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          工業現場RS485通訊干擾問題處理

          學術期刊發表網 位置:理工論文 時間:2021-01-09 09:49 (12)

          摘要:摘要:在工業現場, 使用大量開關電源、變頻器等非線性用電設備, 伴隨高電壓、大電流等惡劣的電磁環境, 使得電磁干擾成為工業現場最為常見的問題。文章結合使用逆變器場所出

            摘要:在工業現場, 使用大量開關電源、變頻器等非線性用電設備, 伴隨高電壓、大電流等惡劣的電磁環境, 使得電磁干擾成為工業現場最為常見的問題。文章結合使用逆變器場所出現的RS485通訊問題, 采取多種技術手段對干擾進行抑制, 使通訊設備可以正常運行。

            關鍵詞:通訊; 干擾; RS485;

            Abstract:In the industrial field, the use of a large number of switching power supplies, inverters and other non-linear electrical equipment, accompanied by high voltage, large current and other harsh electromagnetic environment, making electromagnetic interference (EMI) become the most common problem in industrial field.Combined with the RS485 communication problem in the inverter place, the interference is restrained by many kinds of technical means, so that the communication equipment can run normally.

            Keyword:communication; interference; RS485;

          工業現場RS485通訊干擾問題處理

            隨著電子技術的發展, 越來越多的場所使用了半導體開關電源、變頻器等非線性用電設備, 這些設備的增多給電網帶來不好影響, 即增多了電網的諧波污染。良好的電網主要是由50Hz的正弦基波成分構成, 而非線性開關設備的應用, 給電網帶來了其它頻次的高次諧波。這些諧波干擾以電場耦合、磁場耦合的方式影響到附近設備的正常工作。特別是以電壓形式傳輸的模擬量信號、通訊信號更容易受到干擾, 當信號受到干擾后, 設備便不能正常運行。一般情況下, 如果在設計和安裝前就充分考慮使用屏蔽電纜、屏蔽層接地、合理部局器件擺放位置、優化布線等措施能夠解決大部分的干擾問題。但是在一些干擾強、工況復雜的場合, 出現的干擾問題卻難以查找和解決。本文結合現場實際情況, 使用EMC理論對遇到的通訊干擾問題進行分析和處理。

            1、干擾問題工況

            在某儲能逆變器現場, 使用帶有RS485通訊功能的電能表。該電能表對500kW逆變器的運行數據進行采集, 將正、反向有功功率、電壓、電流等信息傳輸給就地監控系統進行處理。電能表的基本原理是通過電網電壓檢測口來對電網電壓信號采集, 交流電壓在整流后為電能表提供內部工作供電電源;由電流接口采集電流互感器的電流信號;電網電壓、電流信號經電能表內部的CPU計算處理后, 通過RS485接口與上位機進行數據傳輸。

            在實際應用過程中發現;在逆變器起機后, 與電能表通訊口相連的PLC通訊模塊總是報錯, 就地監控系統無法正常讀取電能表各項數據。使用示波器對通訊總線的測量發現, 通訊傳輸線上的傳輸信號上出現了干擾信號, 總線傳輸信號峰-峰值可達到8V, 通訊信號基本湮沒在干擾信號中 (圖1所示) .而在逆變器停機后, PLC讀取電能表各項變量正常, 通訊信號中沒有干擾出現。

            2、安裝調試前采用的抗干擾措施

            在設備安裝調試前, 考慮了電磁兼容性問題。已經對可能遇到的干擾問題采取了預防性措施。

            首先, 通訊線纜使用了特性匹配為120歐姆的雙絞屏蔽通訊電纜。使用該線纜依據為: (1) 屏蔽層有削弱干擾的磁場作用。磁屏蔽利用高導材料的低磁阻特性, 磁場進行分路 (H1《H0) , 使線纜較少受到磁場作用。另外外部磁場穿透屏蔽材料時產生渦流對干擾磁場進行削弱。 (2) 雙絞線可以降低磁場干擾。導線雙絞可以使通過兩根導線所包圍的磁勢一正一反相互抵消, 整體上達到了將外部干擾磁場作用于通訊線的感應電動勢降為最小的效果。 (3) 屏蔽層可以降低電場干擾。由于線纜和周圍環境存在分布電容 (圖2為分布電容模型) , 而電場通過分布電容對信號進行影響。

            在屏蔽層接地情況下, 減小了外部電場對導線的影響。屏蔽電纜的屏蔽層在電纜末端接頭處, 如果部分導線裸露在屏蔽層之外, 會引入電磁干擾, 為避免末端效應, 屏蔽層末端與接頭保證360°良好接觸。另外, 在現場對通訊線纜的屏蔽層做了良好的接地處理。經過現場測試, 采用單端接地方式效果較好。通常情況下, 屏蔽層采用單端接地還是雙端接地方式通常由現場實際工況決定。如果接地點存在電勢差, 在屏蔽層中產生電流, 使被屏蔽線纜受到干擾, 則不宜采取雙端接地方式。雖然已經采取了以上措施, 但是依然未能避免現場出現的通訊干擾問題。

            3、增加匹配電阻防止通訊信號的反射

            依據長導線傳輸理論, 電磁波遇到阻抗不匹配、突變將發生反射。在傳輸電纜的末端只要跨接了與電纜特性阻抗相匹配的終端電阻, 就能大大減少信號反射現象。由于電纜的特性阻抗是120Ω, 所以終端電阻采用120Ω的電阻進行匹配。在電能表和PLC監控模塊兩端各增加了120Ω的電阻, 后對通訊信號進行測量, 實測通訊波形如圖3所示。從實測波形可以看出, 雖然干擾波峰-峰幅值有所降低, 但是通訊信號中依然存在干擾信號, 未能解決干擾問題。

            4、使用隔離變壓器隔離削弱共模干擾信號

            考慮到電能表的供電和測量均是由被測系統直接提供, 為避免高頻諧波從供電系統直接引入到電能表中, 再通過通訊線傳輸到上位機PLC, 使用了1:1的隔離變壓器對采樣電壓進行隔離。

            經過測量, 干擾的峰-峰值從3.84V降到了1.84V, 有2V的降幅, 但是主控PLC通訊模塊, 仍然有通訊報錯的情況發生。另外, 使用隔離變壓器這種方式有致命的缺點:受變壓器制作工藝水平的限制, 測量精確度不可能做得很高, 這樣采集到的實際電壓誤差將會變大, 電壓、功率測量結果精確度難以滿足要求。

            5、使用磁環削弱高頻信號干擾

            線纜在磁環上進行繞制, 可以制成等效的電感。

            假設UL為電感兩端電壓, IL為電感兩端電流隨著頻率f的增加, UL增加, 則Uo減小。

            分別在電壓輸入、電流檢測輸入以及通訊回路增加磁環, 將原線纜在磁環上進行繞制, 等效制作成串在各回路中的電感, 以降低高頻信號對電能表的影響。在使用了磁環后, 通訊干擾信號得以降低 (如圖4所示) , 就地監控系統與電能表能夠正常通訊。

            6、結束語

            現場存在干擾情況各異, 可能需要采用多種的技術手段予以解決, 圍繞電磁干擾三要素:騷擾源、耦合途徑、敏感設備這三方面入手尋找解決辦法, 基本上都能對問題進行解決。設計前對系統整體有所把握, 對柜內強、弱電布局有充分的了解。在設計時本著強弱分離, 交、直分開的原則, 以避免因布局、走線不合理將干擾引入到通訊系統中。通訊、模擬量等信號線要使用帶有屏蔽層的雙絞電纜。并做好線纜屏蔽層的接地, 保證屏蔽層所接系統地純凈, 接地電阻小。而且要根據現場實際情況選擇合適的接地方式, 并保證接地連接良好。必要時增加電源濾波器、隔離變壓器等措施加強系統的抗干擾能力。有沖擊性、強干擾的負載避免與敏感的控制、檢測型負載使用公共電源。

            參考文獻

            [1]梁振光。電磁兼容原理、技術及應用[M].機械工業出版社, 2007.

            [2]任清晨。電氣控制柜設計制作-電路篇[M].電子工業出版社, 2014.

            作者:姜傳彥

            相關期刊推薦:《科技風》是經國家新聞出版總署批準,河北省科學技術協會主管,河北省科技咨詢服務中心主辦的國內公開發行的大型綜合類科技期刊。國內統一刊號:CN13-1322/N;國際標準刊號:ISSN1671-7341,郵發代號:18-38,半月刊標準大16K開本。


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