水泥企業(yè)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與抗干擾措施
摘自中國(guó)自動(dòng)化網(wǎng)特別推薦
引言
隨著水泥生產(chǎn)設(shè)備和技術(shù)的不斷發(fā)展,90年代以來(lái)新建的干法水泥生產(chǎn)線(xiàn)幾乎全都采用了計(jì)算機(jī)技術(shù)。其中以中央集中控制系統(tǒng)和DCS集散控制系統(tǒng)為主。
本公司1993年籌建700t/d新型干法生產(chǎn)線(xiàn)初期,對(duì)國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀認(rèn)真分析后,兼顧公司受資金制約、無(wú)力承受引進(jìn)成套系統(tǒng)軟件的實(shí)際情況,考慮采用生產(chǎn)指導(dǎo)系統(tǒng)方式對(duì)回轉(zhuǎn)窯工藝參數(shù)進(jìn)行采集和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)�；诙嗝襟w信息處理手段和專(zhuān)家系統(tǒng)的推理判斷方法,向生產(chǎn)人員顯示整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中信息的同時(shí),以語(yǔ)音、圖像、文字等多種表達(dá)形式,使操作者及時(shí)獲取回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)線(xiàn)上各關(guān)鍵部位的實(shí)時(shí)工況。并提出相應(yīng)的生產(chǎn)操作方法,指導(dǎo)工人生產(chǎn)。這種將計(jì)算機(jī)的生產(chǎn)指導(dǎo)功能和操作者的主觀(guān)能動(dòng)性結(jié)合起來(lái)的應(yīng)用方式,可以克服常規(guī)操作中靠人工觀(guān)察窯內(nèi)工況,操作者憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行操作控制等不足,使之達(dá)到統(tǒng)一操作方法、穩(wěn)定熱工制度,進(jìn)而穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)的目的。同時(shí)又可避免大部分自動(dòng)控制廠(chǎng)家常遇到的因檢測(cè)元件失準(zhǔn)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障以及計(jì)算機(jī)判斷失誤等因素造成的誤操作。
1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介
本公司方案為"數(shù)據(jù)采集-監(jiān)測(cè)管理-生產(chǎn)指導(dǎo)"三級(jí)計(jì)算機(jī)組成的分布式系統(tǒng)。下位機(jī)選用STD工控機(jī)和BITBUS網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。其電氣接口采用平衡傳送的RS-485標(biāo)準(zhǔn),傳輸介質(zhì)為雙絞線(xiàn)。中位機(jī)和上位機(jī)選用INTEL工業(yè)PC。投運(yùn)三年來(lái),系統(tǒng)工作正常。能在多媒體計(jì)算機(jī)支持下,對(duì)由普通工業(yè)攝象機(jī)獲取的窯內(nèi)物料燒成反應(yīng)等信息,通過(guò)圖象處理技術(shù),模擬人工觀(guān)察看火方法,得到諸如燒成帶溫度分布等表征窯內(nèi)工況的特征量。綜合水泥回轉(zhuǎn)窯常規(guī)工藝參數(shù)、經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)、工人和專(zhuān)家操作經(jīng)驗(yàn)以及實(shí)時(shí)采集的過(guò)程信號(hào),建立起實(shí)時(shí)專(zhuān)家系統(tǒng)。能通過(guò)圖文、聲音等媒體顯示窯內(nèi)工況,并及時(shí)提出生產(chǎn)指導(dǎo)建議。BITBUS網(wǎng)絡(luò)與IPC工控機(jī)組成的生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng),具有抗干擾性能好、多級(jí)計(jì)算機(jī)間通信能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。并解決了生產(chǎn)過(guò)程中大量信息的采集、處理、存貯、傳送、顯示、報(bào)警等問(wèn)題。成為一套投資省、故障少、使用方便、實(shí)用性強(qiáng)的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)檢測(cè)處理和生產(chǎn)指導(dǎo)系統(tǒng),基本實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。
根據(jù)生產(chǎn)線(xiàn)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)際分布情況,我們將三套數(shù)據(jù)采集器分別布置在工藝參數(shù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)集中的窯尾、煤磨和窯頭控制室內(nèi),組成三個(gè)各自獨(dú)立的從站。每個(gè)從站處理數(shù)據(jù)能力為32路,總數(shù)據(jù)處理量可達(dá)128路。
由于受傳統(tǒng)操作方法影響,生產(chǎn)工人長(zhǎng)期以來(lái)習(xí)慣于觀(guān)察儀表盤(pán)進(jìn)行操作。因而在系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期,要求生產(chǎn)線(xiàn)上各重要的溫度、壓力、流量、轉(zhuǎn)速、負(fù)荷等參數(shù)監(jiān)測(cè)都置有單獨(dú)的儀表顯示。來(lái)自傳感元件、變送器的信號(hào)必須先進(jìn)入數(shù)顯儀表后再接至下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。儀表盤(pán)僅顯示瞬間示值,計(jì)算機(jī)屏幕除有定時(shí)刷新、自動(dòng)翻頁(yè)、巡檢顯示工藝參數(shù)等功能外,還貯有儲(chǔ)存量高達(dá)數(shù)月的原始數(shù)據(jù),便于生產(chǎn)管理者和操作人員隨時(shí)分析窯況,查找各種參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì),并為不斷修正生產(chǎn)指導(dǎo)系統(tǒng)軟件和檢驗(yàn)操作方法提供依據(jù)。鑒于計(jì)算機(jī)與顯示儀表合用一套傳感變送元件,同時(shí)各檢測(cè)點(diǎn)到數(shù)據(jù)采集下位機(jī)及中、下位機(jī)之間距離較遠(yuǎn),容易導(dǎo)致生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的各種電磁干擾對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行可靠性構(gòu)成威脅。
2 抗干擾措施
微機(jī)系統(tǒng)的可靠性是由多種因素決定的,而系統(tǒng)的抗干擾性能是其重要指標(biāo)之一。習(xí)慣上我們把對(duì)電測(cè)系統(tǒng)或儀器的測(cè)量結(jié)果起影響作用的各種外部或內(nèi)部的無(wú)用信號(hào)稱(chēng)為干擾。干擾的影響,輕則降低信號(hào)的質(zhì)量,重則破壞電路的正常功能,造成邏輯關(guān)系混亂,控制失靈。理論和實(shí)踐證明,產(chǎn)生電磁干擾必須滿(mǎn)足干擾源、傳輸途徑和對(duì)干擾敏感的接收電路三者同時(shí)存在的條件。如果三者中有任意一個(gè)條件無(wú)法得到滿(mǎn)足,干擾也就不復(fù)條件,因而抑制或消除干擾的措施就是設(shè)法破壞其中的一個(gè)或幾個(gè)干擾生成的基本條件。通常采取的方法不外乎抑制噪聲源,直接消除干擾產(chǎn)生的原因;切斷電磁干擾的傳遞途徑,消除干擾源與受擾設(shè)備之間的干擾耦合;加強(qiáng)受擾設(shè)備抵抗電磁干擾的能力,降低其對(duì)干擾的敏感度。
提高設(shè)備的抗干擾能力必須從設(shè)計(jì)階段開(kāi)始,并貫穿在制作、調(diào)試和運(yùn)行維護(hù)的全過(guò)程中。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)室研究階段,我們?cè)鴮?duì)三級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成、BITBUS網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)接以及彼此之間的通信進(jìn)行了反復(fù)論證與實(shí)驗(yàn)。除試圖研制一套有通用性并適用于生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)處理的軟硬件外,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的抗干擾措施也作了認(rèn)真的研究與分析,制定了盡可能完善的方案。
2.1 合理選用系統(tǒng)底板,降低機(jī)內(nèi)噪聲與干擾
在STD工控機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,為加快研制開(kāi)發(fā)速度,提高性能指標(biāo),增強(qiáng)可靠性,往往選用標(biāo)準(zhǔn)模板按"總體設(shè)計(jì)-模塊選擇-積木式組裝-分調(diào)-總調(diào)-現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行"的模式進(jìn)行。
STD總線(xiàn)底板(母板)的功能是把系統(tǒng)內(nèi)各功能模板間的數(shù)據(jù)線(xiàn)、地址線(xiàn)、控制線(xiàn)互相連接,并通過(guò)底板上的電源線(xiàn)(面)為各功能模板提供系統(tǒng)電源。理論上要求盡可能降低總線(xiàn)底板阻抗,使高頻脈沖信號(hào)通過(guò)時(shí)不致產(chǎn)生失真。底板總線(xiàn)上信號(hào)的任何失真都被視為噪聲干擾。
本系統(tǒng)選用高性能的四層STD總線(xiàn)底板,這種新型底板將中間兩層印刷電路面分別用作大面積的電源面和地線(xiàn)面。同時(shí)底板上各信號(hào)線(xiàn)之間也用地線(xiàn)進(jìn)行隔離以降低線(xiàn)間分布電容引起的串?dāng)_。并且采用多點(diǎn)與內(nèi)層地線(xiàn)面相連接的技術(shù)。同時(shí)主板上需用電源的總線(xiàn)插座都可以就近與電源面及地線(xiàn)面連接,從而縮短了連線(xiàn)長(zhǎng)度并降低了阻抗及電壓降。該主板信號(hào)線(xiàn)的特征阻抗值已與總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器的輸出阻抗值相接近,使后者能向信號(hào)線(xiàn)提供更為充裕的信號(hào)驅(qū)動(dòng)功率。
2.2 正確配置機(jī)內(nèi)、外電源,消除來(lái)自電源的干擾
微機(jī)系統(tǒng)中危害最嚴(yán)重的干擾來(lái)源于電源。為了防止從電源系統(tǒng)引入干擾,通常采用交流穩(wěn)壓器提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性;用隔離變壓器來(lái)消除主、次級(jí)間的寄生耦合干擾,提高其抗共模抑制比能力;在電源入口端接低通濾波器或雙T型濾波器以消除工頻干擾等多種措施。
我們?cè)跀?shù)據(jù)采集器機(jī)內(nèi)選用工業(yè)級(jí)高可靠抗干擾穩(wěn)壓電源,工頻交流電經(jīng)過(guò)變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓后得到系統(tǒng)所需的各檔電壓。并通過(guò)增加濾波級(jí)數(shù)、加大濾波電容等方式消除來(lái)自電網(wǎng)的傳導(dǎo)噪聲和因?yàn)V波不佳引起的紋波噪聲,具有穩(wěn)壓精度高、抗干擾性能強(qiáng)等特點(diǎn)。并有較高的共模抑制比及串模抑制比,能在較寬頻率范圍抑制干擾。
2.3 采取光電隔離措施,消除由過(guò)程通道竄入的電磁干擾
過(guò)程通道包括前向通道、后向通道與主機(jī)或主機(jī)相互間進(jìn)行信息傳輸?shù)耐緩�。系統(tǒng)前向通道的任務(wù)是完成信號(hào)的拾取、調(diào)節(jié)和變換。由于前向通道靠近被測(cè)對(duì)象,而傳感器輸出的往往是弱小信號(hào),因而系統(tǒng)中前向通道是干擾侵襲的主要渠道。
抑制輸入、輸出接口竄入干擾的最有效措施是用隔離的方式切斷其耦合通道。我們?cè)谇跋蛲ǖ乐羞x用帶光電耦合器件的A/D轉(zhuǎn)換模板,出于光電耦合器以光為媒介進(jìn)行信號(hào)傳輸,使其在電氣上互不干擾。且具有信號(hào)單向傳輸、無(wú)觸點(diǎn)、共模抑制比大、易與邏輯電路配合等特點(diǎn),足以抑制數(shù)字系統(tǒng)對(duì)模擬信號(hào)特別是弱小信號(hào)狀態(tài)下的干擾。當(dāng)然這種措施僅解決了信號(hào)與大地間的隔離,對(duì)于一個(gè)有多路模擬信號(hào)輸入的系統(tǒng)來(lái)說(shuō),模擬輸入通道之間的高共模干擾所引起的影響還需要用增設(shè)電磁隔離放大器或線(xiàn)性光耦隔離電路等方式來(lái)解決。
2.4 采用雙絞線(xiàn)通信,消除由線(xiàn)間電磁感應(yīng)引起的串?dāng)_
過(guò)程通道包括前向通道、后向通道與主機(jī)或主機(jī)相互間進(jìn)行信息傳輸?shù)耐緩�。系統(tǒng)前向通道的任務(wù)是抵消干擾源在信號(hào)回路上產(chǎn)生的磁通密度,或?qū)?dǎo)線(xiàn)靠近接地線(xiàn)布置也是常用的方法。
為了模擬生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)電磁干擾環(huán)境和考驗(yàn)信號(hào)遠(yuǎn)距離輸送的抗干擾性能,我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室調(diào)試時(shí)有意識(shí)增大信號(hào)線(xiàn)長(zhǎng)度,還在室內(nèi)人為布置了一些干擾源進(jìn)行電磁噪聲干擾,力圖為現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試積累資料。
在現(xiàn)場(chǎng)接線(xiàn)、靜態(tài)調(diào)試階段,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理過(guò)程正常。但當(dāng)回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)投料運(yùn)行、聯(lián)機(jī)統(tǒng)調(diào)時(shí),發(fā)現(xiàn)盡管在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段已對(duì)設(shè)備的抗干擾能力引起足夠重視,并已消除了可能出現(xiàn)的大部分干擾。而水泥生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)高溫、多塵的惡劣環(huán)境,加上信號(hào)電纜大都沿窯體橋架或電纜溝與動(dòng)力線(xiàn)路、控制回路并列敷設(shè),沿途的高、低壓電纜、直流調(diào)速裝置,以及電壓高達(dá)120kV的大功率高壓整流設(shè)備,還有為數(shù)眾多的電磁振打裝置、變頻設(shè)備等各類(lèi)干擾源,對(duì)系統(tǒng)的影響仍十分嚴(yán)重。
2.5 消除電源和接地系統(tǒng)的干擾
經(jīng)反復(fù)調(diào)試和綜合分析比較,發(fā)現(xiàn)除了現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中的強(qiáng)電干擾不容忽視外,源于電源和接地系統(tǒng)的干擾更為嚴(yán)重。由于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的交流電源都來(lái)自就近車(chē)間的動(dòng)力屏,設(shè)計(jì)和布線(xiàn)時(shí)忽略了動(dòng)力系統(tǒng)的不平衡電流引起的內(nèi)部回流會(huì)通過(guò)電源引入線(xiàn)嚴(yán)重干擾計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的工作。而它們間的相互耦合又產(chǎn)生各種內(nèi)部干擾。我們采取如下措施逐一解決:
1)增設(shè)計(jì)算機(jī)專(zhuān)用電源,消除由交流電源線(xiàn)引入的干擾。
我們從廠(chǎng)變電站為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)布置一條35mm2的三相四線(xiàn)專(zhuān)用電源線(xiàn),直接放至窯頭上位機(jī)控制現(xiàn)場(chǎng)。再?gòu)纳衔粰C(jī)分別向三個(gè)數(shù)據(jù)采集站分相輸出分支電源線(xiàn)。消除了當(dāng)動(dòng)力回路中出現(xiàn)電壓波動(dòng)或三相電流不平衡時(shí)在零線(xiàn)中產(chǎn)生回流引起的電磁干擾。
2)增大信號(hào)傳輸線(xiàn)和接地線(xiàn)截面,降低傳輸干擾。
通常把設(shè)備、電路與信號(hào)電位公共參考點(diǎn)實(shí)現(xiàn)低阻抗連接稱(chēng)為接地。電子設(shè)備的接地目的主要有兩個(gè),其一為了安全,即安全接地;其二是為了給系統(tǒng)提供一個(gè)基準(zhǔn)電位,并為高頻干擾提供低阻通路,即工作接地。正常接地是抑制噪聲、防止干擾的重要手段,接地不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致干擾耦合而加劇。但是無(wú)論何種接地方式,公共接地面(或線(xiàn))都有一定的阻抗,當(dāng)電流流經(jīng)地線(xiàn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生壓降,加之地線(xiàn)還可能與其它引線(xiàn)構(gòu)成環(huán)路,從而成為干擾源。接地系統(tǒng)引進(jìn)的干擾按其產(chǎn)生原因可分為地電阻干擾和地環(huán)路干擾。我們消除系統(tǒng)中接地干擾的主要措施是:增大接地線(xiàn)截面以減小公共地線(xiàn)阻抗;正確選擇接地方式和接地點(diǎn)以隔斷地環(huán)路;并把接地和隔離、屏蔽結(jié)合起來(lái),使之發(fā)揮其抗干擾作用。當(dāng)我們把信號(hào)傳輸線(xiàn)的截面增大一倍時(shí),也收到了噪聲明顯降低的效果。
3)對(duì)周?chē)鷱?qiáng)電磁干擾源采取屏蔽并接地。
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?chē)膹?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(guò)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。
MHM系列信號(hào)抗干擾傳輸設(shè)備
數(shù)字信號(hào)：HMM-01
光柵隔離信號(hào)傳輸器
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MHM-02A/B 雙路高速光電耦合器
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MHM-06 雙路高速差模信號(hào)轉(zhuǎn)換器
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MHM-01C 單通道光電耦合功率驅(qū)動(dòng)器
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MHM-02C 雙通道光電耦合功率驅(qū)動(dòng)器
模擬信號(hào)：MHM-04B 信號(hào)調(diào)理器 信號(hào)中繼器
信號(hào)分配器
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MHM-05A 信號(hào)隔離器
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MHM-05C 信號(hào)隔離器模塊
