情況下LCU 將啟動(dòng)事故停機(jī)流程，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)，因此，軸瓦及定子鐵心溫度的準(zhǔn)確測(cè)量對(duì)保障機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。本文針對(duì)機(jī)組LCU 改造調(diào)試過(guò)程中傲拓科技自主可控NJ600 系列PLC 溫度采集模塊AIM401-0805 存在測(cè)量值跳變進(jìn)行分析，研究并采取相應(yīng)的解決措施，確保溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性。

1 測(cè)溫模塊整體框架簡(jiǎn)介

某巨型水電站單機(jī)額定容量700 MW，現(xiàn)地LCU 需采集的軸瓦溫度、定子鐵心溫度、繞組出水端溫度、空冷器進(jìn)出水管水溫等各類(lèi)溫度量共計(jì)590點(diǎn)，綜合考慮到備用點(diǎn)數(shù)量，在LCU 改造過(guò)程中現(xiàn)場(chǎng)配置了76 塊8 通道溫度采集模塊AIM401-0805。AIM401-0805 模塊整體框架如圖1 所示。

圖1 溫度采集模塊整體框架圖

模塊主要由3 線制熱電阻（RTD）測(cè)溫模塊輸入、輸入信號(hào)處理、AD 轉(zhuǎn)換、恒流源、光耦隔離電路、輸入信號(hào)檢測(cè)以及CPU 模塊等組成。模塊通過(guò)端子引入8 路現(xiàn)場(chǎng)三線制RTD 信號(hào)，利用高精度恒流源產(chǎn)生一個(gè)高精度恒定電流，通過(guò)采集輸入通道RTD電阻上的電壓，經(jīng)信號(hào)處理模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、濾波，再經(jīng)過(guò)AD 轉(zhuǎn)換后通過(guò)光耦隔離的串行總線送入CPU，從而完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)溫度信號(hào)的采集。

在某臺(tái)機(jī)組LCU 改造初期調(diào)試階段，為了測(cè)試真實(shí)環(huán)境下的測(cè)溫模塊性能，現(xiàn)場(chǎng)將相鄰正常運(yùn)行機(jī)組備用定子槽溫RTD 接入改造調(diào)試平臺(tái)，發(fā)現(xiàn)停機(jī)態(tài)下采集到的定子槽溫存在20℃左右的跳變，采集的溫度曲線如圖2 所示。

圖2 機(jī)組LCU 改造調(diào)試階段溫度測(cè)量曲線

2 測(cè)溫模塊主要干擾分析及對(duì)策

針對(duì)模塊采集真實(shí)工況下的定子槽溫存在跳變，現(xiàn)場(chǎng)將不受干擾的電阻箱直接接至測(cè)溫模件，測(cè)量到的溫度值不存在跳變且測(cè)值精度高，因而基本上可判斷出AIM 401-0805 測(cè)溫模塊測(cè)值跳變主要原因是測(cè)量定子線圈溫度時(shí)受到機(jī)組內(nèi)部電磁場(chǎng)產(chǎn)生的工頻干擾影響和外部的一些干擾信號(hào)影響。為此，分別從硬件和軟件方面采取相應(yīng)的策略提升模塊抗干擾性能。

2.1 硬件方面抗干擾設(shè)計(jì)

根據(jù)圖1 所示的模塊整體框架圖，考慮到現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的電磁干擾環(huán)境，在RTD 測(cè)溫模塊輸入端，選用帶金屬屏蔽層的信號(hào)輸入電纜，將定子槽溫RTD信號(hào)從機(jī)組風(fēng)洞內(nèi)RTD 端子箱引接至安裝模塊所在的電氣盤(pán)柜，電纜在盤(pán)柜進(jìn)線處進(jìn)行良好的單端接地，有效抑制部分電磁干擾。在輸入信號(hào)處理電路環(huán)節(jié)通過(guò)低通濾波器對(duì)差模干擾和共模干擾進(jìn)行衰減來(lái)降低干擾信號(hào)的影響，同時(shí)通過(guò)限幅電路保護(hù)輸入通道，提升輸入信號(hào)的穩(wěn)定性。

針對(duì)影響測(cè)量精度及整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)穩(wěn)定性的工頻干擾，AD 轉(zhuǎn)換芯片的配置是關(guān)鍵，為此，選用了分辨率高，并且可以設(shè)置一些參數(shù)使其具有工頻抑制能力的Σ-Δ 型ADC 芯片。Σ-Δ 型芯片單片集成，可以輸出兩個(gè)完全匹配的電流源，實(shí)現(xiàn)線電阻消除以及簡(jiǎn)化AD 輸入信號(hào)到AD 轉(zhuǎn)換的整體電路。針對(duì)發(fā)電機(jī)定子溫度等RTD 為慢變量這一特點(diǎn)，Σ-Δ 型ADC 芯片內(nèi)部集成的數(shù)字濾波器對(duì)采樣值進(jìn)行數(shù)字濾波處理，達(dá)到濾除部分干擾噪聲，ADC 中數(shù)字濾波器的濾波特性與采樣速率有關(guān)，最終根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況綜合衡量多方面因素后確定出合適的采樣速率。

ADC 芯片還采用中位值濾波法，中位值濾波法的實(shí)現(xiàn)方法為:連續(xù)采樣5 個(gè)值，把5 個(gè)值按大小順序排列，取中間值為本次有效值。這種方法有效減少了偶然誤差, 同時(shí)增加了測(cè)量值的準(zhǔn)確性。

AIM 401-0805 測(cè)溫模塊抗干擾能力的提升離不開(kāi)內(nèi)部隔離電路的搭建，良好的隔離是系統(tǒng)穩(wěn)定工作必不可少的因素。為了提升模塊的測(cè)量精度，減少外部環(huán)境對(duì)模擬信號(hào)的干擾，對(duì)CPU 與ADC芯片之間的串行通信接口進(jìn)行電氣隔離設(shè)計(jì)，CPU傳輸?shù)闹噶?、?shù)據(jù)信號(hào)不直接與AD 相連而是通過(guò)高速光耦進(jìn)行連接，通過(guò)隔離器件把噪聲干擾的路徑切斷，從而達(dá)到抑制噪聲干擾的效果。

2.2 軟件方面抗干擾設(shè)計(jì)

AIM 401-0805 測(cè)溫模塊數(shù)據(jù)采集與處理程序軟件算法流程如圖3 所示。

圖3 軟件算法處理流程圖

50 Hz 工頻干擾會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)定子溫度測(cè)量產(chǎn)生極大的影響[1]，除了在硬件方面采取抗干擾對(duì)策外，需進(jìn)一步在軟件方面采取相關(guān)的措施。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)選擇帶工頻50 Hz/60 Hz 濾波功能的Σ-ΔADC 芯片，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況，在軟件方面配置合適的50 Hz濾波選項(xiàng)。

Σ-ΔADC 芯片都有一個(gè)芯片ID，是一個(gè)只讀數(shù)據(jù)，不同信號(hào)的芯片ID 號(hào)不同。在讀取之前先判斷總線讀取到的芯片ID 是否為芯片的自有ID，判斷軟件讀寫(xiě)是否受到干擾。AIM401-0805 測(cè)溫模塊內(nèi)部ADC 芯片采用I2C 或者SPI 總線和CPU 進(jìn)行通信，現(xiàn)場(chǎng)配置為SPI 模式。在前一步讀取ID 號(hào)正確的前提下，通過(guò)讀取配置寄存器的數(shù)值和配置的參數(shù)做對(duì)比，如果正確，則SPI 總線通信正常，且ADC 芯片工作正常，否則復(fù)位ADC 芯片，這樣再一次判斷芯片是否受到了干擾。接著讀取ADC 的轉(zhuǎn)換值，這樣可以保證每次讀取到的ADC 轉(zhuǎn)換值沒(méi)有異常，從而大大降低了錯(cuò)誤率。同時(shí)在芯片中配置CRC 校驗(yàn)、SPI 讀/寫(xiě)錯(cuò)誤判斷程序、SPI_IGNORE錯(cuò)誤檢測(cè)，更進(jìn)一步減少出錯(cuò)誤概率。

采集過(guò)程中濾波算法有取值求平均、去抖，一階濾波處理數(shù)據(jù)過(guò)程中記錄數(shù)據(jù)異常情況，當(dāng)達(dá)到一定次數(shù)時(shí)，復(fù)位ADC，在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，ADC 芯片在多次長(zhǎng)時(shí)間的干擾（5 h 以上）下會(huì)發(fā)生ADC 不輸出情況，即當(dāng)外界傳感器發(fā)生變化，ADC 輸出不正?；蛘卟惠敵?。為此在軟件中增加判斷語(yǔ)句，統(tǒng)計(jì)這種情況發(fā)生的次數(shù)，當(dāng)發(fā)生次數(shù)達(dá)到設(shè)定值時(shí)，軟件復(fù)位ADC 芯片。

3 測(cè)溫模塊升級(jí)后性能檢測(cè)

為檢驗(yàn)AIM401-0805 測(cè)溫模塊在軟硬件升級(jí)后的性能提升效果，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了溫度量變化死區(qū)測(cè)試和溫度量變化響應(yīng)速度測(cè)試。

將電阻箱直接接入升級(jí)后的測(cè)溫模塊，以0.1 Ω的增量/減量間隔5 s 對(duì)溫度量進(jìn)行測(cè)量，電阻變化時(shí)的溫度測(cè)量值如表1 所示。

表1 AIM401-0805 測(cè)溫模塊溫度量死區(qū)測(cè)試

將電阻箱分別以1 Ω、4 Ω、6 Ω、10 Ω、20 Ω、38.5 Ω 的增量對(duì)溫度量進(jìn)行測(cè)試，電阻變化時(shí)溫度量達(dá)到穩(wěn)定值所用的時(shí)間如表2 所示。

表2 AIM401-0805 測(cè)溫模塊溫度變化響應(yīng)速度測(cè)試

機(jī)組在停機(jī)和開(kāi)機(jī)過(guò)程中需投退電氣制動(dòng)設(shè)備，此階段測(cè)溫模塊受到的電磁干擾最強(qiáng)，圖4 是機(jī)組真實(shí)工況下停機(jī)過(guò)程中溫度測(cè)量曲線。

圖4 強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下自主可控測(cè)溫模塊溫度測(cè)量曲線

從圖4 中可以看出強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下溫度測(cè)值穩(wěn)定，跳變消失，軟硬件升級(jí)后的自主可控溫度測(cè)量模塊滿足水電站對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備溫度的測(cè)量要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文重點(diǎn)討論了自主可控PLC 溫度采集模塊在強(qiáng)干擾環(huán)境下性能提升方法，通過(guò)軟硬件處理后模塊抗干擾能力大幅提升，模塊運(yùn)行穩(wěn)定，經(jīng)驗(yàn)證測(cè)量精度及響應(yīng)速度滿足大型水電站對(duì)機(jī)組軸瓦溫度測(cè)量的要求，為自主可控PLC 在大型水電站核心控制系統(tǒng)成功應(yīng)用起到良好的示范意義。