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案例頻道1.引言
隨著市場競爭性的加劇和市場對產品質量要求的提高，對生產過程中各工藝參數和設備運行情況的監控力度與技術要求越來越高，使生產過程工藝參數的全程實時監控成為了企業提高管理水平、確保產品質量的重要措施與方法，生產工藝過程參數自動監測技術與監控網絡的研究與應用成為了一項重要的內容。但是，不同生產企業的設備和環境各不相同，如我國大型炭素生產企業，除了導電灰塵無處不在這種復雜環境外，擁有很多大功率等級的各類用電設備，這些設備的運行與頻繁起停，對計算機監控網絡系統形成了電磁干擾，嚴重影響監控網絡系統的正常運行，如干擾引起傳輸信號的改變、造成數據丟失等。因此，必須對干擾的產生和抗干擾措施加以詳細研究，以便采用有效的抗干擾措施。
本文針對某炭素企業的生產過程工藝參數自動監控網絡進行了較深入的研究與分析，分別在軟件和硬件兩方面采取了多種抗干擾措施。系統的實際運行結果證實了本文方法的有效性和合理性。
2. 監控網絡的組成
某炭素公司的主導產品為高功率圓柱型電極，主要生產流程包括中碎配料、糊料生產、擠壓成型、電極石墨化、高壓浸漬、環式爐或倒焰爐煅燒和成品機加等七道工序，另外還有一個煤氣站用于給整個生產流程提供加熱控制用熱源。這些流程都有一臺工控機或配備了具有RS485通訊接口和通訊功能的無紙記錄儀。公司為了提高管理水平，確保電極質量，建立了一個基于CAN總線的全廠工藝參數自動監控系統。該系統以各流程處工控機和無紙記錄儀為終端站，采集各流程的實時工藝參數，執行相應工藝過程控制；由中央監控機收集、存貯和集中顯示各站點數據，建立全廠工藝參數數據庫，完成工藝過程質量分析、統計、報表、打印等監測功能。同時，為了便于管理人員實時了解與掌握全廠生產和工藝變化情況，在主要管理員辦公室配置了相應PC機終端，這類終端與中央監控機通訊，可實時顯示各站點數據。網絡系統組成示意如圖1，各工控機和PC機通過CAN卡上網，無紙記錄儀通過485/CAN智能轉換卡上網。中央機和各站點工控機、PC機采用MCGS組態軟件作為開發平臺，開發相應的用戶程序，通過OPC服務器軟件實現CAN總線數據傳輸通訊。根據設備分布情況，該系統由三條CAN總線構成。
圖1 監控網絡總體結構
3.網絡的干擾分析
圖1所示監控網絡中，各工控機、PC機和記錄儀分布于企業各個生產車間，到中央監控機的傳輸距離相差很大，短距離約為50m，最長距離超過1000m，且利用了部分原有網線，這些線存在多處焊接頭和往返布線，穿越該廠石墨化爐車間、大型行車車間和多臺破碎機工位。當石墨化生產、行車運行和破碎機工作時，產生大電流（數千安培）、電弧火花和強噪音。由大電流和電弧等形成的雜散電磁場通過感應或輻射方式干擾信道，使各處設備外殼和通信線屏蔽層上存在很強的靜電。CAN卡和CAN/485智能轉換模塊的輸入阻抗相差很大，其中CAN/485轉換模塊輸入阻抗大于等于35KΩ，CAN卡輸入阻抗不到200Ω，使網絡的阻抗匹配相當困難，在信號傳輸過程中產生較大的衰減和反射干擾。當一次傳輸數據量較大，如PC和監控機之間采用87幀×11Bit為一個數據包進行傳送時，誤碼率高，常發生不能接收完一包數據的現象，即產生了數據丟幀，導致系統可靠性低。另外，該廠位于高雷擊區，有多個傳感器安置于室外管道用于監測管道氣體溫度和壓力。雷擊感應多次經傳感器串入燒毀該處無紙記錄儀終端。
4. 抗干擾措施
針對上述網絡的干擾分析結論，為了降低誤碼率，提高信號傳輸性能和系統的可靠性，本系統設計與調試過程中，采取了有效的軟、硬件抗干擾措施。
（1）硬件抗干擾措施
① 合理布線及屏蔽以減少電磁場的干擾
為了抑制電磁感應和靜電感應干擾，選用屏蔽電纜作為傳輸線，并將屏蔽層作相應接地處理。在架設屏蔽電纜線時，信號傳輸線與強電線路間留一定距離且盡量采取不平行架設。抗干擾能力很強，而且頻帶很寬，特性阻抗也比較低，傳輸衰減較小。
② 合理的接地措施
在實時監控網絡中，接地是抑制干擾的重要方法之一。本系統基于各終端分布范圍很寬，且各終端均有獨立接地的特點，采用了如下措施：三條傳輸線屏蔽層在中央監控機處焊接后單點接地，在各終端處通過零歐姆電阻與終端接地相連，消除接地電流的影響，使系統具有同一的基準電位。
③ 光電隔離
選用帶光電隔離的CAN接口卡、CAN/485轉換模塊、CAN中繼器，將網絡各終端設備隔離，防止因終端設備參考地電位不同對其它終端設備產生影響。光電耦合的共模抑制比相當高，抗干擾能力強。采用光電耦合也可防止傳輸線感應的強干擾脈沖進入各終端設備，如雷擊感應。
④ 用CAN中繼器抑制信道衰減
本網絡根據終端位置的分布，合理分配各條CAN總線上的所接終端設備（如圖1所示）。CAN總線2上全部終端設備都是無紙記錄儀，這類終端僅有485接口，故使用CAN/485智能轉換模塊接入總線，CAN/485轉換模塊的輸入阻抗很高（≥35kΩ），使該總線匹配簡單，采用120Ω匹配電阻就可保證線路反射和衰減小，通信成功率高，故不用CAN中繼器。但CAN1和CAN3兩條總線均配置了多臺工控機或PC機，通過CAN卡接入網絡，因CAN卡輸入阻抗遠小于CAN/485模塊，使相應總線匹配困難，且CAN1總線線路上有多處接頭，采用120Ω匹配電阻的線路反射和衰減大，盡管這兩條總線長度都比CAN2總線長度短，但它們的通訊誤碼率和丟幀現象嚴重，故采用CAN中繼器進行信號放大，抑制信道衰減，有效地提高了傳輸性能。
⑤ 信號隔離模塊
對室外傳感器加裝信號隔離模塊，有效地消除了傳感器線路引入的干擾，提高了抗雷擊能力。
（2）軟件抗干擾措施
網絡的實際運行證明，采用以上硬件抗干擾措施后，網絡的性能有了極大的改善。但是，仍然存在干擾使信號失真，出現數據丟幀或出錯。特別是無紙記錄儀已有的485通訊格式不可更改，每次僅能發送當前采集的數據，每次發送數據包長也不可更改，無法對數據庫中前一時刻的數據進行重發，且沒有生產設備停機和開機指示信息，所采集的參數中，有些參數既使在生產設備停機過程中也存在數據，有些參數則為零或很小（如電流、電壓、流量），使監控機不能判斷該終端（只要此終端未斷開電源）數據是否為生產過程的實際數據，更不能簡單地將傳輸收到的零數據判斷為干擾結果（因為存在生產設備停機時，某些參數突然變為零這種現象）。因此，必須采取相應的軟件抗干擾措施，以剔除錯誤信息。
① 數據分類濾波
在電極生產工藝過程中，每道工序均存在緩變參數和變化較大的參數，停機后為零或很小的參數和不為零的參數。因此，軟件設計時，將數據分類，根據數據的性質采用不同的濾波算法進行抗干擾，并判斷終端生產設備是否停機或正常運行。
由于網絡監控機僅收集各工藝終端采集的實時數據，在監控機中建立相應數據庫和進行各種處理，管理員PC機僅從監控機獲取各終端的當前數據，均不需對數據進行復雜的處理和運算，只需剔除傳輸中因干擾引起的數據丟失或畸變。故監控機和PC機在接收數據時僅需根據數據的性質，采用不同的幅度變化進行閾值濾波。
對于緩變參數，取小的變化閾值；對于變化較大的參數，取大的閾值。若本次數據與前次數據的絕對差小于或等于給定的閾值，則認定該數據未被干擾；若大于給定的閾值，則認定該數據被干擾，用前次數據替代，形成平滑濾波，以反映該參數的變化規律。
對于停機后變為零或很小的參數，在停機和開機時刻，該類參數將出現很大的跳變。顯然，簡單地采用前后兩次數據幅度變化閾值將產生錯誤的結果，如出現停機后數據不變，開機后數據總是零這類錯誤數據記錄。因此，對于這類數據，在幅值變化閾值基礎上增加次數計數器或進行多次閾值比較。例如，某參數的本次數據為零或很小，與前次數據的絕對差大于給定閾值，因不能簡單判斷是停機后的數據還是干擾產生的，故將計數器加/減1，用前次數據替代本次數據形成平滑濾波，下次通訊時，若該參數的數據仍然為零或很小，且與前次數據的絕對差超出給定閾值，則計數器加/減1，并判斷計數次數，若計數次數超過給定值，可判斷該參數數據為停機后的真實結果，將該參數數據置為零。若計數值未達到給定值時，數據又恢復到閾值范圍內，則可判斷前幾次數據是干擾產生的，本次數據為真實數據；若某參數的數據原為零或很小，而某次數據突然大于給定的閾值1，不能簡單地判斷為開機數據或由加性干擾產生，則將該數據暫存。下次通訊時，若數據大于給定閾值1，將該數據與前次暫存數據進行閾值2比較，計數器加/減1，若計數次數未超過給定值，且位于閾值2范圍內，則將新數據暫存，否則暫存數據不變；若計數次數達到給定值，可判斷為開機后的該參數真實數據，若計數次數未達到給定值，且數據與前次暫存數據之差超過閾值2范圍，或數據為零或很小，可判斷前幾次均為干擾。在做出判斷后，復位計數器。顯然，上述方法可有效地識別生產設備的開機與停機狀態，僅使參數存在有限個（給定計數值）非真實的數據，但這并不影響生產過程和企業對工藝質量的分析。
② 小包數據傳送
在本監控系統中，由于終端設備的不同，數據傳輸存在兩種機制。每臺無紙記錄儀傳送數據的長度是不可更改的，僅負責該站點的數據采集和傳輸當前采集值（其中16通道最多傳輸5幀×11Bit，8通道最多傳輸3幀×11Bit），故與監控機的一次通訊數據量小，出錯率低。PC機從監控機中獲得所有終端站的實時數據。因PC機和監控機之間的數據傳輸長度可以在MCGS通訊策略組態時進行設置，為了提高系統的實時性，可以設置為所有數據組成一包進行一次傳輸，此時，數據包長度為87幀×11Bit。顯然，傳輸數據量遠大于記錄儀一次傳輸的數據量、受干擾的概率高，易出現數據丟失與出錯。基于上述現象，對PC機和監控機之間的數據傳輸采用小包方式，即由監控機按各站點參數打包，分站點分包向PC機傳輸，一次傳輸數據量比大包數據量小很多，既使某分包數據傳送受干擾，不會影響其它分包的傳送，從而提高了PC機和監控機之間的可靠性。
四、結論
通過對監控網絡的干擾分析，合理采用抗干擾措施，如數據分類濾波和小包數據傳送技術，有效地消除了網絡的干擾，提高了系統的可靠性。該網絡在某炭素公司近半年的運行驗證了本文方法的有效性。
參考文獻
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北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號