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       随着市场竞争性的加剧和市场对产品质量要求的提高，对生产过程中各工艺参数和设备运行情况的监控力度与技术要求越来越高，使生产过程工艺参数的全程实时监控成为了企业提高管理水平、确保产品质量的重要措施与方法，生产工艺过程参数自动监测技术与监控网络的研究与应用成为了一项重要的内容。但是，不同生产企业的设备和环境各不相同，如我国大型炭素生产企业，除了导电灰尘无处不在这种复杂环境外，拥有很多大功率等级的各类用电设备，这些设备的运行与频繁起停，对计算机监控网络系统形成了电磁干扰，严重影响监控网络系统的正常运行，如干扰引起传输信号的改变、造成数据丢失等。因此，必须对干扰的产生和抗干扰措施加以详细研究，以便采用有效的抗干扰措施。

       本文针对某炭素企业的生产过程工艺参数自动监控网络进行了较深入的研究与分析，分别在软件和硬件两方面采取了多种抗干扰措施。系统的实际运行结果证实了本文方法的有效性和合理性。

       某炭素公司的主导产品为高功率圆柱型电极，主要生产流程包括中碎配料、糊料生产、挤压成型、电极石墨化、高压浸渍、环式炉或倒焰炉煅烧和成品机加等七道工序，另外还有一个煤气站用于给整个生产流程提供加热控制用热源。这些流程都有一台工控机或配备了具有RS485通讯接口和通讯功能的无纸记录仪。公司为了提高管理水平，确保电极质量，建立了一个基于CAN总线的全厂工艺参数自动监控系统。该系统以各流程处工控机和无纸记录仪为终端站，采集各流程的实时工艺参数，执行相应工艺过程控制；由中央监控机收集、存贮和集中显示各站点数据，建立全厂工艺参数数据库，完成工艺过程质量分析、统计、报表、打印等监测功能。同时，为了便于管理人员实时了解与掌握全厂生产和工艺变化情况，在主要管理员办公室配置了相应PC机终端，这类终端与中央监控机通讯，可实时显示各站点数据。网络系统组成示意如图1，各工控机和PC机通过CAN卡上网，无纸记录仪通过485/CAN智能转换卡上网。中央机和各站点工控机、PC机采用MCGS组态软件作为开发平台，开发相应的用户程序，通过OPC服务器软件实现CAN总线数据传输通讯。根据设备分布情况，该系统由三条CAN总线构成。

图1    监控网络总体结构

       图1所示监控网络中，各工控机、PC机和记录仪分布于企业各个生产车间，到中央监控机的传输距离相差很大，短距离约为50m，最长距离超过1000m，且利用了部分原有网线，这些线存在多处焊接头和往返布线，穿越该厂石墨化炉车间、大型行车车间和多台破碎机工位。当石墨化生产、行车运行和破碎机工作时，产生大电流（数千安培）、电弧火花和强噪音。由大电流和电弧等形成的杂散电磁场通过感应或辐射方式干扰信道，使各处设备外壳和通信线屏蔽层上存在很强的静电。CAN卡和CAN/485智能转换模块的输入阻抗相差很大，其中CAN/485转换模块输入阻抗大于等于35KΩ，CAN卡输入阻抗不到200Ω，使网络的阻抗匹配相当困难，在信号传输过程中产生较大的衰减和反射干扰。当一次传输数据量较大，如PC和监控机之间采用87帧×11Bit为一个数据包进行传送时，误码率高，常发生不能接收完一包数据的现象，即产生了数据丢帧，导致系统可靠性低。另外，该厂位于高雷击区，有多个传感器安置于室外管道用于监测管道气体温度和压力。雷击感应多次经传感器串入烧毁该处无纸记录仪终端。

       针对上述网络的干扰分析结论，为了降低误码率，提高信号传输性能和系统的可靠性，本系统设计与调试过程中，采取了有效的软、硬件抗干扰措施。

       为了抑制电磁感应和静电感应干扰，选用屏蔽电缆作为传输线，并将屏蔽层作相应接地处理。在架设屏蔽电缆线时，信号传输线与强电线路间留一定距离且尽量采取不平行架设。抗干扰能力很强，而且频带很宽，特性阻抗也比较低，传输衰减较小。

       在实时监控网络中，接地是抑制干扰的重要方法之一。本系统基于各终端分布范围很宽，且各终端均有独立接地的特点，采用了如下措施：三条传输线屏蔽层在中央监控机处焊接后单点接地，在各终端处通过零欧姆电阻与终端接地相连，消除接地电流的影响，使系统具有同一的基准电位。

       选用带光电隔离的CAN接口卡、CAN/485转换模块、CAN中继器，将网络各终端设备隔离，防止因终端设备参考地电位不同对其它终端设备产生影响。光电耦合的共模抑制比相当高，抗干扰能力强。采用光电耦合也可防止传输线感应的强干扰脉冲进入各终端设备，如雷击感应。

       本网络根据终端位置的分布，合理分配各条CAN总线上的所接终端设备（如图1所示）。CAN总线2上全部终端设备都是无纸记录仪，这类终端仅有485接口，故使用CAN/485智能转换模块接入总线，CAN/485转换模块的输入阻抗很高（≥35kΩ），使该总线匹配简单，采用120Ω匹配电阻就可保证线路反射和衰减小，通信成功率高，故不用CAN中继器。但CAN1和CAN3两条总线均配置了多台工控机或PC机，通过CAN卡接入网络，因CAN卡输入阻抗远小于CAN/485模块，使相应总线匹配困难，且CAN1总线线路上有多处接头，采用120Ω匹配电阻的线路反射和衰减大，尽管这两条总线长度都比CAN2总线长度短，但它们的通讯误码率和丢帧现象严重，故采用CAN中继器进行信号放大，抑制信道衰减，有效地提高了传输性能。

       对室外传感器加装信号隔离模块，有效地消除了传感器线路引入的干扰，提高了抗雷击能力。

       网络的实际运行证明，采用以上硬件抗干扰措施后，网络的性能有了极大的改善。但是，仍然存在干扰使信号失真，出现数据丢帧或出错。特别是无纸记录仪已有的485通讯格式不可更改，每次仅能发送当前采集的数据，每次发送数据包长也不可更改，无法对数据库中前一时刻的数据进行重发，且没有生产设备停机和开机指示信息，所采集的参数中，有些参数既使在生产设备停机过程中也存在数据，有些参数则为零或很小（如电流、电压、流量），使监控机不能判断该终端（只要此终端未断开电源）数据是否为生产过程的实际数据，更不能简单地将传输收到的零数据判断为干扰结果（因为存在生产设备停机时，某些参数突然变为零这种现象）。因此，必须采取相应的软件抗干扰措施，以剔除错误信息。

       在电极生产工艺过程中，每道工序均存在缓变参数和变化较大的参数，停机后为零或很小的参数和不为零的参数。因此，软件设计时，将数据分类，根据数据的性质采用不同的滤波算法进行抗干扰，并判断终端生产设备是否停机或正常运行。

由于网络监控机仅收集各工艺终端采集的实时数据，在监控机中建立相应数据库和进行各种处理，管理员PC机仅从监控机获取各终端的当前数据，均不需对数据进行复杂的处理和运算，只需剔除传输中因干扰引起的数据丢失或畸变。故监控机和PC机在接收数据时仅需根据数据的性质，采用不同的幅度变化进行阈值滤波。

       对于缓变参数，取小的变化阈值；对于变化较大的参数，取大的阈值。若本次数据与前次数据的绝对差小于或等于给定的阈值，则认定该数据未被干扰；若大于给定的阈值，则认定该数据被干扰，用前次数据替代，形成平滑滤波，以反映该参数的变化规律。

对于停机后变为零或很小的参数，在停机和开机时刻，该类参数将出现很大的跳变。显然，简单地采用前后两次数据幅度变化阈值将产生错误的结果，如出现停机后数据不变，开机后数据总是零这类错误数据记录。因此，对于这类数据，在幅值变化阈值基础上增加次数计数器或进行多次阈值比较。例如，某参数的本次数据为零或很小，与前次数据的绝对差大于给定阈值，因不能简单判断是停机后的数据还是干扰产生的，故将计数器加/减1，用前次数据替代本次数据形成平滑滤波，下次通讯时，若该参数的数据仍然为零或很小，且与前次数据的绝对差超出给定阈值，则计数器加/减1，并判断计数次数，若计数次数超过给定值，可判断该参数数据为停机后的真实结果，将该参数数据置为零。若计数值未达到给定值时，数据又恢复到阈值范围内，则可判断前几次数据是干扰产生的，本次数据为真实数据；若某参数的数据原为零或很小，而某次数据突然大于给定的阈值1，不能简单地判断为开机数据或由加性干扰产生，则将该数据暂存。下次通讯时，若数据大于给定阈值1，将该数据与前次暂存数据进行阈值2比较，计数器加/减1，若计数次数未超过给定值，且位于阈值2范围内，则将新数据暂存，否则暂存数据不变；若计数次数达到给定值，可判断为开机后的该参数真实数据，若计数次数未达到给定值，且数据与前次暂存数据之差超过阈值2范围，或数据为零或很小，可判断前几次均为干扰。在做出判断后，复位计数器。显然，上述方法可有效地识别生产设备的开机与停机状态，仅使参数存在有限个（给定计数值）非真实的数据，但这并不影响生产过程和企业对工艺质量的分析。

       在本监控系统中，由于终端设备的不同，数据传输存在两种机制。每台无纸记录仪传送数据的长度是不可更改的，仅负责该站点的数据采集和传输当前采集值（其中16通道最多传输5帧×11Bit，8通道最多传输3帧×11Bit），故与监控机的一次通讯数据量小，出错率低。PC机从监控机中获得所有终端站的实时数据。因PC机和监控机之间的数据传输长度可以在MCGS通讯策略组态时进行设置，为了提高系统的实时性，可以设置为所有数据组成一包进行一次传输，此时，数据包长度为87帧×11Bit。显然，传输数据量远大于记录仪一次传输的数据量、受干扰的概率高，易出现数据丢失与出错。基于上述现象，对PC机和监控机之间的数据传输采用小包方式，即由监控机按各站点参数打包，分站点分包向PC机传输，一次传输数据量比大包数据量小很多，既使某分包数据传送受干扰，不会影响其它分包的传送，从而提高了PC机和监控机之间的可靠性。

       通过对监控网络的干扰分析，合理采用抗干扰措施，如数据分类滤波和小包数据传送技术，有效地消除了网络的干扰，提高了系统的可靠性。该网络在某炭素公司近半年的运行验证了本文方法的有效性。

 

 

参考文献

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