自主可控PLC溫度模塊抗干擾能力提升研究及應(yīng)用

方賢思

（貴州烏江水電開發(fā)有限責(zé)任公司構(gòu)皮灘發(fā)電廠，貴州 遵義 564408）

構(gòu)皮灘水電站位于貴州省余慶縣構(gòu)皮灘鎮(zhèn)，是烏江流域上開發(fā)的第七個(gè)梯級(jí)水電站，工程以發(fā)電為主，兼顧航運(yùn)、防洪等綜合利用。電站總裝機(jī)容量5×600MW，是國(guó)家“十五”計(jì)劃重點(diǎn)工程、是貴州省實(shí)施“西電東送”戰(zhàn)略的標(biāo)志性工程，是貴州省、中國(guó)華電集團(tuán)公司已建成最大的水電站。構(gòu)皮灘發(fā)電廠在推進(jìn)下位機(jī)自主可控PLC改造調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)溫度模塊采集定子繞組、主變油溫這種離大電流環(huán)境近的測(cè)溫電阻信號(hào)，測(cè)值受到的強(qiáng)磁場(chǎng)干擾出現(xiàn)頻繁跳變現(xiàn)象。溫度信號(hào)采集精準(zhǔn)可靠對(duì)發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行具有極大影響，提高自主可控PLC溫度采集模塊采集精度和抗干擾能力，不僅對(duì)安全生產(chǎn)尤為重要，而且對(duì)進(jìn)一步推廣自主可控項(xiàng)目具有重要意義。

1 現(xiàn)場(chǎng)概況及分析

在工業(yè)生產(chǎn)中熱電阻一般應(yīng)用于中低溫區(qū)的溫度測(cè)量，不同材質(zhì)的熱電阻對(duì)應(yīng)不同的測(cè)溫范圍：Pt100測(cè)溫范圍是-200～850℃，對(duì)應(yīng)的阻值范圍是18.52～390.48Ω?，F(xiàn)場(chǎng)采用的溫度采集模塊采用三線制Pt100測(cè)溫電阻信號(hào)。構(gòu)皮灘發(fā)電廠首臺(tái)自主可控下位機(jī)PLC改造機(jī)組，容量為600MW，額定電流為21394A，改造調(diào)試過程中對(duì)溫度模塊進(jìn)行卡件測(cè)試，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確未見異常，后經(jīng)空載運(yùn)行，溫度采集也正常。當(dāng)機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行接近最大發(fā)電功率時(shí)，發(fā)現(xiàn)機(jī)組多處定子繞組、主變油溫測(cè)點(diǎn)開始出現(xiàn)無(wú)規(guī)律跳變，跳變測(cè)點(diǎn)通道分別出現(xiàn)在不同盤柜的不同測(cè)溫模塊，并且隨著機(jī)組負(fù)荷增大，跳變幅度和頻率也跟著升高，機(jī)組解列后跳變現(xiàn)象消失。因溫度模塊經(jīng)卡件測(cè)試正常，基本排除PLC硬件問題，檢查測(cè)溫電阻線纜接地良好。調(diào)試人員在機(jī)組開機(jī)并網(wǎng)狀態(tài)下采用示波器對(duì)跳變比較嚴(yán)重的測(cè)點(diǎn)通道和未跳變的通道進(jìn)行采樣（如圖1、2）。通過波形分析對(duì)比，跳變比較嚴(yán)重的通道，其數(shù)據(jù)波形上疊加了比較嚴(yán)重的干擾波形。并且對(duì)比仍采用國(guó)外PLC機(jī)組的測(cè)點(diǎn)情況，通道上存在同樣干擾，但測(cè)值未出現(xiàn)跳變。

圖1 機(jī)組定子繞組測(cè)溫未跳變通道外接線波形圖

圖2 機(jī)組定子繞組測(cè)溫跳變通道外接線波形圖

從未跳變通道和跳變通道的外部接線波形圖來(lái)看，測(cè)溫通道外部接線均有大小不一的干擾存在：

（1）未跳變通道外接線上存在干擾，基礎(chǔ)噪聲不規(guī)律且伴隨著偶然的脈沖干擾，波形圖上看到干擾波形的峰峰值達(dá)到2.76V。

（2）跳變通道外接線上存在干擾，在未跳變通道的干擾類型的基礎(chǔ)上還疊加正弦波干擾，波形圖上看到干擾波形的峰峰值達(dá)到3.12V，波動(dòng)性與幅值都比未跳變通道的干擾更大。

2 方案制定

2.1 溫度模塊抗干擾優(yōu)化設(shè)計(jì)

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果分析，溫度跳變?cè)蜻€是因?yàn)闇囟饶K采集信號(hào)過程中抗干擾能力較弱，特別是采集大電流回路中電阻信號(hào)時(shí)，受工頻干擾影響明顯，需針對(duì)性的提升模塊抗高頻干擾能力?；趯?duì)溫度模塊軟、硬件工作原理的研究，電廠從硬件回路和軟件算法兩個(gè)方面展開模塊抗干擾能力優(yōu)化研究。

（1）硬件優(yōu)化。硬件優(yōu)化措施：磁珠的功能主要是消除存在于傳輸線結(jié)構(gòu)(電路)中的RF噪聲，RF能量是疊加在直流傳輸電平上的交流正弦波成分，直流成分是需要的有用信號(hào)。要消除這些不需要的信號(hào)能量，使用片式磁珠扮演高頻電阻的角色(衰減器)。通過硬件優(yōu)化，溫度采集信號(hào)在并網(wǎng)狀態(tài)進(jìn)行采集記錄，從采集數(shù)據(jù)分析，硬件優(yōu)化后對(duì)抗干擾能力有一定的效果，但效果不是很明顯。

（2）軟件濾波。濾波原理：針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)溫度值的跳變，軟件采取的措施有以下三點(diǎn)：一是提高溫度采集頻率，縮短模塊軟件采集和處理周期，單位時(shí)間內(nèi)獲取更多溫度數(shù)據(jù)；二是加強(qiáng)去極值平均濾波方法，疊加濾除正弦干擾波形的濾波算法，去除不合理的跳變溫度值和正弦波干擾。三是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)特定的干擾，增加相應(yīng)的濾波算法。

圖3 軟件濾波算法原理

2.2 濾波算法簡(jiǎn)介

熱電阻模塊的RTD信號(hào)輸入后，濾波算法利用電阻溫度探測(cè)器采集溫度信號(hào)A，基于高斯低通濾波器設(shè)計(jì)濾波器，并結(jié)合切比雪夫函數(shù)優(yōu)化濾波器，利用優(yōu)化后的濾波器去除溫度信號(hào)中的正弦波干擾，獲得溫度信號(hào)B，通過F-P濾波器對(duì)溫度信號(hào)B中的低頻信號(hào)進(jìn)行濾波處理。設(shè)計(jì)濾波器包括，采用巴特沃斯低通濾波器作為所述濾波器，基于所述低通濾波器設(shè)定濾波器的技術(shù)指標(biāo)，指標(biāo)包括帶寬、低端阻帶處的抑制高度和帶內(nèi)回波損耗，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，帶寬設(shè)為800MHz，低端阻帶處的抑制高度設(shè)為30dB，帶內(nèi)回波損耗設(shè)為30dB。進(jìn)一步的，選取切比雪夫函數(shù)作為濾波器的逼近函數(shù)，根據(jù)逼近函數(shù)確定諧振腔的數(shù)目，完成濾波器的優(yōu)化。利用優(yōu)化后的濾波器去除溫度信號(hào)中的正弦波干擾，獲得溫度信號(hào)B。濾波器需要比較長(zhǎng)的建立時(shí)間，濾波器的輸出對(duì)于輸入信號(hào)的響應(yīng)需要至少5個(gè)采樣周期，圖4演示了濾波器的響應(yīng)過程。

圖4 濾波算法示意

圖中，T為濾波器采樣周期，采樣周期的計(jì)算公式為：

式中，F(xiàn)s為軟件設(shè)置的數(shù)據(jù)輸出頻率，當(dāng)Fs=1時(shí)，T1=61，當(dāng)Fs>1時(shí)，T1=95，fclk為濾波器時(shí)鐘信號(hào)的頻率。

通過試驗(yàn)，F(xiàn)-P濾波器對(duì)于50Hz（±1Hz）的工頻干擾信號(hào)具有很好的抑制效果，對(duì)于50Hz的工頻干擾，濾波器的衰減可達(dá)120dB。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及模擬測(cè)試結(jié)果：采用新的軟件濾波后，經(jīng)過測(cè)試，通道采集精度正常，抗干擾能力得到提升。在實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5。

圖5 軟件濾波算法溫度階躍模擬測(cè)試結(jié)果

根據(jù)在電廠測(cè)量到的干擾波形，在實(shí)驗(yàn)室采用同周期的三角波進(jìn)行模擬，測(cè)試濾波軟件對(duì)于電廠干擾的濾除效果如圖6。

圖6 軟件濾波效果（縱坐標(biāo)單位0.1℃）

3 方案應(yīng)用

為進(jìn)一步保證測(cè)溫模塊軟件濾波算法優(yōu)化，不影響現(xiàn)場(chǎng)元件的真實(shí)測(cè)值，能準(zhǔn)確反應(yīng)元件采集信號(hào)，在電廠現(xiàn)場(chǎng)展開測(cè)試，為保證試驗(yàn)真實(shí)性和可靠性，電廠分別采用電阻箱阻值調(diào)整和實(shí)際電阻加熱試驗(yàn)兩種方式對(duì)溫度模塊展開測(cè)試。

3.1 精度測(cè)試

（1）用校驗(yàn)合格的電阻箱接入測(cè)溫模塊，在PLC觸摸屏上記錄數(shù)值。

表1 靜態(tài)測(cè)試

（2）同類長(zhǎng)線新RTD傳感器并接入測(cè)溫模塊，分別在室溫和用干式校驗(yàn)爐加熱情況下進(jìn)行讀值。

表2 動(dòng)態(tài)測(cè)試

3.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

經(jīng)靜態(tài)測(cè)試正常后，將模塊更換至機(jī)組進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試，通過更換前后對(duì)比，測(cè)點(diǎn)穩(wěn)定性有了明顯改善，并且通過數(shù)據(jù)比對(duì)，采集精度滿足運(yùn)行要求。

（1）無(wú)論是干擾小的還是干擾大的測(cè)點(diǎn)，溫度采集曲線都已經(jīng)明顯平穩(wěn)，濾波效果顯著。

（2）從曲線圖上，采用新的濾波算法后，溫度跳動(dòng)在±0.7℃范圍內(nèi)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文重點(diǎn)研究了自主可控PLC溫度模塊抗干擾能力提升方法，并完成工程運(yùn)用?？垢蓴_能力提升后的自主可控測(cè)溫模塊具有測(cè)量范圍寬、實(shí)用性強(qiáng)、精度高、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的推廣價(jià)值。