典型问题六 -控制信号的干扰II

1  综述

在上一期推文中我们介绍了有关驱动系统中的典型信号及功率模块与控制器间的信号干扰的典型问题，在此次推文中我们将继续给大家介绍驱动系统中的辅助设备及现场总线等常见的信号干扰。

1.1  辅助设备间的信号干扰

辅助设备对于驱动系统可靠、稳定运行起着至关重要的作用，比如主回路开关的合分闸继电器回路；各类辅助设备，包括控制电源、开关、传感器设备等运行状态反馈给辅助控制逻辑以进行综合启动逻辑及故障报警诊断；各类仪表显示以直观反应整个驱动系统的运行状态等。各个辅助设备之间及与控制器之间的控制与状态信号的传递也是多种多样，比如电机状态监测采用现场总线profibus；各类继电器操作采用开关量I/O；仪表采用模拟量输入输出等。这些辅助设备及传递信号的线路在驱动系统中，既作为可能的受扰体，也可作为干扰源。

case1：某矿井提升机，采用西门子交交变频器SIMOVERT D，稳定运行近10年后系统在重载情况下频繁出现交交变频器控制器C相功率适配单元供电电源故障：                   

通过检测驱动系统上的几个测试点，主要的问题在从功率柜X121开始至相电流控制器（EP22），在更换完可能的硬件及排除24V供电系统后，考虑状态及实际值信号电缆是否存在问题。重新换线，并重新规划路径，故障不再发生。在采用新电缆按原路径布线时再次发生故障，由此可得出结论经过变压器室的电缆受到变压器在大电流情况下的电磁影响。由于设备及回路已应用了近10年，所以这个问题非常具有迷惑性，认为线路在原来使用中不存在问题下，不是造成系统报监控故障的主要原因，走了很多弯路。

case2：某车库升降设备采用西门子G120变频器：

在升降过程中频繁出现内部通讯故障（F1662）。在升降时需要控制抱闸的打开与关闭，其继电器控制电源取自变频器内部直流电源。

抱闸继电器供电回路 

在起动过程中F1662故障

在起动过程中捕捉抱闸继电器K05线包两端电压，出现很高的电压尖峰。如下图所示。

抱闸继电器线包两端电压

从示波器捕捉的电压波动可以看到峰值高达百伏级别，G120控制单元数字量输出端子的允许电压最高30V，当加载至数字量输出端的电压过高，变频器出现F1662故障几率增加。显然，这是不同回路对于公共电源系统的相互干扰的情况，在改变抱闸继电器线包的供电电源（更高容量），变频器的故障消除。

继电器在驱动系统中起到隔离放大作用，但是由于线包的感性特性，一个是给线包供电系统带来较大的电压波动，从而造成上面的公共电源传导干扰，另一方面线包在突加电源激励下的响应，产生了很强，频域很宽的电磁干扰，将极大影响到临近控制设备正常工作，所以一般在继电器供电回路设置足够稳定与容量的电源系统，另一个需要在线包并接吸收电路从而抑制电磁辐射。

1.2 现场总线的干扰

上位机在完成相关的工艺计算后生成的诸如速度或力矩给定传送给驱动系统，其形式主要有现场总线、模拟量或开关量等形式。显然无论是何种形式，都存在电信号发送与接受的过程。这样两类系统间所传递信号的参考电位必须一致，否则信号传递的端与端之间的电位差将导致信号不稳定，传递中断甚至烧坏设备。

在西门子驱动系统参考电位设计，目前来讲，基本都是基于工厂大地为信号参考电位的。所以在系统间的信号传递出现类似电磁干扰的问题相当一部分原因在于公共地回路。由于驱动系统中存在高频，高功率干扰源，必须为此提供具有高频低阻抗最短路径，从而减小此类干扰源在更大范围地回路产生影响。这样在整个工厂设计，工艺设备排布，系统及设备间的信号回路敷设将决定系统稳定连续可靠运行的决定性因素。

除地回路影响，空间的电磁扰动也对系统间传送信号带来极大影响。

对于上位机系统与驱动器系统之间信号传递，可采用光电解耦合，比如PROFIBUS中采用的OBT设备，同时可以解决不同系统中的不同的电源系统的供地问题，再者显著的提高了信号传递的空间距离。除此之外，还可通过中继设备，除增强信号传递功率，同时大大提高抗干扰能力。

case1：某水厂DCS系统与水泵驱动器西门子SIMOVERT MV之间通过4-2mA模拟信号传递：

设备已连续稳定运行近20年，近日出现水泵电机转速无法达到设定转速，从而使整个供水压力无法达到工艺要求。测量DCS电流源输出电流正常，但在变频器侧测量的电流波动较大。发现新更新了一台供电变压器设备设置在了信号回路附近，通过实验（变压器停运）变频器输出频率达到DCS控制器设定，且稳定。这个现场的情况说明了变压器的电磁耦合到信号传递回路，从而影响到变频器的给定，使系统无法正常运行。解决方案，参考前期空间磁场耦合，减小信号回路的面积，并尽量远离干扰源。

2 总结

信号回路一般作为受扰体，是驱动系统需要解决的一类大问题。由于驱动系统涵盖设备种类繁多，功率等级多样，空间排布紧凑等，同时各类设备即可作为受扰体也可作为干扰源，所以驱动系统的集成需要在产品设计开始，就需要仔细考虑。在EMC的后面一期推文中，将给大家介绍有关驱动系统集成时所遵循的一般原则。

对于系统间的信号回路抗干扰问题，需要从整个工厂，或者说包括驱动设备在内的多个子系统的大系统来考虑。在这里体现出EMC问题的系统性与复杂性。这需要从工厂设计之初仔细考虑。

由于EMC问题的复杂性，分析与处理方法可能会有不同和不足，对于实际问题的分析，希望能抛砖引玉，深入讨论，以利进一步处理实际工程问题。