基于共用接地的工控系統(tǒng)通信抗干擾技術(shù)

張炎

摘 要：多晶硅生產(chǎn)技術(shù)中最為成熟的是改良西門子法，其所涉及的高壓?jiǎn)?dòng)系統(tǒng)，還原系統(tǒng)，隔離柜和轉(zhuǎn)換柜的設(shè)計(jì)以及SCADA控制系統(tǒng)都屬于多晶硅電源系統(tǒng)的重要部分。在實(shí)際施工過程中，克服工控系統(tǒng)通信干擾成為了首要問題。我公司通過理論研究、經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化、方案提出、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、結(jié)果驗(yàn)證設(shè)計(jì)出一套抗干擾能力強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定可靠的基于共用接地的抗干擾技術(shù)，保證了多晶硅電源系統(tǒng)的正常運(yùn)行，為自動(dòng)化工控系統(tǒng)的抗干擾布局積累了經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：多晶硅電源系統(tǒng)；工控系統(tǒng)；共用接地；耦合干擾；抗干擾技術(shù)

中圖分類號(hào)：TN92 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）18-0019-03

Abstract： The maturest polysilicon production technology is the modified Siemens method， which involves the design of high voltage startup system， reduction system， isolation cabinet and conversion cabinet， as well as SCADA control system， which all belong to the important part of polysilicon power supply system. In the actual process of construction， overcoming the communication interference of industrial control system has become the primary problem. Through theoretical research， experience transformation， scheme proposal， experiment design and result verification， our company has designed a set of anti-interference technology based on common grounding with strong anti-interference ability and stable operation， which ensures the normal operation of polysilicon power supply system. It has accumulated experience for anti-interference layout of automatic industrial control system.

Keywords： polysilicon power supply system； industrial control system； common ground； coupling interference； anti-interference technology

引言

多晶硅半導(dǎo)體材料的研發(fā)技術(shù)，不僅與電子信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)不可分割，也和光伏產(chǎn)業(yè)息息相關(guān)。生產(chǎn)出合格的多晶硅材料，要求生產(chǎn)工藝精細(xì)嚴(yán)格高標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)設(shè)備穩(wěn)定可靠抗干擾。

2016年以來，中國(guó)穩(wěn)坐光伏產(chǎn)業(yè)第一大國(guó)的交椅，裝機(jī)總量和增速均為世界第一，對(duì)多晶硅依賴嚴(yán)重。據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016年多晶硅的進(jìn)口量占消費(fèi)量的四成以上，國(guó)產(chǎn)化依舊有很大的上升空間。

目前，多晶硅生產(chǎn)最為成熟的首選方式是改良西門子法多晶硅還原法[1]。其原理是采用化學(xué)氣相沉積（Chemical Vapor Deposition，CVD），具體是在高溫條件（1100℃左右）下，以高純硅為核芯，使用還原性強(qiáng)的氣體高純氫對(duì)三氯氫硅以此生成對(duì)晶硅，再在高純硅上進(jìn)行沉積生長(zhǎng)，其部分副產(chǎn)物和副產(chǎn)熱都可以回收再利用。

在整個(gè)CVD過程中，高純硅芯需要降低其電阻以利于導(dǎo)通。由于室溫下高純硅的電阻率高，需要依靠外部加熱技術(shù)或者高壓?jiǎn)?dòng)技術(shù)。外部加熱技術(shù)是將還原爐加熱至300℃以上提升硅的導(dǎo)電率，但此加熱方法熱量分布不均，硅體外部溫度明顯高于內(nèi)部，且加熱時(shí)間長(zhǎng)，效率低下，生產(chǎn)的多晶硅純度受到影響。而采用高壓?jiǎn)?dòng)技術(shù)規(guī)避了以上缺點(diǎn)，利用數(shù)千伏的高壓?jiǎn)?dòng)裝置使硅芯均勻發(fā)熱，此種方法加熱迅速均一穩(wěn)定，啟動(dòng)效率得到了提高[2]。

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的對(duì)晶硅還原電源系統(tǒng)即采用了高壓?jiǎn)?dòng)的方法，設(shè)計(jì)了啟動(dòng)系統(tǒng)、還原系統(tǒng)、隔離轉(zhuǎn)換系統(tǒng)以及SCADA控制系統(tǒng)。由于動(dòng)力線路布局密集，其產(chǎn)生的電磁場(chǎng)干擾對(duì)于整體的工控系統(tǒng)有著嚴(yán)重的不利影響。

本論文就實(shí)際的工程施工中遇到的諸多電磁干擾因素進(jìn)行研究，通過控制變量法和排除法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，成功完成了技術(shù)突破，順利交付了項(xiàng)目。

1 工控系統(tǒng)通信干擾的因素和常見措施

1.1 干擾產(chǎn)生的原因和種類

隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展以及對(duì)空間利用的不斷提高，經(jīng)常要求在較為狹窄的區(qū)域內(nèi)完成多種設(shè)備的安裝與調(diào)試，這使得電力線路分布密集，在設(shè)備的使用開閉使用過程中，產(chǎn)生了大量的電磁場(chǎng)干擾，其產(chǎn)生的主要原因是耦合。耦合指的是多級(jí)元件（兩個(gè)及以上的電路元件）之間的輸出和輸入端口之間發(fā)生相互作用而傳遞能量的現(xiàn)象。耦合電磁干擾根據(jù)傳遞方式不同可以分為傳導(dǎo)型耦合干擾和輻射型耦合干擾。

工業(yè)控制系統(tǒng)中，由于電力線路產(chǎn)生大量干擾，而信號(hào)線路往往抗干擾能力弱，故而一般要求遠(yuǎn)離電力線路單獨(dú)敷設(shè)。工控系統(tǒng)的常見干擾一般是由導(dǎo)線相互耦合而產(chǎn)生。耦合干擾包括：電容耦合干擾，電感耦合干擾，電阻耦合干擾（共用接地的阻抗耦合干擾，共用電源的阻抗耦合干擾）。

1.1.1 電容耦合干擾的產(chǎn)生

電容耦合干擾：常被稱作電場(chǎng)耦合，是由于干擾源（噪聲源）和受干擾的電路之間有著電容通路，導(dǎo)線之間存在著分布電容（寄生電容），對(duì)于并聯(lián)電路危害大。例如平行導(dǎo)線之間的電容干擾可以抽象為如下模型：

在此模型中，受干擾的敏感導(dǎo)線B和干擾源導(dǎo)線A之間存在著寄生電容CAB，并且將各自導(dǎo)線與大地之間的電容（CAG和CBG）并入考慮，R是受干擾的敏感導(dǎo)體與大地之間的電阻，UBG是受擾導(dǎo)體與大地之間的干擾電壓。

如果R阻抗較低，干擾電壓可以表示為：

UBG1=kCAB RUA，k=jω

因此電容耦合干擾實(shí)際上可以抽象為，在干擾源的作用下，在被干擾的導(dǎo)體與大地之間接入了一個(gè)電流源，該電流源的幅度與干擾源的電壓UA和寄生電容CAB的乘積有關(guān)：

IBG=kUA CAB

CAB與干擾源和受擾導(dǎo)體的距離D與干擾源導(dǎo)體直徑d的比值成負(fù)相關(guān)。因?yàn)閁A一般不可變，故而可以通過增加距離D一定程度上減小CAB，初始增加距離D效果顯著，但當(dāng)距離D超過一定數(shù)值以后，CAB的減小不明顯。

如果R阻抗較高，干擾電壓則可看作是：

UBG2=

與騷擾電壓的ω?zé)o關(guān)。可以明顯看出UBG2>UBG1。

1.1.2 電感耦合干擾的產(chǎn)生

電感耦合干擾：常被稱作磁場(chǎng)耦合，是由于導(dǎo)線中電流變化引起的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，從而使另一導(dǎo)線產(chǎn)生了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，因此制造的耦合干擾，對(duì)于串聯(lián)電路危害大。

干擾源A與受干擾導(dǎo)體B之間的互感為MAB，產(chǎn)生的感應(yīng)電壓

UAB=MAB

其中MAB可以表示為MAB=BScosθ。

1.1.3 共阻抗耦合干擾

共阻抗耦合干擾可以分為共地阻抗耦合干擾和電源內(nèi)阻抗耦合干擾。

共地阻抗耦合干擾指的是由于地環(huán)路的存在，干擾源線路與被干擾線路之間共用接地時(shí)，干擾源的輸出電流通過共地阻抗在被干擾輸入端形成了高壓，即接地干擾。電源內(nèi)阻抗耦合干擾的原理與此相似，不再贅述。

1.2 抗干擾措施

1.2.1 電容耦合抗干擾

根據(jù)1.1.1的模型分析，可以通過增加距離D一定程度上減小CAB，初始增加距離D效果顯著，但當(dāng)距離D超過一定數(shù)值以后，CAB的減小不明顯。該原理的應(yīng)用即工程線路敷設(shè)時(shí)，將被干擾的弱信號(hào)線和干擾源強(qiáng)信號(hào)線的敷設(shè)距離增大，因?yàn)榈谋戎党^40后減小作用不明顯，故而實(shí)際鋪設(shè)的距離D一般取為干擾源導(dǎo)體直徑d的40倍，即遠(yuǎn)離技術(shù)。同時(shí)，因?yàn)槠叫袑?dǎo)線之間的寄生電容最大，故而布線避免平行能有效減少電容耦合干擾。

1.2.2 電感耦合抗干擾

根據(jù)1.1.2的模型分析，減小UAB即減小干擾源與被干擾導(dǎo)體的互感，即BScosθ。B值的大小與干擾源導(dǎo)體中的電流大小成正相關(guān)，而與干擾源導(dǎo)體和被干擾導(dǎo)體之間的距離D成負(fù)相關(guān)。故而依然可以采取增大D值的方式減小電感耦合干擾，即遠(yuǎn)離技術(shù)。同時(shí)根據(jù)公式MAB=BScosθ，避免平行的線路布局仍然可以在很大的程度上減小電感耦合干擾。

1.2.3 共阻抗耦合抗干擾

采用一點(diǎn)接地的方式，即將同級(jí)電路中的基極、發(fā)射極、集電極的接地端共接地點(diǎn)（實(shí)際操作中不可能完全共點(diǎn)，但要是同級(jí)電路的接地點(diǎn)盡量集中），這樣可以很好地避免其他級(jí)回路的干擾，但其只是用于規(guī)模較小、電纜長(zhǎng)度小的電路。

采用多點(diǎn)接地能適應(yīng)工作頻率更高，電纜線路更長(zhǎng)的電路[3]。

采用匯流接地、大面積接地、數(shù)模隔離接地以及加粗接地線的方式都能很好地抑制共阻抗耦合干擾[4]。

1.2.4 使用屏蔽體

屏蔽體的使用能更好地抑制耦合干擾。

在電容耦合干擾中，在受干擾導(dǎo)體上加入屏蔽管線，使得受干擾導(dǎo)體暴露在屏蔽體外的部分盡可能小，以減少CAB（CAB與受擾導(dǎo)體延伸部分的長(zhǎng)度有關(guān)），并且屏蔽管線應(yīng)有良好的接地，一般采用單點(diǎn)或多點(diǎn)接地。

在電感耦合干擾中，單點(diǎn)接地或不接地并不能使屏蔽體產(chǎn)生額外磁場(chǎng)以改變?cè)写欧植迹识荒艿挚闺姼懈蓴_。而使用兩端接地的屏蔽體對(duì)電感耦合干擾有明顯的抑制作用。

1.2.5 使用雙絞線

雙絞線是由互相絕緣的導(dǎo)線以一定的纏繞密度螺旋纏繞而成。既降低了外磁場(chǎng)的干擾，因其非平行的敷設(shè)方式，也降低了傳輸線之間的互電容。采用平衡式傳輸?shù)碾p絞線可以抵抗自身和外部磁場(chǎng)的干擾，具備良好的抗共模干擾的能力[5]。

當(dāng)工作頻率低于100kHz時(shí)，雙絞線的抗干擾效果良好，但當(dāng)工作頻率高于1MHz時(shí)，電路損耗增加，且寄生電容分布增加，雙絞線的使用反而增加了干擾[6]。

2 實(shí)際項(xiàng)目通信抗干擾技術(shù)的實(shí)驗(yàn)與分析

本項(xiàng)目的布線環(huán)境十分復(fù)雜，使用的電器柜數(shù)量多，強(qiáng)電弱電系統(tǒng)分布集中，中頻低頻電路交叉布局，造成的干擾形式復(fù)雜，干擾強(qiáng)度強(qiáng)。因此純理論的分析方法不適用。

為了結(jié)局實(shí)際布局產(chǎn)生的大量干擾，我們采用了實(shí)驗(yàn)的方法，通過控制變量法設(shè)立對(duì)照組，用排除法排查干擾源，成功解決的實(shí)際項(xiàng)目中存在的諸多干擾問題。

2.1 共用接地實(shí)驗(yàn)

2.1.1 實(shí)驗(yàn)背景

以抗干擾為原則，本項(xiàng)目在方案制定中就采用了遠(yuǎn)離技術(shù)、屏蔽技術(shù)、接地設(shè)計(jì)等諸多抗干擾方式。

方案設(shè)計(jì)中，進(jìn)電電纜以絕緣絕熱玻璃板隔離，并在電器柜上方架空敷設(shè)；控制信號(hào)電纜和低壓電纜以抗電磁隔離板隔開，敷設(shè)在電氣柜下方的電纜溝槽之中。

控制柜的分布較為集中，采用以光纖替代網(wǎng)線串聯(lián)的方式將PLC200串聯(lián)起來接入PLC400中，形成環(huán)網(wǎng)通信通道。光纖為石英絕緣材質(zhì)，不受電磁波干擾，且傳播頻率很高，不受低頻信號(hào)干擾。

接地系統(tǒng)是抗干擾技術(shù)的重要一環(huán)。

本項(xiàng)目中所涉及共六種接地類型，諸如低壓配電系統(tǒng)中性點(diǎn)接地、電氣安全保護(hù)接地、電子設(shè)備直流工作接地和通信電源接地等。接地方式的選擇需要綜合考慮電氣柜的布局、施工過程的復(fù)雜工況條件和抑制阻抗耦合等要素：

采用共用一個(gè)接地的方式，由于電氣柜的數(shù)量眾多，強(qiáng)電流電路對(duì)弱信號(hào)產(chǎn)生的共模干擾嚴(yán)重；

采用兩個(gè)及以上的多點(diǎn)接地，由于接地電位不同，各個(gè)接地點(diǎn)之間存在著電位差，對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。

盡管在方案制定期就已經(jīng)綜合考慮了抗干擾的因素，但在項(xiàng)目的實(shí)際工程施工中，因?yàn)殡姎猸h(huán)境太過復(fù)雜，仍然出現(xiàn)了許多干擾因素，僅僅依靠理論計(jì)算和數(shù)據(jù)分析完全不能勝任干擾的排查和抗干擾措施的處理工作，故而需要設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本著控制變量法的實(shí)驗(yàn)精神，對(duì)于該項(xiàng)目中復(fù)雜接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，我們?cè)O(shè)立了一組對(duì)照組和一組實(shí)驗(yàn)組。

在相同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下（保證電磁環(huán)境一致以控制變量），使用相同的電氣柜，將其分為兩部分。實(shí)驗(yàn)組電氣柜采用共用一個(gè)接地的方式，對(duì)照組電氣柜采用共用多個(gè)接地的方式。該實(shí)驗(yàn)的變量?jī)H為接地方式的不同。

2.1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在保證無其他變量參數(shù)的干擾情況下。采用共用一個(gè)接地的實(shí)驗(yàn)組沒有出現(xiàn)明顯的電磁干擾現(xiàn)象，采用共用多個(gè)接地的對(duì)照組出現(xiàn)了明顯的電磁干擾現(xiàn)象。

分析認(rèn)為可能由于多個(gè)接地點(diǎn)之間存在著電位差，造成了接地干擾，使得整個(gè)系統(tǒng)不穩(wěn)定，出現(xiàn)了電壓電流的不定變化。

2.2 遠(yuǎn)程調(diào)試下的工控系統(tǒng)干擾及解決措施

在消除了共用接地干擾的情況之后，遠(yuǎn)程調(diào)試的時(shí)候工控系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，存在著電磁干擾現(xiàn)象。在方案設(shè)計(jì)階段采用了光纖替代網(wǎng)線的方法已經(jīng)在一定程度下消除了對(duì)控制信號(hào)的干擾，故而干擾源頭在其余的設(shè)備上。在采用排除法檢查和分析相關(guān)設(shè)備的運(yùn)作情況后，確定了干擾來源。

控制柜中的西門子S7-200PLC與數(shù)字控制板之間存在著雙絞線屏蔽層，其與數(shù)字控制板的供電電源共接在同一端子，并在端子上接地，導(dǎo)致了干擾的產(chǎn)生。

我們將雙絞線屏蔽層與數(shù)字控制板的供電電源端子斷開，使屏蔽層浮空。在經(jīng)過相應(yīng)地遠(yuǎn)程調(diào)控檢驗(yàn)后，干擾得到了消除。

3 結(jié)束語

本次多晶硅還原電源系統(tǒng)項(xiàng)目的順利交付，是基于團(tuán)隊(duì)對(duì)于工程標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格執(zhí)行的態(tài)度和面對(duì)困難的不懈努力、勇于嘗試的精神。

通過對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境下工控系統(tǒng)抗干擾技術(shù)的探索和研究，用科學(xué)的的態(tài)度設(shè)計(jì)方案、發(fā)現(xiàn)問題、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、進(jìn)行試驗(yàn)、驗(yàn)證結(jié)果、分析結(jié)果，最終問題得到了順?biāo)斓慕鉀Q。

抗干擾技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，不僅解決了實(shí)際項(xiàng)目的問題，為以后的相關(guān)項(xiàng)目積累了經(jīng)驗(yàn)，還完善了解決項(xiàng)目難點(diǎn)的方法論，即便在未來的工程項(xiàng)目中遇到了其他類型更加困難的技術(shù)瓶頸，也能夠通過科學(xué)的態(tài)度和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)進(jìn)行處理和解決。

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