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        水泥廠中PLC 控制系統(tǒng)干擾問題及解決方案

        2021-01-07 13:55:06胡景蕙薛晨曦陳瑞曉
        河南建材 2021年4期
        關(guān)鍵詞:信號線共模屏蔽

        胡景蕙 薛晨曦 楊 戈 陳瑞曉

        河南建筑材料研究設(shè)計院有限責(zé)任公司(450002)

        0 前言

        隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,PLC 控制系統(tǒng)在水泥工業(yè)控制中的應(yīng)用越來越廣泛。PLC 控制系統(tǒng)的可靠性直接影響到工業(yè)企業(yè)的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)運行,抗干擾能力是關(guān)系到整個系統(tǒng)可靠運行的關(guān)鍵。由于水泥廠現(xiàn)場環(huán)境一般比較惡劣, 有的PLC 控制系統(tǒng)集中安裝在控制室,有的安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場和各種電機(jī)設(shè)備上,其大多處在強(qiáng)電電路和強(qiáng)電設(shè)備所形成的電磁環(huán)境中。 要提高PLC 控制系統(tǒng)的可靠性,設(shè)計人員只有預(yù)先了解各種干擾因素,才能有效保證PLC 控制系統(tǒng)可靠運行。

        1 電磁干擾源及對PLC 控制系統(tǒng)的干擾

        1.1 干擾源及干擾一般分類

        水泥廠中影響PLC 控制系統(tǒng)的干擾源與一般影響工業(yè)控制設(shè)備的干擾源一樣,大都產(chǎn)生在電流或電壓劇烈變化的部位,這些電荷劇烈移動的部位就是噪聲源,即干擾源。

        干擾類型通常按干擾產(chǎn)生的原因、噪聲的干擾模式和噪聲的波形性質(zhì)的不同來劃分。按噪聲產(chǎn)生的原因不同,干擾類型可分為放電噪聲、浪涌噪聲、高頻振蕩噪聲等;按噪聲的波形、性質(zhì)不同,干擾類型可分為持續(xù)噪聲、偶發(fā)噪聲等;按聲音干擾模式不同,干擾類型可分為共模干擾和差模干擾。 共模干擾和差模干擾是一種比較常用的分類方法。共模干擾是信號對地面的電位差, 主要由電網(wǎng)串入、地電位差及空間電磁輻射在信號線上感應(yīng)的共態(tài) (同方向)電壓送加所形成。 共模電壓有時較大,特別是采用隔離性能差的電器供電室, 變送器輸出信號的共模電壓普遍較高,有的可高達(dá)130 V。 共模電壓通過不對稱電路可轉(zhuǎn)換成差模電壓, 直接影響測控信號,造成元器件損壞(這就是一些系統(tǒng)I/O 模件損壞率較高的原因),這種共模干擾可為直流,亦可為交流。差模干擾是指用于信號兩極間的干擾電壓,主要由空間電磁場在信號間耦合感應(yīng)及由不平衡電路轉(zhuǎn)換共模干擾所形成的電壓疊加在信號上, 直接影響了測量與控制的精度。

        1.2 PLC 控制系統(tǒng)中電磁干擾的主要來源

        1.2.1 空間輻射

        空間輻射電磁場(EMI)主要是由電力網(wǎng)絡(luò)、電氣設(shè)備的暫態(tài)過程、雷電、井場大電機(jī)的啟停等產(chǎn)生,通常稱為輻射干擾,PLC 控制系統(tǒng)若置于射頻場內(nèi),就會受到輻射干擾。 產(chǎn)生輻射干擾主要通過兩條路徑: ①直接對PLC 內(nèi)部的輻射, 由電路感應(yīng)產(chǎn)生干擾;②對PLC通信網(wǎng)絡(luò)的輻射,由通信線路感應(yīng)引入干擾。輻射干擾與現(xiàn)場設(shè)備布置、設(shè)備所產(chǎn)生的電磁場大小和頻率有關(guān), 一般通過設(shè)置屏蔽電纜和PLC 局部屏蔽來進(jìn)行保護(hù)。

        1.2.2 傳導(dǎo)干擾

        傳導(dǎo)干擾主要通過電源和信號線引入。 這種干擾在井電系統(tǒng)中比較嚴(yán)重, 主要有下面三類:

        1.2.2.1 電源的干擾

        在鉆井系統(tǒng)中,PLC 系統(tǒng)的供電由柴油發(fā)電機(jī)組提供,由于發(fā)電機(jī)除了驅(qū)動PLC 之外,還驅(qū)動可控整流器(SCR)或變頻器,這些電流變換器會產(chǎn)生大量的諧波,對井電電源的污染相當(dāng)嚴(yán)重.尤其是直流驅(qū)動系統(tǒng)(晶閘管變流)和交流頂驅(qū)系統(tǒng)共用一組柴油發(fā)電機(jī)組,而兩者的PLC 均用PROFIBUS 總線傳輸,互相干擾最為嚴(yán)重。

        PLC 電源通常采用隔離電源, 但因其機(jī)構(gòu)及制造工藝等因素使其隔離并不理想。 實際上,由于分布參數(shù)特別是分布電容的存在,絕對隔離是不可能的。 有些油田已經(jīng)用單獨的柴油發(fā)電機(jī)驅(qū)動交流頂驅(qū)系統(tǒng)。

        1.2.2.2 信號線引入的干擾

        與PLC 控制系統(tǒng)連接的各類信號傳輸線,除了傳輸有效的各類信息之外, 還會有外部干擾信號侵入。此干擾主要有兩種途徑:①通過變送器供電電源或共用信號儀表的供電電源串入的電網(wǎng)干擾,其往往被忽視;②信號線受空間電磁輻射感應(yīng)的干擾,即信號線上的外部感應(yīng)干擾,這種干擾往往非常嚴(yán)重。

        由信號引入的干擾會引起I/O 信號工作異常和測量精度的降低,嚴(yán)重時將引起元器件損傷。 對于隔離性能差的系統(tǒng),還將導(dǎo)致信號間互相干擾,引起共地系統(tǒng)總線回流,造成邏輯數(shù)據(jù)變化、誤動和死機(jī)。 PLC 控制系統(tǒng)因信號引入的干擾造成I/O 模件損壞數(shù)量較多,由此引起系統(tǒng)故障的情況也很嚴(yán)重。

        1.2.2.3 來自接地系統(tǒng)混亂的干擾

        PLC 控制系統(tǒng)的地線包括系統(tǒng)地、屏蔽地、交流地和保護(hù)地等。接地系統(tǒng)混亂對PLC 系統(tǒng)的干擾主要是各個接地點電位分布不均,不同接地點間存在地電位差,引起地環(huán)路電流,影響系統(tǒng)正常工作。 如電纜屏蔽層必須一點接地, 如果電纜屏蔽層兩端A、B 都接地,就存在地電位差,有電流流過屏蔽層,當(dāng)發(fā)生異常狀態(tài)如雷擊時,地線電流將更大。

        此外,屏蔽層、接地線和大地可能構(gòu)成閉合環(huán)路。 在變化磁場的作用下,屏蔽層內(nèi)會出現(xiàn)感應(yīng)電流,通過屏蔽層與芯線之間的耦合,干擾信號回路。若系統(tǒng)地與其他接地處理混亂,所產(chǎn)生的地環(huán)流就可能在地線上產(chǎn)生不等電位分布,影響PLC 控制系統(tǒng)內(nèi)邏輯電路和模擬電路的正常工作。 PLCP 控制系統(tǒng)的邏輯電壓干擾容限較低,邏輯地電位的分布干擾容易影響PLC 控制系統(tǒng)的邏輯運算和數(shù)據(jù)存儲,造成數(shù)據(jù)混亂、程序跑飛或死機(jī)。 模擬地電位的分布將導(dǎo)致測量精度下降,引起對信號測控的嚴(yán)重失真和誤動作。

        2 主要抗干擾措施

        2.1 在PLC 控制系統(tǒng)中,電源占有極重要的地位

        變流器的諧波串入PLC 控制系統(tǒng)主要通過PLC 控制系統(tǒng)的供電電源 (如 CPU 電源、I/O 電源等)、 變送器供電電源和與PLC 控制系統(tǒng)具有直接電氣連接的儀表供電電源等耦合進(jìn)入的。 現(xiàn)在對PLC 控制系統(tǒng)供電的電源,一般都采用隔離性能較好的電源。對于變送器供電電源及和PLC 控制系統(tǒng)有直接電氣連接的儀表供電電源,并沒受到足夠的重視。 雖然采取了一定的隔離措施,但普遍力度不夠,主要是使用的隔離變壓器分布參數(shù)大,抑制干擾能力差,經(jīng)電源耦合而串入共模干擾、差模干擾。所以對于變送器和共用信號儀表供電應(yīng)選擇分布電容小、抑制帶大(如采用多次隔離和屏蔽及漏感技術(shù))的配電器,以減少PLC 系統(tǒng)的干擾。

        此外,為保證電網(wǎng)饋電不中斷,可采用在線式不間斷供電電源(UPS)供電,提高供電的安全可靠性。 而且UPS 還具有較強(qiáng)的干擾隔離性能,是一種PLC 控制系統(tǒng)的理想電源。

        2.2 正確選擇電纜和實施敷設(shè)

        為了減少動力電纜尤其是變頻裝置饋電電纜的輻射電磁干擾,現(xiàn)有的SCR 房和變頻器都采用鎧裝屏蔽電力電纜, 降低了動力線產(chǎn)生的電磁干擾,取得了滿意的效果。 不同類型的信號分別由不同電纜傳輸。 信號電纜應(yīng)按傳輸信號種類分層敷設(shè),避免信號線與動力電纜靠近平行敷設(shè),以減少電磁干擾。

        2.3 軟件抗干擾措施

        由于電磁干擾的復(fù)雜性,要根本消除干擾影響是不可能的,因此在PLC 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計和組態(tài)時,應(yīng)在軟件方面進(jìn)行抗干擾處理,進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性。 常用的一些提高軟件結(jié)構(gòu)可靠性的措施包括:數(shù)字濾波和工頻整形采樣,可有效消除周期性干擾;定時校正參考點電位,并采用動態(tài)零點,可防止電位漂移;采用信息冗余技術(shù),設(shè)計相應(yīng)的軟件標(biāo)志位;采用間接跳轉(zhuǎn),設(shè)置軟件保護(hù)等。

        2.4 正確選擇接地點,完善接地系統(tǒng)

        接地的目的通常有兩個,一為了安全,二是為了抑制干擾。完善的接地系統(tǒng)是PLC 控制系統(tǒng)抗電磁干擾的重要措施之一。

        系統(tǒng)接地有浮地、直接接地和電容接地三種方式。 PLC 控制系統(tǒng)屬高速低電平控制裝置,應(yīng)采用直接接地方式。 由于信號電纜分布電容和輸入裝置濾波等的影響,裝置之間的信號交換頻率一般都低于1 MHz,所以PLC 控制系統(tǒng)接地線采用一點接地和串聯(lián)一點接地方式。集中布置的PLC 控制系統(tǒng)適于并聯(lián)一點接地方式,各裝置的柜體中心接地點以單獨的接地線引向接地極。 如果裝置間距較大,應(yīng)采用串聯(lián)一點接地方式,用一根大截面銅母線(或絕緣電纜)連接各裝置的柜體中心接地點,然后將接地母線直接連接接地極。接地線采用截面大于22 mm2的銅導(dǎo)線,總母線使用截面大于60 mm2的銅排。 接地極的接地電阻小于2 Ω,接地極最好埋在距建筑物10~15 m 遠(yuǎn)處,而且PLC 控制系統(tǒng)接地點必須與強(qiáng)電設(shè)備接地點相距10 m 以上。

        信號源接地時,屏蔽層應(yīng)在信號側(cè)接地;不接地時,應(yīng)在PLC 側(cè)接地;信號線中間有接頭時,屏蔽層應(yīng)牢固連接并進(jìn)行絕緣處理,一定要避免多點接地。 多個測點信號的屏蔽雙絞線與多芯對絞總屏蔽電纜連接時,各屏蔽層應(yīng)相互連接好,并經(jīng)絕緣處理,選擇適當(dāng)?shù)慕拥靥巻吸c接地。

        3 結(jié)語

        水泥廠PLC 控制系統(tǒng)中的干擾是一個十分復(fù)雜的問題,因此在抗干擾設(shè)計中應(yīng)綜合考慮各方面的因素,合理有效地抑制干擾,對有些干擾情況還需作具體分析,采取對癥下藥的方法,才能夠使PLC控制系統(tǒng)正常工作。

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