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。現(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期存在，對(duì)于MITSUBISHI公司獨(dú)產(chǎn)的CC-LINK和德國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)槎嗵幗拥兀苑乐菇拥鼐€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.