选煤厂PLC自动化控制系统抗干扰技术分析及应用——以淮北矿业临涣选煤厂为例

王建文

(淮北矿业集团有限责任公司 技术中心，安徽 淮北 235000)

一、前言

临涣选煤厂入洗能力为1600万吨/年，是目前亚洲最大的集中型炼焦煤选煤厂。该选煤厂分东、西两个生产区域。其中，东生产区域入洗能力450万吨/年，主要采用三产品重介质旋流器——煤泥脱泥浓缩浮选工艺，生产系统采用集中控制，使用施耐德公司的中型PLC，型号为Modicon Quantum 140，包含电源模块(140 CPS11410)、CPU模块(140 CPU 53414B)、通讯模块(140 CRP93200)、以太网通讯模块(140 NOE77101)、输入模块(140 DAI74000、140 DAI75300)、输出模块(140 DAO84000、140 DAO85300)、模拟量输入模块(140 ACI04000)、模拟量输出模块(140 ACO13000)等。PLC控制系统设1个主站和16个分站，采用两路同轴电缆连接通讯，上位机、工控机与PLC通过16口以太网交换机TL-SF1016通讯。东区生产分3个系统，参与集中控制的设备占总设备90%以上。在实际生产中，PLC控制系统经常出现受干扰而引起故障停车的现象，影响选煤生产连续性，导致洗选产品质量不合格。为解决此问题，该厂组织技术骨干追踪、观察，全面分析干扰源，采取多种抗干扰技术，取得了良好效果。

二、PLC干扰源分析

PLC生产控制系统经常遇到受干扰而影响正常运行的情况，影响连续生产。通过对PLC干扰源进行分析后，发现PLC干扰源有以下几种。

1．辐射干扰

空间辐射会产生电磁场，当电力设备处于静止状态时，会产生电磁波，像雷电、广播、雷达等都会产生辐射干扰，且影响范围广。PLC 控制系统在运行过程中受到辐射干扰，会对系统造成十分严重的危害，影响PLC控制系统的正常运行。分析发现，辐射干扰与现场设备的布置情况、电缆电磁感应有很大关系。

该选煤厂投产于90年代初，期间经历多次集中控制改造。生产设备原控制基本使用就地控制，电缆桥架受空间局限，动力电缆和控制电缆敷设在一起，且动力电缆多于控制电缆。2000年后，该厂生产系统开始进行自动化改造，洗选系统、原煤系统、装车系统及压滤系统，均采用生产集中PLC控制。改造时，受空间和时间的限制，控制及通讯传输电缆均未设计专用路径，未敷设专用电缆桥架，所以只能和原设备的动力电缆平行敷设，利用简单穿管方式进行屏蔽和保护。因此，设备运行过程中，动力电缆间产生电磁感应极易影响PLC控制信号传输的稳定性。而且，随着使用年限的增加，穿管的屏蔽保护作用也逐渐减弱，PLC受干扰的影响越发严重。

该选煤厂自动化集中控制改造后，共组建了16个PLC分站，每个分站有一组PLC柜，存放在对应的低压配电室内。由于改造缘故，控制电缆无法与强电电缆隔离开，再加上，检修人员接线标准不统一，接线较为混乱。柜内除PLC自动控制内部接线外，还有来自现场控制箱及就地配电柜电缆接线，也未将交流和直流电缆分开，许多较长的电缆直接就地盘线捆扎。追踪监测后发现，部分单芯电缆感应电流有几十伏，极易影响信号传输产生压降，造成波动，诱发电气设备故障。

此外，控制电缆受到的干扰会引起PLC输入输出模块信号传输受阻，不仅降低测量精度，损坏元器件，还将造成PLC信号互相干扰，引起共地系统总线回流，造成逻辑数据变化、误动或死机等故障。

2．电源干扰

电源电压波动及电源中谐波等电源质量问题对会PLC控制产生一定的影响。由于供电线路覆盖面积较大，所受到的空间电磁干扰范围也较大。避免电源干扰的有效方法是选择隔离性能好的电源。但因电网内部电能变化，PLC电源采用独有的隔离电源方式，会存在隔离效果不佳的情况。[1]

3．变频谐波干扰

该选煤厂现场自动化系统中安装了软启动器、变频器等增效设备。譬如，原煤皮带3001#、3002#，精煤皮带501#、502#、503#等大倾角皮带配套安装了软启动器。原煤车间受煤坑四台给煤机配备了四台变频器进行给煤量调节；东区原煤系统有7座原煤仓，一个仓配四台给煤机，共28台，通过变频控制实现精准配比，满足不同煤种之间的不同配比入洗原煤的需要，确保精煤配选产品质量。洗选操控司机通过操作集控画面控制现场给煤机频率来实现定量给煤。现阶段，原煤仓配电室共安装28台变频器，型号为ABB ACS800-01-0030-3+P901，采用集中(电脑控制画面统一操作控制)和就地(现场岗位控制)两种控制方式，动力电缆、控制电缆通过同一桥架敷设至原煤仓下。

变频器是通过改变频率来控制电动机的电力控制设备。变频器在日常运行中，通过产生可调节脉宽的SPWM波来达到控制功率元器件的导通和关断，输出可调节电压、频率的三相电压。但是，输出电压和电流不是标准正弦波，其内部含有很强的高次谐波成分，这些高次谐波会对电网、电气设备等装置造成很大危害。现有的电抗器无法完全滤除阻抗。这些无法过滤的更高次谐波极易影响PLC传输的稳定性，造成信号波动，引起集中控制系统及密度控制系统的非正常运行。此外，变频器输出也会产生较强的电磁辐射，这些辐射将影响周围运行中的电气设备，对控制电缆信号传输产生干扰。

4．接地系统干扰

临涣选煤厂建厂早，受设计限制，东生产区域采用三相四线制供电系统，6kv变压器中性点接地，系统接地是PE线与N线共用。这种接地系统的不完善，直接影响东区集中控制系统正常运行，尤其表现在屏蔽层接地方面，现场接线混乱，多点接地时存在地电位差，诱发环路电流，干扰信号传输，导致PLC控制系统非正常运行。此外，屏蔽层在变化磁场中也会产生感应电流，经过屏蔽层与线芯的耦合，发生干扰信号，造成PLC内部逻辑单元和模拟单元的非正常工作，严重时，会导致PLC数据混乱、程序跑飞或死机。

三、抗干扰技术应用

通过追踪、观察，全面分析干扰源，制定以下几种抗干扰措施，并将其应用到选煤厂PLC控制系统中。

1．电缆选型

目前，该厂东区使用施耐德中型PLC控制系统，在生产过程中基本能够达到控制要求，暂时没有进行PLC控制系统改造升级。在现有控制系统的基础上，主要通过提高电缆抗干扰能力来减少信号传输过程中的干扰。远距离传输的控制电缆，尤其是控制开关量的控制电缆，可以选用屏蔽性能好的电缆；模拟量电缆和通讯电缆则可以采用施耐德专用屏蔽线；PLC控制分站的分支连接器采用金属屏蔽盒做保护，并保证屏蔽盒有效接地。

2．电源优化

电源在PLC集中控制系统中占有很重要的地位。PLC控制系统供电电源、直接连接的仪表电源等会受到电网干扰串入。虽然现在采用了隔离性能不错的电源，但连接仪表的供电电源受干扰现象仍然明显。因此，该厂对共用信号仪表供电安装了隔离器，其特点是分布电容小、抑制高、低频信号，增加了PLC系统的抗干扰能力。

此外，为确保集控电源电压稳定，改善电网电压浮动，该厂还采用了无触点稳压电源，该装置具有较强的抗干扰性能，是PLC控制系统的一种理想电源(图1)。当电网电压或负载出现瞬间波动时，稳压电源会以10-30ms的响应速度对电压幅值进行补偿，使其稳定在±2%以内，防止高低电压的波动对PLC设备的破坏，降低对PLC的干扰，保证供电安全。

图1 无触点稳压电源

3．电缆敷设、接线优化

组织技术人员对PLC控制主站、分站及现场设备的控制电缆参数、布置合理性等进行重新排查，画出控制电缆分布图，分析优化现场干扰源环境，找出受干扰较严重的电缆敷设区域。加装动力电缆专用桥架和控制电缆专用桥架，把动力电缆、控制电缆分开敷设，敷设间距≥600mm。对无法分开敷设动力电缆和控制电缆的区域，则采用控制电缆加装穿管的方式进行保护。目前，该厂已累计敷设专用电缆桥架约550m，动力电缆、控制电缆重新敷设约1500m。

同时，组织技术人员对东区区域各配电室的PLC柜内电缆进行排查，理清线路，采用统一标准对柜内接线进行整改，按图施工，把动力电缆和传输信号线分层布置，直流和交流电缆分类捆扎，分开放置；PLC柜下部电缆重新标识，通过不同的进线孔穿入；整理电缆，抽除废弃的电缆，去除多余的电缆长度，重新做头、接线。同轴电缆统一按3m长标准做头，不符合标准的全部重新更换。

4．加装隔离设备

隔离变压器是一种输入绕组与输出绕组在电气上彼此隔离的设备，其作用是避免偶然同时触及带电体(或因绝缘损坏而可能带电的金属部件)或大地所带来的危险， 原理与普通干式变压器相同，利用电磁感应原理，主要隔离一次电源回路，二次回路对地浮空，以保证用电安全。该厂通过加装隔离变压器和低通滤波器，将输出端和输入端完全“断路”隔离，对变压器的输入端进行有效过滤，再加上低通滤波器的二次过滤，阻断、抑制了大部分高频率杂波，为PLC提供了较为纯净的电源电压。[2]

5．完善接地系统

该厂建厂早，采用三相四线制供电，6kv变压器中性点接地，PE线和N线是同一根线。这种接线方式相对于三相五线制接地系统来说不够完善。因此，该厂组织技术人员重新打接地极，各配电室配电柜之间采用串联一点接地方式，用大截面铜排或绝缘电缆连接柜体中心接地点，用铜母排把主厂房各配电室接地点上下连接起来，再将接地母线直接连接接地极。现场大型电动机等设备外壳采用编织线重复接地。

此外，该厂大量使用变频器，为了降低其对PLC的干扰，该厂对变频器主回路端子PE(E、G)进行正确接地，要求动力线、控制线分开布置，使信号线远离变频器输入输出线，严禁与其平行敷设，并单独接地。信号线接地时，屏蔽层在信号侧接地，当中间有接头时，屏蔽层做到牢固连接，做好绝缘处理，避免多点接地。

四、结语

PLC控制系统经常出现受干扰而引起故障停车的现象，影响生产的连续性。临涣选煤厂通过全面分析干扰源，对症下药，采用多种抗干扰技术，在实际生产应用中，取得了良好效果。