烧结机ＰＬＣ控制系统的干扰分析与抗扰措施

崔有银

中图分类号:TP2文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)0810031-02

一、引言

干扰分析与抗扰措施是一个比较复杂的理论和技术问题,PLC控制系统现场运行所受到的干扰多种多样,在施工生产中,我们应针对具体情况具体分析,对不同的干扰采用不同的措施,尽可能有效地抵抗干扰,提高设备运行的准确性和可靠性。

下面以山西海鑫国际钢铁有限公司200m2烧结机工程PLC控制系统为例,从技术实践的角度,对PLC控制系统产生干扰的原因以及干扰的种类特点作一些分析,同时提出一些抑制干扰的技术措施和方法。

二、烧结机工程PLC控制系统简介

山西海鑫国际钢铁有限公司200m2烧结机工程仪控设计主要包括200m2烧结机本体及其辅助设备的热工检测、控制和调节。热工控制采用PLC控制系统,并配以部分常规仪表,以保证控制未投运时,维持机组的正常运行。控制系统对各主要参数、重要参数及部分一般参数进行显示、计算、报警、积算、打印等处理。从而在控制室能够全面监控机组的运行情况,保证机组的安全、可靠运行。

PLC控制系统包括烧结机本体、制粒机系统、矿槽系统、成品矿槽系统和主抽风机系统五个分站。五个分站系统结构基本相同,下面仅以烧结机本体PLC控制系统为例来剖析干扰的形成及预防措施。

三、烧结机PLC系统干扰剖析

烧结机系统大耗能设备较多,如2台3000KW主抽风机、5台500KW环冷风机、混合机、制粒机等,这些设备启停往往会使电网产生几百伏甚至几千伏的尖脉冲干扰;各种信号线绑扎在一起或走同一根多芯电缆,由于导线间存在电容性耦合、电感性耦合和电场磁场组合耦合,是产生干扰的主要原因之一。特别是信号线与交流动力线敷设在同一个电缆管中,干扰尤为严重,多路开关或断路器性能不好,也会引起PLC系统临近通道信号的窜扰。空间各种电磁、气象条件、雷电甚至地磁场的变化也会引起干扰,使系统不能正常工作。此外现场温度、湿度、腐蚀性气体、酸碱盐的作用等都会影响到系统的可靠性。

(一)干扰的输入方式

在施工现场,各类干扰信号会通过不同途径与仪表电路耦合。我们只有了解掌握干扰的输入方式,才能拿出针对性措施来防范干扰的影响。干扰的耦合方式一般有以下几种:

1.电容耦合(也称静电耦合):由两个电路之间的静电效应而引起的干扰。若干扰线与测量线平行敷设时,相当于两个电路之间有一电容器(称寄生电容或杂散电容)存在。干扰线的干扰电压经此电容耦合到测量线上而产生干扰电压。

2.电阻耦合(也称漏电流耦合):当测量线和电源线(或其它高电平的导线)之间绝缘不良,两者存在一定的电阻时,将产生漏电流而使装置造成很大的干扰。

3.电感耦合(也称电磁场耦合):两个电路之间存在互感,其中一个电路的电流变化,通过磁交连影响至另一个电路的电流发生变化,如测量信号导线与网线平行时产生的干扰。

4.共阻抗耦合:两个电路间有公共的阻抗,其中一个电路的电流经公共阻抗产生压降,就要在另一个电路中产生干扰电压。例如,一个电源给几个仪表回路同时供电,由于电源存在内阻,输电线路也有一定的阻抗,所以只要任一仪表回路的电流发生变化,都会影响另一回路供电电压,干扰信号将通过电源传至另一仪表回路。

5.差模干扰(串模干扰、正态干扰):干扰信号与有效信号叠加在一起,使接收器的一个输入端电压相对于另一输入端电位发生变化,称为差模干扰。

Ui信号源电压;ue等效干扰电压;Ie等效干扰电流

如图1所示的热电偶测量回路中,经邻近并行导线中的干扰电流对热电偶一端产生磁场耦合,引起差模干扰,它和有效信号(Ui)一起被测量和显示出来,造成指示偏差。

6.共模干扰(同性干扰、对地干扰):相对于公共电位基准点(通常为接地点),在测量装置(或仪表)的两个输入端上同时出现干扰,称为共模干扰。这两端的电位同时相对于基准点一起变化,通常它不直接影响测量结果,但是在一定条件下(如输入电路参数两端不对称时)将会转化成差模干扰,影响测量结果。

如图2所示,热电偶和测温仪表分别接地,由于两接地点电位不同,存在地电位差,并形成回路,对测量装置输入端产生共模干扰。又因测量线路中仅一根有线路调整电阻,造成不对称,而转化成差模干扰。

(二)抑制干扰的措施

干扰信号之所以能够存在并且对PLC控制系统产生影响,它必须同时具备以下三个条件:

1.要有干扰源产生干扰信号;

2.要有对干扰信号敏感的接收电路;

3.要有干扰源到接收电路之间的耦合通道。

这三个因素缺一也不能形成对PLC控制系统的干扰。在解决干扰问题时,首先要搞清楚干扰源、接受电路的性能,以及干扰源与接收电路之间的耦合方式,才能采取相应措施,抑制干扰的影响。

现场设备运行所受到的干扰各种各样,具体情况具体分析,对不同的干扰采取不同的措施,针对上述综合分析,抑制干扰的原则是:

1.消除或抑制干扰源。如电力线与信号线隔离或远离。

2.破坏干扰途径。对于以“路”的形式侵入的干扰,从系统输入输出通道采取措施,如采用隔离变压器、光电耦合器等切断某些干扰途径;对于以“场”的形式侵入的干扰,通常采用屏蔽措施。

3.削弱接受电路(被干扰对象)对干扰的敏感性。如高输入阻抗的I/O接口电路比低输入阻抗I/O接口的电路易受干扰,模拟电路比数字电路的抗干扰能力差等。

对安装来说,抑制干扰源是最有效的措施,但有时由于条件限制,很难实现。为此,我们通常对系统通道采取防护措施,破坏干扰途径,以增强系统抗干扰能力。

四、烧结机PLC控制系统抗扰技术措施

常采用抑制干扰的措施有:信号导线的隔离、屏蔽、接地、平衡、滤波、扭绞等方法,针对不同的控制回路、信号回路,我们在施工中采用几种方法综合使用,取得了良好的效果。

下面我们主要从系统电源、输入输出(I/O)通道和接地三个方面来阐述在烧结机施工中采用的抗扰措施及方法。

(一)系统主电源的抗扰措施

首先,在工频交流电源接入处采用隔离变压器,有效地隔离了同一电网其他大功率电气设备运行时,尤其是启动时对微机控制系统干扰和接地电流的冲击。

其次,选用带UPS的交流稳压电源,有效地克服了来自电网电压波动对控制系统的影响。另外,突遇停电或线路故障,可以保证对系统三十分钟的持续供电,以便操作人员可以及时地保存重要的历史参数。

(二)模拟量I/O通道的抗扰措施

模拟量I/O通道的干扰主要来自于模拟信号的长距离传输和测量电路本身。为了提高测量的准确性,保证生产的稳定可靠。我们在烧结机施工生产中针对现场实际情况主要采取了以下4项措施,尽可能的减少干扰对控制系统的影响。

1.物理性隔离。增大电子控制装置、信号导线与干扰源、动力导线之间的距离是降低干扰的有效措施。但由于设备组装、布线空间等现场条件的限制,只能是尽可能去做。对于各种不同性能的元件和导线,按其不同电平、功率、产生噪声的大小、抗干扰能力的大小,进行分类。相同电压等级的电缆、导线尽可能同层敷设,同类型的元件集中在一起,各自使用专用的端子箱、端子排,力求与其它类型的元件保持一定的距离,作物理性隔离。

2.信号采用电流传输。温度、压力、流量信号通过变送器以4-20mA的标准电流信号,从现场输送到I/O通道的输入端,再由并联在输入端的精密电阻,转换成1-5V标准电压信号进行A/D转换处理,这样减少因长线传输带来的信号衰减。弱电信号导线避免和强电导线相互平行敷设,更不得捆扎在同一个线束中,或使用同一根电缆;弱电信号回路不能与动力系统共用接地线,弱电信号回路的公用地线与同一个测量回路的另一根导线一起敷设,不得借用大地作为信号传送导体。

3.信号采用双绞线传输。双绞线传输的优点是线路阻抗高,抗共摸干扰能力强。双绞线是平衡电路的一种形式,这是由于双绞线本身就是一个平衡结构的缘故。利用电路上的平衡关系,让两根传输同一信号的导线具有相同的干扰电压,可使干扰电压在这两根导线的负载上自行抵消。用这种方法,能较有效地抑制外电路的电磁干扰。

4.信号采用屏蔽电缆传输。屏蔽就是用金属物(屏蔽体)把电力线或磁力线的影响限定在某一个范围内,或阻止电力线进入某个范围,把外界干扰与测量装置隔开,使测量信号不受外界电磁场的影响。常采用的屏蔽方式:有静电屏蔽、磁屏蔽和屏蔽电缆等。

传送模拟信号的屏蔽电缆,其屏蔽层应一端接地;为了泄放高频干扰,数字信号线的屏蔽层应并联电位均衡线,其电阻应小于屏蔽层电阻的1/10,并将屏蔽层两端接地。如果无法设置电位均衡线,或只考虑抑制低频干扰时,也可以一端接地。

不同的信号线最好不用同一个插接件转接,如必须用同一个插接件,要用备用端子或地线端子将它们分隔开,以减少相互干扰。

(三)开关量I/O通道的抗扰措施

烧结机PLC控制系统现场存在的情况:如电磁场、电震动、开关按键或继电器、接触器的触点抖动和接触不良,都会干扰影响通道的正常工作。对PLC控制系统,我们采用光电耦合器、输出模块中的小型继电器和光电可控硅等器件,来实现对外部开关量信号的隔离。这些器件除了能减少或消除外部干扰对系统的影响外,还可以保护CPU模块,使之免受从外部窜入PLC系统的高电压的危害。

1.继电器隔离技术。系统输出量变化不是很频繁时,一般选用继电器型输出模块。继电器输出模块的触点工作电压范围宽,导通压降小,与晶体管型和双向可控硅型模块相比,承受瞬时过电压和过电流的能力较强,但是动作速度较慢。特别需要指出的是:PLC输出模块内的小型继电器的触点很小,断弧能力很差,不能直接用于DC 220V(或大功率AC 220V)控制电路中,必须用PLC驱动外部继电器,用外部继电器的触点驱动DC 220V(或大功率AC 220V)的负载。断开直流电路要求较大的继电器触点,接通同一直流电路可用较小的触点。

2.光电隔离技术。光电隔离技术是采用光电耦合器把被控对象与微机信号传送在电气上隔离,有效防止电气耦合产生的干扰。

常见的光隔离器件有:光电开关、光电隔离器、光缆、光触发可控硅及模拟信号光电隔离装置等。因其功耗小、结构简单、工作可靠,从而得到了广泛应用。

(四)接地系统的抗扰措施

PLC控制系统的接地措施是否正确、合理,是控制系统能否稳定可靠工作的重要因素。在烧结机施工中,为了尽量削弱干扰,采取“一点接地”的原则。

1.PLC控制系统接地。烧结主控楼PLC系统的接地如图5所示。接地电阻值设计要求≤1Ω,接地铜板为900mm×900mm×20mm。采用-40×4铜母线引至接地端子箱汇集板,该汇集板即为PLC系统参考零电位。控制柜到接地端子箱之间采用橡套电缆BVR-35mm2连接,保证计算机系统一点接地。

2.屏蔽电缆接地。PLC的I/O线与大功率线分层敷设,信号线使用屏蔽电缆。交流线路与直流线路分别使用不同的电缆,开关量、模拟量I/O线分开敷设,后者采用屏蔽电缆。

屏蔽电缆的屏蔽层接地点有两种选择:(1)信号源端接地。(2)接收端接地。在烧结机工程施工中屏蔽电缆的屏蔽层接地主要采用了以下两种方式。见图6、图7。

五、结束语

我们在海鑫200mm2烧结机工程中采用了上述抗扰措施,取得了良好效果,PLC系统运行稳定可靠。由此我们取得以下几点收获:

1.PLC应远离强干扰源,如大功率可控硅装置、高频焊机和大型动力设备等;

2.针对电场耦合引起的干扰,采用无网孔的铝箔屏蔽电缆且使两端引线外露部分尽量短,同轴电缆一端接地;

3.针对磁场耦合产生的干扰,采用双绞线,让法线相反的小回路面积相等,使磁场干扰的影响相互抵消;

4.针对电磁耦合产生的干扰,可采用双绞屏蔽对。它结合了双绞线和同轴电缆两者的优点;

5.开关量信号可选用屏蔽电缆。模拟信号和高速信号线应选择屏蔽电缆。通信电缆要求可靠性高,一般应选用PLC生产厂家提供的专用电缆,在要求不高或信号频率较低时,也可以选用带屏蔽的双绞线电缆。