變頻控制系統電磁干擾分析及對策
1 引言
電磁干擾對控制系統的可靠性,穩定性構成很大隱患。如何防止電磁干擾,提高系統可靠性是大家普遍關注的問題。本文針對某水廠變頻控制系統中涉及的變頻器、流量計等設備的電磁干擾問題進行分析,給出抗干擾措施,實際運行結果表明經過抗干擾處理后,系統通訊正常,穩定性和可靠性大大提高。
2 變頻控制系統概述
水廠設有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，實現對相關設備的控制和對模擬量的處理。系統結構框圖如圖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,從而實現對泵的變頻調速,恒壓供水。
圖1 水廠控制系統框圖
3 干擾分析
根據電磁的基本原理，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。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、切斷干擾對系統的耦合通道、降低系統干擾信號的敏感性[1]。結合水廠實際情況，對干擾的三要素進行分析。
3.1 電磁干擾源
（1）變頻器干擾
變頻器是控制系統實現變頻恒壓供水的*關鍵部分。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動作，產生高次諧波，從而使變頻器輸入電源和輸出的電壓波形和電流波形產生畸變，進而對其他設備和控制電路中的檢測元件和控制器件產生干擾[2][3]。
（2）電磁流量計干擾
電磁流量計是根據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就產生出感應電動勢[4]。這種干擾信號疊加到測量信號中，影響系統的運行。電磁流量計以數字脈沖量的形式輸出累計流量，輸出信號設有源和無源，本系統中，設為DC 24V的有源輸出[6]。所以若與其他直流電源共地將產生干擾。
3.2 電磁干擾途徑
為了抑止干擾源對其他設備、檢測元件、控制設備的干擾，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導體產生感應耦合，在鄰近導線或導體內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，也可以電感耦合的形式或電容、電感混合的形式出現，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備供電電路等因素有關[3][8]。
3.3 對電磁干擾敏感的系統
電磁干擾的存在影響設備的正常運行，對于敏感系統而言，電磁干擾將導致其發生致命性錯誤。本變頻控制系統，當干擾嚴重時，導致PLC發出錯誤的控制命令，并使編程通訊中斷；同時干擾無線數傳電臺，使其發送信號出錯；對于敏感的電子設備，強干擾會使設備無法運行甚至損壞，如作為通訊轉換使用的RS-485-RS-232轉換器就出現多次損壞現象。
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的抗干擾
對電磁干擾敏感的系統，如通訊系統、PLC等控制系統，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 水廠變頻控制系統的抗干擾分析及解決措施
在分析變頻控制系統特點及電磁干擾原理的基礎上，結合調試情況，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絡，如圖1所示。當變頻器停止時，系統通訊正常。單臺變頻器與PLC通訊正常。兩臺變頻器接入通訊網絡后則系統通訊不正常。不能讀取任何數據，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：變頻器產生的干擾傳到通訊網絡。將通訊電纜屏蔽層單側接地，系統不能建立通訊，改成雙端接地，通訊正常，系統穩定。分析原因：變頻器產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成的回路中產生感應電流的同時，在屏蔽層與地線中也構成回路產生感應電流Is，同時導體中也產生了感應電流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的影響。
實例2：在7＃變頻柜內（PLC和變頻器處在同一控制柜），當變頻器未運行時，系統通訊正常。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量信號，使PLC只與變頻器相連，系統依然無法正常通訊。
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，系統通訊良好。分析原因：變頻器產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，控制系統不能正常通訊。經隔離供電電源，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。處理后系統通訊改善，但仍不能穩定工作，后將PLC接地線拆除，系統通訊良好。
原因：系統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]。系統運行時，A點電位為：，B點電位為：，電控系統中水泵等大功率設備的存在，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的數字脈沖信號。系統工作時，電臺有微弱的發射信號，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??入走線，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工作不穩定。流量傳感器的交變勵磁在傳輸線上產生耦合干擾，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傳電臺。
6 結束語
分析系統的干擾原因，給出合理有效且經濟實用的抗干擾措施，系統經過半年多的現場運行表明干擾大大降低，系統通訊基本正常，誤動作消除。但是有時還出現通訊滯后現象，要想進一步提高抗干擾能力，需要再增加一些抗干擾設備，如增加濾波環節，完善接地系統等。