晋城西门子PLC总代理商
1 引言
由于计算机技术、微电子技术、通讯技术等在自控领域广泛应用，抗干扰技术就更显得尤为重要。实际生产现场环境极其复杂，对自控系统产生的干扰已经成为不可能回避的问题。作为控制系统重要组成部分的现场总线，处在复杂的现场环境中，不可避免地存在各种各样的干扰，提高现场总线的抗干扰能力，是控制系统高效运行的重要因素。
随着根据国际电工委员会IEC1158定义，安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线称为现场总线。当今全球流行的现场总线有FF总线(FieldbusFoundation)、Profibus、Modbus等。不管哪一种现场总线，在介质上传输的都是数字信号，由于干扰噪音的原因，使得“1”变成了“0”，“0”变成了“1”，从而影响到现场总线的性能，甚至于现场总线不能正常工作。不管从理论分析，还是从经验获得，现场总线的抗干扰能力均低于4-20mA模拟电流信号，研究并解决现场总线的抗干扰问题非常重要。
2 现场存在的干扰源
2.1 轧钢厂主要干扰源来源
(1) 传动系统
是现场大的干扰源。传动系统的总负荷，约占水处理车间总负荷的1/3以上，在系统的整流和逆变中，大功率电力电子元器件不定时的进行高速开和关的转换，产生大量的高频电磁波，污染整个车间，并且产生大量高次谐波，污染工频电网。
(2) 变压器、MCC柜、电力电缆和动力设备
这些设备均为工频，频率较低，干扰一般发生在近场，而近场中随着干扰源的特性不同，电场分量和磁场分量有着很大差别。特别是动力设备启动时，瞬间电流能够达到额定电流的6-11倍，会产生大电流冲击的暂态干扰。
(3) 来自工频电源的干扰
工频电源波形畸变和高次谐波，若未加隔离或滤波，便会通过供电系统而进入控制系统，从而影响整个现场总线。
(4) 导线接触不良产生的火花、电弧等;
(5) 三相供电不平衡产生的地电流、屏蔽层不共地产生的接地环流。
2.2 干扰的传播途径
(1) 由导线来传输，称为传导干扰。说处理车间的现场总线中，主要表现为地线阻抗干扰和来自工频电源的干扰。
(2) 通过空间以辐射的形式来传输，称为辐射干扰。
3 现场总线的抗干扰措施
3.1 抗远离干扰源
空间中任一点的磁感应强度B，服从毕奥-萨伐定律，见下式:
(1)
式中:
μ:磁导率，H/m;
dv:源点周围处的体积元，m3;
r:dv到场点(x,y,z)的距离，m;
er:源点指向场点的单位矢量。
对于线形电流I，由Jdv=Idl，得:
(2)
式中:
dl—源点附近的长度,m
式(1)适用于用电设备周围的磁感应强度，式(2)适用于动力电缆周围的磁感应强度。可见，水处理车间的动力设备和电力电缆对现场总线的干扰，与距离的平方成反比，即随距离的增大，干扰衰减非常快。现场总线设备远离用电设备，现场总线电缆与动力电缆分层桥架布置，都能起到很好的防干扰作用。远离干扰源，是防止辐射干扰的重要措施。
3.2 现场总线设备和电缆的屏蔽
随着现场总线屏蔽的机理，一是外来电磁波在金属表面产生涡流，从而抵消原来的磁场;二是电磁波在金属表面产生反射损耗，另一部分透射波在金属屏蔽层内传播过程中，衰减产生吸收损耗。现场总线的屏蔽是利用由导电材料制成的屏蔽并结合接地，来切断干扰源。
3.3 采用UPS电源或隔离变压器
采用UPS电源或隔离变压器可防止来自工频电源的干扰。
3.4 采用光缆传输信号
随着在现场总线传输速率高、传输距离远、干扰大的情况下，尽可能地采用光缆。采用光缆后，能够解决辐射干扰和传导干扰的众多问题。若在不共地两点之间，或者在接地状况很不好的情况下，采用光缆传输现场总线信号，可有效防止接地环流等干扰。特别是车间的自动控制系统与电机传动、MCC之间，容易存在接地电位差，或接地环流，要特别注意，选用光缆优于选用双绞线。
3.5 正确选择和安装水处理传动系统
水处理车间整流部分采用的是12脉冲整流，传动柜与电机之间的动力电缆，采用了良好屏蔽且三芯对称的电力电缆，有效的消除了5次和7次谐波。
4 现场总线的接地
良好的接地是现场总线防干扰的重要内容。所谓“地”，一般定义为电路或系统的零电位参考点;所谓接地，就是在两点之间建立传导通路，以便将电子设备或元件连接到“地”。接地的目的，一是保护操作人员和设备的安全，即“保护地”;二是为了抑制电磁干扰，提供电子测量中的电位基准，即“工作地”。图1是“工作地”的接地方法。
图1 接地的方法
单点接地，是指系统中所有电子设备或元件都并联连接到一个接地参考点。这种接地方式的优点是各电子设备或元件的地电位，只与本电子设备或元件的地线阻抗有关，不受其他回路的影响，缺点是此方法增加了地线间的干扰耦合，在高频情况下地线使阻抗大大增加。
多点接地，是指系统中各个需要接地的点都直接连接到距它近的接地点上，以使接地线的长度短。由于接地线很短，适用于高频情况，其缺点是易构成各种地回路，造成低频地回路干扰。
一般来说，工作频率在1MHz以下，可采用单点接地方式;工作频率在10MHz以上，可采用多点接地方式;当然，亦可单点接地和多点接地混合使用。接地线太长时，应采用多点接地，以防止接地线阻抗太大，干扰噪声电压太高。
在众多现场总线中，Profibus现场总线的发展尤为迅速，在自动化控制行业应用很广，现以Profibus-DP为例说明。Profibus-DP的通讯速率有9.6kbps、19.2kbps、187.5kbps、0.5Mbps、1.5Mbps、3Mbps、6Mbps、12Mbps，其中常用的通讯速率为1.5Mbps，此时，Profibus双绞电缆的长度可达200m(使用中继器可延长)。
根据傅立叶分析可知，任何信号都可以由各种频率的正弦波组成。数字通讯的1、0信号是矩形波，可用下式表示:
式中:
A为基频振幅;
f1为基频频率。
可见，第k个频率kf1的振幅仅为基频的1/k，当k值很大时，振幅很小，通讯的带宽通常限定在前三个频率成分范围内。当Profibus-DP通讯速率为1.5Mbps时，可认为通讯的频率为k=5时，即基频的5倍，1.5×5=7.5MHz，频率较高，接近10MHz，宜采用多点接地，应大可能地减小接地阻抗。
随着Profibus-DP电缆采用RS-485双绞屏蔽电缆，由于通讯频率较高，干扰所产生的噪声电流只在屏蔽层外表流过(集肤效应)，屏蔽层通常采用多点接地，一般在电缆屏蔽层两端接地，即始端和末端接地。若一端接地(始端或末端)，仅仅有利于消除低频干扰。但在整个车间没有放置等电位接地板，不能实现等电位接地时，一端接地优于两端接地，一端接地可防止形成地回路。
5 现场总线在水处理控制系统中的抗干扰应用
莱钢大型轧机水处理系统的DCS系统采用国际公司提供的先进DCS系统，控制器采用AC450，MCC使用了INSUM系统，DCS与MCC之间采用Profibus-DP通讯连接，通讯速率1.5Mbps。图2为AC124控制器与MCC的连接框图。
图2 AC124控制器与MCC的连接框图
由于INSUM内部通讯使用LONbus，必须通过Gateway网关将LONbus转换为Profibus，控制器侧连接至CI541卡。调试初期，采用Profibus双绞屏蔽电缆，总长约150m，电缆两端通过D型插头接地，很快发现Profibus站点不能全部找到，有时甚至一个站点也找不到，通过实验，排除了其它方面的所有原因。后发现，DCS侧电缆屏蔽不接地时，所有站点都能找到，于是采用了MCC侧单端接地。当时能够正常运行，但过一段时间就会突然出现某个Gateway运行中死机，复位后正常。分析原因:
(1) Gateway位于MCC柜内，大量电力设备存在，电磁干扰大。
(2) 此部分MCC靠近传动，电机传动产生的干扰影响。
(3) DCS与MCC之间存在接地电位差，以至于电缆屏蔽两端接地时，形成回路，干扰总线信号。
(4) 控制器侧工程师站亦出现大量CI541卡错误信息，怀疑大量误码存在。
鉴于以上原因，决定将Profibus屏蔽电缆换为光缆。换后情况改善，Gateway不再死机。
在自动化控制系统的设计、安装、调试中，我们要特别注意现场总线的干扰问题,并采取适当的措施，消除干扰的影响。
Devicenet简介:DeviceNet是由美国Rockwell公司在CAN基础上推出的一种低成本的通信链接，是一种低端网络系统。它将基本工业设备连接到网络，从而避免了昂贵和繁琐的硬接线。DeviceNet是一种简单的网络解决方案，在提供多供货商同类部件间的可互换性的同量，减少了配线和安装工业自动化设备的成本和时间。DeviceNet的直接互连性不仅改善了设备间的通信，提供了相当重要的设备级诊断功能。
现场总线系统的结构和技术特点
1. 现场总线的历史和发展
现场总线是20世纪80年代中期在国际上发展起来的。随着微处理器与计算机功能的不断增强和价格的急剧下降，计算机与计算机网络系统得到迅速发展，而处于生产过程底层的测控自动化系统，采用一对一联机，用电压、电流的模拟信号进行测量控制，或采用自封闭式的集散系统，难以实现设备之间以及系统与外界之间的信息交换，使自动化系统成为“信息孤岛”。要实现整个企业的信息集成，要实施综合自动化，就必须设计出一种能在工业现场环境运行的、性能可靠、造价低廉的通讯系统，形成工厂底层网络，完成现场自动化设备之间的多点数字通讯，实现底层现场设备之间以及生产现场与外界的信息交换。现场总线就是在这种实际需求的驱动下应运产生的。它作为过程自动化、制造自动化、楼宇、交通等领域现场智能设备之间的互连通信网络，沟通了生产过程现场控制设备之间及其与更高控制管理层网络之间的联系，为彻底打破自动化系统的信息孤岛创造了条件。
由于标准实质上并未统一，对现场总线的定义也是各有各的定义。下面给出的是现场总线的两种有代表性的定义。
(l) ISASP50中对现场总线的定义。现场总线是一种串行的数字数据通讯链路，它沟通了过程控制领域的基本控制设备(即场地级设备)之间以及与更高层次自动控制领域的自动化控制设备(即车间级设备)之间的联系。
这里的现场设备指底层的控制监测、执行和计算设备，包括传感器、控制器、智能阀门、微处理器和内存等各种类型的仪表产品。
(2)根据国际电工委员会 IEC标准和现场总线基金会FF的定义：现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通讯网路。现场总线的本质含义表现在以下6个方面：
a)现场通讯网路：用于过程以及制造自动化的现场设备或现场仪表互连的通讯网路。
b)现场设备互连：现场设备或现场仪表是指传感器、变送器和执行器等，这些设备通过一对传输线互连，传输线可以使用双绞线、同轴电缆、光纤和电源线等，并可根据需要因地制宜地选择不同类型的传输介质。
c)互操作性：现场设备或现场仪表种类繁多，没有任何一家制造商可以提供一个工厂所需的全部现场设备，互相连接不同制造商的产品是不可避免的。用户不希望为选用不同的产品而在硬件或软件上花很大气力，而希望选用各制造商性能价格比优的产品，并将其集成在一起，实现“即接即用；用户希望对不同品牌的现场设备统一组态，构成他所需要的控制回路。这些就是现场总线设备互操作性的含义。现场设备互连是基本的要求，只有实现互操作性，用户才能自由地集成FCS。
d)分散功能块：FCS废弃了DCS的输入／输出单元和控制站,把DCS控制站的功能块分散地分配给现场仪表，从而构成虚拟控制站。例如，流量变送器不仅具有流量信号变换、补偿和累加输入模块，有PID控制和运算功能块。调节阀的基本功能是信号驱动和执行，还内含输出特性补偿模块，也可以有PlD控制和运算模块，甚至有阀门特性自检验和自诊断功能。由于功能块分散在多台现场仪表中，并可统一组态，供用户灵活选用各种功能块，构成所需的控制系统，实现彻底的分散控制。
e)通讯线供电：通讯线供电方式允许现场仪表直接从通讯线上摄取能量，对于要求本征安全的低功耗现场仪表，可采用这种供电方式。众所周知，化工、炼油等企业的生产现场有可燃性物质，所有现场设备都必须严格遵循安全防爆标准。现场总线设备也不例外。
f)开放式互连网络：现场总线为开放式互连网络，它既可与同层网络互连，也可与不同层网络互连，还可以实现网络数据库的共享。不同制造商的网络互连十分简便，用户不必在硬件或软件上花太多气力。通过网络对现场设备和功能块统一组态，把不同厂商的网络及设备融为一体，构成统一的FCS。
2. 现场总线的结构特点 : 现场总线的网络结构现场总线网络结构是按照化组织（ISO）制定的开放系统互连（OSI：Open SystemInterconnection）参考模型建立的。OSI参考模型共分七层，即物理层、数据链路层、网络层、传送层、会话层、表示层和应用层，该标准规定了每一层的功能以及对上一层所提供的服务。从OSI模式的角度来看，现场总线将上述七层简化成三层，分别由OSI参考模式的层物理层，第二层数据链路层，第七层应用层组成。如图1-2所示。
图 1-2 现场总线的结构
现场总线主要特点是使底层的控制部件、设备更加智能化，把在传统DCS中的控制功能，下移到现场仪表。在此，现场总线的网络通讯起了重要作用。现场总线结构模型现统一为4层，即物理层、数据链路层、应用层和用户层。省略了一般网络结构的3~6（表达层、会话层、传递层和网络层）.
现场总线系统打破了传统控制系统的结构形式。传统模拟控制系统采用一对一的设备联机，按控制回路分别进行连接。位于现场的测量变送器与位于控制室的控制器之间，控制器与位于现场的执行器、开关、马达之间均为一对一的物理连接。
现场总线系统由于采用了智能现场设备，能够把原先DCS系统中处于控制室的控制模块、各输入输出模块置入现场设备，加上现场设备具有通讯能力，现场的测量变送仪表可以与阀门等执行机构直接传送信号，控制系统功能能够不依赖控制室的计算机或控制仪表，直接在现场完成，实现了彻底的分散控制。Devicenet正是目前几十种现场总线中得到广泛应用的一种。
由于采用数字信号替代模拟信号，可实现一对电线上传输多个信号(包括多个运行参数值、多个设备状态、故障信息)，又为多个设备提供电源；现场设备以外不再需要模拟／数字、数字／模拟转换部件。这样就为简化系统结构、节约硬设备、节约连接电缆与各种安装、维护费用创造了条件。
Devicenet是90年代中期发展起来的一种基于CAN（Controller AreaNetwork）技术的开放型、符合全球工业标准的低成本、高性能的通信网络，初由美国Rockwell公司开发应用。
Devicenet现已成为IEC62026-3《低压开关设备和控制设备控制器设备接口》，并已被列为欧洲标准，也是实际上的亚洲和美洲的设备网标准。2002年10月DeviceNet被批准为中国国家标准GB/T18858.3-2002，并于20003.4.1起实施。
目前，Devicenet技术属于“开放DeviceNet厂商协会”ODVA组织所有及推广。ODVA在世界范围拥有300多家自动化设备厂商的会员（如Rockwell、ABB、Omron等）。我国的ODVA组织由上海电器科学研究所牵头成立，目前正积极推广该技术。
Devicenet现场总线简介
Devicenet是一种低成本的通讯总线。它将工业设备（如：限位开关，光电传感器，阀组，马达启动器，过程传感器，条形码读取器，变频驱动器，面板显示器和操作员接口）连接到网络，从而消除了昂贵的硬接线成本。直接互连性改善了设备间的通讯，并提供了相当重要的设备级诊断功能，这是通过硬接线I/O接口很难实现的。
Devicenet是一种简单的网络解决方案，它在提供多供货商同类部件间的可互换性的减少了配线和安装工业自动化设备的成本和时间。DeviceNet不仅仅使设备之间以一根电缆互相连接和通讯，更重要的是它给系统所带来的设备级的诊断功能。该功能在传统的I/O上是很难实现的。
Devicenet是一个开放的网络标准。规范和协议都是开放的，供货商将设备连接到系统时，无需为硬件，软件或授权付费。任何对DeviceNet技术感兴趣的组织或个人都可以从开放式DeciceNet供货商协会（ODVA）获得DeviceNet规范，并可以加入ODVA，参加对DeviceNet规范进行增补的技术工作组。
Devicenet的许多特性沿袭于CAN，CAN总线是一种设计良好的通信总线，它主要用于实时传输控制数据。DeviceNet的主要特点是：短帧传输，每帧的大数据为8个字节；无破坏性的逐位仲裁技术；网络多可连接64个节点；数据传输波特率为125kb/s、250kb/s、500kb/s；点对点、多主或主/从通信方式；采用CAN的物理和数据链路层规约。
Devicenet带来的好处：
1、提高设计的弹性
·通过提供网络数据流的能力来提供无限制的IO端口
·提供互操作性和即插即用能力
2、改善的过程数据管理
·提供对等(Peer-to-Peer)或主/从(Master/Slave)管理
·作为一个快速响应处理元的结果，提高了吞吐量和可重复性
-包含在位置刻度和预先事件及报警通知中的隐含诊断信息
-在诊断中可延长定期检修的间隔周期
3、降低安装成本
- 简化配线，避免了潜在的错误点，减少了所需的文件，减少劳动力资源并节省了安装空间
Devicenet现场总线协议
Devicenet协议是一个简单、廉价高效的协议，适用于低层的现场总线，例如：过程传感器、执行器、阀组、电动机起动器、条形码读取器、变频驱动器、面板显示器、操作员接口和其他控制单元的网络。可通过DeviceNet连接的设备包括从简单的挡光板到复杂的真空泵各种半导体产品。DeviceNet也是一种串行通信链接，可以减少昂贵的硬接线。DeviceNet所提供的直接互连性不仅改善了设备间的通信，提供了相当重要的设备级诊断功能，这是通过硬接线I/O接口很难实现的。除了提供ISO模型的第7层（应用层）定义之外，DeviceNet规范还定义了部分第1层（物理收发器）和第0层（传输介质）。图为DeviceNet在ISO模型中的相关层。对DeviceNet节点的物理连接也作了清楚的规定。连接器、电缆类型和电缆长度，以及与通信相关的指示器、开关、相关的室内铭牌都作了详细规定。
Devicenet网络大可以操作64个节点，可用的通讯波特率分别为125kbps、250kbps和500kbps三种。设备可由DeviceNet总线供电（大总电流8A）或使用独立电源供电。DeviceNet网络电缆传送网络通讯信号，并可以给网络设备供电。宽范围的应用导致规定了不同规格的电缆：粗电缆、细电缆和扁平电缆，以能够适用于工业环境。
Devicenet设备的物理接口可在系统运行时连接到网络或从网络断开，并具有极性反接保护功能。可通过同一个网络，在处理数据交换的对DeviceNet设备进行配置和参数设置，这样使复杂系统的试运行和维护变得比较简单；现在有许多的高效工具供系统集成者使用，开发变得容易。
Devicenet使用“生产者-消费者”通讯模型以及CAN协议的基本原理。DeviceNet发送节点生产网络上的数据，而DeviceNet接收节点则消费网络上的数据；两个或多个设备之间的通信总是符合基于连接的通讯模式。
Devicenet网络大可以操作64个节点，可用的通讯波特率分别为125kbps、250kbps和500kbps三种。设备可由DeviceNet总线供电（大总电流8A）或使用独立电源供电。DeviceNet网络电缆传送网络通讯信号，并可以给网络设备供电。宽范围的应用导致规定了不同规格的电缆：粗电缆、细电缆和扁平电缆，以能够适用于工业环境。
Devicenet设备的物理接口可在系统运行时连接到网络或从网络断开，并具有极性反接保护功能。可通过同一个网络，在处理数据交换的对DeviceNet设备进行配置和参数设置，这样使复杂系统的试运行和维护变得比较简单；现在有许多的高效工具供系统集成者使用，开发变得容易。
Devicenet使用“生产者-消费者”通讯模型以及CAN协议的基本原理。DeviceNet发送节点生产网络上的数据，而DeviceNet接收节点则消费网络上的数据；两个或多个设备之间的通信总是符合基于连接的通讯模式。