水泥企业计算机数据采集系统与抗干扰措施
摘自中国自动化网特别推荐
引言
随着水泥生产设备和技术的不断发展,90年代以来新建的干法水泥生产线几乎全都采用了计算机技术。其中以中央集中控制系统和DCS集散控制系统为主。
本公司1993年筹建700t/d新型干法生产线初期,对国内外应用现状认真分析后,兼顾公司受资金制约、无力承受引进成套系统软件的实际情况,考虑采用生产指导系统方式对回转窑工艺参数进行采集和实时监测。基于多媒体信息处理手段和专家系统的推理判断方法,向生产人员显示整个生产过程中信息的同时,以语音、图像、文字等多种表达形式,使操作者及时获取回转窑生产线上各关键部位的实时工况。并提出相应的生产操作方法,指导工人生产。这种将计算机的生产指导功能和操作者的主观能动性结合起来的应用方式,可以克服常规操作中靠人工观察窑内工况,操作者凭经验进行操作控制等不足,使之达到统一操作方法、稳定热工制度,进而稳产、高产的目的。同时又可避免大部分自动控制厂家常遇到的因检测元件失准、执行机构故障以及计算机判断失误等因素造成的误操作。
1、系统简介
本公司方案为“数据采集—监测管理—生产指导”三级计算机组成的分布式系统。下位机选用STD工控机和BITBUS网络系统。其电气接口采用平衡传送的RS-485标准,传输介质为双绞线。中位机和上位机选用INTEL工业PC。投运三年来,系统工作正常。能在多媒体计算机支持下,对由普通工业摄象机获取的窑内物料烧成反应等信息,通过图象处理技术,模拟人工观察看火方法,得到诸如烧成带温度分布等表征窑内工况的特征量。综合水泥回转窑常规工艺参数、经验数据、工人和专家操作经验以及实时采集的过程信号,建立起实时专家系统。能通过图文、声音等媒体显示窑内工况,并及时提出生产指导建议。BITBUS网络与IPC工控机组成的生产过程监测系统,具有抗干扰性能好、多级计算机间通信能力强等优点。并解决了生产过程中大量信息的采集、处理、存贮、传送、显示、报警等问题。成为一套投资省、故障少、使用方便、实用性强的计算机数据检测处理和生产指导系统,基本实现了预期目标。
根据生产线各监测点实际分布情况,我们将三套数据采集器分别布置在工艺参数监测点相对集中的窑尾、煤磨和窑头控制室内,组成三个各自独立的从站。每个从站处理数据能力为32路,总数据处理量可达128路。
由于受传统操作方法影响,生产工人长期以来习惯于观察仪表盘进行操作。因而在系统设计初期,要求生产线上各重要的温度、压力、流量、转速、负荷等参数监测都置有单独的仪表显示。来自传感元件、变送器的信号必须先进入数显仪表后再接至下位机进行数据采集。仪表盘仅显示瞬间示值,计算机屏幕除有定时刷新、自动翻页、巡检显示工艺参数等功能外,还贮有储存量高达数月的原始数据,便于生产管理者和操作人员随时分析窑况,查找各种参数的动态变化趋势,并为不断修正生产指导系统软件和检验操作方法提供依据。鉴于计算机与显示仪表合用一套传感变送元件,同时各检测点到数据采集下位机及中、下位机之间距离较远,容易导致生产现场的各种电磁干扰对系统运行可靠性构成威胁。
2、抗干扰措施
微机系统的可靠性是由多种因素决定的,而系统的抗干扰性能是其重要指标之一。习惯上我们把对电测系统或仪器的测量结果起影响作用的各种外部或内部的无用信号称为干扰。干扰的影响,轻则降低信号的质量,重则破坏电路的正常功能,造成逻辑关系混乱,控制失灵。理论和实践证明,产生电磁干扰必须满足干扰源、传输途径和对干扰敏感的接收电路三者同时存在的条件。如果三者中有任意一个条件无法得到满足,干扰也就不复条件,因而抑制或消除干扰的措施就是设法破坏其中的一个或几个干扰生成的基本条件。通常采取的方法不外乎抑制噪声源,直接消除干扰产生的原因;切断电磁干扰的传递途径,消除干扰源与受扰设备之间的干扰耦合;加强受扰设备抵抗电磁干扰的能力,降低其对干扰的敏感度。
提高设备的抗干扰能力必须从设计阶段开始,并贯穿在制作、调试和运行维护的全过程中。在系统设计与实验室研究阶段,我们曾对三级计算机系统的构成、BITBUS网络的联接以及彼此之间的通信进行了反复论证与实验。除试图研制一套有通用性并适用于生产过程监测和数据处理的软硬件外,对现场设备的抗干扰措施也作了认真的研究与分析,制定了尽可能完善的方案。
2.1 合理选用系统底板,降低机内噪声与干扰
在STD工控机应用系统设计中,为加快研制开发速度,提高性能指标,增强可靠性,往往选用标准模板按“总体设计—模块选择—积木式组装—分调—总调—现场运行”的模式进行。
STD总线底板(母板)的功能是把系统内各功能模板间的数据线、地址线、控制线互相连接,并通过底板上的电源线(面)为各功能模板提供系统电源。理论上要求尽可能降低总线底板阻抗,使高频脉冲信号通过时不致产生失真。底板总线上信号的任何失真都被视为噪声干扰。
本系统选用高性能的四层STD总线底板,这种新型底板将中间两层印刷电路面分别用作大面积的电源面和地线面。同时底板上各信号线之间也用地线进行隔离以降低线间分布电容引起的串扰。并且采用多点与内层地线面相连接的技术。同时主板上需用电源的总线插座都可以就近与电源面及地线面连接,从而缩短了连线长度并降低了阻抗及电压降。该主板信号线的特征阻抗值已与总线驱动器的输出阻抗值相接近,使后者能向信号线提供更为充裕的信号驱动功率。
2.2 正确配置机内、外电源,消除来自电源的干扰
微机系统中危害最严重的干扰来源于电源。为了防止从电源系统引入干扰,通常采用交流稳压器提高系统的稳定性;用隔离变压器来消除主、次级间的寄生耦合干扰,提高其抗共模抑制比能力;在电源入口端接低通滤波器或双T型滤波器以消除工频干扰等多种措施。
我们在数据采集器机内选用工业级高可靠抗干扰稳压电源,工频交流电经过变压、整流、滤波、稳压后得到系统所需的各档电压。并通过增加滤波级数、加大滤波电容等方式消除来自电网的传导噪声和因滤波不佳引起的纹波噪声,具有稳压精度高、抗干扰性能强等特点。并有较高的共模抑制比及串模抑制比,能在较宽频率范围抑制干扰。
2.3 采取光电隔离措施,消除由过程通道窜入的电磁干扰
过程通道包括前向通道、后向通道与主机或主机相互间进行信息传输的途径。系统前向通道的任务是完成信号的拾取、调节和变换。由于前向通道靠近被测对象,而传感器输出的往往是弱小信号,因而系统中前向通道是干扰侵袭的主要渠道。
抑制输入、输出接口窜入干扰的最有效措施是用隔离的方式切断其耦合通道。我们在前向通道中选用带光电耦合器件的A/D转换模板,出于光电耦合器以光为媒介进行信号传输,使其在电气上互不干扰。且具有信号单向传输、无触点、共模抑制比大、易与逻辑电路配合等特点,足以抑制数字系统对模拟信号特别是弱小信号状态下的干扰。当然这种措施仅解决了信号与大地间的隔离,对于一个有多路模拟信号输入的系统来说,模拟输入通道之间的高共模干扰所引起的影响还需要用增设电磁隔离放大器或线性光耦隔离电路等方式来解决。
2.4 采用双绞线通信,消除由线间电磁感应引起的串扰
过程通道包括前向通道、后向通道与主机或主机相互间进行信息传输的途径。系统前向通道的任务是抵消干扰源在信号回路上产生的磁通密度,或将导线靠近接地线布置也是常用的方法。
为了模拟生产现场电磁干扰环境和考验信号远距离输送的抗干扰性能,我们在实验室调试时有意识增大信号线长度,还在室内人为布置了一些干扰源进行电磁噪声干扰,力图为现场安装调试积累资料。
在现场接线、静态调试阶段,数据采集系统及计算机数据处理过程正常。但当回转窑系统投料运行、联机统调时,发现尽管在系统设计阶段已对设备的抗干扰能力引起足够重视,并已消除了可能出现的大部分干扰。而水泥生产现场高温、多尘的恶劣环境,加上信号电缆大都沿窑体桥架或电缆沟与动力线路、控制回路并列敷设,沿途的高、低压电缆、直流调速装置,以及电压高达120kV的大功率高压整流设备,还有为数众多的电磁振打装置、变频设备等各类干扰源,对系统的影响仍十分严重。
2.5 消除电源和接地系统的干扰
经反复调试和综合分析比较,发现除了现场环境中的强电干扰不容忽视外,源于电源和接地系统的干扰更为严重。由于计算机网络的交流电源都来自就近车间的动力屏,设计和布线时忽略了动力系统的不平衡电流引起的内部回流会通过电源引入线严重干扰计算机网络的工作。而它们间的相互耦合又产生各种内部干扰。我们采取如下措施逐一解决:
1)增设计算机专用电源,消除由交流电源线引入的干扰。
我们从厂变电站为计算机系统布置一条35mm2的三相四线专用电源线,直接放至窑头上位机控制现场。再从上位机分别向三个数据采集站分相输出分支电源线。消除了当动力回路中出现电压波动或三相电流不平衡时在零线中产生回流引起的电磁干扰。
2)增大信号传输线和接地线截面,降低传输干扰。
通常把设备、电路与信号电位公共参考点实现低阻抗连接称为接地。电子设备的接地目的主要有两个,其一为了安全,即安全接地;其二是为了给系统提供一个基准电位,并为高频干扰提供低阻通路,即工作接地。正常接地是抑制噪声、防止干扰的重要手段,接地不当会导致干扰耦合而加剧。但是无论何种接地方式,公共接地面(或线)都有一定的阻抗,当电流流经地线时会产生压降,加之地线还可能与其它引线构成环路,从而成为干扰源。接地系统引进的干扰按其产生原因可分为地电阻干扰和地环路干扰。我们消除系统中接地干扰的主要措施是:增大接地线截面以减小公共地线阻抗;正确选择接地方式和接地点以隔断地环路;并把接地和隔离、屏蔽结合起来,使之发挥其抗干扰作用。当我们把信号传输线的截面增大一倍时,也收到了噪声明显降低的效果。
3)对周围强电磁干扰源采取屏蔽并接地。
屏蔽是抑制空间场干扰的主要措施,它是利用屏蔽体切断或削弱干扰场的空间耦合通道,阻止其电磁能量传递。屏蔽可以分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽三种。其中电磁场屏蔽同时兼有抗电磁干扰和抗辐射干扰能力,即同时具有磁场屏蔽和电场屏蔽的功能。
我们对网络周围的强电磁干扰源利用其自身的金属壳体作为屏蔽罩,并将屏蔽罩进行良好接地。当利用电气控制屏作为屏蔽罩时,则要求壳体各部分间有良好的电气连接,任何壳体间的绝缘都会导致干扰外逸。屏蔽罩的作用是切断干扰源通过分布电容耦合通道引起的电场干扰。同时还能利用屏蔽罩在干扰源高频磁场的作用下产生反方向的涡流磁场使之抵消并削弱其干扰作用,显著降低了高频电磁场对受扰电路的影响。
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克服工业自动化控制系统中前向过程通道的干扰措施之一
在工业现场，在距离较远的电气设备、仪表、PLC控制系统、DCS系统之间进行信号传输时，往往存在干扰，造成系统不稳定甚至误操作。除系统内、外部干扰影响外，还有一个十分重要的原因就是各种仪器设备的接地处理问题。一般情况下，设备外壳需要接大地，电路系统也要有公共参考地。但是，由于各仪表设备的参考点之间存在电势差，因而形成接地环路，由于地线环流会带来共模及差模噪声及干扰，常常造成系统不能正常工作。一个理想的解决方案是，对设备进行电气隔离，这样，原本相互联接的地线网络变为相互独立的单元，相互之间的干扰也将大大减小。
所以在工业自动化控制系统，及仪器仪表、传感器应用中，广泛采用4~20mA电流来传输控制、检测信号。由于4~20mA电流环路抗干扰能力强，线路简单，可用来传输几十甚至几百米长的模拟信号。一般情况下，传输距离超过10米，就需要对电流信号进行隔离。
MHM-05就是一种模拟信号隔离器，又有称作安全隔离栅、也有称作信号变送器、属于信号调理的范畴。其主要起抗干扰作用。正因为它有特强的抗干扰能力所以在自动化控制系统中应用非常广泛。尤其是在工业自动程度越来越高。一次传感器应用数量随此增多，对传感器的精度和灵敏度要求越来越高。控制程序也越来越复杂，对于工业现场的干扰是错综复杂的，由来自控制现场如电动机的启动停止、大电流接触器的切换、可控硅的调相、电弧电脉冲、电磁波等等复杂的干扰群，在系统设计时务必要充分的考虑采用隔离措施来确保系统的可靠性，切断各种可能引发干扰的通道。整个系统设计的可靠性是系统成败的一个非常重要的环节。所以对工业标准远传模拟量信号DC 4-20mA通过信号隔离器使输出模拟信号与系统完全隔离，不存在任何公共点，也就是通常被称之为绝缘隔离状态。从引进的许多自动化工程项目统计，在现场模拟信号采集中应用1：1的电流信号隔离器的比例极高，真可谓不用不知道，在许多国内自建项目中，在大系统集成过程中受阻，然后再解入隔离措施得以解决的案例还少吗？所以为什么在系统设计之初，要反复强调运用抗干扰措施，这是许多现实案例的经验教训对我们设计者的谨示。这种技术措施的确是当今自动化控制系统中，克服前向过程通道最有效的抗干扰措施之一。
信号隔离器其主要与DCS、PLC等工业智能测控系统配合使用。用来完善和补充系统模拟I/O插件功能，增强现场与远传信号的可靠性。但是目前市场上许多信号隔离器还需要另外加接辅助电源，还是以技术含量比较低的产品充彻市场，使用时会也带来不便。从系统可靠性角度来分析，其多一个部件的加入不但多增加了一个故障点的可发性，也可能引入了新的干扰通道。而今随着新技术新工艺的发展，许多器件的性能不断地完善，而且器件功耗已经下降到可以被忽略境地，因此上海毅伦机电有限公司新设计的MHM-05A型信号隔离器就是应用了现代新技术而设计的一种不需要外接任何辅助电源的隔离器。它只有二个输入端，二个输出端，给系统设计和应用带来了方便。同时也提高了系统可靠性。MHM-05A在结构上采用了片状模块卡口式结构，可直接卡入标准DIN道轨，所以安装拆卸和维护非常方便。可以多片紧凑叠合安装在标准道轨上节省或替代控制柜输入、输出的接线端子。MHM-05C型是电子模块结构，可以直接安装在PCB印刷线路板上应用。
MHM-05系列信号隔离器为无源隔离型，单路输入，单路隔离输出。输入4-20 mA。输出4-20 mA。