交直流串?dāng)_對(duì)某輸送裝置控制系統(tǒng)的影響分析

黃 龍

(中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七一三研究所，鄭州 450015)

某輸送裝置是配合某裝備使用的設(shè)備，主要完成為該裝備輸送補(bǔ)給的任務(wù)，保障該裝備的正常工作。裝備的控制系統(tǒng)通過(guò)接線箱，與電機(jī)和其他用電設(shè)備相連，其與接線箱之間有多根互聯(lián)電纜，均帶有外屏蔽，輸送裝置的控制系統(tǒng)與裝備的控制系統(tǒng)之間有1根互聯(lián)電纜，用于傳輸直流電源及開(kāi)關(guān)量信號(hào)，該電纜帶有外屏蔽，兩者連接關(guān)系示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 裝備控制系統(tǒng)與輸送裝置控制系統(tǒng)連接關(guān)系

其中裝備控制系統(tǒng)至接線箱電纜長(zhǎng)約30 m，輸送裝置的控制系統(tǒng)與裝備的控制系統(tǒng)之間電纜長(zhǎng)約8 m。在日常使用過(guò)程中，出現(xiàn)輸送裝置向下輸送物資時(shí)，在啟動(dòng)工況后，輸送裝置控制系統(tǒng)鍵盤(pán)按鍵短暫失效問(wèn)題，該故障經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后可自動(dòng)恢復(fù)正常，該問(wèn)題只在此特定條件下出現(xiàn)，可重復(fù)出現(xiàn)，在其他工作方式下輸送裝置控制系統(tǒng)工作正常。為了解決此問(wèn)題，進(jìn)行故障原因分析及故障定位，針對(duì)故障原因制定應(yīng)對(duì)措施，將故障消除。

1 原因分析及故障定位

為了能夠準(zhǔn)確定位故障原因，建立故障樹(shù)，見(jiàn)圖2。

圖2 故障樹(shù)

鍵盤(pán)故障，線路虛焊，顯示器故障，控制器電源板輸出異常，程序運(yùn)行異常，直流電源干擾，主板故障。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況對(duì)事件進(jìn)行初步分析。

在故障現(xiàn)象出現(xiàn)后，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，按鍵響應(yīng)自動(dòng)恢復(fù)正常，且不會(huì)在其他工況出現(xiàn)按鍵延遲問(wèn)題，可排除鍵盤(pán)故障。

檢查輸送裝置控制器、輸送裝置與裝備連接線、直流回路所有線纜的焊接情況，未發(fā)現(xiàn)有虛焊情況，可排除線路虛焊。

在故障出現(xiàn)時(shí)，通過(guò)手動(dòng)操作某些開(kāi)關(guān)，改變其通斷狀態(tài)，可在顯示器上觀察到手動(dòng)操作的開(kāi)關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，說(shuō)明程序運(yùn)行正常且顯示器工作正常，可排除顯示器故障以及程序運(yùn)行異常。

輸送裝置向下輸送物資的工況啟動(dòng)時(shí)，輸送裝置配套裝備的控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)起動(dòng)電機(jī)，該電機(jī)交流動(dòng)力線與控制用直流電在同一根電纜中，電機(jī)動(dòng)力線和控制用直流電進(jìn)入裝備的控制系統(tǒng)機(jī)柜后分開(kāi)布線，控制用直流電最終通過(guò)互聯(lián)電纜輸送給輸送裝置控制系統(tǒng)，其他工況工作時(shí)，則該電機(jī)不會(huì)起動(dòng)。電機(jī)起動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生了較大的起動(dòng)電流，其可能會(huì)在交流線路中產(chǎn)生高頻干擾，由于線纜較長(zhǎng)，線間產(chǎn)生的分布電容為干擾提供了耦合路徑，高頻干擾通過(guò)耦合進(jìn)入直流電線路中，對(duì)輸送裝置控制系統(tǒng)造成干擾，導(dǎo)致其鍵盤(pán)出現(xiàn)按鍵延遲現(xiàn)象。故直流電源干擾可能是導(dǎo)致故障的原因。

控制器電源板輸出異常會(huì)影響主板等其他板卡正常工作，故控制器電源板輸出異?？赡苁菍?dǎo)致故障的原因。

主板是為顯示器、鍵盤(pán)提供接口的板卡，根據(jù)現(xiàn)有現(xiàn)象，無(wú)法排除短暫出現(xiàn)主板故障的可能，故主板故障可能是導(dǎo)致故障的原因。

經(jīng)過(guò)初步分析，認(rèn)為直流電源干擾、控制器電源板輸出異常、主板故障可能是導(dǎo)致故障的原因，為了進(jìn)一步進(jìn)行準(zhǔn)確的故障定位，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了詳細(xì)的排查工作。

用示波器對(duì)輸送裝置控制系統(tǒng)直流電回路(24 V)進(jìn)行檢查，結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3可見(jiàn)，在電機(jī)起動(dòng)的瞬間，可見(jiàn)直流回路中產(chǎn)生了高頻干擾，干擾尖峰幅值最高超過(guò)40 V，最低小于5 V，持續(xù)時(shí)間約200 μs。干擾通過(guò)裝備控制系統(tǒng)到輸送裝置控制系統(tǒng)傳輸后，沒(méi)有明顯變化，基本可以說(shuō)明干擾的產(chǎn)生和耦合不是發(fā)生在兩者之間的傳輸線路上。為了確認(rèn)故障是否由干擾造成，從船上引出純凈的24 V直流電，直接引入輸送裝置控制系統(tǒng)，并將原先從裝備控制系統(tǒng)引入的直流電線路拆掉，此時(shí)復(fù)現(xiàn)故障出現(xiàn)時(shí)的條件，故障消除；再將裝備上電機(jī)動(dòng)力線與控制用直流電所在電纜中，直流電部分線路斷開(kāi)，引入艦電24 V至裝備控制系統(tǒng)柜體中，此時(shí)復(fù)現(xiàn)故障出現(xiàn)時(shí)的條件，故障消除?？梢?jiàn)引入純凈的直流電后，故障消除。綜上可知直流電源干擾是造成故障的原因。

圖3 輸送裝置直流回路波形

測(cè)試在故障發(fā)生時(shí)控制器電源板輸出波形，通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)控制器電源板輸出平穩(wěn)，無(wú)干擾，見(jiàn)圖4，故可排除控制器電源板輸出異常。

圖4 控制器電源板輸出波形

更換1塊新的主板，復(fù)現(xiàn)故障出現(xiàn)時(shí)的條件，故障依舊存在，故可排除主板故障的可能。

從排查中可見(jiàn)，干擾出現(xiàn)在電機(jī)起動(dòng)瞬間，由于線纜長(zhǎng)度較長(zhǎng)，線間的分布電容很有可能為干擾進(jìn)入直流回路提供了耦合路徑[1]。為了確認(rèn)上述猜想，針對(duì)直流電源干擾進(jìn)行仿真分析，為了提高計(jì)算效率，仿真模型在實(shí)際情況基礎(chǔ)上進(jìn)行簡(jiǎn)化，模型中電纜為4芯電纜，用分布電容代替線纜長(zhǎng)度，電纜帶有外屏蔽，長(zhǎng)度設(shè)置為1 m，線芯1、2之間增加激勵(lì)和負(fù)載，線芯3、4之間增加阻性負(fù)載，分布電容加入模型電路中，得到仿真模型原理圖見(jiàn)圖5。

圖5 仿真模型原理

文獻(xiàn)[2、3]提供了平行導(dǎo)線之間的分布電容計(jì)算公式，略有不同，但經(jīng)過(guò)代入相同參數(shù)計(jì)算可知，公式計(jì)算結(jié)果基本一致，本文線間分布電容借鑒文獻(xiàn)[3]中公式計(jì)算，即式(1)。

(1)

式中：C為分布電容，μF；ε為真空介電常數(shù)；L為導(dǎo)線長(zhǎng)度，km；D為芯線間距，mm；d為芯線直徑，mm。根據(jù)實(shí)際情況選取導(dǎo)線長(zhǎng)度為30 m，芯線間距為2 mm，芯線直徑為3 mm，計(jì)算可得分布電容大小為2.898 nF。

利用仿真軟件的時(shí)域分析功能，加入一個(gè)高頻干擾波，根據(jù)圖3可見(jiàn)，干擾的持續(xù)時(shí)間為μs級(jí)，故選取干擾波的具體參數(shù)見(jiàn)圖6，加入干擾后，在電阻R1回路上產(chǎn)生的干擾電流見(jiàn)圖7。

圖6 干擾波參數(shù)

圖7 R1回路產(chǎn)生的干擾

從仿真結(jié)果可見(jiàn)，進(jìn)入電阻R1回路的干擾峰值電壓為26.734 4 V，持續(xù)時(shí)間約15 μs，仿真結(jié)果與實(shí)際情況基本吻合。通過(guò)仿真結(jié)果可見(jiàn)，長(zhǎng)導(dǎo)線內(nèi)部如果產(chǎn)生了干擾，會(huì)在線間發(fā)生串?dāng)_。通過(guò)檢查裝備的控制機(jī)柜中交流動(dòng)力線和控制直流電走線，發(fā)現(xiàn)交流動(dòng)力線從連接器插座引出后在機(jī)柜左側(cè)走線，且芯線外纏有屏蔽網(wǎng)，控制直流電在機(jī)柜右側(cè)走線，兩者線路距離較大，且交流接觸器等元器件均在機(jī)柜下方，直流回路相關(guān)元器件在機(jī)柜上方，兩者空間上也沒(méi)有交集，故認(rèn)為其他交流用電設(shè)備產(chǎn)生的干擾在機(jī)柜內(nèi)耦合進(jìn)入直流回路的可能性較小。之前已排除掉裝備控制系統(tǒng)到輸送裝置控制系統(tǒng)傳輸線路成為耦合路徑的可能，通過(guò)仿真分析和現(xiàn)場(chǎng)排查情況，可確認(rèn)干擾由電機(jī)起動(dòng)時(shí)產(chǎn)生，且干擾的耦合路徑是裝備控制系統(tǒng)中W18電纜。

2 解決措施及效果

針對(duì)此現(xiàn)象，考慮從4個(gè)方面采取措施：降低電機(jī)起動(dòng)電流以降低干擾；切斷耦合路徑；增強(qiáng)輸送裝置控制系統(tǒng)自身抗干擾能力；優(yōu)化系統(tǒng)接地。

2.1 降低電機(jī)起動(dòng)電流以降低干擾

電機(jī)為普通三相交流異步電機(jī)，起動(dòng)采用接觸器控制的直接起動(dòng)的方式，在接觸器吸合過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生瞬變的電壓和電流，產(chǎn)生高頻干擾[4]；電機(jī)起動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的起動(dòng)電流，一般為額定電流的2～7倍，部分國(guó)產(chǎn)電機(jī)甚至達(dá)到8～12倍[5]，雖然起動(dòng)電流持續(xù)時(shí)間較短(ms級(jí))[6]，但由于電機(jī)繞組的感性負(fù)載特性，在起動(dòng)時(shí)也會(huì)產(chǎn)生高頻諧波干擾。針對(duì)此問(wèn)題，一般可采取降壓起動(dòng)、軟起動(dòng)方式降低電機(jī)起動(dòng)電流[7]，起動(dòng)電流下降有利于降低高頻干擾。降壓起動(dòng)有多種方法，如定子串電阻起動(dòng)、Y-Δ起動(dòng)等，定子串電阻起動(dòng)原理是在電機(jī)起動(dòng)時(shí)降低電機(jī)定子繞組電壓，在完成起動(dòng)后，再加以額定電壓使其正常工作，Y-Δ起動(dòng)原理是電機(jī)起動(dòng)時(shí)接線采用Y形接法，電機(jī)接近額定轉(zhuǎn)速后再采用Δ接法[8]。電機(jī)軟起動(dòng)原理是通過(guò)在電機(jī)電路上增加一種控制裝置，使其自動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)電壓，得到期望的起動(dòng)性能。根據(jù)文獻(xiàn)[5]的研究結(jié)果可知，采取定子串電阻起動(dòng)可降低電機(jī)起動(dòng)階段電流約50%，軟起動(dòng)可降低電機(jī)起動(dòng)階段電流約80%，且對(duì)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行也有所改善；由文獻(xiàn)[9]可知，采用Y-Δ起動(dòng)方法后，可降低電機(jī)起動(dòng)階段電流約2/3。

由于電機(jī)起動(dòng)控制由裝備控制系統(tǒng)執(zhí)行，對(duì)其進(jìn)行改造并進(jìn)行實(shí)際試驗(yàn)難度較大，故上述方案沒(méi)有進(jìn)行實(shí)際試驗(yàn)，僅進(jìn)行仿真驗(yàn)證。在原有模型基礎(chǔ)上，修改干擾參數(shù)，使激勵(lì)產(chǎn)生的電流尖峰幅值下降80%，仿真結(jié)果見(jiàn)圖8。

圖8 降低電機(jī)起動(dòng)電流后R1回路產(chǎn)生的干擾

從結(jié)果可見(jiàn)，干擾的電壓峰值下降到5.661 39 V，下降了78%，從仿真結(jié)果可見(jiàn)降低干擾源即電機(jī)起動(dòng)電流，可有效降低干擾幅值，此干擾在輸送裝置控制系統(tǒng)可接受的范圍內(nèi)，理論上采用降低電機(jī)起動(dòng)電流的方法可使故障消除。

2.2 切斷耦合路徑

通過(guò)前文分析，干擾產(chǎn)生于交流回路，并通過(guò)線間分布電容耦合進(jìn)入直流回路，針對(duì)此問(wèn)題，采用芯線帶有屏蔽層的電纜理論上可有效阻斷耦合路徑。經(jīng)過(guò)前期檢查，確認(rèn)當(dāng)前使用的電纜僅有外屏蔽層，芯線無(wú)屏蔽層。通過(guò)仿真分析，觀察更換芯線帶屏蔽層的電纜后，干擾衰減的效果。對(duì)之前的仿真模型進(jìn)行修改，將電纜更換為芯線帶屏蔽電纜，芯線屏蔽和外屏蔽一致，并將屏蔽層良好接地，由于增加芯線屏蔽，線間分布電容取消，修改后的仿真模型見(jiàn)圖9。

圖9 芯線帶屏蔽的電纜仿真模型

增加與前述仿真相同的干擾，結(jié)果見(jiàn)圖10。

圖10 芯線帶屏蔽的電纜仿真模型中R1回路產(chǎn)生的干擾

從結(jié)果可見(jiàn)，干擾相比之前大幅下降，峰值僅有0.745 V，說(shuō)明采用芯線帶屏蔽的電纜可有效降低線間的耦合干擾。

現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，將W18電纜更換為芯線帶外屏蔽層的同類(lèi)型電纜，并將外屏蔽層和芯線屏蔽層在連接器兩端采用360°連接方式有效接地，以保證屏蔽的連續(xù)性[10]，復(fù)現(xiàn)故障出現(xiàn)時(shí)的條件，用示波器測(cè)試直流回路波形，見(jiàn)圖11，從波形中已經(jīng)看不到明顯的干擾存在，此時(shí)輸送裝置控制系統(tǒng)鍵盤(pán)正常響應(yīng)按鍵操作，故障消除，試驗(yàn)證明切斷耦合路徑措施有效。

圖11 采用芯線帶屏蔽電纜后輸送裝置直流回路波形

2.3 增強(qiáng)輸送裝置控制系統(tǒng)自身抗干擾能力

輸送裝置控制箱內(nèi)部沒(méi)有濾波器件，對(duì)配套裝備提供的直流電沒(méi)有進(jìn)行濾波處理直接使用。按照功率要求，在控制箱直流電輸入端增加一個(gè)隔離濾波電源。目前隔離技術(shù)應(yīng)用最多的有光耦隔離、電容隔離、變壓器隔離[11]，考慮到輸送裝置控制系統(tǒng)內(nèi)空間較小以及整體電磁兼容性的要求，最終采用了電容隔離技術(shù)的隔離電源進(jìn)行試驗(yàn)，使其對(duì)輸入電源進(jìn)行濾波處理，輸出較純凈的直流24 V電源。此時(shí)復(fù)現(xiàn)故障出現(xiàn)時(shí)的條件，用示波器測(cè)試直流回路波形，見(jiàn)圖12，可見(jiàn)干擾幅值降低明顯，持續(xù)時(shí)間也大幅下降，此時(shí)輸送裝置控制系統(tǒng)鍵盤(pán)正常響應(yīng)按鍵操作，故障消除，雖然此時(shí)仍然有一些干擾存在，但已經(jīng)在系統(tǒng)可以承受的范圍之內(nèi)，說(shuō)明增強(qiáng)輸送裝置控制系統(tǒng)自身抗干擾能力措施有效。

圖12 增加隔離濾波器后輸送裝置直流回路波形

2.4 優(yōu)化系統(tǒng)接地

提升系統(tǒng)抗干擾能力的接地策略一般有兩種，即降低接地電阻和降低地環(huán)路干擾[12-13]。降低接地電阻一般采取增加接地面積、降低接地導(dǎo)線電阻等方法，具體實(shí)施時(shí)可采用接地點(diǎn)增加墊片等方式增加接地面積，采用增加接地線截面積、盡量用短的接地線、設(shè)置帶有金屬接地裝置的端子排[14]等方法降低接地電阻；降低地環(huán)路干擾則需要通過(guò)優(yōu)化接地方法實(shí)現(xiàn)。自動(dòng)化控制系統(tǒng)中常用的接地方法有兩種：串聯(lián)接地和并聯(lián)接地，兩種接地方式見(jiàn)圖13、14。

圖13 串聯(lián)接地

圖14 并聯(lián)接地

這兩者各有優(yōu)劣，串聯(lián)接地的優(yōu)點(diǎn)是接線方法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，成本低，缺點(diǎn)是各接地回路之間會(huì)產(chǎn)生相互干擾；并聯(lián)接地的優(yōu)點(diǎn)是每個(gè)回路的地電位只與本回路的地電流和地阻抗有關(guān)，不會(huì)與其他回路發(fā)生相互干擾，缺點(diǎn)是每個(gè)回路都需要一根單獨(dú)的地線，實(shí)際操作和接線時(shí)都非常繁瑣。在優(yōu)化接地方法時(shí)需要權(quán)衡利弊，對(duì)易受干擾的元器件采用并聯(lián)接地方法，其余采用串聯(lián)接地方法，能夠保證較好的接地效果和較高的經(jīng)濟(jì)性及可操作性。

檢查輸送裝置控制箱接地情況，控制箱通過(guò)螺釘與背架隔振器連接，隔振器通過(guò)螺釘與船體相連，實(shí)現(xiàn)控制箱箱體接地，控制箱內(nèi)部元器件接地采取就近接地的方式，整體的接地方式屬串聯(lián)接地。在檢查接地連接時(shí)，發(fā)現(xiàn)控制箱與背架隔振器連接的螺釘孔處涂有油漆，導(dǎo)致箱體與接地螺釘不能較好的接觸，甚至無(wú)法接觸，導(dǎo)致接地不良。將多余油漆磨掉，并且在螺釘上加裝墊片，增大接觸面積，確保良好接地。同時(shí)將元器件就近接地更改為距離較近的元器件集中在接地點(diǎn)接地，以減少接地回路，并根據(jù)地線分流原則，將安全、信號(hào)、噪聲分線[15]，控制器接地直接與箱體接地點(diǎn)相連。增加隔離濾波電源并優(yōu)化接地后，復(fù)現(xiàn)故障出現(xiàn)時(shí)的條件，用示波器測(cè)試直流回路波形，見(jiàn)圖15，此時(shí)輸送裝置控制系統(tǒng)鍵盤(pán)正常響應(yīng)按鍵操作，故障消除，從圖15中可見(jiàn)，干擾較圖12有所減小，說(shuō)明優(yōu)化系統(tǒng)接地措施有效。

圖15 增加隔離濾波器且優(yōu)化接地后輸送裝置直流回路波形

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)某輸送裝置鍵盤(pán)按鍵短暫失效故障的分析，可以得到如下啟示。

1)在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡可能避免使可能產(chǎn)生干擾的交流回路和直流回路在同一根電纜中，如果此種現(xiàn)象無(wú)法避免，則應(yīng)使用芯線帶有屏蔽層的電纜并且做好屏蔽層的接地，以最大限度降低交直流串?dāng)_的不利影響。

2)在控制系統(tǒng)的電源輸入端，應(yīng)盡可能使用隔離濾波設(shè)備，以增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力。

3)在系統(tǒng)接地設(shè)計(jì)時(shí)，要綜合考慮系統(tǒng)內(nèi)部元器件的敏感度，并將地線分類(lèi)，設(shè)置足夠的接地點(diǎn)，確保系統(tǒng)達(dá)到最好的接地效果。

4)在檢查輸送裝置控制箱接地時(shí)發(fā)現(xiàn)接地螺釘孔涂有油漆的情況，暴露出設(shè)備在生產(chǎn)交付時(shí)存在檢驗(yàn)不細(xì)的問(wèn)題，雖然是一個(gè)簡(jiǎn)單的油漆后外觀檢查項(xiàng)目，會(huì)關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的接地情況，在設(shè)置檢驗(yàn)項(xiàng)目時(shí)，要涵蓋所有可能影響設(shè)備功能、性能的項(xiàng)目，在產(chǎn)品檢驗(yàn)時(shí)，應(yīng)做到認(rèn)真負(fù)責(zé)、應(yīng)檢盡檢，避免類(lèi)似情況再次發(fā)生。