浅述冲压车间压力机现场总线系统抗干扰能力的提升

刘向荣

（陕西重型汽车有限公司车身厂，陕西 西安 710200）

前言

现场总线是一种串行的数字数据通讯链路，它沟通了生产过程领域的基本控制设备（即现场级设备）与更高层次自动控制领域的自动化控制设备（即车间级设备）之间的联系。现场总线控制系统主要包括一些实际应用的设备，如PLC、扫描器、电源、输入输出站、终端电阻等。其它系统也可以包括变频器、智能仪表、人机界面等。

目的：由于现代化压力机电气系统是以PLC为控制核心，以现场总线为纽带组成的高速、准确的信息通道。而现场工厂的应用环境极易对这种弱电系统造成干扰而产生设备故障。为了解决这个难题，我与齐齐哈尔二机床厂、金丰中国机械有限公司、日本AIDA公司技术人员深入交流，摸索经验，创立出一系列应用于现场的解决方案。

1 通讯方式的转变

由于冲压车间配电平台位于地面4米，加上电柜自身2米多的高度和现场布线距离，要想使电柜内的控制核心PLC(可编程控制器)与压力机操作面板的人机界面触摸屏进行通讯，必须要经过电缆桥架、电缆沟引线进入压机线管再进入触摸屏，这样实际通讯距离长达20米到30米，因而工业控制触摸屏通讯线缆与PLC距离过远极易造成信号衰减或受到其他强电场干扰造成开机后无法连接人机界面。通过现场勘查并分析原因，我认为齐齐哈尔二机床厂原设计通讯接口RS232不能满足该工况，因为RS232接口的缺点为以下四点：

接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与TTL电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL电路连接。

传输速率较低，在异步传输时，波特率为20Kbps；

接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，这种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。

传输距离有限，实际有效传输距离最大在30米左右。

图1

因此我要求齐齐哈尔二机床厂技术人员购置RS422接口，RS422通过两对双绞线可以全双工工作收发互不影响，该接口模块在19kpbs下能传输1200米，完全能够满足现场情况，在现场其中一台压力机将RS422接口更换后，原故障从未发生，从而推广到其他两台，有效的避免了因信号损失和强点干扰引起的设备故障。图1为更换后的RS422接口。

2 浪涌、谐波的影响和强弱电隔离

由于车间内包括压力机本身在内存在大量的电动机、变频器、直流调速等动力设备，因而浪涌和谐波的电网干扰相当严重，同时压力机各个终端是强电和弱电的结合体，交流与直流的电流干扰长期存在，对于MITSUBISHI公司独产的CC-LINK和德国PROFIBUS DP、OMRON公司的DEVICE NET三种现场总线易受到变频的干扰、电源浪涌、谐波影响而频繁故障的情况在设备使用初期比比皆是。

浪涌主要指的是电源(只是主要指电源)刚开通的那一瞬息产生的强力脉冲,由于电路本身的非线性有可能有高于电源本身的脉冲;或者由于电源或电路中其它部分受到本身或外来尖脉冲干扰叫做浪涌.它很可能使电路在浪涌的一瞬间烧坏,如PN结电容击穿,电阻烧断等等。

在电力系统中谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，即电路中有谐波产生。谐波的危害十分严重。谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱。对于电力系统外部，谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰。

现场总线系统一般暴露于浪涌环境中，浪涌过电流就可能被感应到主干回路和交流或直流电源供应上进入现场总线系统。受影响的单元包含控制器和电源供应设备，现场设备如，现场总线终端，中继器，扩展模块，电源模块。

因为现场总线系统是通过一个普通的主干回路来控制和处理数据处理，保护整个现场总线系统是至关重要的，保证不会发生多个设备停工的情况。这在现场总线过程应用领域是非常重要的，因为有可能发生工作人员受伤和过程设备的损坏。

为了避免出现上述复杂的电磁干扰现象，我分析该问题并与金丰机械有限公司电气技术人员深入交流后，要求将PROFIBUS现场总线供电电源与设备低压供电电源分开供电，由于直流DC24V低压供电回路中的终端设备引线与交流220V电源引线有很多交叉合并列分布，极易引起交变电场干扰。单独设立一个为PROFIBUS现场总线供电的直流DC24V模块显得尤为重要。图2为增加后的新DC24V直流电源。

图2

3 屏蔽的有效措施

屏蔽是抑制空间场干扰的主要措施,它是利用屏蔽体切断或削弱干扰场的空间耦合通道,阻止其电磁能量传递.屏蔽可以分为电场屏蔽,磁场屏蔽和电磁场屏蔽三种.其中电磁场屏蔽同时兼有抗电磁干扰和抗辐射干扰能力,即同时具有磁场屏蔽和电场屏蔽的功能。

我们对网络周围的强电磁干扰源利用其自身的金属壳体作为屏蔽罩,并将屏蔽罩进行良好接地.当利用电气控制屏作为屏蔽罩时,则要求壳体各部分间有良好的电气连接,任何壳体间的绝缘都会导致干扰外逸.屏蔽罩的作用是切断干扰源通过分布电容耦合通道引起的电场干扰.同时还能利用屏蔽罩在干扰源高频磁场的作用下产生反方向的涡流磁场使之抵消并削弱其干扰作用,显著降低了高频电磁场对受扰电路的影响.在现场总线终端设备例如编码器、通讯模块和触摸屏接口处增加屏蔽和接地处理，我们在原有的现场总线屏蔽接头处进行金属护网线的包裹，对旋转编码器也进行了金属屏蔽。同时将其总线单处接地线变为多处接地，以防止接地线阻抗太大，干扰噪声电压太高而引起的设备故障。

小结：实际生产现场环境极其复杂，对自控系统产生的干扰已经成为不可能回避的问题。作为控制系统重要组成部分的现场总线，处在复杂的现场环境中，不可避免地存在各种各样的干扰，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，通过上述增强车间内压力机现场总线有效措施的应用，使得车身厂冲压车间压力机现场总线系统抗干扰能力得到了全面的提升。

[1]美 James A.Rehg Glenn J.Sartori.工业电子技术[M].北京：科学出版社.

[2]舒志兵.现场总线运动控制系统[M]北京：电子工业出版社.