防干扰计量信息采集电路在混凝土平衡块制造中的应用

卫书满

(葛洲坝集团机电建设有限公司，四川 成都 610091)

1 信息干扰问题的提出

三峡工程升船机混凝土平衡块采用高容重铁钢砂混凝土浇筑而成，骨料为铁矿砂，主要由水泥、铁矿石、铁矿砂、水按照一定配比调配制成，容重为3.0 t/m3，混凝土强度等级大于 C40，单块约59.18t，每个混凝土平衡块的质量偏差不得超过设计值的±1%。在项目施工过程中，需要设计研究出平衡块制造计量信息采集自动控制系统，该系统通过配料计量实时控制系统来控制平衡块下料量，实现下料预控及称重配料动态控制和平衡块制造设备的智能控制，在平衡块的浇筑过程中能准确、有效地计算骨料、水泥、水、添加剂的下料量，防止配料质量出现偏差，解决人工测试记录需耗费大量人工、信息反应慢且精度不高的问题。

由于平衡块制造现场有多台电机及其他电磁设备，在现场产生了许多电磁干扰信号，这些电磁干扰信号使配料精度计量很难达到施工要求，使计量信息采集自动控制系统在初始安装调试过程中，总是遇到配料质量传感信号被严重干扰，可编程控制器(PLC)和人机界面无法正确识别被控信号的问题。同时，在使用PLC的模拟量输入模块采集信号时，可能因为隔离的传感器电源与模块电源相互影响，使之接收到一个变动很大的不稳定共模电压而影响模拟量输入值的稳定;如果模拟量输入模块的接线太长或绝缘不好也会影响模拟量输入值的精度。在要求平衡块产品配料比例达到规定指标，质量满足产品标准功能的情况下，需设计出一种防干扰的平衡块制造计量信息采集电路。

2 防止信息干扰电路的确定

通过一段时间的探索和试验，设计出了一种防干扰的计量信息采集电路。该电路包括PLC扩展的模拟量信号模块、模拟量输入信号滤波器及计量传感器等器件。模拟量信号模块和PLC之间通过现场总线接口电路实现信号传递，模拟量信号模块和计量传感器之间通过通信电缆连接，模拟量输入信号滤波器防止计量共模干扰信号和平衡块电机设备产生的电磁干扰信号，保证平衡块制造计量信号的准确传递。该电路简化了信号传递方式，能在出现计量共模干扰信号和平衡块电机设备产生的电磁干扰信号时避免计量信号误差，可准确有效地反映平衡块骨料、水泥、水、添加剂的计量信号，防止配料质量出现偏差，测量精度高且反馈迅速，保证了平衡块制造精度，并达到了质量控制指标。

现场设备PLC的模拟信号控制模块由计量信号变量值的模糊化控制和控制量运算，使用模拟信号控制模块代替传统的比例/积分/微分控制;为防止出现计量共模干扰信号和工地现场各种电机电磁设备对计量传感信号的干扰，PLC的模拟信号控制模块通过模拟量输入信号滤波器和计量传感器的信号部分连接，通过从现场采集的模拟信号流量或压力输入到计量传感器中，产生的控制量输入到模拟量输入信号滤波器，经信号滤波后输入到模拟信号控制模块，根据输入到模拟信号控制模块的控制量，进行相应的计量控制。

防止干扰的平衡块制造计量信息采集电路结构框图如图1所示。

图1 防干扰平衡块制造计量信息采集电路结构框图

3 防止信息干扰技术方案的实施

在该电路中，模拟量信号模块和PLC之间通过现场总线接口电路实现信号传递，模拟量信号模块和计量传感器之间通过通信电缆连接，模拟量输入信号滤波器防止计量共模干扰信号和平衡块电机设备产生的电磁干扰信号，保证平衡块制造计量信号的准确传递。防止信息干扰电路的具体实施方案如下。

(1)扩展的模拟量输入模块EM235可以通过拨码开关设置出不同的测量方法。开关的设置应用于整个模拟量输入模块，1个模块只能设置为1种测量范围，而且开关设置后只有在重新上电后才能生效。

(2)为避免现场的共模电压影响，将模拟量输入模块EM235的M端与所有信号的负端连接，未连接传感器的通道全部进行了短接。由于模拟量输入模块EM235内部没有隔离，共模电压不会大于12 V。

(3)使用模拟量输入滤波器的途径有:在Micro/Win中进入“View ＞System block＞Tab:Analog Input Filters”。

(4)选择模拟量输入滤波时，选择“Number of samples”和“Deadband”。“Number of samples”区域包含了由几个采样值平均值计算得出的值。当N与“Number of samples”相等时计算出该值。而死区(Deadband)定义了允许偏离于平均值的最大值。

(5)如果没有精确的信号源，模拟量输入模块不要在现场进行调整。但如果偏置(OFFSET)和增益(GAIN)电位器已被重新调整过，则在有精确的信号源时需要对模拟量输入模块在现场使用前进行输入校准。其校准步骤如下:

1)切断模块电源，根据输入类型选择好拨码开关(DIP)，选择出需要的输入范围;

2)接通CPU和模块电源，使模块稳定15 min;

3)用1个校准源的变送器，1个电压源或1个电流源，输入零值信号到1个输入端;

4)读取适当的输入通道在CPU中的测量值;

5)调节OFFSET电位器，直到读数为零，或所需要的数据(注意，采用EM231将没有OFFSET调节功能);

6)用校准源输入满刻度值信号到输入端子中的1个接口，并读出送到CPU的值;

7)调节GAIN电位器，直到读数为32000或所需要的数据为止;

8)必要时在现场重复上述偏置和增益校准过程。

4 防止信息干扰电路的质量控制措施

在现场计量信息采集电路的调试过程中，需要采取一些防止信息干扰电路的质量控制措施。比如使用防止干扰的平衡块制造计量信息采集电路时要注意良好的接地。信息传递介质需要使用屏蔽双绞线，信息传递线路要尽可能短，而不能超过规定信息传递长度;现场接线尽量使用原装电缆和接头，接头需要按规范进行制作;屏蔽层更要规范接地，CPU或模块的PE端也要接地，否则屏蔽层相当于没用;如果在等电位不能保证的情况下，屏蔽层需要在信号源端单端接地;还要避免将导线弯成锐角，并短接未用通道;信息传递信号必须按信号的类型正确接线:为了抑制共模干扰，模拟量输入信号的负端要连接到模块电源输入的M端子上。

现场施工时，通信电缆一定要远离动力电缆，也要尽量避免二者平行走线，当平行布线时，通信电缆需穿管敷设;同时，采取措施保持通信端口之间的共模电压差在一定范围内。对于非隔离的通信口(如CPU上的通信口)，保证它们之间等电位非常重要。在S7－200 CPU联网时，可以将所有CPU模块传感器电源输出的L+/M中的M端子用导线串接起来，在S7－200CPU与现场变频器通信时，需要将所有变频器通信端口的 M(如果是西门子 MM4系列，就是#2端子)连接起来，并与CPU上的传感器电源M连接。

在采取了这些防止信息干扰电路的质量控制措施后，再注意现场的一些具体情况，就可从根本上防止配料计量出现偏差，及时调整混凝土进料量，保证混凝土制造精度和质量。2012年年底，三峡升船机工程采用该方法顺利完成了全部192块混凝土平衡块制造，全部产品进行了称重检测，合格率100%，说明该防止干扰的平衡块制造计量信息采集电路可靠性较高。

［1］王霞，杨打生，蒋安蒙.电气控制与PLC应用［M］.北京:中国电力出版社，2011.