浅谈电磁干扰对PLC控制系统运行的影响

郑海彪

（广西玉柴机器股份有限公司，广西玉林537005）

·铸造设备·

浅谈电磁干扰对PLC控制系统运行的影响

郑海彪

（广西玉柴机器股份有限公司，广西玉林537005）

论述了应用西门子S7-300PLC控制系统的连续式砂芯表干炉在调试运行中出现的电磁干扰问题，分析了电磁干扰源的成因及采取的抗干扰措施。

变频器；电磁干扰；控制系统；抗干扰措施

我厂机体车间制芯工段是铸造厂铸件生产中第一道工序的生产场所，主要以生产砂芯并通过浸涂、烘烤达到工艺要求。为提高生产能力新建了一套连续式砂芯表干炉装置，对整体浸涂后的砂芯进行连续烘烤，控制过程较为复杂，采用了西门子S7-300PLC控制系统、西门子MICROMASTER420型（MM420）变频器等设备来达到控制要求。在调试生产阶段，由于电磁干扰，时常导致西门子S7-300PLC控制系统运行出现故障，严重影响了生产效率与进度。有关PLC控制系统运行的稳定性分析与提高，在许多著作中均有论述。本文仅就笔者所在工段新建的连续式砂芯表干炉出现的电磁干扰影响到西门子S7-300PLC控制系统运行的情况作一探讨。

1 设备状况

连续式砂芯表干炉装置由南京年达炉业科技有限公司制造。设计时按生产工艺要求采用分段式控制：上料驱动、炉内驱动、下（出）料驱动、返回驱动等，形成一个封闭的、能连续生产的烤炉装置；其中炉内驱动、下（出）料空冷驱动采用变频器控制，使得运转速度平稳可调。整个装置由西门子S7-300PLC控制系统进行控制，主控制柜安装在炉体中段，炉内驱动电机分布于整条炉体。

1）连续式砂芯表干炉主要参数如下：

编号：ND09-04，外形尺寸87 200 mm×2 300 mm× 4 860 mm，干燥温度：160℃～230℃（可调），质量：75 t，干燥时间：90 min，装机容量：1 350 kW/ 380 V/50 Hz，温区：5区，冷炉升温时间60 min，生产率：45盘/h。

2）变频器工况

表干炉的炉内驱动由9台0.55 kW/台的三相异步电机提供；下（出）料空冷驱动由1台、0.55 kW的三相异步电机提供。炉内驱动电机分两组，分别由两台5.5 kW的西门子MM420型变频器控制；下（出）料空冷驱动电机由1台、0.75 kW的西门子MM420型变频器控制。一共使用3台变频器，与西门子S7-300PLC控制系统主站并列安装在炉体中段的主控制柜的机架上。

2 问题及原因分析

在调试生产阶段，设备投入自动运行后，时常出现西门子S7-300PLC控制系统运行故障，造成PLC控制器频繁停机，整条表干炉无法继续运转，严重影响生产甚至造成停产的重大事故。

经观察，造成PLC控制器故障的问题是：PLC控制系统主站有较强的电磁干扰源。

经调查研究发现，造成PLC控制系统运行故障的主要原因是：PLC控制器主站的运行环境较恶劣，在设计、安装上存在很多不足，比如：接地线的布置、变频器的输出等。其中，变频器运行时产生的电磁干扰犹为明显。

1）机体车间是我厂一个较老旧的车间，供电系统为三相四线制，电气设备自动化程度较低，接地方式采用TN-C系统。如图1所示。

图1 TN-C接地系统

随着生产的发展，电气设备自动化程度越来越高，PLC控制系统、变频器等设备越来越多。自动化电气设备运行时对接地系统要求较高，但因条件所限，新增的自动化电气设备经常在较为恶劣的现场环境中工作，电磁干扰现象普遍。

2）在连续式砂芯表干炉中，变频器运行产生的漏电流干扰是西门子S7-300PLC控制器的主要强干扰源，这与变频器在表干炉中使用的方式有关。一台变频器控制多台同步运行的电机，只能采用U/ f控制方式，即电压源脉宽调制（PWM）控制方式，变频器中的电力电子元件工作在开关状态，电压、电流上升率du/dt、di/dt较大，含有丰富的高次谐波，这些高次谐波成分会通过电缆的寄生电容和公共阻抗形成漏电流，产生传导电磁干扰。而对于变频器来说，多数情况下产生的传导干扰是以共模干扰为主的，所谓共模干扰是指由相线或中线与地线构成回路里的干扰源。变频器运行时产生的共模干扰电流就是系统的漏电流。正是由于变频器运行产生的过大漏电流通过共模的方式传导干扰了西门子PLC控制器，使之不能正常运行。而变频器产生漏电流过大的原因则是和变频器与电机电缆的长度有关，一般情况下，变频器与电机电缆的长度是有规定的（如表2为西门子公司提供的数据），若长度过长则会引起变频器的漏电流过大。

在表干炉中，炉体长约87 m，主控制柜虽然安装在炉体中段，但变频器的输出电缆不是指它到最远的电机的长度，而是变频器到所有电机的电缆长度之和，这样，变频器的输出电缆长度远大于100 m以上了。众所周知，线缆之间有电容效应存在，当电缆较短时，电容值很小，可以忽略不计，但是当电缆过长的情况下，导线间的寄生电容的影响不能忽略不计，导线越长，产生的漏电流越大，干扰越严重。正如上述，变频器的工作方式采用（PWM）控制，它的电力电子元件是工作在开关状态的，当du/dt变化过大而电缆太长时，会产生很大的漏电流，如表1所示。

表1 输出滤波电抗器与允许导线长度

因此，连续式砂芯表干炉在调试生产阶段，西门子S7-300PLC控制器主站受干扰出现停机故障主要是由于变频器产生的漏电流及接地线的不合理而引起的。

3 对策措施

针对以上问题，对表干炉的西门子S7-300PLC控制系统与变频器的安装作了调整和改进。

1）重新布置可靠的接地系统，根据车间供电系统的实际情况，用足够大的扁钢把主控制柜外壳与炉体外壳焊接在一起并接入车间的接地网络中；西门子S7-300PLC控制器与变频器接地线重新布置连接妥当。这样，使主控制柜上感应的高频干扰电压有一个低阻抗的泄漏通道，使之不能存在积蓄电荷而使控制柜机壳电压升高，有利于抑制干扰的冲击。

2）根据变频器与电机之间的连接电缆过长引起的漏电流过大而造成强干扰的情况，同时，按照实际情况，参照表2的相关数据，分别在变频器的输出端接入滤波电抗器。输出电抗器的选择按额定电流的原则进行，即输出电抗器的额定电流Ie≥（1.1～1.2）Ib（Ib设是变频器的输出额定电流），1.1～1.2倍是考虑相关裕量。电抗器的额定电压按电机额定电压选择即可。因此，在表干炉的3台变频器中，有2台是MM420型、5.5 kM的变频器，Ib是13.2 A，选择的电抗器的Ie是15A，电感量约0.47 mH；另1台是MM420型、0.75 kM，Ib是2.1A，选择的电抗器的Ie是5 A，电感量约1.4 mH。需要说明的是，变频器漏电流的大小跟它的功率的计算选择也是有关的。在本例中，变频器的功率大小是足够的，考虑各方面的因素，安装输出电抗器是最为快捷的办法。

4 结束语

西门子S7-300PLC控制器自身具有功能完善、性能稳定、可靠性高等的特点，但是，当PLC控制器在较为恶劣的现场环境下工作时，采取切实有效的抗干扰措施是保证PLC系统正常运行的关键；同时，要有针对性的从PLC控制器的干扰源以及干扰途径方面着手，采取正确有效的措施排除干扰源，切断干扰途径。上述例子中，采取了改进接地系统、加装变频器输出滤波电抗器的措施后，表干炉已经运行了4个多月，不再出现因电磁干扰而导致PLC控制系统停机的故障，取得很好的效果。

［1］边春元,任双燕,满永奎，等.S7-300/400PLC实用开发指南［M］.北京：机械工业出版社，2007.

［2］莫正康.半导体变流技术［M］.北京：机械工业出版社，1992.

［3］苏文成.工厂供电［M］.北京：机械工业出版社，1981.

Influence of Electromagnetic Interference on PLC Control System

ZHENG Hai-biao
（Guangxi Yuchai Machinnery Co.，Ltd.，Yulin Guangxi 537005，China）

The electromagnetic interference（EMI）with sequential sand-Core drying furnance using simns S7-300 PLC system are discussed，and the causes and measures of electromagnetic interference（EMI）are analyzed.

transducer，electromagnetic interference（EMI），control system，anti-jamming measures

TG231.2

A

1674-6694（2010）06-0003-02

2010-10-10

郑海彪（1975－），男，助理工程师。主要从事电气设备的修复、维护工作。