鞍钢新4号高炉PLC控制系统中干扰的原因及对策

　　1、引言
　　
　　随着科学技术的发展，PLC在生产控制中的应用越来越广泛，PLC控制系统的安全可靠性直接影响到企业设备的安全生产和经济运行，控制系统的抗*力是关系到整个系统可靠运行的关键。鞍钢新4号高炉所使用的PLC，有的是集中安装在控制室，有的是安装在生产现场机旁控制柜上，它们大多处在强电电路和强电设备所形成的恶劣电磁环境中，很容易被周围电磁干扰源干扰而引起控制系统产生误动作，影响系统的正常工作，因此必须高度重视系统的抗干扰性。为防止干扰，鞍钢新4号高炉采用了硬件和软件相结合的抗干扰方法，有效地增强了系统的抗干扰性能。
　　
　　2、PLC控制系统在运行中的电磁干扰分析
　　
　　鞍钢新4号高炉于2007年5月投产，高炉上料系统是采用德国西门子公司的PLC控制系统，对整个高炉生产过程进行监控，该系统投入运行后，发现皮带运输机、配料系统等所控制的现场设备经常出现误动作，如该停车时这些设备没有停车，不应该启动反而启动，这时设备的运行反馈信号输入到PLC控制系统中，在监视屏幕上显示它们确在停止，移动可逆皮带机的行走小车移开原来位置后，原来位置的位置信号仍然显示在监视屏幕上不消失，通过皮带电子秤采集配料系统下料量，输入到PLC控制系统中的下料量数值与实际皮带电子秤标定的数值有很大误差，这些异常现象严重影响高炉的正常安全生产与稳定运行。经过认真分析，发现电磁干扰产生的原因如下。
　　
　　（1）来自空间的电磁辐射干扰：由于高炉上料PLC控制系统主要集中安装在现场的强电电路和强电设备所形成的恶劣电磁环境中，电磁干扰很容易引起控制系统产生误动作，影响系统的正常工作。电磁场主要由电力网络、电气设备、雷电、大型整流设备等产生，通常称为电磁辐射干扰。新4号高炉因场地受限制，使电气设备、电子设备高密度使用，使空间电磁波污染非常严重，这些干扰源产生的辐射波频率范围广，且无规律。而且该车间的PLC恰恰置于其辐射场内，其信号、数据线和电源线即可充当天线接受辐射干扰，造成对PLC控制系统的干扰，此种干扰与现场设备布置及设备所产生的电磁场的大小有关，特别是与频率
　　
　　有关。
　　
　　（2）来自电源的干扰：新4号高炉的PLC控制系统由供电网络供电。该供电网络系统中的某些大功率设备的启动、停机等经常引起电源过压、欠压、浪涌及产生尖峰干扰，这些来自电源的干扰均会通过电源内阻耦合到PLC控制系统的电路，给系统造成极大的危害。
　　
　　（3）来自信号传输线上的干扰。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息之外，总会有外部干扰信号侵入。由信号线引入的干扰会引起I/O信号工作异常，产生虚假信号，使测量精度大大降低，严重时将引起元器件损伤。若系统隔离性能较差，还将导致信号间互相干扰，引起共地系统总线回流，造成逻辑数据变化、误动作甚至电脑死机。
　　
　　（4）来自接地系统混乱的干扰。接地是提高电子设备电磁兼容性的有效手段之一。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。而错误的接地，就会引入干扰信号，使PLC系统将无法正常工作。
　　
　　PLC控制系统的地线包括系统地、屏蔽地和保护地等。接地系统混乱对PLC系统的干扰主要是各个接地点电位分布不均，不同接地点间存在地电位差，引起地环路电流，影响系统正常工作。通过检查，发现在新4号高炉地线施工过程中，由于工期紧，片面追求施工进度，施工单位没有按地线施工规范施工，造成系统地、屏蔽地和保护地混乱，接地电阻值不符合要求，有的电缆屏蔽层不是一点接地，而是电缆屏蔽层两端A、B都接地或不接地，就存在地电位差，有电流流过屏蔽层，地线电流将更大。此外，在这种情况下屏蔽层、接地线和大地有可能构成闭合环路，在变化磁场的作用下，屏蔽层内有时会出现感应电流，通过屏蔽层与芯线之间的耦合，干扰信号回路。系统地与其他接地处理混乱，所产生的地环流就可能在地线上产生不等电位分布，影响PIC内逻辑电路和模拟电路的正常工作。PLC作的逻辑电压干扰容限较低，逻辑地电位的分布干扰容易影响PLC的逻辑运算和数据存贮，造成数据混乱、电脑死机。模拟地电位的分布将导致测量精度下降，引起对信号测控的严重失真和误动作。
　　
　　3、主要抗干扰改进措施
　　
　　针对以上情况，对新4号高炉的PLC控制系统采取了如下抗干扰改进措施
　　
　　（1）电磁辐射的抗干扰措施：现在防范电磁辐射方法很多，其一有用金属的屏蔽网和含金属的屏蔽玻璃，这两样东西都能很好的对电磁辐射起到过滤隔离作用。特别提醒的是，使用金属的屏蔽网和含金属的屏蔽玻璃的必须连接接地线，通过地线把电磁辐射传到地下。其二合理设计电气线路，采用同塔双回或多回架设技术，配线分离，有利于减少电磁辐射的影响，合理布置导线的相序，或采用紧凑型线路，选用合适相序排列，而使其各相产生的电磁辐射相互抵消。
　　
　　（2）电源部分的抗干扰措施：电源波动造成的电压畸变或毛刺，将对PIC及I/O模块产生不良影响。据统计分析，PLC系统的干扰中有70％是从电源耦合进来的。为了抑制干扰，PLC供电系统采用如下方式：控制器和I/O系统的电源分别由各自的隔离变压器供电，并与主电路电源分开。当某一部分电源出了故障时，而不会影响其他部分，提高了系统的可靠性。
　　
　　（3）外部配线的抗干扰措施；外部配线之间存在着互感和分布电容，进行信号传送时会产生干扰。为了防止或减少外部配线的干扰，交流输入、输出信号与直流输入、输出信号分别使用各自的电缆，而且要使用屏蔽电缆，屏蔽电缆在现场设备侧要悬空，在PLC控制柜侧要接地。配线时在30m以下的短距离，直流和交流输入、输出信号线不要使用同一电缆，如果要走同一配线管时，输入信号要使用屏蔽电缆。30～300m距离的配线时，直流和交流输入、输出信号线要分别使用各自的电缆，并且输入信号线一定要用屏蔽线。对于300m以上长距离配线时则用中间继电器转换信号。对于PLC控制器的接地线要与电源线或动力线分开，输入、输出信号线要与高电压、大电流的动力线分层敷设。
　　
　　（4）接地抗干扰措施：接地在消除干扰上起很大的作用，良好的接地是保证PLC可靠工作的重要条件之一，可以避免偶然发生的电压冲击危害。为了抑制附加在电源及输入、输出端的干扰，应给PLC接以地线，接地线与动力设备（如电动机）的接地点分开，用一根大截面铜母线（或绝缘电缆）连接各装置的柜体中心接地点，然后将接地母线直接连接接地极。接地线采用截面大于25mm2的铜导线，总母线使用截面大于60mm2的铜排。接地极的接地电阻小于1?，接地极埋在距建筑物10～15m远处，而且PLC系统接地点必须与强电设备接地点相距10m以上。
　　
　　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，一定要避免多点接地。
　　
　　（5）软件抗干扰措施：尽管硬件抗干扰可滤除大部分干扰信号，但因干扰信号产生的原因很复杂，且具有很大的随机性，很难保证系统*不受干扰，因此往往在硬件抗干扰措施的基础上，采取软件抗干扰技术加以补充，作为硬件措施的辅助手段。软件抗干扰方法设计简单、修改灵活、耗费资源少，在PLC测控系统中同样获得了广泛的应用。如：1）指令重复执行：指令重复执行就是根据需要使作用相同的指令重复执行多次，一般适用于开关量或数字量输入、输出的抗干扰。在采集某些开关量或数字量时，可重复采集多次，直到连续2次或2次以上的采集结果*相同时才视为有效。若多次采集后，信号总是变化不定，可停止采集，发出报警信号。在满足实时性要求的前提下，在各次采集数字信号之间插入一段延时，数据的可靠性进一步提高。如果在系统实时性要求不是很高的情况下，其指令重复周期尽可能长些。2）数字滤波：在压力、温度、流量和皮带电子秤重量信号的采集过程中，存在随机干扰而可能使被测信号的随机误差加大。针对这种情况，可以采用数字滤波技术，该方法具有可靠性高和稳定性好的特点。数字滤波的常用方法有程序判断滤波法、中值滤波法、算术平均滤波法、递推平均滤波法等，我们现在采用的是算术平均滤波法。
　　
　　4、结束语
　　
　　PLC控制系统中的干扰是一个十分复杂的问题，因此应综合考虑各方面的因素，对有些干扰情况还需做具体分析，采取对症下药的方法，才能够使PLC控制系统正常工作。对新4号高炉的PIC控制系统采取了上述抗干扰改进措施以后，消除了输入到PLC控制系统中皮带运输机、配料系统等所控制的现场设备的虚假开关量信号，并且使输入到PLC控制系统中压力、温度、流量和皮带电子秤重量信号测量误差大大降低，提高了系统的控制精度和运行稳定性，取得了预期的效果，为新4号高炉的安全生产稳定顺行提供了保证。