电缆通信干扰的分析和对策

UCN 电缆通信干扰的分析和对策

钟耀球

（江西铜业公司贵溪冶炼厂，贵溪 335424）

摘 要：概要介绍了一个典型的DCS 系统配置情况，并对UCN 电缆干扰产生来源及传播途径进行了较详细的分析。同时阐述了EMI 电磁干扰、接地对UCN 电缆干扰的机理。提出了几种有效的解决抗干扰技术的方案措施和对策。经过两年多的实践运行，该项目解决了DCS 系统通信的故障问题，

关键词：DCS 系统 UCN 电缆 EMI 电磁干扰 屏蔽 接地

0 引言

贵冶闪速炉TDC-3000自控系统配置情况如图1所示，共有6台US 万能工作站，3台打字机，1台拷

贝机。2001年三期改造后，系统增加一套HPM23/24

控制单元，同时增加3台GUS 工作站，通过以上系统达到对贵冶熔炼闪速炉车间生产作业的自动化过

程控制方案的实现。

但由于外界环境的电磁干扰导致的UCN 电缆报

警一直是困扰Honeywell TDC3000/TPS 系统在我厂正常运行的问题。特别是2001年三期改造后，尤其螺旋给料机使用变频器以来，闪速炉DCS 系统UCN 电缆检测到每小时数以千计的UCN 冗余A/B 电缆噪音和通信数据包丢失报警。使得DCS 系统UCN 通信

频繁出现通信中断故障，系统无法投入正常运行。如果不及时解决UCN 电缆噪音问题，一旦主导UCN 通信的两根电缆同时故障则会造成整个DCS 系统通信瘫痪，由此引起整个DCS 终止运行，造成整个系统瘫痪，从而影响整个闪速炉生产作业。为确保DCS 系统安全顺序运行，因此提出了对熔炼DCS 系统UCN 通信故障攻关这一课题。

1 干扰的主要来源及途径

1.1 电磁干扰源的产生与类型

共模干扰是信号对地的电位差，主要由电网串入、地电位差及空间电磁辐射在信号线上感应的共态（同方向）电压迭加所形成。共模电压通过不对称电路可转换成差模电压，直接影响测控信号，造成元器件损坏（这就是一些系统I/O 模件损坏率较高的主要原因），这种共模干扰可为直流、亦可为交流。

差模干扰是指作用于信号两极间的干扰电压，主要由空间电磁场在信号间耦合感应及由不平衡电路转换共模干扰所形成的电压，这种干扰叠加在信号上，直接影响测量与控制精度。

1.2 UCN 通信电缆干扰的主要来源及途径

1.2.1 来自空间的辐射干干扰

空间的辐射电磁场（EMI ）主要是由电力网络、电气设备的暂态过程、雷电、无线电广播、电视、雷达、高频感应加热设备等产生的，通常称为辐射干扰，其分布极为复杂。若TDC3000/TPS 系统置于所射频场内，就回收到辐射干扰，其影响主要通过两条路径：一是直接对TDC3000/TPS 内部的辐射，由电路感应产生干扰；而是对UCN 电缆通信内网络的辐射，由通信线路的感应引入干扰。辐射干扰与现场设备布置（距离）及设备所产生的电磁场强弱有关，特别是频率有关，一般通过设置屏蔽电缆和TDC3000/TPS 系统局部屏蔽及高压泄放元件进行保护。

1.2.2 来自系统外引线的干扰

①来自电源的干扰

TDC3000/TPS 电源通常采用UPS 隔离电源。由于电网覆盖范围广，它将受到所有空间电磁干扰而在线路上感应电压和电路。尤其是电网内部的变化，大型电力设备起停、变频器、交直流传动装置引起的谐波、电网短路暂态过电压冲击等产生的电磁干扰都会通过电源线路进行传播；

②来自信号线引入的干扰

与TDC3000/TPS 控制系统连接的各类信号传输线，除了传输有效的各类信息之外，总会有外部干扰信号侵入。此干扰主要有两种途径：一是通过变送器供电电源或共用信号仪表的供电电源串入的电网干扰，这往往被忽视；二是信号线受空间电磁辐射感应的干扰，即信号线上的外部感应干扰，这是很严重的。由信号引入干扰会引

图1 自控系统

起I/O 信号工作异常和测量精度大大降低，严重时将引起元器件损伤。对于隔离性能差的系统，还将导致信号间互相干扰，引起共地系统总线回流，造成逻辑数据变化、误动和死机。TDC3000/TPS 控制系统因信号引入干扰造成对UCN 通信电缆的干扰，由此引起系统电缆通信噪音；

③来自接地系统混乱时的干扰

TDC3000/TPS 控制系统的地线包括系MGR 主参考接地（系统及屏蔽地）、交流地和保护地等。而UCN 电缆的屏蔽是通过TAP 连接头的接地栓连接到保护接接地上，但由于安装、维护不到位等因素，往往使接地系统出现漏洞。这样就容易将各种电磁干扰通过接地进入系统中，干扰UCN 电缆通信质量。接地干扰的形成主要是不良接地，使得各种接地之间存在电位差，从而引起地环路电流。此外，屏蔽层、接地线和大地有可能构成闭合环路，在变化磁场的作用下，屏蔽层内有会出现感应电流，通过屏蔽层与芯线之间的耦合，干扰信号回路。

2 采取的总体思路及技术解决方案

① 首先从改进整个系统接地，把系统和通信屏蔽地与控制机柜的保护接地完全隔离分开，避免多点接地电位差不同造成的共摸干扰，改善系统的抗干扰能力。

系统接地方式有：浮地方式、直接接地（单点接地）方式和电容接地三种方式。对DCS 控制系统而言，它属高速低电平控制装置，应采用直接接地方式。由于信号电缆分布电容和输入装置滤波等的影响，装置之间的信号交换频率一般都低于1 MHz ，所以DCS 控制系统接地线采用一点接地和串联一点接地方式。接地线的规格、接地电阻以及接地的位置和敷设方式均应符合规范和设计要求进行选用和施工。另外还应对不同性质的地区采用分开连接，主要有模拟地与数字地分开，直流地与交流地分开，强信号地与弱信号地分开等。特别要强调的是当信号源接地时，传输信号的电缆屏蔽层应在信号侧接地，反之，屏蔽层应在DCS 侧接地。信号线间最好不要有接头，如有接头时，电缆屏蔽层应牢固连接并做绝缘处理。多个测点信号的屏蔽层双绞线与多芯对绞总屏蔽电缆连接时，各屏蔽层应相互连接好并绝缘处理，选择适当的接地点单点接地。切记要避免两点甚至多点接地，以防止各接地点之间产生共地阻抗的电路偶合而造成的共摸干扰，改善系统的抗干扰能力；

② 改善系统的屏蔽能力，为了将电磁干扰尽量排除在通信电缆系统外，我们将闪速炉系统通信电缆穿过金属软管，并将软管一头接地。这在一定程度上消除了部分电磁干扰。另外一但通信电缆出现报警时，就对电缆连接的TAP 头进行酒精清洗和静电放电处理，如果还是无法消除电缆报警就只有更换TAP 。自2001年起至2003年年修期间，闪速炉系统系统勉强可以运行，但是系统每月至少有2～3次单根电缆通信故障产生以及至少每月更换3～4只TAP 电缆连接头；

③ 滤波是阻止干扰频率信号通过而允许有用频

率信号通过的一种技术。在这三种技术中，滤波技术是目前一种抑止电磁干扰最常见、最有效、最经济的

手段。尤其是铁氧体磁性材料作成的抗电磁干扰（EMI ）滤波器，对电磁干扰（EMI ）衰减速度快，频带范围宽，同时应保证工作频率范围内信号不失真，能适应各种

环境使用。铁氧体磁性材料作成的抗电磁干扰（EMI ）

滤波器主要是通过铁氧体的复数磁导率与频率的关

系，改变不同成分配方及掺杂来实现铁氧体阻抗的频率特性和衰减频域;制成宽频域抗EMI 铁氧体材料和各种滤波器来抑制和减弱通过空间辐射传播的各种干

扰。在现场我们通过试验分析，低频辐射干扰对UCN 电缆的干扰影响不大，主要是高频辐射干扰对UCN 电缆的干扰影响。针对高频辐射干扰，我们采用日本TDK 公司生产的高频铁氧体磁环来解决高频辐射干扰，具体方法如图2所示，通过对每个节点（NODE ）即站与站、TAP 连接头TAP 连接头之间的UCN 电缆上各加装三对高频磁环。但是采用不同厂家的铁氧体磁环的规格性能的不同，因此在使用铁氧体磁环时应特别注意。

3 结束语

经过2年多的长期攻关实践，该项目已于2003年12月3日开始投入正常运行。从2004年到2005年两年的运行情况来看，完全消除了外界电磁干扰对系统UCN 通信的干扰，解决了DCS 系统通信故障问题。

我们认为：此次攻关是非常成功的，对减轻系统维护人员的劳动强度、节省了更换进口通信TAP 连接头的费用及提高系统的可靠性能、提高系统的安全性能，保证熔炼长周期安全顺行生产、使得熔炼的作业率提高，都发挥出了极其重要的作用，其经济效益是不言而喻的。同时还可以在同类型工厂中已推广应用，其社会效益也是不言而喻的。

收稿日期：2006-03-27。

第一作者钟耀球，男，1965年生，吉林电气化专科学校，工程师；主要从事现场检测仪表的维护、使用和研究。

图2 TDC3000/TPS UCN 电缆连解图