某自主可控PLC 温度采集模块抗干扰性能提升研究

2022-08-02向强铭夏国强

水电站机电技术 2022年7期

向强铭，夏国强，张鹏

（中国长江电力股份有限公司三峡水力发电厂，湖北宜昌 443133）

0 引言

目前，我国巨型水电机组计算机监控系统现地控制单元LCU（Local Control Unit）可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，PLC)基本上采用的ABB、西门子、施耐德等外国品牌。在当前复杂的国际关系格局下，电力行业作为关系到国计民生的基础性行业，为提高安全保障水平，迫切需要建立一套基于国产自主可控PLC 的水电站计算机监控系统。现某巨型水力发电厂计算机监控系统上位机软硬件已完全实现了国产化，现地LCU 核心控制器PLC 仍采用国外品牌，随着国产PLC 产品不断成熟，PLC 从内部核心芯片的设计和生产，再到外部驱动回路的制造[3]，均已实现了国产化，这为巨型水电机组计算机监控系统完全自主可控打下了坚实基础。

在机组正常运行过程中，计算机监控系统实时对轴瓦温度、定子铁心、空冷器进出水温度等进行采集，如果温度超过相关定值，监控系统就会发出告警信息，严重情况下LCU 将启动事故停机流程，进而导致机组非计划停运，因此，轴瓦及定子铁心温度的准确测量对保障机组安全稳定运行至关重要。本文针对机组LCU 改造调试过程中傲拓科技自主可控NJ600 系列PLC 温度采集模块AIM401-0805 存在测量值跳变进行分析，研究并采取相应的解决措施，确保温度测量的准确性。

1 测温模块整体框架简介

某巨型水电站单机额定容量700 MW，现地LCU 需采集的轴瓦温度、定子铁心温度、绕组出水端温度、空冷器进出水管水温等各类温度量共计590点，综合考虑到备用点数量，在LCU 改造过程中现场配置了76 块8 通道温度采集模块AIM401-0805。AIM401-0805 模块整体框架如图1 所示。

图1 温度采集模块整体框架图

模块主要由3 线制热电阻（RTD）测温模块输入、输入信号处理、AD 转换、恒流源、光耦隔离电路、输入信号检测以及CPU 模块等组成。模块通过端子引入8 路现场三线制RTD 信号，利用高精度恒流源产生一个高精度恒定电流，通过采集输入通道RTD电阻上的电压，经信号处理模块对信号进行放大、滤波，再经过AD 转换后通过光耦隔离的串行总线送入CPU，从而完成对现场温度信号的采集。

在某台机组LCU 改造初期调试阶段，为了测试真实环境下的测温模块性能，现场将相邻正常运行机组备用定子槽温RTD 接入改造调试平台，发现停机态下采集到的定子槽温存在20℃左右的跳变，采集的温度曲线如图2 所示。

图2 机组LCU 改造调试阶段温度测量曲线

2 测温模块主要干扰分析及对策

针对模块采集真实工况下的定子槽温存在跳变，现场将不受干扰的电阻箱直接接至测温模件，测量到的温度值不存在跳变且测值精度高，因而基本上可判断出AIM 401-0805 测温模块测值跳变主要原因是测量定子线圈温度时受到机组内部电磁场产生的工频干扰影响和外部的一些干扰信号影响。为此，分别从硬件和软件方面采取相应的策略提升模块抗干扰性能。

2.1 硬件方面抗干扰设计

根据图1 所示的模块整体框架图，考虑到现场复杂的电磁干扰环境，在RTD 测温模块输入端，选用带金属屏蔽层的信号输入电缆，将定子槽温RTD信号从机组风洞内RTD 端子箱引接至安装模块所在的电气盘柜，电缆在盘柜进线处进行良好的单端接地，有效抑制部分电磁干扰。在输入信号处理电路环节通过低通滤波器对差模干扰和共模干扰进行衰减来降低干扰信号的影响，同时通过限幅电路保护输入通道，提升输入信号的稳定性。

针对影响测量精度及整个测量系统稳定性的工频干扰，AD 转换芯片的配置是关键，为此，选用了分辨率高，并且可以设置一些参数使其具有工频抑制能力的Σ-Δ 型ADC 芯片。Σ-Δ 型芯片单片集成，可以输出两个完全匹配的电流源，实现线电阻消除以及简化AD 输入信号到AD 转换的整体电路。针对发电机定子温度等RTD 为慢变量这一特点，Σ-Δ 型ADC 芯片内部集成的数字滤波器对采样值进行数字滤波处理，达到滤除部分干扰噪声，ADC 中数字滤波器的滤波特性与采样速率有关，最终根据实际应用情况综合衡量多方面因素后确定出合适的采样速率。

ADC 芯片还采用中位值滤波法，中位值滤波法的实现方法为:连续采样5 个值，把5 个值按大小顺序排列，取中间值为本次有效值。这种方法有效减少了偶然误差, 同时增加了测量值的准确性。

AIM 401-0805 测温模块抗干扰能力的提升离不开内部隔离电路的搭建，良好的隔离是系统稳定工作必不可少的因素。为了提升模块的测量精度，减少外部环境对模拟信号的干扰，对CPU 与ADC芯片之间的串行通信接口进行电气隔离设计，CPU传输的指令、数据信号不直接与AD 相连而是通过高速光耦进行连接，通过隔离器件把噪声干扰的路径切断，从而达到抑制噪声干扰的效果。

2.2 软件方面抗干扰设计

AIM 401-0805 测温模块数据采集与处理程序软件算法流程如图3 所示。

图3 软件算法处理流程图

50 Hz 工频干扰会对发电机定子温度测量产生极大的影响[1]，除了在硬件方面采取抗干扰对策外，需进一步在软件方面采取相关的措施。试验发现选择带工频50 Hz/60 Hz 滤波功能的Σ-ΔADC 芯片，根据现场实际工况，在软件方面配置合适的50 Hz滤波选项。

Σ-ΔADC 芯片都有一个芯片ID，是一个只读数据，不同信号的芯片ID 号不同。在读取之前先判断总线读取到的芯片ID 是否为芯片的自有ID，判断软件读写是否受到干扰。AIM401-0805 测温模块内部ADC 芯片采用I2C 或者SPI 总线和CPU 进行通信，现场配置为SPI 模式。在前一步读取ID 号正确的前提下，通过读取配置寄存器的数值和配置的参数做对比，如果正确，则SPI 总线通信正常，且ADC 芯片工作正常，否则复位ADC 芯片，这样再一次判断芯片是否受到了干扰。接着读取ADC 的转换值，这样可以保证每次读取到的ADC 转换值没有异常，从而大大降低了错误率。同时在芯片中配置CRC 校验、SPI 读/写错误判断程序、SPI_IGNORE错误检测，更进一步减少出错误概率。

采集过程中滤波算法有取值求平均、去抖，一阶滤波处理数据过程中记录数据异常情况，当达到一定次数时，复位ADC，在试验过程中发现，ADC 芯片在多次长时间的干扰（5 h 以上）下会发生ADC 不输出情况，即当外界传感器发生变化，ADC 输出不正常或者不输出。为此在软件中增加判断语句，统计这种情况发生的次数，当发生次数达到设定值时，软件复位ADC 芯片。