自主可控PLC溫度模塊抗干擾能力提升研究及應用

方賢思

（貴州烏江水電開發有限責任公司構皮灘發電廠，貴州 遵義 564408）

構皮灘水電站位于貴州省余慶縣構皮灘鎮，是烏江流域上開發的第七個梯級水電站，工程以發電為主，兼顧航運、防洪等綜合利用。電站總裝機容量5×600MW，是國家“十五”計劃重點工程、是貴州省實施“西電東送”戰略的標志性工程，是貴州省、中國華電集團公司已建成最大的水電站。構皮灘發電廠在推進下位機自主可控PLC改造調試過程中，發現溫度模塊采集定子繞組、主變油溫這種離大電流環境近的測溫電阻信號，測值受到的強磁場干擾出現頻繁跳變現象。溫度信號采集精準可靠對發電機組安全運行具有極大影響，提高自主可控PLC溫度采集模塊采集精度和抗干擾能力，不僅對安全生產尤為重要，而且對進一步推廣自主可控項目具有重要意義。

1 現場概況及分析

在工業生產中熱電阻一般應用于中低溫區的溫度測量，不同材質的熱電阻對應不同的測溫范圍：Pt100測溫范圍是-200～850℃，對應的阻值范圍是18.52～390.48Ω。現場采用的溫度采集模塊采用三線制Pt100測溫電阻信號。構皮灘發電廠首臺自主可控下位機PLC改造機組，容量為600MW，額定電流為21394A，改造調試過程中對溫度模塊進行卡件測試，數據準確未見異常，后經空載運行，溫度采集也正常。當機組并網運行接近最大發電功率時，發現機組多處定子繞組、主變油溫測點開始出現無規律跳變，跳變測點通道分別出現在不同盤柜的不同測溫模塊，并且隨著機組負荷增大，跳變幅度和頻率也跟著升高，機組解列后跳變現象消失。因溫度模塊經卡件測試正常，基本排除PLC硬件問題，檢查測溫電阻線纜接地良好。調試人員在機組開機并網狀態下采用示波器對跳變比較嚴重的測點通道和未跳變的通道進行采樣（如圖1、2）。通過波形分析對比，跳變比較嚴重的通道，其數據波形上疊加了比較嚴重的干擾波形。并且對比仍采用國外PLC機組的測點情況，通道上存在同樣干擾，但測值未出現跳變。

圖1 機組定子繞組測溫未跳變通道外接線波形圖

圖2 機組定子繞組測溫跳變通道外接線波形圖

從未跳變通道和跳變通道的外部接線波形圖來看，測溫通道外部接線均有大小不一的干擾存在：

（1）未跳變通道外接線上存在干擾，基礎噪聲不規律且伴隨著偶然的脈沖干擾，波形圖上看到干擾波形的峰峰值達到2.76V。

（2）跳變通道外接線上存在干擾，在未跳變通道的干擾類型的基礎上還疊加正弦波干擾，波形圖上看到干擾波形的峰峰值達到3.12V，波動性與幅值都比未跳變通道的干擾更大。

2 方案制定

2.1 溫度模塊抗干擾優化設計

結合現場試驗結果分析，溫度跳變原因還是因為溫度模塊采集信號過程中抗干擾能力較弱，特別是采集大電流回路中電阻信號時，受工頻干擾影響明顯，需針對性的提升模塊抗高頻干擾能力。基于對溫度模塊軟、硬件工作原理的研究，電廠從硬件回路和軟件算法兩個方面展開模塊抗干擾能力優化研究。

（1）硬件優化。硬件優化措施：磁珠的功能主要是消除存在于傳輸線結構(電路)中的RF噪聲，RF能量是疊加在直流傳輸電平上的交流正弦波成分，直流成分是需要的有用信號。要消除這些不需要的信號能量，使用片式磁珠扮演高頻電阻的角色(衰減器)。通過硬件優化，溫度采集信號在并網狀態進行采集記錄，從采集數據分析，硬件優化后對抗干擾能力有一定的效果，但效果不是很明顯。

（2）軟件濾波。濾波原理：針對現場溫度值的跳變，軟件采取的措施有以下三點：一是提高溫度采集頻率，縮短模塊軟件采集和處理周期，單位時間內獲取更多溫度數據；二是加強去極值平均濾波方法，疊加濾除正弦干擾波形的濾波算法，去除不合理的跳變溫度值和正弦波干擾。三是對現場特定的干擾，增加相應的濾波算法。

圖3 軟件濾波算法原理

2.2 濾波算法簡介

熱電阻模塊的RTD信號輸入后，濾波算法利用電阻溫度探測器采集溫度信號A，基于高斯低通濾波器設計濾波器，并結合切比雪夫函數優化濾波器，利用優化后的濾波器去除溫度信號中的正弦波干擾，獲得溫度信號B，通過F-P濾波器對溫度信號B中的低頻信號進行濾波處理。設計濾波器包括，采用巴特沃斯低通濾波器作為所述濾波器，基于所述低通濾波器設定濾波器的技術指標，指標包括帶寬、低端阻帶處的抑制高度和帶內回波損耗，根據現場實際情況，帶寬設為800MHz，低端阻帶處的抑制高度設為30dB，帶內回波損耗設為30dB。進一步的，選取切比雪夫函數作為濾波器的逼近函數，根據逼近函數確定諧振腔的數目，完成濾波器的優化。利用優化后的濾波器去除溫度信號中的正弦波干擾，獲得溫度信號B。濾波器需要比較長的建立時間，濾波器的輸出對于輸入信號的響應需要至少5個采樣周期，圖4演示了濾波器的響應過程。

圖4 濾波算法示意

圖中，T為濾波器采樣周期，采樣周期的計算公式為：

式中，Fs為軟件設置的數據輸出頻率，當Fs=1時，T1=61，當Fs>1時，T1=95，fclk為濾波器時鐘信號的頻率。

通過試驗，F-P濾波器對于50Hz（±1Hz）的工頻干擾信號具有很好的抑制效果，對于50Hz的工頻干擾，濾波器的衰減可達120dB。

實驗數據及模擬測試結果：采用新的軟件濾波后，經過測試，通道采集精度正常，抗干擾能力得到提升。在實驗室模擬實驗結果如圖5。

圖5 軟件濾波算法溫度階躍模擬測試結果

根據在電廠測量到的干擾波形，在實驗室采用同周期的三角波進行模擬，測試濾波軟件對于電廠干擾的濾除效果如圖6。

圖6 軟件濾波效果（縱坐標單位0.1℃）

3 方案應用

為進一步保證測溫模塊軟件濾波算法優化，不影響現場元件的真實測值，能準確反應元件采集信號，在電廠現場展開測試，為保證試驗真實性和可靠性，電廠分別采用電阻箱阻值調整和實際電阻加熱試驗兩種方式對溫度模塊展開測試。

3.1 精度測試

（1）用校驗合格的電阻箱接入測溫模塊，在PLC觸摸屏上記錄數值。

表1 靜態測試

（2）同類長線新RTD傳感器并接入測溫模塊，分別在室溫和用干式校驗爐加熱情況下進行讀值。

表2 動態測試

3.2 現場測試

經靜態測試正常后，將模塊更換至機組進行動態測試，通過更換前后對比，測點穩定性有了明顯改善，并且通過數據比對，采集精度滿足運行要求。

（1）無論是干擾小的還是干擾大的測點，溫度采集曲線都已經明顯平穩，濾波效果顯著。

（2）從曲線圖上，采用新的濾波算法后，溫度跳動在±0.7℃范圍內。

4 結語

本文重點研究了自主可控PLC溫度模塊抗干擾能力提升方法，并完成工程運用。抗干擾能力提升后的自主可控測溫模塊具有測量范圍寬、實用性強、精度高、可靠性高等優點，具有良好的推廣價值。