DCS自動(dòng)控制系統(tǒng)與變頻器的電磁兼容分析

本文介紹了制藥廠發(fā)酵罐用變頻器干擾DCS自動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)例分析及干擾處理方法。通過在變頻器輸入、輸出端加裝匹配的電源濾波器，有效解決了變頻器工作時(shí)產(chǎn)生的電磁干擾。經(jīng)過多次整機(jī)調(diào)試及試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了制藥廠發(fā)酵車間DCS自動(dòng)化控制系統(tǒng)與變頻器的電磁兼容。

　　1引言

　　變頻器的應(yīng)用日益普及，為各行業(yè)的工業(yè)自動(dòng)化控制提供了良好的生產(chǎn)及工藝效益。但隨著自動(dòng)化程度的不斷提高，自動(dòng)化設(shè)備對(duì)電源污染的程度也越來越深，相應(yīng)的對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的干擾也越來越強(qiáng)，對(duì)電源濾波、凈化，取得相對(duì)穩(wěn)定的綠色電源的要求也越來越高。

　　國際上對(duì)電磁兼容(EMC或EMI)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用已有比較明確的法律及法規(guī)，對(duì)電子設(shè)備的干擾及被干擾、電源的諧波含量都有明確的規(guī)定。由于我國電子設(shè)備的自動(dòng)化發(fā)展相對(duì)較慢，對(duì)其諧波含量對(duì)電網(wǎng)的污染還沒有一定的認(rèn)識(shí)，因此這一方面的認(rèn)知還沒有發(fā)展到法律化的程度。但是，在一些工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化程度相對(duì)較高的場(chǎng)合，電磁兼容的意義已相對(duì)明顯，有些電子設(shè)備對(duì)電磁干擾非常的敏感，已至于無法正常工作。

　　在河南新鄉(xiāng)華星制藥廠我們安裝變頻器設(shè)備時(shí)就遇到了該類問題，我們利用濾波措施，經(jīng)過多次調(diào)試，已順利解決。這里我們把問題解決的方法談一下，供業(yè)界人士共同探討。

　　2發(fā)酵車間自動(dòng)控制系統(tǒng)簡介

　　河南新鄉(xiāng)華星制藥廠青霉素發(fā)酵107車間，采用北京康拓生化工程有限公司設(shè)計(jì)制造的全自動(dòng)DCS控制系統(tǒng)，對(duì)每臺(tái)發(fā)酵罐的溫度、壓力、酸堿度(PH值)進(jìn)行全方位監(jiān)控，并對(duì)發(fā)酵過程中的補(bǔ)料、出料，包括加糖、苯乙酸、加氨等進(jìn)行全自動(dòng)操作，有三個(gè)傳感器進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)出電信號(hào)至微機(jī)控制系統(tǒng)。由微機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)檢測(cè)的電壓(或電流)值適時(shí)發(fā)出脈沖信號(hào)(+5V)，去控制電磁閥的開閉(電磁閥工作電壓為+24V)，來實(shí)現(xiàn)進(jìn)出料的補(bǔ)給。這樣每臺(tái)發(fā)酵罐就有三項(xiàng)進(jìn)出料控制的六個(gè)電磁閥，三個(gè)傳感器，兩塊檢測(cè)儀表，在微機(jī)上全部實(shí)行遠(yuǎn)距離監(jiān)控，并將全部數(shù)據(jù)全面顯示于一面大屏幕墻上。全車間共有18個(gè)發(fā)酵罐。由此可想而知該類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)龐大，控制繁雜，布線稠密，安裝時(shí)考慮必須十分周到、細(xì)致。

　　3電磁干擾問題分析及解決方法

　　由于用戶已試用了一臺(tái)變頻器，根據(jù)更換皮帶輪，調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，對(duì)用變頻器節(jié)能已有一定的認(rèn)識(shí)，因此決定安裝我公司的變頻器，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能增效的目的。

　　我們?cè)诘谝淮伟惭b變頻器時(shí)，由于未考慮到電磁兼容的嚴(yán)重性，變頻器開機(jī)后干擾原控制系統(tǒng)，在微機(jī)上多臺(tái)發(fā)酵罐發(fā)出報(bào)警信號(hào)，后來加了輸入、輸出電抗器，也沒能解決問題。后來我們觀察用戶原應(yīng)用的變頻器，他采用了濟(jì)南菲奧特電子設(shè)備有限公司生產(chǎn)的變頻器輸入端及輸出端專用電源濾波器，已正常運(yùn)行一年，于是制藥廠建議我公司購買該類同型號(hào)的電源濾波器。

　　變頻器輸入端電源濾波器是采用高導(dǎo)磁率的鐵氧體磁心及鐵粉芯，配接一定的電容，構(gòu)成LC濾波器，將變頻器產(chǎn)生的高次諧波(在某一頻帶內(nèi)的)濾掉，而使臨近或同一電網(wǎng)工作的電器設(shè)備不受干擾，能夠正常工作。其原理圖如圖1所示。

　　圖1 輸入濾波器電路原理圖

　　變頻器輸出端電源濾波器采用電感(L)濾波，抑制變頻器輸出的傳導(dǎo)干擾和減少輸出線上低頻輻射干擾，使直接驅(qū)動(dòng)的電機(jī)電磁噪聲減小，使電機(jī)的銅損、鐵損大幅減少。其原理圖如圖2所示。

　　圖2 輸出濾波器電路原理圖

　　購買了該類濾波器后，我們?nèi)ガF(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了調(diào)試。由于對(duì)該類現(xiàn)場(chǎng)接觸較少，技術(shù)人員準(zhǔn)備不太充分，雖然增加了濾波器，但濾波效果仍不理想，在重載時(shí)仍存在干擾，DCS系統(tǒng)不能正常工作，變頻器仍無法運(yùn)行。于是我們對(duì)問題做了具體的分析。

變頻器產(chǎn)生干擾的原因

　　圖3 變頻器主電路圖

　　變頻器主電路一般是交流—直流—交流模式見圖3，外部輸入380V/50Hz的工頻電源經(jīng)三相橋路不可控整流成直流電壓信號(hào)，經(jīng)濾波電容濾波及大功率晶體管開關(guān)元件逆變?yōu)轭l率可變的交流信號(hào)。在整流回路中，輸入電流的波形為不規(guī)則的矩形波，波形按傅立葉級(jí)數(shù)分解為基波和各次諧波，其中的高次諧波將干擾輸入供電系統(tǒng)。在逆變輸出回路中，輸出電流信號(hào)是受PWM載波信號(hào)調(diào)制的脈沖波形，對(duì)于GTR大功率逆變?cè)?，其PWM的載波頻率為2～3kHz，而IGBT大功率逆變?cè)腜WM最高載頻可達(dá)15kHz。同樣，輸出回路電流信號(hào)也可分解為只含正弦波的基波和其他各次諧波，而高次諧波電流對(duì)負(fù)載直接干擾。另外高次諧波電流還通過電纜向空間輻射，干擾鄰近電氣設(shè)備。

　　變頻器干擾的主要傳播途徑

　　變頻器工作時(shí)，作為一個(gè)強(qiáng)大的干擾源，其干擾途徑一般分為輻射、傳導(dǎo)、電磁耦合、二次輻射和邊傳導(dǎo)邊輻射等。主要途徑如圖4所示：

　　圖4變頻器干擾的主要傳播途徑

　　從上圖可以看出，變頻器產(chǎn)生的輻射干擾對(duì)周圍的無線電接收設(shè)備產(chǎn)生強(qiáng)烈的影響，傳導(dǎo)干擾使直接驅(qū)動(dòng)的電機(jī)產(chǎn)生電磁噪聲，使得銅損、鐵損大幅增加，同時(shí)傳導(dǎo)干擾和輻射干擾對(duì)電源輸入端所連接或鄰近的電子敏感設(shè)備有很大的影響。

　　針對(duì)這兩次調(diào)試情況和變頻器產(chǎn)生干擾及干擾的途徑，我們聯(lián)合電源濾波器生產(chǎn)廠商的工程師進(jìn)行了分析總結(jié)，并與北京康拓生物工程有限公司的工程師多次進(jìn)行了電話溝通，了解了其工作原理、布線情況，分析認(rèn)為主要還是變頻器輸入端產(chǎn)生的高頻諧波造成的干擾。因裝變頻器后，變頻器的輸入線在原動(dòng)力線槽內(nèi)，而輸出線不在線槽內(nèi)，離電機(jī)也比較近。再者，原布線系統(tǒng)不太合理，動(dòng)力線槽與控制線槽距離較近，只有20cm，按規(guī)定應(yīng)不少于50cm，且兩線槽平行走線，這些都是比較忌諱的。變頻器的地線接的也不太合理，接在了電源線的走線槽上，線槽的作用一是支撐電源線、二是起屏蔽的作用，變頻器的干擾又通過地線到了線槽上。變頻器產(chǎn)生的高次諧波通過變頻器的輸入線和地線輻射到其它設(shè)備的電源線和信號(hào)線上(尤其是比較敏感的傳感器的信號(hào)線。這里強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)：我們的變頻器與DCS控制系統(tǒng)不是同一臺(tái)變壓器給電，可以排除直接傳導(dǎo)干擾)，干擾了控制系統(tǒng)的正常工作。

　　分析這些問題，由于原布線系統(tǒng)已成定型，再動(dòng)幾乎是不可能，因此改變電源線和信號(hào)線布線的想法應(yīng)予以排除，變頻器地線可以另走，拉一根地線直接接至配電室電控柜的地線上，對(duì)變頻器的輸入端再加強(qiáng)濾波措施，按理論問題應(yīng)于解決。

　　在現(xiàn)場(chǎng)原發(fā)酵罐停車后，我們?cè)谠瓰V波器基礎(chǔ)上又增加了一套共模及差模磁環(huán)，在輸入、輸出每相線上各套二個(gè)差模環(huán)，在輸入的三根相線上套兩個(gè)共模磁環(huán)，并將地線接至配電室的地上。這樣處理后開機(jī)運(yùn)行，在電機(jī)空載的情況下運(yùn)行正常，沒有出現(xiàn)干擾報(bào)警現(xiàn)象。

帶載運(yùn)行時(shí)，305、307罐出現(xiàn)干擾報(bào)警。將地線改至控制307罐(該罐已使用變頻器，線槽內(nèi)走的是該變頻器的輸出線)變壓器的地線上，305罐不再干擾報(bào)警，但307罐仍間隔幾分鐘出現(xiàn)干擾報(bào)警現(xiàn)象，分析可能是兩臺(tái)變頻器產(chǎn)生的共模干疊加所至，也可能是地線放在動(dòng)力線槽內(nèi)，走線較長引起的，于是在地線上加裝地線濾波器，但效果也不太好。后來將地線拆除(經(jīng)測(cè)量變頻器整機(jī)漏電流很小，對(duì)人體不會(huì)造成危害，所以可以將地線拆除)，效果好一些，但報(bào)警現(xiàn)象也是間斷出現(xiàn)，這樣分析應(yīng)該不是地線引起的，還是輸入端的濾波措施不夠，沒有將高頻干擾濾除干凈。因此停機(jī)，在輸入的每相線上再加兩只差模環(huán)，在三條輸入相線上再套三個(gè)共模環(huán)，這樣開機(jī)運(yùn)行，工作正常，整個(gè)系統(tǒng)不再出現(xiàn)干擾現(xiàn)象。系統(tǒng)處理后的框圖如圖5所示。

　　圖5 系統(tǒng)