水泥企業(yè)計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與抗干擾措施
摘自中國自動化網(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年代以來新建的干法水泥生產(chǎn)線幾乎全都采用了計算機技術(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)線初期,對國內(nèi)外應用現(xiàn)狀認真分析后,兼顧公司受資金制約、無力承受引進成套系統(tǒng)軟件的實際情況,考慮采用生產(chǎn)指導系統(tǒng)方式對回轉(zhuǎn)窯工藝參數(shù)進行采集和實時監(jiān)測�；诙嗝襟w信息處理手段和專家系統(tǒng)的推理判斷方法,向生產(chǎn)人員顯示整個生產(chǎn)過程中信息的同時,以語音、圖像、文字等多種表達形式,使操作者及時獲取回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)線上各關(guān)鍵部位的實時工況。并提出相應的生產(chǎn)操作方法,指導工人生產(chǎn)。這種將計算機的生產(chǎn)指導功能和操作者的主觀能動性結(jié)合起來的應用方式,可以克服常規(guī)操作中靠人工觀察窯內(nèi)工況,操作者憑經(jīng)驗進行操作控制等不足,使之達到統(tǒng)一操作方法、穩(wěn)定熱工制度,進而穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)的目的。同時又可避免大部分自動控制廠家常遇到的因檢測元件失準、執(zhí)行機構(gòu)故障以及計算機判斷失誤等因素造成的誤操作。
1 系統(tǒng)簡介
本公司方案為"數(shù)據(jù)采集-監(jiān)測管理-生產(chǎn)指導"三級計算機組成的分布式系統(tǒng)。下位機選用STD工控機和BITBUS網(wǎng)絡系統(tǒng)。其電氣接口采用平衡傳送的RS-485標準,傳輸介質(zhì)為雙絞線。中位機和上位機選用INTEL工業(yè)PC。投運三年來,系統(tǒng)工作正常。能在多媒體計算機支持下,對由普通工業(yè)攝象機獲取的窯內(nèi)物料燒成反應等信息,通過圖象處理技術(shù),模擬人工觀察看火方法,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)驗數(shù)據(jù)、工人和專家操作經(jīng)驗以及實時采集的過程信號,建立起實時專家系統(tǒng)。能通過圖文、聲音等媒體顯示窯內(nèi)工況,并及時提出生產(chǎn)指導建議。BITBUS網(wǎng)絡與IPC工控機組成的生產(chǎn)過程監(jiān)測系統(tǒng),具有抗干擾性能好、多級計算機間通信能力強等優(yōu)點。并解決了生產(chǎn)過程中大量信息的采集、處理、存貯、傳送、顯示、報警等問題。成為一套投資省、故障少、使用方便、實用性強的計算機數(shù)據(jù)檢測處理和生產(chǎn)指導系統(tǒng),基本實現(xiàn)了預期目標。
根據(jù)生產(chǎn)線各監(jiān)測點實際分布情況,我們將三套數(shù)據(jù)采集器分別布置在工藝參數(shù)監(jiān)測點相對集中的窯尾、煤磨和窯頭控制室內(nèi),組成三個各自獨立的從站。每個從站處理數(shù)據(jù)能力為32路,總數(shù)據(jù)處理量可達128路。
由于受傳統(tǒng)操作方法影響,生產(chǎn)工人長期以來習慣于觀察儀表盤進行操作。因而在系統(tǒng)設(shè)計初期,要求生產(chǎn)線上各重要的溫度、壓力、流量、轉(zhuǎn)速、負荷等參數(shù)監(jiān)測都置有單獨的儀表顯示。來自傳感元件、變送器的信號必須先進入數(shù)顯儀表后再接至下位機進行數(shù)據(jù)采集。儀表盤僅顯示瞬間示值,計算機屏幕除有定時刷新、自動翻頁、巡檢顯示工藝參數(shù)等功能外,還貯有儲存量高達數(shù)月的原始數(shù)據(jù),便于生產(chǎn)管理者和操作人員隨時分析窯況,查找各種參數(shù)的動態(tài)變化趨勢,并為不斷修正生產(chǎn)指導系統(tǒng)軟件和檢驗操作方法提供依據(jù)。鑒于計算機與顯示儀表合用一套傳感變送元件,同時各檢測點到數(shù)據(jù)采集下位機及中、下位機之間距離較遠,容易導致生產(chǎn)現(xiàn)場的各種電磁干擾對系統(tǒng)運行可靠性構(gòu)成威脅。
2 抗干擾措施
微機系統(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之一。習慣上我們把對電測系統(tǒng)或儀器的測量結(jié)果起影響作用的各種外部或內(nèi)部的無用信號稱為干擾。干擾的影響,輕則降低信號的質(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。理論和實踐證明,產(chǎn)生電磁干擾必須滿足干擾源、傳輸途徑和對干擾敏感的接收電路三者同時存在的條件。如果三者中有任意一個條件無法得到滿足,干擾也就不復條件,因而抑制或消除干擾的措施就是設(shè)法破壞其中的一個或幾個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;加強受擾設(shè)備抵抗電磁干擾的能力,降低其對干擾的敏感度。
提高設(shè)備的抗干擾能力必須從設(shè)計階段開始,并貫穿在制作、調(diào)試和運行維護的全過程中。在系統(tǒng)設(shè)計與實驗室研究階段,我們曾對三級計算機系統(tǒng)的構(gòu)成、BITBUS網(wǎng)絡的聯(lián)接以及彼此之間的通信進行了反復論證與實驗。除試圖研制一套有通用性并適用于生產(chǎn)過程監(jiān)測和數(shù)據(jù)處理的軟硬件外,對現(xiàn)場設(shè)備的抗干擾措施也作了認真的研究與分析,制定了盡可能完善的方案。
2.1 合理選用系統(tǒng)底板,降低機內(nèi)噪聲與干擾
在STD工控機應用系統(tǒng)設(shè)計中,為加快研制開發(fā)速度,提高性能指標,增強可靠性,往往選用標準模板按"總體設(shè)計-模塊選擇-積木式組裝-分調(diào)-總調(diào)-現(xiàn)場運行"的模式進行。
STD總線底板(母板)的功能是把系統(tǒng)內(nèi)各功能模板間的數(shù)據(jù)線、地址線、控制線互相連接,并通過底板上的電源線(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底板阻抗,使高頻脈沖信號通過時不致產(chǎn)生失真。底板總線上信號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面。同時底板上各信號線之間也用地線進行隔離以降低線間分布電容引起的串擾。并且采用多點與內(nèi)層地線面相連接的技術(shù)。同時主板上需用電源的總線插座都可以就近與電源面及地線面連接,從而縮短了連線長度并降低了阻抗及電壓降。該主板信號線的特征阻抗值已與總線驅(qū)動器的輸出阻抗值相接近,使后者能向信號線提供更為充裕的信號驅(qū)動功率。
2.2 正確配置機內(nèi)、外電源,消除來自電源的干擾
微機系統(tǒng)中危害最嚴重的干擾來源于電源。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;用隔離變壓器來消除主、次級間的寄生耦合干擾,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。
我們在數(shù)據(jù)采集器機內(nèi)選用工業(yè)級高可靠抗干擾穩(wěn)壓電源,工頻交流電經(jīng)過變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓后得到系統(tǒng)所需的各檔電壓。并通過增加濾波級數(shù)、加大濾波電容等方式消除來自電網(wǎng)的傳導噪聲和因濾波不佳引起的紋波噪聲,具有穩(wěn)壓精度高、抗干擾性能強等特點。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,消除由過程通道竄入的電磁干擾
過程通道包括前向通道、后向通道與主機或主機相互間進行信息傳輸?shù)耐緩�。系統(tǒng)前向通道的任務是完成信號的拾取、調(diào)節(jié)和變換。由于前向通道靠近被測對象,而傳感器輸出的往往是弱小信號,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。我們在前向通道中選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行信號傳輸,使其在電氣上互不干擾。且具有信號單向傳輸、無觸點、共模抑制比大、易與邏輯電路配合等特點,足以抑制數(shù)字系統(tǒng)對模擬信號特別是弱小信號狀態(tài)下的干擾。當然這種措施僅解決了信號與大地間的隔離,對于一個有多路模擬信號輸入的系統(tǒng)來說,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性光耦隔離電路等方式來解決。
2.4 采用雙絞線通信,消除由線間電磁感應引起的串擾
過程通道包括前向通道、后向通道與主機或主機相互間進行信息傳輸?shù)耐緩健Ｏ到y(tǒng)前向通道的任務是抵消干擾源在信號回路上產(chǎn)生的磁通密度,或?qū)Ь�靠近接地線布置也是常用的方法。
為了模擬生產(chǎn)現(xiàn)場電磁干擾環(huán)境和考驗信號遠距離輸送的抗干擾性能,我們在實驗室調(diào)試時有意識增大信號線長度,還在室內(nèi)人為布置了一些干擾源進行電磁噪聲干擾,力圖為現(xiàn)場安裝調(diào)試積累資料。
在現(xiàn)場接線、靜態(tài)調(diào)試階段,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及計算機數(shù)據(jù)處理過程正常。但當回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)投料運行、聯(lián)機統(tǒng)調(diào)時,發(fā)現(xiàn)盡管在系統(tǒng)設(shè)計階段已對設(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)場高溫、多塵的惡劣環(huán)境,加上信號電纜大都沿窯體橋架或電纜溝與動力線路、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)備等各類干擾源,對系統(tǒng)的影響仍十分嚴重。
2.5 消除電源和接地系統(tǒng)的干擾
經(jīng)反復調(diào)試和綜合分析比較,發(fā)現(xiàn)除了現(xiàn)場環(huán)境中的強電干擾不容忽視外,源于電源和接地系統(tǒng)的干擾更為嚴重。由于計算機網(wǎng)絡的交流電源都來自就近車間的動力屏,設(shè)計和布線時忽略了動力系統(tǒng)的不平衡電流引起的內(nèi)部回流會通過電源引入線嚴重干擾計算機網(wǎng)絡的工作。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)計算機專用電源,消除由交流電源線引入的干擾。
我們從廠變電站為計算機系統(tǒng)布置一條35mm2的三相四線專用電源線,直接放至窯頭上位機控制現(xiàn)場。再從上位機分別向三個數(shù)據(jù)采集站分相輸出分支電源線。消除了當動力回路中出現(xiàn)電壓波動或三相電流不平衡時在零線中產(chǎn)生回流引起的電磁干擾。
2)增大信號傳輸線和接地線截面,降低傳輸干擾。
通常把設(shè)備、電路與信號電位公共參考點實現(xiàn)低阻抗連接稱為接地。電子設(shè)備的接地目的主要有兩個,其一為了安全,即安全接地;其二是為了給系統(tǒng)提供一個基準電位,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,接地不當會導致干擾耦合而加劇。但是無論何種接地方式,公共接地面(或線)都有一定的阻抗,當電流流經(jīng)地線時會產(chǎn)生壓降,加之地線還可能與其它引線構(gòu)成環(huán)路,從而成為干擾源。接地系統(tǒng)引進的干擾按其產(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:增大接地線截面以減小公共地線阻抗;正確選擇接地方式和接地點以隔斷地環(huán)路;并把接地和隔離、屏蔽結(jié)合起來,使之發(fā)揮其抗干擾作用。當我們把信號傳輸線的截面增大一倍時,也收到了噪聲明顯降低的效果。
3)對周圍強電磁干擾源采取屏蔽并接地。
屏蔽是抑制空間場干擾的主要措施,它是利用屏蔽體切斷或削弱干擾場的空間耦合通道,阻止其電磁能量傳遞。屏蔽可以分為電場屏蔽、磁場屏蔽和電磁場屏蔽三種。其中電磁場屏蔽同時兼有抗電磁干擾和抗輻射干擾能力,即同時具有磁場屏蔽和電場屏蔽的功能。
我們對網(wǎng)絡周圍的強電磁干擾源利用其自身的金屬殼體作為屏蔽罩,并將屏蔽罩進行良好接地。當利用電氣控制屏作為屏蔽罩時,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導致干擾外逸。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干擾。同時還能利用屏蔽罩在干擾源高頻磁場的作用下產(chǎn)生反方向的渦流磁場使之抵消并削弱其干擾作用,顯著降低了高頻電磁場對受擾電路的影響。
MHM系列信號抗干擾傳輸設(shè)備
數(shù)字信號：HMM-01
光柵隔離信號傳輸器
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MHM-02A/B 雙路高速光電耦合器
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MHM-06 雙路高速差模信號轉(zhuǎn)換器
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MHM-01C 單通道光電耦合功率驅(qū)動器
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MHM-02C 雙通道光電耦合功率驅(qū)動器
模擬信號：MHM-04B 信號調(diào)理器 信號中繼器
信號分配器
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MHM-05A 信號隔離器
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MHM-05C 信號隔離器模塊
