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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(chǎn)品質(zhì)量要求的提高，對生產(chǎn)過程中各工藝參數(shù)和設(shè)備運行情況的監(jiān)控力度與技術(shù)要求越來越高，使生產(chǎn)過程工藝參數(shù)的全程實時監(jiān)控成為了企業(yè)提高管理水平、確保產(chǎn)品質(zhì)量的重要措施與方法，生產(chǎn)工藝過程參數(shù)自動監(jiān)測技術(shù)與監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的研究與應(yīng)用成為了一項重要的內(nèi)容。但是，不同生產(chǎn)企業(yè)的設(shè)備和環(huán)境各不相同，如我國大型炭素生產(chǎn)企業(yè)，除了導(dǎo)電灰塵無處不在這種復(fù)雜環(huán)境外，擁有很多大功率等級的各類用電設(shè)備，這些設(shè)備的運行與頻繁起停，對計算機監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)形成了電磁干擾，嚴重影響監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的正常運行，如干擾引起傳輸信號的改變、造成數(shù)據(jù)丟失等。因此，必須對干擾的產(chǎn)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(yè)的生產(chǎn)過程工藝參數(shù)自動監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)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(tǒng)的實際運行結(jié)果證實了本文方法的有效性和合理性。
2. 監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的組成
某炭素公司的主導(dǎo)產(chǎn)品為高功率圓柱型電極，主要生產(chǎn)流程包括中碎配料、糊料生產(chǎn)、擠壓成型、電極石墨化、高壓浸漬、環(huán)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(chǎn)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(zhì)量，建立了一個基于CAN總線的全廠工藝參數(shù)自動監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)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(shù)，執(zhí)行相應(yīng)工藝過程控制；由中央監(jiān)控機收集、存貯和集中顯示各站點數(shù)據(jù)，建立全廠工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫，完成工藝過程質(zhì)量分析、統(tǒng)計、報表、打印等監(jiān)測功能。同時，為了便于管理人員實時了解與掌握全廠生產(chǎn)和工藝變化情況，在主要管理員辦公室配置了相應(yīng)PC機終端，這類終端與中央監(jiān)控機通訊，可實時顯示各站點數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成示意如圖1，各工控機和PC機通過CAN卡上網(wǎng)，無紙記錄儀通過485/CAN智能轉(zhuǎn)換卡上網(wǎng)。中央機和各站點工控機、PC機采用MCGS組態(tài)軟件作為開發(fā)平臺，開發(fā)相應(yīng)的用戶程序，通過OPC服務(wù)器軟件實現(xiàn)CAN總線數(shù)據(jù)傳輸通訊。根據(jù)設(shè)備分布情況，該系統(tǒng)由三條CAN總線構(gòu)成。
圖1 監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)總體結(jié)構(gòu)
3.網(wǎng)絡(luò)的干擾分析
圖1所示監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中，各工控機、PC機和記錄儀分布于企業(yè)各個生產(chǎn)車間，到中央監(jiān)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(wǎng)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(dāng)石墨化生產(chǎn)、行車運行和破碎機工作時，產(chǎn)生大電流（數(shù)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(yīng)或輻射方式干擾信道，使各處設(shè)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(zhuǎn)換模塊的輸入阻抗相差很大，其中CAN/485轉(zhuǎn)換模塊輸入阻抗大于等于35KΩ，CAN卡輸入阻抗不到200Ω，使網(wǎng)絡(luò)的阻抗匹配相當(dāng)困難，在信號傳輸過程中產(chǎn)生較大的衰減和反射干擾。當(dāng)一次傳輸數(shù)據(jù)量較大，如PC和監(jiān)控機之間采用87幀×11Bit為一個數(shù)據(jù)包進行傳送時，誤碼率高，常發(fā)生不能接收完一包數(shù)據(jù)的現(xiàn)象，即產(chǎn)生了數(shù)據(jù)丟幀，導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性低。另外，該廠位于高雷擊區(qū)，有多個傳感器安置于室外管道用于監(jiān)測管道氣體溫度和壓力。雷擊感應(yīng)多次經(jīng)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(wǎng)絡(luò)的干擾分析結(jié)論，為了降低誤碼率，提高信號傳輸性能和系統(tǒng)的可靠性，本系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)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(yīng)和靜電感應(yīng)干擾，選用屏蔽電纜作為傳輸線，并將屏蔽層作相應(yīng)接地處理。在架設(shè)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(shè)。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(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中，接地是抑制干擾的重要方法之一。本系統(tǒng)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(jiān)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(tǒng)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(zhuǎn)換模塊、CAN中繼器，將網(wǎng)絡(luò)各終端設(shè)備隔離，防止因終端設(shè)備參考地電位不同對其它終端設(shè)備產(chǎn)生影響。光電耦合的共模抑制比相當(dāng)高，抗干擾能力強。采用光電耦合也可防止傳輸線感應(yīng)的強干擾脈沖進入各終端設(shè)備，如雷擊感應(yīng)。
④ 用CAN中繼器抑制信道衰減
本網(wǎng)絡(luò)根據(jù)終端位置的分布，合理分配各條CAN總線上的所接終端設(shè)備（如圖1所示）。CAN總線2上全部終端設(shè)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(zhuǎn)換模塊接入總線，CAN/485轉(zhuǎn)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(wǎng)絡(luò)，因CAN卡輸入阻抗遠小于CAN/485模塊，使相應(yīng)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(xiàn)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(wǎng)絡(luò)的實際運行證明，采用以上硬件抗干擾措施后，網(wǎng)絡(luò)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(xiàn)數(shù)據(jù)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(fā)送當(dāng)前采集的數(shù)據(jù)，每次發(fā)送數(shù)據(jù)包長也不可更改，無法對數(shù)據(jù)庫中前一時刻的數(shù)據(jù)進行重發(fā)，且沒有生產(chǎn)設(shè)備停機和開機指示信息，所采集的參數(shù)中，有些參數(shù)既使在生產(chǎn)設(shè)備停機過程中也存在數(shù)據(jù)，有些參數(shù)則為零或很小（如電流、電壓、流量），使監(jiān)控機不能判斷該終端（只要此終端未斷開電源）數(shù)據(jù)是否為生產(chǎn)過程的實際數(shù)據(jù)，更不能簡單地將傳輸收到的零數(shù)據(jù)判斷為干擾結(jié)果（因為存在生產(chǎn)設(shè)備停機時，某些參數(shù)突然變?yōu)榱氵@種現(xiàn)象）。因此，必須采取相應(yīng)的軟件抗干擾措施，以剔除錯誤信息。
① 數(shù)據(jù)分類濾波
在電極生產(chǎn)工藝過程中，每道工序均存在緩變參數(shù)和變化較大的參數(shù)，停機后為零或很小的參數(shù)和不為零的參數(shù)。因此，軟件設(shè)計時，將數(shù)據(jù)分類，根據(jù)數(shù)據(jù)的性質(zhì)采用不同的濾波算法進行抗干擾，并判斷終端生產(chǎn)設(shè)備是否停機或正常運行。
由于網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控機僅收集各工藝終端采集的實時數(shù)據(jù)，在監(jiān)控機中建立相應(yīng)數(shù)據(jù)庫和進行各種處理，管理員PC機僅從監(jiān)控機獲取各終端的當(dāng)前數(shù)據(jù)，均不需對數(shù)據(jù)進行復(fù)雜的處理和運算，只需剔除傳輸中因干擾引起的數(shù)據(jù)丟失或畸變。故監(jiān)控機和PC機在接收數(shù)據(jù)時僅需根據(jù)數(shù)據(jù)的性質(zhì)，采用不同的幅度變化進行閾值濾波。
對于緩變參數(shù)，取小的變化閾值；對于變化較大的參數(shù)，取大的閾值。若本次數(shù)據(jù)與前次數(shù)據(jù)的絕對差小于或等于給定的閾值，則認定該數(shù)據(jù)未被干擾；若大于給定的閾值，則認定該數(shù)據(jù)被干擾，用前次數(shù)據(jù)替代，形成平滑濾波，以反映該參數(shù)的變化規(guī)律。
對于停機后變?yōu)榱慊蚝苄〉膮?shù)，在停機和開機時刻，該類參數(shù)將出現(xiàn)很大的跳變。顯然，簡單地采用前后兩次數(shù)據(jù)幅度變化閾值將產(chǎn)生錯誤的結(jié)果，如出現(xiàn)停機后數(shù)據(jù)不變，開機后數(shù)據(jù)總是零這類錯誤數(shù)據(jù)記錄。因此，對于這類數(shù)據(jù)，在幅值變化閾值基礎(chǔ)上增加次數(shù)計數(shù)器或進行多次閾值比較。例如，某參數(shù)的本次數(shù)據(jù)為零或很小，與前次數(shù)據(jù)的絕對差大于給定閾值，因不能簡單判斷是停機后的數(shù)據(jù)還是干擾產(chǎn)生的，故將計數(shù)器加/減1，用前次數(shù)據(jù)替代本次數(shù)據(jù)形成平滑濾波，下次通訊時，若該參數(shù)的數(shù)據(jù)仍然為零或很小，且與前次數(shù)據(jù)的絕對差超出給定閾值，則計數(shù)器加/減1，并判斷計數(shù)次數(shù)，若計數(shù)次數(shù)超過給定值，可判斷該參數(shù)數(shù)據(jù)為停機后的真實結(jié)果，將該參數(shù)數(shù)據(jù)置為零。若計數(shù)值未達到給定值時，數(shù)據(jù)又恢復(fù)到閾值范圍內(nèi)，則可判斷前幾次數(shù)據(jù)是干擾產(chǎn)生的，本次數(shù)據(jù)為真實數(shù)據(jù)；若某參數(shù)的數(shù)據(jù)原為零或很小，而某次數(shù)據(jù)突然大于給定的閾值1，不能簡單地判斷為開機數(shù)據(jù)或由加性干擾產(chǎn)生，則將該數(shù)據(jù)暫存。下次通訊時，若數(shù)據(jù)大于給定閾值1，將該數(shù)據(jù)與前次暫存數(shù)據(jù)進行閾值2比較，計數(shù)器加/減1，若計數(shù)次數(shù)未超過給定值，且位于閾值2范圍內(nèi)，則將新數(shù)據(jù)暫存，否則暫存數(shù)據(jù)不變；若計數(shù)次數(shù)達到給定值，可判斷為開機后的該參數(shù)真實數(shù)據(jù)，若計數(shù)次數(shù)未達到給定值，且數(shù)據(jù)與前次暫存數(shù)據(jù)之差超過閾值2范圍，或數(shù)據(jù)為零或很小，可判斷前幾次均為干擾。在做出判斷后，復(fù)位計數(shù)器。顯然，上述方法可有效地識別生產(chǎn)設(shè)備的開機與停機狀態(tài)，僅使參數(shù)存在有限個（給定計數(shù)值）非真實的數(shù)據(jù)，但這并不影響生產(chǎn)過程和企業(yè)對工藝質(zhì)量的分析。
② 小包數(shù)據(jù)傳送
在本監(jiān)控系統(tǒng)中，由于終端設(shè)備的不同，數(shù)據(jù)傳輸存在兩種機制。每臺無紙記錄儀傳送數(shù)據(jù)的長度是不可更改的，僅負責(zé)該站點的數(shù)據(jù)采集和傳輸當(dāng)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(jiān)控機的一次通訊數(shù)據(jù)量小，出錯率低。PC機從監(jiān)控機中獲得所有終端站的實時數(shù)據(jù)。因PC機和監(jiān)控機之間的數(shù)據(jù)傳輸長度可以在MCGS通訊策略組態(tài)時進行設(shè)置，為了提高系統(tǒng)的實時性，可以設(shè)置為所有數(shù)據(jù)組成一包進行一次傳輸，此時，數(shù)據(jù)包長度為87幀×11Bit。顯然，傳輸數(shù)據(jù)量遠大于記錄儀一次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量、受干擾的概率高，易出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失與出錯。基于上述現(xiàn)象，對PC機和監(jiān)控機之間的數(shù)據(jù)傳輸采用小包方式，即由監(jiān)控機按各站點參數(shù)打包，分站點分包向PC機傳輸，一次傳輸數(shù)據(jù)量比大包數(shù)據(jù)量小很多，既使某分包數(shù)據(jù)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(jiān)控機之間的可靠性。
四、結(jié)論
通過對監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的干擾分析，合理采用抗干擾措施，如數(shù)據(jù)分類濾波和小包數(shù)據(jù)傳送技術(shù)，有效地消除了網(wǎng)絡(luò)的干擾，提高了系統(tǒng)的可靠性。該網(wǎng)絡(luò)在某炭素公司近半年的運行驗證了本文方法的有效性。
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北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號