車間流水線弊端及抗干擾解決方案細則

楊 明

中鐵二十三局集團軌道交通無錫公司工程有限公司 江蘇 無錫 214000

1PLC誤動作及解決辦法

工業現場的環境比較惡劣，存在著許多高低頻干擾。這些干擾一般是通過與現場設備相連的電纜引入PLC的。除了接地措施外，在電纜的設計選擇和敷設施工中，應注意采取一些抗干擾措施

1.1 線纜干擾

PLC輸入線間電容引起誤動作及消除方法

PLC應直接從低壓配電室的主母線上采用專用線供電，以減少電機啟停和其他因素給PLC帶來的直接影響，同時由于電源電壓在一定范圍內會有波動，應使用交流電源穩壓裝置，在PLC和穩壓電源之間加入一個隔離變壓器，電源線采用雙絞線，其截面積一般應大于2.5m2，使外部干擾對電源的影響降到最小。PLC的24V直流電源盡量不要給外圍的各類傳感器供電, 以防止外圍傳感器內部故障或供電線路短路造成PLC不能正常運行的安全事故，外圍的傳感器裝置應采用專用的24V直流電源單獨供電。在強電干擾比較嚴重的場合， PLC系統控制柜盡量遠離強電柜，并單獨接地，很好的避免了電源三相不平衡引起的影響。而實際散庫控制室PLC電源直接從成品低壓配電室由兩根BV2.5m2導線供電，在PLC柜內既無穩壓裝置也無隔離變壓器， PLC系統控制柜內強弱電不分。

1.2 接近傳感器干擾

接近傳感器以前又稱無觸點行程開關，它除可以完成行程控制和限位保護外，還是一種非接觸型的檢測裝置，用作檢測零件尺寸和測速等，也可用于變頻計數器、變頻脈沖發生器、液面控制和加工程序的自動銜接等。接近傳感器按工作原理可分為高頻振蕩型、電容型、感應電橋型、永久磁鐵型和霍耳效應型等。接近傳感器可以在不與目標物實際接觸的情況下檢測靠近傳感器的金屬目標物。根據操作原理，接近傳感器大致可以分為以下三類：利用電磁感應的高頻振蕩型，使用磁鐵的磁力型和利用電容變化的電容型。

電容式接近傳感器的工作原理：電容式接近傳感器由高頻振蕩器和放大器等組成，由傳感器的檢測面與大地間構成一個電容器，參與振蕩回路工作，起始處于振蕩狀態。當物體接近傳感器檢測面對，回路的電容量發生變化，使高頻振蕩器振蕩。振蕩與停振這二種狀態轉換為電信號經放大器轉化成二進制的開關信號。

電感式接近傳感器的工作原理：由LC高頻振蕩器和放大處理器電路組成，當金屬物體接近振蕩感應頭時會產生渦流，使接近傳感器振蕩能力衰減，內部電路的參數發生變化，由此識別出有無金屬物體接近，進而控制開關的通或斷。

高頻振蕩型接近傳感器的工作原理：電感式接近傳感器由高頻振蕩、檢波、放大、觸發及輸出電路等組成。振蕩器在傳感器檢測面產生一個交變電磁場，當金屬物體接近傳感器檢測面時，金屬中產生的渦流吸收了振蕩器的能量，使振蕩減弱以至停振。振蕩器的振蕩及停振這二種狀態，轉換為電信號通過整形放大轉換成二進制的開關信號，經功率放大后輸出。

有色金屬型傳感器工作原理：有色金屬傳感器基本上屬于高頻振蕩型。它有一個振蕩電路，電路中因感應電流在目標物內流動引起的能量損失影響到振蕩頻率的變化。當鋁或銅之類的有色金屬目標物接近傳感器時，振蕩頻率增高;當鐵一類的黑色金屬目標物接近傳感器時，振蕩頻率降低。如果振蕩頻率高于參考頻率，傳感器輸出信號。

通用型接近傳感器的工作原理：振蕩電路中的線圈L產生一個高頻磁場。當目標物接近磁場時，由于電磁感應在目標物中產生一個感應電流(渦電流)。隨著目標物接近傳感器，感應電流增強，引起振蕩電路中的負載加大。然后，振蕩減弱直至停止。傳感器利用振幅檢測電路檢測到振蕩狀態的變化，并輸出檢測信號。

2接近傳感器誤動作解決方法

（1）穩定電源給接近傳感器單獨供電；

（2）響應頻率在額定范圍內；

（3）物體檢測過程中有抖動，導致超出檢測區域；

（4）多個探頭緊密安裝互相干擾；

（5）傳感器探頭周圍的檢測區域內有其他被測物體；

（6）接近傳感器的周圍有大功率設備，有電氣干擾。

2.1 變頻器的干擾及解決辦法

變頻器主要指的是相應的電流變換交流電裝置，即將所電壓以及頻率都比較固定的交流電經過合理的轉換配置后形成能夠進行有效的電壓、頻率調節的相應裝置。變頻技術的推廣使用引起了電氣界的一場大的變革，其積極地推進了我國的電氣運行系統的快速發展進程。然后，由于變頻器干擾而對PLC造成的影響是不可估量，這就需要及時采取有效的措施進行應對處理。形成的干擾類型：相較于原有的傳統的調壓控制裝置來說，變頻器裝置具有非常優良的節能以及控制線性度等等特性。盡管如此，其還存在著一些不可避免的相關問題，即容易對弱電信號產生一定的影響。

2.1.1 諧波在變頻器的日常運行工作中，總是產生不同性質的高次諧波，這些高次諧波的存在會對電網、電氣設備以及其他裝置造成很大的危害。很多變頻器裝置的前端位置都進行了電抗器的有效配置，這在一定程度上可以減緩高次諧波所帶來的危害，但是，針對于一些更高的諧波來說，其是起不到濾除阻抗作用的。這些不能夠被濾掉的更高次諧波極易對PLC產生影響，PLC自身所形成的信號是比較微弱的，其對電源的要求標準非常高，由于高次諧波對電源等等裝置所造成的應影響必然會導致PLC信號的不穩定，從而造成集中控制系統以及密度控制系統的非正常運行。

2.1.2 射頻針對變頻器干擾問題，為了降低其對PLC的消極影響率，使得在變頻器的后端位置也進行了電抗器的有效配置。由于變頻的主要特點就是經過對頻率的有效改變來實現對相應的電機設備轉速的有效控制，由于變頻器的主要特點就是通過對頻率的有效改變來實現對相應的電機設備轉速的有效控制，這樣就造成了在變頻器在正常的運行速度調整過程中，如果相關的動力電纜所發出的強度不一的與PLC的弱電信號相同，則會造成很難處理的射頻干擾問題

2.1.3 來自外部電網的干擾

電網中的諧波干擾主要通過變頻器的供電電源干擾變頻器。電網中存在大量諧波源如各種整流設備、交直流互換設備、電子電壓調整設備，非線性負載及照明設備等。這些負荷都使電網中的電壓、電流產生波形畸變，從而對電網中其它設備產生危害的干擾。變頻器的供電電源受到來自被污染的交流電網的干擾后若不加處理，電網噪聲就會通過電網電源電路干擾變頻器。供電電源的干擾對變頻器主要有：

(1)過壓、欠壓、瞬時掉電；

(2)浪涌、跌落 ；

(3)尖峰電壓脈沖；

2.1.4 電力補償電容對變頻器的干擾

電力部門對用電單位的功率因數有一定的要求，為此，許多用戶都在變電所采用集中電容補償的方法來提高功率因數。在補償電容投入或切出的暫態過程中，網絡電壓有可能出現很高的峰值，其結果是可能使變頻器的整流二極管因承受過高的反向電壓而擊穿。

3 干擾信號的傳播方式

變頻器能產生功率較大的諧波，由于功率較大，對系統其它設備干擾性較強，其干擾途徑與一般電磁干擾途徑是一致的，主要分傳導(即電路耦合)、電磁輻射、感應耦合。具體為：首先對周圍的電子、電氣設備產生電磁輻射;其次對直接驅動的電動機產生電磁噪聲，使得電機鐵耗和銅耗增加;并傳導干擾到電源，通過配電網絡傳導給系統其它設備;最后變頻器對相鄰的其它線路產生感應耦合，感應出干擾電壓或電流。同樣，系統內的干擾信號通過相同的途徑干擾變頻器的正常工作。

（1） 電路耦合方式

即通過電源網絡傳播。由于輸入電流為非正弦波，當變頻器的容量較大時，將使網絡電壓產生畸變，影響其他設備工工作，同時輸出端產生的傳導干擾使直接驅動的電機銅損、鐵損大幅增加，影響了電機的運轉特性。顯然，這是變頻器輸入電流干擾信號的主要傳播方式。

（2）感應耦合方式

當變頻器的輸入電路或輸出電路與其他設備的電路挨得很近時，變頻器的高次諧波信號將通過感應的方式耦合到其他設備中去。感應的方式又有兩種：

a、電磁感應方式，這是電流干擾信號的主要方式；

b、靜電感應方式，這是電壓干擾信號的主要方式。

（3）空中幅射方式

即以電磁波方式向空中幅射，這是頻率很高的諧波分量的主要傳播方式。

4 變頻調速系統的抗干擾對策

根據電磁性的基本原理，形成電磁干擾(EMI)須具備三要素：電磁干擾源、電磁干擾途徑、對電磁干擾敏感的系統。為防止干擾，可采用硬件抗干擾和軟件抗干擾。其中，硬件抗干擾是應用措施系統最基本和最重要的抗干擾措施，一般從抗和防兩方面入手來抑制干擾，其總原則是抑制和消除干擾源、切斷干擾對系統的藕合通道、降低系統干擾信號的敏感性。具體措施在工程上可采用隔離、濾波、屏蔽、接地等方法。

4.1 所謂干擾的隔離，是指從電路上把干擾源和易受干擾的部分隔離開來，使它們不發生電的聯系。在變頻調速傳動系統中，通常是電源和放大器電路之間電源線上采用隔離變壓器以免傳導干擾，電源隔離變壓器可應用噪聲隔離變壓器。

4.2 在系統線路中設置濾波器的作用是為了抑制干擾信號從變頻器通過電源線傳導干擾到電源從電動機。為減少電磁噪聲和損耗，在變頻器輸出側可設置輸出濾波器;為減少對電源干擾，可在變頻器輸入側設置輸入濾波器。若線路中有敏感電子設備，可在電源線上設置電源噪聲濾波器以免傳導干擾。在變頻器的輸入和輸出電路中，除了上述較低的諧波成分外，還有許多頻率很高的諧波電流 ，它們將以各種方式把自己的能量傳播出去，形成對其他設備的干擾信號。濾波器就是用于削弱頻率較高的諧波分量的主要手段。根據使用位置的不同，可分為：

(1) 輸入濾波器 通常又有兩種：

a、 線路濾波器 主要由電感線圈構成。它通過增大線路在高頻下的阻抗來削弱頻率較高的諧波電流。

b、 輻射濾波器 主要由高頻電容器構成。它將吸收掉頻率很高的、具有輻射能量的諧波成分。

(2) 輸出濾波器 也由電感線圈構成。它可以有效地削弱輸出電流中的高次諧波成分。非但起到抗干擾的作用，且能削弱電動機中由高次諧波諧波電流引起的附加轉矩。對于變頻器輸出端的抗干擾措施，必須注意以下方面：

a、頻器的輸出端不允許接入電容器，以免在逆變管導通（關斷）瞬間，產生峰值很大的充電（或放電）電流，損害逆變管；

屏蔽干擾源是抑制干擾的最有效的方法。通常變頻器本身用鐵殼屏蔽，不讓其電磁干擾泄漏;輸出線最好用鋼管屏蔽，特別是以外部信號控制變頻器時，要求信號線盡可能短(一般為20m以內)，且信號線采用雙芯屏蔽，并與主電路線(AC380V)及控制線(AC220V)完全分離，決不能放于同一配管或線槽內，周圍電子敏感設備線路也要求屏蔽。為使屏蔽有效，屏蔽罩必須可靠接地。

5 正確的接地既可以使系統有效地抑制外來干擾，又能降低設備本身對外界的干擾。在實際應用系統中，由于系統電源零線(中線)、地線(保護接地、系統接地)不分、控制系統屏蔽地(控制信號屏蔽地和主電路導線屏蔽地)的混亂連接，大大降低了系統的穩定性和可靠性。

對于變頻器，主回路端子PE(E、G)的正確接地是提高變頻器抑制噪聲能力和減小變頻器干擾的重要手段，因此在實際應用中一定要非常重視。變頻器接地導線的截面積一般應不小于2.5mm2，長度控制在20m以內。建議變頻器的接地與其它動力設備接地點分開，不能共地。

6 采用電抗器

在變頻器的輸入電流中頻率較低的諧波分量（5次諧波、7次諧波、11次諧波、13次諧波等所）所占的比重是很高的，它們除了可能干擾其他設備的正常運行之外，還因為它們消耗了大量的無功功率，使線路的功率因數大為下降。在輸入電路內串入電抗器是抑制較低諧波電流的有效方法。根據接線位置的不同，主要有以下兩種：

6.1 電抗器 串聯在電源與變頻器的輸入側之間。其主要功能有：

a、 通過抑制諧波電流，將功率因數提高至（0.75-0.85）；

b、 削弱輸入電路中的浪涌電流對變頻器的沖擊；

c、 削弱電源電壓不平衡的影響。

6.2 直流電抗器 串聯在整流橋和濾波電容器之間。它的功能比較單一，就是削弱輸入電流中的高次諧波成分。但在提高功率因數方面比交流電抗器有效，可達0.95，并具有結構簡單、體積小等優點。

7 合理布線

對于通過感應方式傳播的干擾信號，可以通過合理布線的方式來削弱。具體方法有：

（1）設備的電源線和信號線應量遠離變頻器的輸入、輸出線；

（2） 其他設備的電源線和信號線應避免和變頻器的輸入、輸出線平行。

電焊機對PLC的干擾

由于現場使用的是直流逆變電焊機，包括整流器和逆變器。整流器的作用將交流電轉成直流電，而逆變器是將直流電轉變成交流電。其整流器和逆變器產生的諧波電壓、電流：其電路中的二極管視為理想二極管，即正向阻抗接近零，反向阻抗無窮大。因此，只允許電流單方向流動，從整流器的輸出端看，每相電流波形為矩形波，不是正弦波，利用傅氏級數展開式展開周期的矩形波形，可以看到除了工頻正弦波（50Hz基波）外，還疊加了一系列高次波形——諧波。即形成高次諧波污染，造成散庫控制室的顯示器系統不能正常工作，還要干擾二次儀表——壓力、流量、可編程控制器及智能控制器正常工作，諧波還要使變壓器、電動機、電容器及電抗器產生過熱。

其產生的奇次諧波干擾非常嚴重，加上該系統施工時遠程電纜的敷設基本沒按規范施工，不僅和電力電纜同敷在一處橋架中，而且與遠程站連接的分支器、終端器等也沒有進行專門的屏蔽處理，這可能導致變頻器的奇次諧波進入遠程I/O系統引起遠程I/O的通訊錯誤。

間接干擾原因的分析

8 PLC系統的接地。

一般的PLC系統要求單獨接地，以避免電氣系統的各種干擾通過接地線進入PLC(SIEMENS公司的控制系統不要求PLC系統的接地與電氣系統的接地嚴格分開，但是據我查閱有關資料得知，這么做的前提是電氣系統的變壓器中性點是不能接地的，而成品配電室1#、2#變壓器中性點是能接地的)。該系統在施工時PLC接地極和電氣耙料機、檢修電源箱接地極多個節點連在了一起，由一根16mm2接地線連接到配電室接地極上。因此直流逆變電焊機在使用過程中由此形成的電流在接地線間也進入了PLC系統形成干擾。

PLC應直接從低壓配電室的主母線上采用專用線供電，以減少電機啟停和其他因素給PLC帶來的直接影響，同時由于電源電壓在一定范圍內會有波動，應使用交流電源穩壓裝置，在PLC和穩壓電源之間加入一個隔離變壓器，電源線采用雙絞線，其截面積一般應大于2.5m2，使外部干擾對電源的影響降到最小。PLC的24V直流電源盡量不要給外圍的各類傳感器供電, 以防止外圍傳感器內部故障或供電線路短路造成PLC不能正常運行的安全事故，外圍的傳感器裝置應采用專用的24V直流電源單獨供電。在強電干擾比較嚴重的場合， PLC系統控制柜盡量遠離強電柜，并單獨接地，很好的避免了電源三相不平衡引起的影響。而實際散庫控制室PLC電源直接從成品低壓配電室由兩根BV2.5m2導線供電，在PLC柜內既無穩壓裝置也無隔離變壓器， PLC系統控制柜內強弱電不分。

抗干擾措施完善

（1）PLC系統的電源方面采用15KVA UPS(不間斷電源)供電系統，這樣當系統突然斷電時，系統還可以繼續工作一段時間。UPS電源電纜采用3*16mm2屏蔽電纜，防止高次諧波干擾。

（2）重新設計布置接地系統

·接地極采用紫銅板，埋深2.5m;

·接地線采用70mm2的多股軟銅線;

·所有的PLC機架及PLC接地端子均用絕緣板做到與柜體良好絕緣;

·系統接地電阻必須小于4Ω(實測1.24Ω);

·通訊電纜選在RIO處理器端單端接地，接地端為離RIO處理器最近的分支器。

（3）PLC系統柜內改造完善

將遠程I/O同軸電纜與電力電纜及控制電纜徹底分開，單獨敷設，并全部采用穿管敷設;

電纜路由盡量遠離變頻器等高頻干擾源;

所有的分支器由原來的PLC柜內安裝移到遠離柜體的位置單獨安裝，并用專門的金屬屏蔽盒進行屏蔽;

分站電纜的長度統一取3m長，這一點一般的設計人員容易疏忽，一般都把分支器設計在PLC柜內安裝，分支器與PLC機架的距離很小，它們之間的連接電纜也就在1m左右，這就容易造成信號反射。

遠程I/O的始端和末端重新加裝75Ω終端電阻。

（4）抗干擾的軟件措施

采取PLC的軟件抗干擾技術來加以配合, 而且它能充分發揮PLC的存儲和高速運算與邏輯判斷功能, 在成本增加不多的情況下取得很好的抗干擾效果。軟件抗干擾措施主要有以下幾種：

(1) 對開關量輸入信號，采用繼電器隔離、定時器延時的方式多次讀入，結果一致再確認有效，這樣可以消除觸電抖動等偶發事故。

(2) 對模擬量輸入信號，為了消除工業現場瞬時干擾對它的影響, 可以采取軟件的數字濾波技術如中值法、算術平均值法、一階遞推數字濾波等算法。

9 結束語

PLC遠程I/O通訊的抗干擾問題比較復雜，出現的故障現象也是多種多樣，令人頭痛。但產生的原因殊途同歸，基本上都是由沒嚴格按規范設計施工、強高次諧波干擾或接地系統的問題引起的。本人以多年管片廠的工作經驗對此次改造的PLC控制系統的可靠性和抗干擾設計進行了研究探討，提供了一些有益的技術方案。電纜的各導線間都存在電容，合格的電纜能把此容值限制在一定范圍之內。就是合格的電纜，當電纜長度超過一定長度時，各線間的電容容值也會超過所要求的值，當把此電纜用于PLC輸入時，線間電容就有可能引起PLC的誤動作，會出現許多無法理解的現象。主要為：明明接線正確，PLC應該有的輸入沒有，而不應該有的卻有，即PLC輸入互相干擾。消除線間電容影響的辦法：

（1）使用電纜芯絞合在一起的電纜；

（2）盡量縮短使用電纜的長度；

（3）把互相干擾的輸入分開使用電纜；

（4）使用屏蔽電纜。