現(xiàn)場(chǎng)總線存在的干擾源有哪些？

1 引言

由于計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、通訊技術(shù)等在自控領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，抗干擾技術(shù)就更顯得尤為重要。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(wèn)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。

隨著根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)IEC1158定義，安裝在制造或過(guò)程區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)裝置與控制室內(nèi)的自動(dòng)控制裝置之間的數(shù)字式、串行、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線稱為現(xiàn)場(chǎng)總線。當(dāng)今全球最流行的現(xiàn)場(chǎng)總線有FF總線（Fieldbus Foundation）、Profibus、Modbus等。不管哪一種現(xiàn)場(chǎng)總線，在介質(zhì)上傳輸?shù)亩际?a target="_blank">數(shù)字信號(hào)，由于干擾噪音的原因，使得“1”變成了“0”，“0”變成了“1”，從而影響到現(xiàn)場(chǎng)總線的性能，甚至于現(xiàn)場(chǎng)總線不能正常工作。不管從理論分析，還是從經(jīng)驗(yàn)獲得，現(xiàn)場(chǎng)總線的抗干擾能力均低于4-20mA模擬電流信號(hào)，研究并解決現(xiàn)場(chǎng)總線的抗干擾問(wèn)題非常重要。

2 現(xiàn)場(chǎng)存在的干擾源

（1） 傳動(dòng)系統(tǒng)

是現(xiàn)場(chǎng)最大的干擾源。傳動(dòng)系統(tǒng)的總負(fù)荷，約占水處理車(chē)間總負(fù)荷的1/3以上，在系統(tǒng)的整流和逆變中，大功率電力電子元器件不定時(shí)的進(jìn)行高速開(kāi)和關(guān)的轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生大量的高頻電磁波，污染整個(gè)車(chē)間，并且產(chǎn)生大量高次諧波，污染工頻電網(wǎng)。

（2） 變壓器、MCC柜、電力電纜和動(dòng)力設(shè)備

這些設(shè)備均為工頻，頻率較低，干擾一般發(fā)生在近場(chǎng)，而近場(chǎng)中隨著干擾源的特性不同，電場(chǎng)分量和磁場(chǎng)分量有著很大差別。特別是動(dòng)力設(shè)備啟動(dòng)時(shí)，瞬間電流能夠達(dá)到額定電流的6-11倍，會(huì)產(chǎn)生大電流沖擊的暫態(tài)干擾。

（3） 來(lái)自工頻電源的干擾

工頻電源波形畸變和高次諧波，若未加隔離或?yàn)V波，便會(huì)通過(guò)供電系統(tǒng)而進(jìn)入控制系統(tǒng)，從而影響整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線。

（4） 導(dǎo)線接觸不良產(chǎn)生的火花、電弧等；

（5） 三相供電不平衡產(chǎn)生的地電流、屏蔽層不共地產(chǎn)生的接地環(huán)流。

2.2 干擾的傳播途徑

（1） 由導(dǎo)線來(lái)傳輸，稱為傳導(dǎo)干擾。說(shuō)處理車(chē)間的現(xiàn)場(chǎng)總線中，主要表現(xiàn)為地線阻抗干擾和來(lái)自工頻電源的干擾。

（2） 通過(guò)空間以輻射的形式來(lái)傳輸，稱為輻射干擾。

3 現(xiàn)場(chǎng)總線的抗干擾措施

3.1 抗遠(yuǎn)離干擾源

空間中任一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B，服從畢奧-薩伐定律，見(jiàn)下式：

式中：

μ：磁導(dǎo)率，H/m；

dv：源點(diǎn)周?chē)幍捏w積元，m3；

r：dv到場(chǎng)點(diǎn)（x，y，z）的距離，m；

er：源點(diǎn)指向場(chǎng)點(diǎn)的單位矢量。

對(duì)于線形電流I，由Jdv=Idl，得：

式中：

dl—源點(diǎn)附近的長(zhǎng)度，m

式（1）適用于用電設(shè)備周?chē)拇鸥袘?yīng)強(qiáng)度，式（2）適用于動(dòng)力電纜周?chē)拇鸥袘?yīng)強(qiáng)度?？梢?jiàn)，水處理車(chē)間的動(dòng)力設(shè)備和電力電纜對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線的干擾，與距離的平方成反比，即隨距離的增大，干擾衰減非?？?。所以，現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備遠(yuǎn)離用電設(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)總線電纜與動(dòng)力電纜分層橋架布置，都能起到很好的防干擾作用。遠(yuǎn)離干擾源，是防止輻射干擾的重要措施。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備和電纜的屏蔽

隨著現(xiàn)場(chǎng)總線屏蔽的機(jī)理，一是外來(lái)電磁波在金屬表面產(chǎn)生渦流，從而抵消原來(lái)的磁場(chǎng)；二是電磁波在金屬表面產(chǎn)生反射損耗，另一部分透射波在金屬屏蔽層內(nèi)傳播過(guò)程中，衰減產(chǎn)生吸收損耗?，F(xiàn)場(chǎng)總線的屏蔽是利用由導(dǎo)電材料制成的屏蔽并結(jié)合接地，來(lái)切斷干擾源。

3.3 采用UPS電源或隔離變壓器

采用UPS電源或隔離變壓器可防止來(lái)自工頻電源的干擾。

3.4 采用光纜傳輸信號(hào)

隨著在現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸速率高、傳輸距離遠(yuǎn)、干擾大的情況下，盡可能地采用光纜。采用光纜后，能夠解決輻射干擾和傳導(dǎo)干擾的眾多問(wèn)題。若在不共地兩點(diǎn)之間，或者在接地狀況很不好的情況下，采用光纜傳輸現(xiàn)場(chǎng)總線信號(hào)，可有效防止接地環(huán)流等干擾。特別是車(chē)間的自動(dòng)控制系統(tǒng)與電機(jī)傳動(dòng)、MCC之間，容易存在接地電位差，或接地環(huán)流，要特別注意，選用光纜優(yōu)于選用雙絞線。
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