重钢完成轧机控制系统抗干扰分析与完善

杜 静

摘要:重钢完成轧机控制系统采用的是12相整流控制系统。由于该系统抗干扰设施安装不规范,措施不完善,造成该系统近年来故障频繁。文章对系统干扰源及其干扰方式的进行了现状分析,规范和完善了系统的抗干扰设施,系统最终运行正常、可靠。

关键词:重钢完成轧机控制系统;干扰源;抗干扰;12相整流控制系统

中图分类号:TG333文献标识码:A文章编号:1009-2374(2009)20-0015-03

重钢完成轧机控制系统是2006年利旧搬迁的一套使用了10年的12相整流控制系统。由于对该系统抗干扰方面没有足够的重视,抗干扰措施不规范,造成该系统自搬迁运行以来,故障不断。经过分析,并完善抗干扰措施后,系统运行正常。

一、系统工况

完成轧机是型材轧制的最后工序。电机为1200kW直流电机,系统单线图如图1所示(见下页)。

控制系统为12相整流控制系统,核心控制元件为一主一从两台西门子6RA24装置,一台励磁西门子6RA24装置;Y/△、△/△整流柜各2个,且每个整流柜内装有6个反并联的功率单元;外部联锁(风、油等)和故障报警等均通过西门子S7-300型PLC来实现。整个系统最易受干扰的是系统脉冲盒的电源、脉冲信号和6RA24、S7-300装置的控制信号。

二、现状

1.由于种种原因,该套系统利旧搬迁时,对系统抗干扰方面没有按照标准安装,只是码盘速度反馈信号线选用了屏蔽线,脉冲线采用了双绞线,其他控制线均是普通控制电缆,抗干扰强度极低。加上轧钢企业工控恶劣,强电弱电兼有,部分信号线距离远,造成各种干扰源相互交叉干扰的状况,系统故障乱报,运行不稳定,严重影响了型材的轧制节奏与成材率。

2.整个系统地线零线混乱,所有的地线都只是接到了柜体,柜体仅与大地相通,没有按规范接地。

3.施工安放电缆时,没有将强电弱电分开,信号线与电源线分层,而是将所有的电缆混装在电缆沟里。

4.距离较远的控制电缆只是部分穿管,信号衰减与干扰严重。

三、系统抗干扰分析

完成轧机控制系统干扰主要为触发脉冲和装置信号两个方面干扰,装置信号干扰又包括6RA24和PLC控制信号的干扰。

(一)触发脉冲干扰

完成轧机控制系统是晶闸管脉冲触发系统,该系统应用的可靠与否,很大程度取决于系统对现场各种干扰的抗干扰能力。大多数干扰表现为瞬时尖峰信号,即所谓的“毛刺”。当其幅值与持续时间达到一定程度时,就会导致晶闸管的误导通,造成晶闸管、快熔损坏等后果,系统不能可靠运行。另外完成轧机控制系统的整流柜为大功率的整流装置,多只晶闸管反并联运行,脉冲用的是强触发脉冲来保证反并联晶闸管运行的一致性、可靠性。脉冲瞬时功率大,脉冲间相互干扰也就严重。

晶闸管脉冲触发干扰的类型主要有以下两种:

1.外部干扰:(1)外部环境:大电流电弧产生的剧变强电磁场、强大的交流变频电磁场、大功率整流控制产生的移相控制产生的谐波、高压开关与线路开关分合闸过程产生的过压;(2)柜内其它电气设备的强电信号。外部干扰主要通过通道传输和电磁耦合等方式干扰系统。

2.脉冲系统内部相互干扰:主要由公用的电源和地引起的。表现为一路脉冲的尖峰干扰信号在对应于其它几路脉冲时出现,因各路脉冲共用一路电源,在一路脉冲触发时,瞬时功率很大,可能将电源波形拉下某个缺口,同时在地线上产生较强的脉冲电流,该电流流经地线上两点之间产生压降干扰毛刺,若地线没处理好,该毛刺就会通过地线传到其他路脉冲信号上,产生干扰。也有可能是印刷板上或线槽内两条平行的信号线线间分布电容的电容耦合。

(二)装置信号干扰(主要以PLC为例)

影响PLC的干扰源与其他控制系统干扰源一样,都来自电流或电压剧烈变化的部位,这些电荷剧烈移动的部位就是噪声源,即干扰源。

1.干扰分类:(1)干扰源按噪声产生的原因分为:放电、浪涌、高频振荡干扰等;(2)按波形、性质分为:持续、偶发干扰;(3)按声音干扰模式分为:共模和差模干扰(最常见的分类方式)。共模干扰是信号对地面的电位差,主要由电网串入地电位差与空间电磁辐射在信号线上感应的共态(同方向)电压叠加形成。变送器输出信号的共模电压有的高达130V以上。共模电压通过不对称电路可转换成差模电压。另外直流影响测控信号,造成元器件损坏(也是一些系统I/O模件损坏率较高的原因),这种共模干扰可为直流也可为交流。差模干扰是信号两极间的干扰电压,主要由空间电磁场在信号间耦合感应及由不平衡电路共模干扰所形成的电压,这种直接叠加在信号线上,直接影响测量和控制精度。

2.PLC控制系统干扰的主要来源有:

(1)来自空间的辐射干扰:空间的辐射电磁场(EMI)电网、电气设备的暂态过程、雷电、无线电广播、电视、雷达、高频感应加热设备等产生,通常称为辐射干扰,分布极为复杂。若PLC控制系统置于所射频场内,就会受到辐射干扰。其影响主要通过两条途径,一是直接对PLC内部的辐射,由电路感应产生;二是对PLC通讯内网络的辐射,由通讯线路的感应引入干扰。辐射干扰与现场设备布置及设备所产生的电磁场大小,特别是频率有关,一般通过屏蔽电缆和PLC局部屏蔽及高压泄放原件进行保护。

(2)来自系统外引线的干扰:主要通过电源和信号线引入,通常称为传导干扰。这种干扰在我国工业现场较严重。

(3)电源干扰:因电源引入的干扰造成PLC控制系统故障的情况很多,更换隔离性能更高的PLC电源可缓解。PLC正常工作电源由电网供电。由于电网覆盖范围广泛,它会受到空间电磁干扰而在线路上感应电压和电流。尤其是电网内部的变换,如开关操作浪涌、大型电力设备启停、交直流传动装置引起的谐波、电网短路暂态冲击等,都通过输电线路传到电源原边。

(4)信号干扰:与PLC控制系统连接的各类信号传输线,除了传输有效的各类信号之外,总会有外部干扰信号侵入。1)通过变送器或共用信号仪表的供电电源串入的电网干扰,易被忽略。2)信号线受空间电磁辐射感应的干扰,即信号线上的外部感应干扰,这是很严重的。由信号引入干扰会引起I/O信号工作异常和测量精度大大降低,严重时将引起元器件损伤。对于隔离性能差的系统还会引起信号间的相互干扰,引起共地系统总线回流,造成逻辑数据变化、误动和死机。PLC控制系统因信号引入干扰易造成I/O模件损坏。3)来自接地线路混乱时的干扰:接地是提高电子设备电磁兼容性(EMC)的有效手段之一。正确的接地,既能抑制电磁干扰的影响,又能抑制设备向外发出干扰;错误的接地反而会引入严重的干扰。PLC控制系统接地包括系统地、屏蔽地、交流地、保护地。对系统的干扰主要是接地点电位分布不均,存在电位差,引起地环路电流,影响系统正常工作。屏蔽电缆线必须一点接地,如屏蔽层两点接地,就存在电位差,屏蔽层就有电流通过,如遇到异常状态加雷击,地线电流就会很大。屏蔽层、地线、大地有可能构成闭合环路,在变化磁场的作用下,屏蔽层内会出现感应电流,通过屏蔽层与芯线之间的耦合,干扰信号回路。若系统地与其他接地处理混乱,所产生的地环流可能在地线上产生不等电位分布,影响PLC内逻辑电路和模拟电路的正常工作。逻辑地电位的分布干扰也容易影响PLC的逻辑运算和数据存储,造成数据混乱、程序跑飞或死机。逻辑地电位的分布还将导致测量精度下降,引起信号测控的严重失真和误动作。4)来自PLC系统内部的干扰:主要由系统内部元器件及电路间的相互电磁辐射产生,如逻辑电路互辐射及其对模拟电路的影响,模拟地与逻辑地的相互影响及元器件间的相互不匹配使用等。

3.几种主要的干扰现象:系统发指令时系统无规则的转动;信号为零时数字显示表数值乱跳;传感器工作时,PLC采集的信号与实际参数所对应的信号值不吻合,且误差值是随机的,无规则;电源工作不正常;程序丢失;6RA24装置误报警等。

四、抗干扰方法

(一)正确接地介绍

一般接地可分为:(1)信号地:输入端信号原件——传感器的地;(2)交流地:交流供电电源的N线,通常它是产生干扰的主要地方;(3)屏蔽地:一般为防止静电、磁场感应而设置的外壳或金属丝网,通过专门的铜导线将其与地壳相连;(4)保护地:机器设备外壳或设备内独立器件的外壳接地,用以保护人身安全和防护设备漏地。

接地的目的是安全和抑制干扰。接地方式一般有浮地方式、直接接地和电容接地。

(二)脉冲抗干扰措施

1.抑制脉冲间相互干扰的措施(主要由公共电源和地引起)。(1)将控制电源和脉冲电源分开,各路脉冲电源也要分开,12路脉冲输出就要12组脉冲电源,减少消除脉冲间相互干扰,各电源采用大容量电容滤波,提高电源输出特性的硬度。(2)遵循“一点接地法”做好接地。各路脉冲的地要接在同一点上,地电位保持一致;接地电阻尽量要小即接地线要短、粗。接地没处理好极易造成毛刺的可能性最大。主要目的是减少地电位差,减少脉冲触发大电流时因地电位差引起的“毛刺”。

2.抑制外部干扰源对脉冲系统的干扰。印刷电路板采用铺地法。印刷电路板全部或局部铺上地线,用地线将信号线包围起来,抑制设备内部信号的干扰。脉冲信号线要短。脉冲信号线要采用双绞线或屏蔽线,且绞距小于1厘米。双绞线内流过的电流瞬时大小相等,方向相反。脉冲信号自身产生的干扰磁场只在双绞线间极小的间隙内叠加,线外互相抵消,而设备内部信号产生的干扰磁场在双绞线内也是大小相等,方向相反,互相消融。这种方式价廉物美。柜内强弱电分开布置,增加强弱电线间物理距离,削弱之间的干扰。柜内空间不够的采用垂直交叉布线,也可减小干扰。

3.抑制外部干扰源。脉冲信号线与外部干扰源保持一定的物理距离;采用双绞或屏蔽线;脉冲线单独穿管与其它信号线分开;管道应可靠保证长度内连续接地;尽量不要设置中间转接端子;可将脉冲系统做成抽屉式,便于维护,也能很好地屏蔽外部干扰。

(三)装置干扰问题

1.接地。为了抑制附加在电源、输入及输出端的干扰,应对PLC进行良好的接地。一般情况下,接地方式与信号频率有关,当频率低于1MHz时,可用一点接地方式;高于10MHz时,宜采用多点接地方式;在1～10MHz间,可依据现场情况选定哪种接地方式。PLC控制系统属于高速低电平装置,一般采用一点直接接地方式。集中布置的PLC应采用并联一点接地方式,即各装置的柜体中心接地点以单独的接地线引向接地极;装置间距离较远的应采用串联一点接地。接地线截面积不能小于22mm2,总母线为大于60mm2的接地铜母排,接地极的接地电阻不能大于2欧姆,接地极埋在据建筑物10～15米远的地方,需与强电接地点相隔10米以上。接地线最好是专业接地线或采用公共接地方式,禁止串联接地。

交流电源在传输时,在相当一段间隔的导线上,会有几毫伏或几伏的电压,而低电平信号传输要求沿路电平为零。为防止交流电源对低电平信号的干扰,在直流信号的导线上,要加隔离屏蔽;不允许信号源与交流电共用一根地线,各个接地线通过接地铜牌接到一起。

屏蔽地、保护地不能与电源地与信号地及其他地扭在一起,只能各自独立的接到接地铜牌上。为减少信号的电容耦合干扰,可用多种屏蔽方式。对于电场屏蔽的分布电容问题,通过将屏蔽地接入大地可解决。

信号源接地时,屏蔽层应在信号侧接地;不接地时,应在PLC侧接地;信号线中间有接头时,屏蔽层应牢固连接并进行绝缘处理,避免多点接地。多个测点信号的屏蔽双绞线与多芯对绞总屏蔽电缆连接时,各屏蔽层应相互连接好,并经绝缘处理,单点接地。

2.选用隔离性能较好的设备、优良的电源。

3.动力线与信号线走线合理化。PLC电源线、I/O电源线、输入信号线、输出信号线、交流线、直流线都应尽量分开布线,开关量与模拟量信号分开布线,模拟量信号与数字传输线采取屏蔽线,且屏蔽接地。由于双绞线中,电流大小相当,方向相反,可将感应电流引起的干扰互相抵消,故信号线多采用双绞线或屏蔽线。不同类型的信号应用不同的电缆敷设,信号电缆应按照传输信号种类进行分层敷设,

4.软件。软件设计和组态时的一些措施:数字滤波和工频整形采样,可有效消除周期性干扰;定时校正参考点电位,并采样动态零点,可有效防止电位漂移;采样信息冗余技术,设计相应的软件标志位;采用间接跳转设置软件陷阱等提高软件的可靠性。实际工况环境恶劣,干扰多,信号传输距离长,常使传送的信号有误,可采用软件容错术。

5.利用模拟信号隔离器,又称信号变送器。原理是:将PLC接受的信号通过半导体器件调制变换。然后通过光感或磁感器件进行隔离转换,然后再进行解调变换回隔离前的原信号或不同信号,同时对隔离后信号的供电电源进行隔离处理。保证变换后的信号、电源和地之间绝对独立。

6.信号在接入计算机前在信号线与地间并接电容,以减少共模干扰;在信号两极间加装滤波器可减少差模干扰。对于较低信噪比的模拟量信号可采用数字滤波法。

五、系统抗干扰措施的完善

根据以上分析,完成轧机控制系统进行了以下抗干扰措施完善工作:

1.新制作规范的接地极,各项指标达到系统要求。

2.系统各种地重新分别接入接地极引至系统的接地母排。

3.规范系统布线。

4.要求使用屏蔽电缆的全部更换成屏蔽电缆,并将屏蔽层可靠接地;要求使用平行线的全部更换为双绞线。

六、结语

轧钢厂由于工控恶劣,干扰的来源广、影响大,严重时整个系统瘫痪,无法正常工作。但是,实践证明,如果我们对各种存在的干扰源认识足够,分析透彻,也可以采取一些措施进行抗干扰处理。完成轧机控制系统就是从严重干扰到排除干扰后,系统运行稳定、可靠,达到预定目标。

作者简介:杜静(1978-),女,重庆人,重庆钢铁股份有限公司型钢厂助理工程师。