黃 龍

(中國船舶集團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)通過接線箱，與電機和其他用電設(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關(guān)量信號，該電纜帶有外屏蔽，兩者連接關(guān)系示意圖見圖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)之間電纜長約8 m。在日常使用過程中，出現(xiàn)輸送裝置向下輸送物資時，在啟動工況后，輸送裝置控制系統(tǒng)鍵盤按鍵短暫失效問題，該故障經(jīng)過一段時間后可自動恢復(fù)正常，該問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。為了解決此問題，進行故障原因分析及故障定位，針對故障原因制定應(yīng)對措施，將故障消除。

1 原因分析及故障定位

為了能夠準確定位故障原因，建立故障樹，見圖2。

圖2 故障樹

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

根據(jù)現(xiàn)場情況對事件進行初步分析。

在故障現(xiàn)象出現(xiàn)后，經(jīng)過一段時間，按鍵響應(yīng)自動恢復(fù)正常，且不會在其他工況出現(xiàn)按鍵延遲問題，可排除鍵盤故障。

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，通過手動操作某些開關(guān)，改變其通斷狀態(tài)，可在顯示器上觀察到手動操作的開關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，說明程序運行正常且顯示器工作正常，可排除顯示器故障以及程序運行異常。

輸送裝置向下輸送物資的工況啟動時，輸送裝置配套裝備的控制系統(tǒng)會自動起動電機，該電機交流動力線與控制用直流電在同一根電纜中，電機動力線和控制用直流電進入裝備的控制系統(tǒng)機柜后分開布線，控制用直流電最終通過互聯(lián)電纜輸送給輸送裝置控制系統(tǒng)，其他工況工作時，則該電機不會起動。電機起動時，會產(chǎn)生了較大的起動電流，其可能會在交流線路中產(chǎn)生高頻干擾，由于線纜較長，線間產(chǎn)生的分布電容為干擾提供了耦合路徑，高頻干擾通過耦合進入直流電線路中，對輸送裝置控制系統(tǒng)造成干擾，導(dǎo)致其鍵盤出現(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影響主板等其他板卡正常工作，故控制器電源板輸出異常可能是導(dǎo)致故障的原因。

主板是為顯示器、鍵盤提供接口的板卡，根據(jù)現(xiàn)有現(xiàn)象，無法排除短暫出現(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)過初步分析，認為直流電源干擾、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，為了進一步進行準確的故障定位，在現(xiàn)場進行了詳細的排查工作。

用示波器對輸送裝置控制系統(tǒng)直流電回路(24 V)進行檢查，結(jié)果見圖3。由圖3可見，在電機起動的瞬間，可見直流回路中產(chǎn)生了高頻干擾，干擾尖峰幅值最高超過40 V，最低小于5 V，持續(xù)時間約200 μs。干擾通過裝備控制系統(tǒng)到輸送裝置控制系統(tǒng)傳輸后，沒有明顯變化，基本可以說明干擾的產(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，此時復(fù)現(xiàn)故障出現(xiàn)時的條件，故障消除；再將裝備上電機動力線與控制用直流電所在電纜中，直流電部分線路斷開，引入艦電24 V至裝備控制系統(tǒng)柜體中，此時復(fù)現(xiàn)故障出現(xiàn)時的條件，故障消除。可見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

測試在故障發(fā)生時控制器電源板輸出波形，通過測試發(fā)現(xiàn)控制器電源板輸出平穩(wěn)，無干擾，見圖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，干擾出現(xiàn)在電機起動瞬間，由于線纜長度較長，線間的分布電容很有可能為干擾進入直流回路提供了耦合路徑[1]。為了確認上述猜想，針對直流電源干擾進行仿真分析，為了提高計算效率，仿真模型在實際情況基礎(chǔ)上進行簡化，模型中電纜為4芯電纜，用分布電容代替線纜長度，電纜帶有外屏蔽，長度設(shè)置為1 m，線芯1、2之間增加激勵和負載，線芯3、4之間增加阻性負載，分布電容加入模型電路中，得到仿真模型原理圖見圖5。

圖5 仿真模型原理

文獻[2、3]提供了平行導(dǎo)線之間的分布電容計算公式，略有不同，但經(jīng)過代入相同參數(shù)計算可知，公式計算結(jié)果基本一致，本文線間分布電容借鑒文獻[3]中公式計算，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)線長度，km；D為芯線間距，mm；d為芯線直徑，mm。根據(jù)實際情況選取導(dǎo)線長度為30 m，芯線間距為2 mm，芯線直徑為3 mm，計算可得分布電容大小為2.898 nF。

利用仿真軟件的時域分析功能，加入一個高頻干擾波，根據(jù)圖3可見，干擾的持續(xù)時間為μs級，故選取干擾波的具體參數(shù)見圖6，加入干擾后，在電阻R1回路上產(chǎn)生的干擾電流見圖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，進入電阻R1回路的干擾峰值電壓為26.734 4 V，持續(xù)時間約15 μs，仿真結(jié)果與實際情況基本吻合。通過仿真結(jié)果可見，長導(dǎo)線內(nèi)部如果產(chǎn)生了干擾，會在線間發(fā)生串擾。通過檢查裝備的控制機柜中交流動力線和控制直流電走線，發(fā)現(xiàn)交流動力線從連接器插座引出后在機柜左側(cè)走線，且芯線外纏有屏蔽網(wǎng)，控制直流電在機柜右側(cè)走線，兩者線路距離較大，且交流接觸器等元器件均在機柜下方，直流回路相關(guān)元器件在機柜上方，兩者空間上也沒有交集，故認為其他交流用電設(shè)備產(chǎn)生的干擾在機柜內(nèi)耦合進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，通過仿真分析和現(xiàn)場排查情況，可確認干擾由電機起動時產(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

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

2.1 降低電機起動電流以降低干擾

電機為普通三相交流異步電機，起動采用接觸器控制的直接起動的方式，在接觸器吸合過程中，會產(chǎn)生瞬變的電壓和電流，產(chǎn)生高頻干擾[4]；電機起動時會產(chǎn)生較大的起動電流，一般為額定電流的2～7倍，部分國產(chǎn)電機甚至達到8～12倍[5]，雖然起動電流持續(xù)時間較短(ms級)[6]，但由于電機繞組的感性負載特性，在起動時也會產(chǎn)生高頻諧波干擾。針對此問題，一般可采取降壓起動、軟起動方式降低電機起動電流[7]，起動電流下降有利于降低高頻干擾。降壓起動有多種方法，如定子串電阻起動、Y-Δ起動等，定子串電阻起動原理是在電機起動時降低電機定子繞組電壓，在完成起動后，再加以額定電壓使其正常工作，Y-Δ起動原理是電機起動時接線采用Y形接法，電機接近額定轉(zhuǎn)速后再采用Δ接法[8]。電機軟起動原理是通過在電機電路上增加一種控制裝置，使其自動調(diào)節(jié)電機電壓，得到期望的起動性能。根據(jù)文獻[5]的研究結(jié)果可知，采取定子串電阻起動可降低電機起動階段電流約50%，軟起動可降低電機起動階段電流約80%，且對電機穩(wěn)定運行也有所改善；由文獻[9]可知，采用Y-Δ起動方法后，可降低電機起動階段電流約2/3。

由于電機起動控制由裝備控制系統(tǒng)執(zhí)行，對其進行改造并進行實際試驗難度較大，故上述方案沒有進行實際試驗，僅進行仿真驗證。在原有模型基礎(chǔ)上，修改干擾參數(shù)，使激勵產(chǎn)生的電流尖峰幅值下降80%，仿真結(jié)果見圖8。

圖8 降低電機起動電流后R1回路產(chǎn)生的干擾

從結(jié)果可見，干擾的電壓峰值下降到5.661 39 V，下降了78%，從仿真結(jié)果可見降低干擾源即電機起動電流，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起動電流的方法可使故障消除。

2.2 切斷耦合路徑

通過前文分析，干擾產(chǎn)生于交流回路，并通過線間分布電容耦合進入直流回路，針對此問題，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)過前期檢查，確認當前使用的電纜僅有外屏蔽層，芯線無屏蔽層。通過仿真分析，觀察更換芯線帶屏蔽層的電纜后，干擾衰減的效果。對之前的仿真模型進行修改，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，干擾相比之前大幅下降，峰值僅有0.745 V，說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)場進行試驗驗證，將W18電纜更換為芯線帶外屏蔽層的同類型電纜，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)時的條件，用示波器測試直流回路波形，見圖11，從波形中已經(jīng)看不到明顯的干擾存在，此時輸送裝置控制系統(tǒng)鍵盤正常響應(yīng)按鍵操作，故障消除，試驗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)部沒有濾波器件，對配套裝備提供的直流電沒有進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)的隔離電源進行試驗，使其對輸入電源進行濾波處理，輸出較純凈的直流24 V電源。此時復(fù)現(xiàn)故障出現(xiàn)時的條件，用示波器測試直流回路波形，見圖12，可見干擾幅值降低明顯，持續(xù)時間也大幅下降，此時輸送裝置控制系統(tǒng)鍵盤正常響應(yīng)按鍵操作，故障消除，雖然此時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)，說明增強輸送裝置控制系統(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，具體實施時可采用接地點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)路干擾則需要通過優(yōu)化接地方法實現(xiàn)。自動化控制系統(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)點是接線方法簡單，易于實現(xiàn)，成本低，缺點是各接地回路之間會產(chǎn)生相互干擾；并聯(lián)接地的優(yōu)點是每個回路的地電位只與本回路的地電流和地阻抗有關(guān)，不會與其他回路發(fā)生相互干擾，缺點是每個回路都需要一根單獨的地線，實際操作和接線時都非常繁瑣。在優(yōu)化接地方法時需要權(quán)衡利弊，對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)濟性及可操作性。

檢查輸送裝置控制箱接地情況，控制箱通過螺釘與背架隔振器連接，隔振器通過螺釘與船體相連，實現(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，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接地，以減少接地回路，并根據(jù)地線分流原則，將安全、信號、噪聲分線[15]，控制器接地直接與箱體接地點相連。增加隔離濾波電源并優(yōu)化接地后，復(fù)現(xiàn)故障出現(xiàn)時的條件，用示波器測試直流回路波形，見圖15，此時輸送裝置控制系統(tǒng)鍵盤正常響應(yīng)按鍵操作，故障消除，從圖15中可見，干擾較圖12有所減小，說明優(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

通過對某輸送裝置鍵盤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)計時，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擾的不利影響。

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，以增強系統(tǒng)的抗干擾能力。

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

4)在檢查輸送裝置控制箱接地時發(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)交付時存在檢驗不細的問題，雖然是一個簡單的油漆后外觀檢查項目，會關(guān)系到整個系統(tǒng)的接地情況，在設(shè)置檢驗項目時，要涵蓋所有可能影響設(shè)備功能、性能的項目，在產(chǎn)品檢驗時，應(yīng)做到認真負責(zé)、應(yīng)檢盡檢，避免類似情況再次發(fā)生。