崔有銀

中圖分類號:TP2文獻標識碼:A文章編號:1671-7597(2009)0810031-02

一、引言

干擾分析與抗擾措施是一個比較復雜的理論和技術問題,PLC控制系統(tǒng)現(xiàn)場運行所受到的干擾多種多樣,在施工生產中,我們應針對具體情況具體分析,對不同的干擾采用不同的措施,盡可能有效地抵抗干擾,提高設備運行的準確性和可靠性。

下面以山西海鑫國際鋼鐵有限公司200m2燒結機工程PLC控制系統(tǒng)為例,從技術實踐的角度,對PLC控制系統(tǒng)產生干擾的原因以及干擾的種類特點作一些分析,同時提出一些抑制干擾的技術措施和方法。

二、燒結機工程PLC控制系統(tǒng)簡介

山西海鑫國際鋼鐵有限公司200m2燒結機工程儀控設計主要包括200m2燒結機本體及其輔助設備的熱工檢測、控制和調節(jié)。熱工控制采用PLC控制系統(tǒng),并配以部分常規(guī)儀表,以保證控制未投運時,維持機組的正常運行?？刂葡到y(tǒng)對各主要參數(shù)、重要參數(shù)及部分一般參數(shù)進行顯示、計算、報警、積算、打印等處理。從而在控制室能夠全面監(jiān)控機組的運行情況,保證機組的安全、可靠運行。

PLC控制系統(tǒng)包括燒結機本體、制粒機系統(tǒng)、礦槽系統(tǒng)、成品礦槽系統(tǒng)和主抽風機系統(tǒng)五個分站。五個分站系統(tǒng)結構基本相同,下面僅以燒結機本體PLC控制系統(tǒng)為例來剖析干擾的形成及預防措施。

三、燒結機PLC系統(tǒng)干擾剖析

燒結機系統(tǒng)大耗能設備較多,如2臺3000KW主抽風機、5臺500KW環(huán)冷風機、混合機、制粒機等,這些設備啟停往往會使電網產生幾百伏甚至幾千伏的尖脈沖干擾;各種信號線綁扎在一起或走同一根多芯電纜,由于導線間存在電容性耦合、電感性耦合和電場磁場組合耦合,是產生干擾的主要原因之一。特別是信號線與交流動力線敷設在同一個電纜管中,干擾尤為嚴重,多路開關或斷路器性能不好,也會引起PLC系統(tǒng)臨近通道信號的竄擾?？臻g各種電磁、氣象條件、雷電甚至地磁場的變化也會引起干擾,使系統(tǒng)不能正常工作。此外現(xiàn)場溫度、濕度、腐蝕性氣體、酸堿鹽的作用等都會影響到系統(tǒng)的可靠性。

(一)干擾的輸入方式

在施工現(xiàn)場,各類干擾信號會通過不同途徑與儀表電路耦合。我們只有了解掌握干擾的輸入方式,才能拿出針對性措施來防范干擾的影響。干擾的耦合方式一般有以下幾種:

1.電容耦合(也稱靜電耦合):由兩個電路之間的靜電效應而引起的干擾。若干擾線與測量線平行敷設時,相當于兩個電路之間有一電容器(稱寄生電容或雜散電容)存在。干擾線的干擾電壓經此電容耦合到測量線上而產生干擾電壓。

2.電阻耦合(也稱漏電流耦合):當測量線和電源線(或其它高電平的導線)之間絕緣不良,兩者存在一定的電阻時,將產生漏電流而使裝置造成很大的干擾。

3.電感耦合(也稱電磁場耦合):兩個電路之間存在互感,其中一個電路的電流變化,通過磁交連影響至另一個電路的電流發(fā)生變化,如測量信號導線與網線平行時產生的干擾。

4.共阻抗耦合:兩個電路間有公共的阻抗,其中一個電路的電流經公共阻抗產生壓降,就要在另一個電路中產生干擾電壓。例如,一個電源給幾個儀表回路同時供電,由于電源存在內阻,輸電線路也有一定的阻抗,所以只要任一儀表回路的電流發(fā)生變化,都會影響另一回路供電電壓,干擾信號將通過電源傳至另一儀表回路。

5.差模干擾(串模干擾、正態(tài)干擾):干擾信號與有效信號疊加在一起,使接收器的一個輸入端電壓相對于另一輸入端電位發(fā)生變化,稱為差模干擾。

Ui信號源電壓;ue等效干擾電壓;Ie等效干擾電流

如圖1所示的熱電偶測量回路中,經鄰近并行導線中的干擾電流對熱電偶一端產生磁場耦合,引起差模干擾,它和有效信號(Ui)一起被測量和顯示出來,造成指示偏差。

6.共模干擾(同性干擾、對地干擾):相對于公共電位基準點(通常為接地點),在測量裝置(或儀表)的兩個輸入端上同時出現(xiàn)干擾,稱為共模干擾。這兩端的電位同時相對于基準點一起變化,通常它不直接影響測量結果,但是在一定條件下(如輸入電路參數(shù)兩端不對稱時)將會轉化成差模干擾,影響測量結果。

如圖2所示,熱電偶和測溫儀表分別接地,由于兩接地點電位不同,存在地電位差,并形成回路,對測量裝置輸入端產生共模干擾。又因測量線路中僅一根有線路調整電阻,造成不對稱,而轉化成差模干擾。

(二)抑制干擾的措施

干擾信號之所以能夠存在并且對PLC控制系統(tǒng)產生影響,它必須同時具備以下三個條件:

1.要有干擾源產生干擾信號;

2.要有對干擾信號敏感的接收電路;

3.要有干擾源到接收電路之間的耦合通道。

這三個因素缺一也不能形成對PLC控制系統(tǒng)的干擾。在解決干擾問題時,首先要搞清楚干擾源、接受電路的性能,以及干擾源與接收電路之間的耦合方式,才能采取相應措施,抑制干擾的影響。

現(xiàn)場設備運行所受到的干擾各種各樣,具體情況具體分析,對不同的干擾采取不同的措施,針對上述綜合分析,抑制干擾的原則是:

1.消除或抑制干擾源。如電力線與信號線隔離或遠離。

2.破壞干擾途徑。對于以“路”的形式侵入的干擾,從系統(tǒng)輸入輸出通道采取措施,如采用隔離變壓器、光電耦合器等切斷某些干擾途徑;對于以“場”的形式侵入的干擾,通常采用屏蔽措施。

3.削弱接受電路(被干擾對象)對干擾的敏感性。如高輸入阻抗的I/O接口電路比低輸入阻抗I/O接口的電路易受干擾,模擬電路比數(shù)字電路的抗干擾能力差等。

對安裝來說,抑制干擾源是最有效的措施,但有時由于條件限制,很難實現(xiàn)。為此,我們通常對系統(tǒng)通道采取防護措施,破壞干擾途徑,以增強系統(tǒng)抗干擾能力。

四、燒結機PLC控制系統(tǒng)抗擾技術措施

常采用抑制干擾的措施有:信號導線的隔離、屏蔽、接地、平衡、濾波、扭絞等方法,針對不同的控制回路、信號回路,我們在施工中采用幾種方法綜合使用,取得了良好的效果。

下面我們主要從系統(tǒng)電源、輸入輸出(I/O)通道和接地三個方面來闡述在燒結機施工中采用的抗擾措施及方法。

(一)系統(tǒng)主電源的抗擾措施

首先,在工頻交流電源接入處采用隔離變壓器,有效地隔離了同一電網其他大功率電氣設備運行時,尤其是啟動時對微機控制系統(tǒng)干擾和接地電流的沖擊。

其次,選用帶UPS的交流穩(wěn)壓電源,有效地克服了來自電網電壓波動對控制系統(tǒng)的影響。另外,突遇停電或線路故障,可以保證對系統(tǒng)三十分鐘的持續(xù)供電,以便操作人員可以及時地保存重要的歷史參數(shù)。

(二)模擬量I/O通道的抗擾措施

模擬量I/O通道的干擾主要來自于模擬信號的長距離傳輸和測量電路本身。為了提高測量的準確性,保證生產的穩(wěn)定可靠。我們在燒結機施工生產中針對現(xiàn)場實際情況主要采取了以下4項措施,盡可能的減少干擾對控制系統(tǒng)的影響。

1.物理性隔離。增大電子控制裝置、信號導線與干擾源、動力導線之間的距離是降低干擾的有效措施。但由于設備組裝、布線空間等現(xiàn)場條件的限制,只能是盡可能去做。對于各種不同性能的元件和導線,按其不同電平、功率、產生噪聲的大小、抗干擾能力的大小,進行分類。相同電壓等級的電纜、導線盡可能同層敷設,同類型的元件集中在一起,各自使用專用的端子箱、端子排,力求與其它類型的元件保持一定的距離,作物理性隔離。

2.信號采用電流傳輸。溫度、壓力、流量信號通過變送器以4-20mA的標準電流信號,從現(xiàn)場輸送到I/O通道的輸入端,再由并聯(lián)在輸入端的精密電阻,轉換成1-5V標準電壓信號進行A/D轉換處理,這樣減少因長線傳輸帶來的信號衰減。弱電信號導線避免和強電導線相互平行敷設,更不得捆扎在同一個線束中,或使用同一根電纜;弱電信號回路不能與動力系統(tǒng)共用接地線,弱電信號回路的公用地線與同一個測量回路的另一根導線一起敷設,不得借用大地作為信號傳送導體。

3.信號采用雙絞線傳輸。雙絞線傳輸?shù)膬?yōu)點是線路阻抗高,抗共摸干擾能力強。雙絞線是平衡電路的一種形式,這是由于雙絞線本身就是一個平衡結構的緣故。利用電路上的平衡關系,讓兩根傳輸同一信號的導線具有相同的干擾電壓,可使干擾電壓在這兩根導線的負載上自行抵消。用這種方法,能較有效地抑制外電路的電磁干擾。

4.信號采用屏蔽電纜傳輸。屏蔽就是用金屬物(屏蔽體)把電力線或磁力線的影響限定在某一個范圍內,或阻止電力線進入某個范圍,把外界干擾與測量裝置隔開,使測量信號不受外界電磁場的影響。常采用的屏蔽方式:有靜電屏蔽、磁屏蔽和屏蔽電纜等。

傳送模擬信號的屏蔽電纜,其屏蔽層應一端接地;為了泄放高頻干擾,數(shù)字信號線的屏蔽層應并聯(lián)電位均衡線,其電阻應小于屏蔽層電阻的1/10,并將屏蔽層兩端接地。如果無法設置電位均衡線,或只考慮抑制低頻干擾時,也可以一端接地。

不同的信號線最好不用同一個插接件轉接,如必須用同一個插接件,要用備用端子或地線端子將它們分隔開,以減少相互干擾。

(三)開關量I/O通道的抗擾措施

燒結機PLC控制系統(tǒng)現(xiàn)場存在的情況:如電磁場、電震動、開關按鍵或繼電器、接觸器的觸點抖動和接觸不良,都會干擾影響通道的正常工作。對PLC控制系統(tǒng),我們采用光電耦合器、輸出模塊中的小型繼電器和光電可控硅等器件,來實現(xiàn)對外部開關量信號的隔離。這些器件除了能減少或消除外部干擾對系統(tǒng)的影響外,還可以保護CPU模塊,使之免受從外部竄入PLC系統(tǒng)的高電壓的危害。

1.繼電器隔離技術。系統(tǒng)輸出量變化不是很頻繁時,一般選用繼電器型輸出模塊。繼電器輸出模塊的觸點工作電壓范圍寬,導通壓降小,與晶體管型和雙向可控硅型模塊相比,承受瞬時過電壓和過電流的能力較強,但是動作速度較慢。特別需要指出的是:PLC輸出模塊內的小型繼電器的觸點很小,斷弧能力很差,不能直接用于DC 220V(或大功率AC 220V)控制電路中,必須用PLC驅動外部繼電器,用外部繼電器的觸點驅動DC 220V(或大功率AC 220V)的負載。斷開直流電路要求較大的繼電器觸點,接通同一直流電路可用較小的觸點。

2.光電隔離技術。光電隔離技術是采用光電耦合器把被控對象與微機信號傳送在電氣上隔離,有效防止電氣耦合產生的干擾。

常見的光隔離器件有:光電開關、光電隔離器、光纜、光觸發(fā)可控硅及模擬信號光電隔離裝置等。因其功耗小、結構簡單、工作可靠,從而得到了廣泛應用。

(四)接地系統(tǒng)的抗擾措施

PLC控制系統(tǒng)的接地措施是否正確、合理,是控制系統(tǒng)能否穩(wěn)定可靠工作的重要因素。在燒結機施工中,為了盡量削弱干擾,采取“一點接地”的原則。

1.PLC控制系統(tǒng)接地。燒結主控樓PLC系統(tǒng)的接地如圖5所示。接地電阻值設計要求≤1Ω,接地銅板為900mm×900mm×20mm。采用-40×4銅母線引至接地端子箱匯集板,該匯集板即為PLC系統(tǒng)參考零電位?？刂乒竦浇拥囟俗酉渲g采用橡套電纜BVR-35mm2連接,保證計算機系統(tǒng)一點接地。

2.屏蔽電纜接地。PLC的I/O線與大功率線分層敷設,信號線使用屏蔽電纜。交流線路與直流線路分別使用不同的電纜,開關量、模擬量I/O線分開敷設,后者采用屏蔽電纜。

屏蔽電纜的屏蔽層接地點有兩種選擇:(1)信號源端接地。(2)接收端接地。在燒結機工程施工中屏蔽電纜的屏蔽層接地主要采用了以下兩種方式。見圖6、圖7。

五、結束語

我們在海鑫200mm2燒結機工程中采用了上述抗擾措施,取得了良好效果,PLC系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。由此我們取得以下幾點收獲:

1.PLC應遠離強干擾源,如大功率可控硅裝置、高頻焊機和大型動力設備等;

2.針對電場耦合引起的干擾,采用無網孔的鋁箔屏蔽電纜且使兩端引線外露部分盡量短,同軸電纜一端接地;

3.針對磁場耦合產生的干擾,采用雙絞線,讓法線相反的小回路面積相等,使磁場干擾的影響相互抵消;

4.針對電磁耦合產生的干擾,可采用雙絞屏蔽對。它結合了雙絞線和同軸電纜兩者的優(yōu)點;

5.開關量信號可選用屏蔽電纜。模擬信號和高速信號線應選擇屏蔽電纜。通信電纜要求可靠性高,一般應選用PLC生產廠家提供的專用電纜,在要求不高或信號頻率較低時,也可以選用帶屏蔽的雙絞線電纜。