淺述沖壓車間壓力機(jī)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)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(xiàn)場(chǎng)總線是一種串行的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通訊鏈路，它溝通了生產(chǎn)過程領(lǐng)域的基本控制設(shè)備（即現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備）與更高層次自動(dòng)控制領(lǐng)域的自動(dòng)化控制設(shè)備（即車間級(jí)設(shè)備）之間的聯(lián)系?，F(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)主要包括一些實(shí)際應(yīng)用的設(shè)備，如PLC、掃描器、電源、輸入輸出站、終端電阻等。其它系統(tǒng)也可以包括變頻器、智能儀表、人機(jī)界面等。

目的：由于現(xiàn)代化壓力機(jī)電氣系統(tǒng)是以PLC為控制核心，以現(xiàn)場(chǎng)總線為紐帶組成的高速、準(zhǔn)確的信息通道。而現(xiàn)場(chǎng)工廠的應(yīng)用環(huán)境極易對(duì)這種弱電系統(tǒng)造成干擾而產(chǎn)生設(shè)備故障。為了解決這個(gè)難題，我與齊齊哈爾二機(jī)床廠、金豐中國(guó)機(jī)械有限公司、日本AIDA公司技術(shù)人員深入交流，摸索經(jīng)驗(yàn)，創(chuàng)立出一系列應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)的解決方案。

1 通訊方式的轉(zhuǎn)變

由于沖壓車間配電平臺(tái)位于地面4米，加上電柜自身2米多的高度和現(xiàn)場(chǎng)布線距離，要想使電柜內(nèi)的控制核心PLC(可編程控制器)與壓力機(jī)操作面板的人機(jī)界面觸摸屏進(jìn)行通訊，必須要經(jīng)過電纜橋架、電纜溝引線進(jìn)入壓機(jī)線管再進(jìn)入觸摸屏，這樣實(shí)際通訊距離長(zhǎng)達(dá)20米到30米，因而工業(yè)控制觸摸屏通訊線纜與PLC距離過遠(yuǎn)極易造成信號(hào)衰減或受到其他強(qiáng)電場(chǎng)干擾造成開機(jī)后無(wú)法連接人機(jī)界面。通過現(xiàn)場(chǎng)勘查并分析原因，我認(rèn)為齊齊哈爾二機(jī)床廠原設(shè)計(jì)通訊接口RS232不能滿足該工況，因?yàn)镽S232接口的缺點(diǎn)為以下四點(diǎn)：

接口的信號(hào)電平值較高，易損壞接口電路的芯片，又因?yàn)榕cTTL電平不兼容故需使用電平轉(zhuǎn)換電路方能與TTL電路連接。

傳輸速率較低，在異步傳輸時(shí)，波特率為20Kbps；

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

傳輸距離有限，實(shí)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(jī)床廠技術(shù)人員購(gòu)置RS422接口，RS422通過兩對(duì)雙絞線可以全雙工工作收發(fā)互不影響，該接口模塊在19kpbs下能傳輸1200米，完全能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)情況，在現(xiàn)場(chǎng)其中一臺(tái)壓力機(jī)將RS422接口更換后，原故障從未發(fā)生，從而推廣到其他兩臺(tái)，有效的避免了因信號(hào)損失和強(qiáng)點(diǎn)干擾引起的設(shè)備故障。圖1為更換后的RS422接口。

2 浪涌、諧波的影響和強(qiáng)弱電隔離

由于車間內(nèi)包括壓力機(jī)本身在內(nèi)存在大量的電動(dòng)機(jī)、變頻器、直流調(diào)速等動(dòng)力設(shè)備，因而浪涌和諧波的電網(wǎng)干擾相當(dāng)嚴(yán)重，同時(shí)壓力機(jī)各個(gè)終端是強(qiáng)電和弱電的結(jié)合體，交流與直流的電流干擾長(zhǎng)期存在，對(duì)于MITSUBISHI公司獨(dú)產(chǎn)的CC-LINK和德國(guó)PROFIBUS DP、OMRON公司的DEVICE NET三種現(xiàn)場(chǎng)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(shè)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(chǎn)生的強(qiáng)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(lái)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(jié)電容擊穿,電阻燒斷等等。

在電力系統(tǒng)中諧波產(chǎn)生的根本原因是由于非線性負(fù)載所致。當(dāng)電流流經(jīng)負(fù)載時(shí)，與所加的電壓不呈線性關(guān)系，就形成非正弦電流，即電路中有諧波產(chǎn)生。諧波的危害十分嚴(yán)重。諧波使電能的生產(chǎn)、傳輸和利用的效率降低，使電氣設(shè)備過熱、產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，并使絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發(fā)生故障或燒毀。諧波可引起電力系統(tǒng)局部并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，使諧波含量放大，造成電容器等設(shè)備燒毀。諧波還會(huì)引起繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置誤動(dòng)作，使電能計(jì)量出現(xiàn)混亂。對(duì)于電力系統(tǒng)外部，諧波對(duì)通信設(shè)備和電子設(shè)備會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。

現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)一般暴露于浪涌環(huán)境中，浪涌過電流就可能被感應(yīng)到主干回路和交流或直流電源供應(yīng)上進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)。受影響的單元包含控制器和電源供應(yīng)設(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備如，現(xiàn)場(chǎng)總線終端，中繼器，擴(kuò)展模塊，電源模塊。

因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)是通過一個(gè)普通的主干回路來(lái)控制和處理數(shù)據(jù)處理，保護(hù)整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)是至關(guān)重要的，保證不會(huì)發(fā)生多個(gè)設(shè)備停工的情況。這在現(xiàn)場(chǎng)總線過程應(yīng)用領(lǐng)域是非常重要的，因?yàn)橛锌赡馨l(fā)生工作人員受傷和過程設(shè)備的損壞。

為了避免出現(xiàn)上述復(fù)雜的電磁干擾現(xiàn)象，我分析該問題并與金豐機(jī)械有限公司電氣技術(shù)人員深入交流后，要求將PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線供電電源與設(shè)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(shè)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(chǎng)干擾。單獨(dú)設(shè)立一個(gè)為PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)干擾的主要措施,它是利用屏蔽體切斷或削弱干擾場(chǎng)的空間耦合通道,阻止其電磁能量傳遞.屏蔽可以分為電場(chǎng)屏蔽,磁場(chǎng)屏蔽和電磁場(chǎng)屏蔽三種.其中電磁場(chǎng)屏蔽同時(shí)兼有抗電磁干擾和抗輻射干擾能力,即同時(shí)具有磁場(chǎng)屏蔽和電場(chǎng)屏蔽的功能。

我們對(duì)網(wǎng)絡(luò)周圍的強(qiáng)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(jìn)行良好接地.當(dāng)利用電氣控制屏作為屏蔽罩時(shí),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(huì)導(dǎo)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(chǎng)干擾.同時(shí)還能利用屏蔽罩在干擾源高頻磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生反方向的渦流磁場(chǎng)使之抵消并削弱其干擾作用,顯著降低了高頻電磁場(chǎng)對(duì)受擾電路的影響.在現(xiàn)場(chǎng)總線終端設(shè)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?cè)谠械默F(xiàn)場(chǎng)總線屏蔽接頭處進(jìn)行金屬護(hù)網(wǎng)線的包裹，對(duì)旋轉(zhuǎn)編碼器也進(jìn)行了金屬屏蔽。同時(shí)將其總線單處接地線變?yōu)槎嗵幗拥?，以防止接地線阻抗太大，干擾噪聲電壓太高而引起的設(shè)備故障。

小結(jié)：實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境極其復(fù)雜，對(duì)自控系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾已經(jīng)成為不可能回避的問題。作為控制系統(tǒng)重要組成部分的現(xiàn)場(chǎng)總線，處在復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中，不可避免地存在各種各樣的干擾，因此，提高現(xiàn)場(chǎng)總線的抗干擾能力，是控制系統(tǒng)高效運(yùn)行的重要因素，通過上述增強(qiáng)車間內(nèi)壓力機(jī)現(xiàn)場(chǎng)總線有效措施的應(yīng)用，使得車身廠沖壓車間壓力機(jī)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)抗干擾能力得到了全面的提升。

[1]美 James A.Rehg Glenn J.Sartori.工業(yè)電子技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社.

[2]舒志兵.現(xiàn)場(chǎng)總線運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)[M]北京：電子工業(yè)出版社.