變頻控制系統(tǒng)電磁干擾分析及對策
1 引言
電磁干擾對控制系統(tǒng)的可靠性,穩(wěn)定性構(gòu)成很大隱患。如何防止電磁干擾,提高系統(tǒng)可靠性是大家普遍關(guān)注的問題。本文針對某水廠變頻控制系統(tǒng)中涉及的變頻器、流量計等設(shè)備的電磁干擾問題進行分析,給出抗干擾措施,實際運行結(jié)果表明經(jīng)過抗干擾處理后,系統(tǒng)通訊正常,穩(wěn)定性和可靠性大大提高。
2 變頻控制系統(tǒng)概述
水廠設(shè)有1個總站,8個分站組成。總站與分站之間采用無線傳輸、輪詢方式通訊。每個分站均由一臺PLC管理，負責與多臺變頻器通訊，實現(xiàn)對相關(guān)設(shè)備的控制和對模擬量的處理。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。電臺及PLC(可編程邏輯控制器)的供電電源分別來自于經(jīng)控制變壓器隔離的AC 220V和DC 24V。PLC與變頻器通過RS-485總線通訊,從而實現(xiàn)對泵的變頻調(diào)速,恒壓供水。
圖1 水廠控制系統(tǒng)框圖
3 干擾分析
根據(jù)電磁的基本原理，形成電磁干擾（EMI）須具備三要素：電磁干擾源、電磁干擾途徑、對電磁干擾敏感的系統(tǒng)。因此，一般從抗和防兩方面入手來抑制干擾，其總原則是抑制和消除干擾源、切斷干擾對系統(tǒng)的耦合通道、降低系統(tǒng)干擾信號的敏感性[1]。結(jié)合水廠實際情況，對干擾的三要素進行分析。
3.1 電磁干擾源
（1）變頻器干擾
變頻器是控制系統(tǒng)實現(xiàn)變頻恒壓供水的*關(guān)鍵部分。變頻器輸入部分是整流電路，輸出部分是逆變電路，它們都是由起開關(guān)作用的非線性元件組成。運行過程中，非線性元件要進行快速開關(guān)動作，產(chǎn)生高次諧波，從而使變頻器輸入電源和輸出的電壓波形和電流波形產(chǎn)生畸變，進而對其他設(shè)備和控制電路中的檢測元件和控制器件產(chǎn)生干擾[2][3]。
（2）電磁流量計干擾
電磁流量計是根據(jù)法拉第電磁感應定律制成的一種測量導電性液體體積流量的儀表，其基本工作原理是電磁感應定律[4]。因此電磁耦合、靜電感應是電磁流量計產(chǎn)生干擾噪聲的重要來源[5]。在電磁流量變送器中，由于兩電極的引線處于交變磁場中，當變送器通電后，在引線的閉合回路內(nèi)就產(chǎn)生出感應電動勢[4]。這種干擾信號疊加到測量信號中，影響系統(tǒng)的運行。電磁流量計以數(shù)字脈沖量的形式輸出累計流量，輸出信號設(shè)有源和無源，本系統(tǒng)中，設(shè)為DC 24V的有源輸出[6]。所以若與其他直流電源共地將產(chǎn)生干擾。
3.2 電磁干擾途徑
為了抑止干擾源對其他設(shè)備、檢測元件、控制設(shè)備的干擾，必須從傳播途徑上將干擾切斷。一般而言，電磁干擾傳播的三個主要途徑為輻射、傳導、感應耦合。
（1）輻射
干擾以電磁干擾方式向空中幅射，輻射場強取決于干擾源的電流強度、裝置的等效輻射阻抗以及干擾源的發(fā)射頻率。對于高頻諧波而言，輻射是其主要的傳播方式[3]。變頻器作為主要的干擾源，在運行過程的輸出電壓、輸出電流含有大量的高次諧波，開關(guān)器件所作的高速切換使輻射更加嚴重[7]。
相對于變頻器而言，電磁流量計由于不用作高速切換，作為數(shù)字輸出的累計脈沖流量，其輸出的直流電壓不超過24V,且脈沖速度不快。因而其電磁輻射強度小。
（2）傳導
電磁干擾除了通過與其相連的導線向外部發(fā)射，也可以通過阻抗耦合或接地回路耦合將干擾帶入其它電路。與輻射干擾相比，傳導干擾傳播的路程可以更遠[7]。
（3）感應耦合
感應耦合是介于輻射與傳導之間的第三條傳播途徑。當干擾源的頻率較低時，干擾的電磁波輻射有限，該干擾源不直接與其它導體連接，但此時的電磁干擾能量可以通過干擾源輸入、輸出導線與其相鄰的其他導線或?qū)w產(chǎn)生感應耦合，在鄰近導線或?qū)w內(nèi)感應出干擾電流或電壓[1]。
感應耦合以導體間的電容耦合的形式出現(xiàn)，也可以電感耦合的形式或電容、電感混合的形式出現(xiàn)，因而有電流耦合、電感耦合、電容耦合[8]。感應耦合與干擾源的頻率、與相鄰導體的距離以及設(shè)備供電電路等因素有關(guān)[3][8]。
3.3 對電磁干擾敏感的系統(tǒng)
電磁干擾的存在影響設(shè)備的正常運行，對于敏感系統(tǒng)而言，電磁干擾將導致其發(fā)生致命性錯誤。本變頻控制系統(tǒng)，當干擾嚴重時，導致PLC發(fā)出錯誤的控制命令，并使編程通訊中斷；同時干擾無線數(shù)傳電臺，使其發(fā)送信號出錯；對于敏感的電子設(shè)備，強干擾會使設(shè)備無法運行甚至損壞，如作為通訊轉(zhuǎn)換使用的RS-485-RS-232轉(zhuǎn)換器就出現(xiàn)多次損壞現(xiàn)象。
從電磁干擾的三要素來研究抗干擾措施是有效的途徑。
4.1 干擾源的抗干擾
對于干擾源，一般采用屏蔽、接地等措施將干擾源的電磁干擾向外傳播的可能性給切除。
4.2 傳播過程的抗干擾
對于傳導而言，隔離干擾源是有效的措施。當供電電源受污染后含有的諧波成分較大，可以采用電抗器及濾波器有效地抑制干擾信號，良好的接地是提高抗干擾能力的重要措施。
對于輻射干擾，采用屏蔽線或穿管走線可以很好地降低輻射干擾，遠離輻射源也是抗干擾的一種有效辦法。
耦合通過合理布線、有效屏蔽以及可靠接地等，可以大大提高抗干擾能力。
4.3 對電磁干擾敏感系統(tǒng)的抗干擾
對電磁干擾敏感的系統(tǒng)，如通訊系統(tǒng)、PLC等控制系統(tǒng)，采用屏蔽及潔凈無污染的電源供電能提高其抗干擾性能。
5 水廠變頻控制系統(tǒng)的抗干擾分析及解決措施
在分析變頻控制系統(tǒng)特點及電磁干擾原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合調(diào)試情況，分析了干擾原因并給出相應的抗干擾措施。
5.1 變頻器抗干擾
實例1：一臺PLC與2臺變頻器組成的控制網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。當變頻器停止時，系統(tǒng)通訊正常。單臺變頻器與PLC通訊正常。兩臺變頻器接入通訊網(wǎng)絡(luò)后則系統(tǒng)通訊不正常。不能讀取任何數(shù)據(jù)，拆除PLC中所有模擬量信號并將供電電源隔離，通訊還不能建立。
措施：變頻器產(chǎn)生的干擾傳到通訊網(wǎng)絡(luò)。將通訊電纜屏蔽層單側(cè)接地，系統(tǒng)不能建立通訊，改成雙端接地，通訊正常，系統(tǒng)穩(wěn)定。分析原因：變頻器產(chǎn)生高頻磁場干擾信號，在信號線中感應電流，形成干擾，若電纜不接地或單端接地，不能將高頻干擾瀉放。將屏蔽層雙端接地后，外界磁場在原來信號與地線構(gòu)成的回路中產(chǎn)生感應電流的同時，在屏蔽層與地線中也構(gòu)成回路產(chǎn)生感應電流Is，同時導體中也產(chǎn)生了感應電流Is，但是這個電流與磁場在信號導體中感應的噪聲電流方向是相反的。這樣就可以抵消磁場在信號導體上產(chǎn)生的噪聲電流，起到屏蔽作用。屏蔽層兩端接地抑止外界磁場干擾的原理如圖2所示[9]:
圖2 通訊電纜屏蔽層兩端接地
當屏蔽層的兩端地電位不同或有外界磁場時，在屏蔽層中產(chǎn)生電流Is，這時，信號回路的電壓方程為：
其中，從自感定義知道：L=φ/I，由互感定義知道：M=φ/I，所以M=Ls，所以通過屏蔽層兩端接地可以抑止干擾。但是通過屏蔽層接地也引入了噪聲電壓RsIs，將電纜屏蔽層和信號地線分開，可以消除這種噪聲對系統(tǒng)的影響。
實例2：在7＃變頻柜內(nèi)（PLC和變頻器處在同一控制柜），當變頻器未運行時，系統(tǒng)通訊正常。變頻器運行，干擾嚴重，上位機與PLC通訊中斷，并且PLC有異常輸出信號。變頻器時啟時停。拆除PLC中所有模擬量信號及開關(guān)量信號，使PLC只與變頻器相連，系統(tǒng)依然無法正常通訊。
措施：PLC供電電源受到干擾，對PLC采取隔離供電的同時調(diào)整供電電源布線，通訊有所改善，但仍存在干擾。后將PLC接地線拆除，系統(tǒng)通訊良好。分析原因：變頻器產(chǎn)生的諧波干擾傳導到24VDC供電電源，同 時通過感應耦合干擾了供電電源線，控制系統(tǒng)不能正常通訊。經(jīng)隔離供電電源，有效地抑止了傳導干擾，縮短供電線路，使走線垂直于變頻器輸入輸出線，減少耦合干擾。處理后系統(tǒng)通訊改善，但仍不能穩(wěn)定工作，后將PLC接地線拆除，系統(tǒng)通訊良好。
原因：系統(tǒng)采用三相四線制供電，由于沒有獨立的地線，改動前的PLC地線其實是接到了三相四線制的零線上，PLC地線有浮動電壓存在，干擾嚴重，如圖3所示[9]。系統(tǒng)運行時，A點電位為：，B點電位為：，電控系統(tǒng)中水泵等大功率設(shè)備的存在，當負載不平衡時，零線電流很大，相對而言，PLC的地線電流很小，基本可以忽略，B點電壓影響大。PLC地線懸空后，切除大功率設(shè)備對PLC的影響，通訊正常。
圖3 串連單點接地
5.2 流量計干擾
實例：電磁流量計輸出為4～20mA的電流信號和DC 24V的數(shù)字脈沖信號。系統(tǒng)工作時，電臺有微弱的發(fā)射信號，PLC通訊受到較弱的干擾，拆除瞬時流量信號，干擾依然存在。把脈沖信號從PLC上移除，干擾消失。走線布置如圖4所示。
圖4 電源布線改動圖
分析原因：PLC輸??走線，電磁流量計的脈沖信號的M端和24V直流供電電源的M端共用，對于脈沖信號，其DC 24V電源由流量計供電，不同電源共地使系統(tǒng)工作不穩(wěn)定。流量傳感器的交變勵磁在傳輸線上產(chǎn)生耦合干擾，流量計輸出的脈沖信號含有大量的諧波成分,這些干擾通過輸出線傳導出來,24V直流電源M端和脈沖信號線M端共用,把干擾傳導到供電電源220VAC,電臺供電電源來自于AC 220V交流電源,因而也干擾了無線數(shù)傳電臺。
6 結(jié)束語
分析系統(tǒng)的干擾原因，給出合理有效且經(jīng)濟實用的抗干擾措施，系統(tǒng)經(jīng)過半年多的現(xiàn)場運行表明干擾大大降低，系統(tǒng)通訊基本正常，誤動作消除。但是有時還出現(xiàn)通訊滯后現(xiàn)象，要想進一步提高抗干擾能力，需要再增加一些抗干擾設(shè)備，如增加濾波環(huán)節(jié)，完善接地系統(tǒng)等。