水泥廠中PLC 控制系統(tǒng)干擾問題及解決方案

胡景蕙 薛晨曦 楊 戈 陳瑞曉

河南建筑材料研究設(shè)計(jì)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(lái)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(yùn)行，抗干擾能力是關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。由于水泥廠現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)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(jì)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(yùn)行。

1 電磁干擾源及對(duì)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(dòng)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(lái)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(hào)對(duì)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(hào)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(shí)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(hào)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(duì)稱電路可轉(zhuǎn)換成差模電壓， 直接影響測(cè)控信號(hào)，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(hào)兩極間的干擾電壓，主要由空間電磁場(chǎng)在信號(hào)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(hào)上， 直接影響了測(cè)量與控制的精度。

1.2 PLC 控制系統(tǒng)中電磁干擾的主要來(lái)源

1.2.1 空間輻射

空間輻射電磁場(chǎng)(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(chǎng)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(chǎng)內(nèi)，就會(huì)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(duì)PLC 內(nèi)部的輻射， 由電路感應(yīng)產(chǎn)生干擾；②對(duì)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(chǎng)設(shè)備布置、設(shè)備所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)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(lái)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(hào)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(dòng)PLC 之外，還驅(qū)動(dòng)可控整流器(SCR)或變頻器，這些電流變換器會(huì)產(chǎn)生大量的諧波,對(duì)井電電源的污染相當(dāng)嚴(yán)重.尤其是直流驅(qū)動(dòng)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(shí)際上，由于分布參數(shù)特別是分布電容的存在，絕對(duì)隔離是不可能的。 有些油田已經(jīng)用單獨(dú)的柴油發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)交流頂驅(qū)系統(tǒng)。

1.2.2.2 信號(hào)線引入的干擾

與PLC 控制系統(tǒng)連接的各類信號(hào)傳輸線，除了傳輸有效的各類信息之外， 還會(huì)有外部干擾信號(hào)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(hào)儀表的供電電源串入的電網(wǎng)干擾，其往往被忽視；②信號(hào)線受空間電磁輻射感應(yīng)的干擾，即信號(hào)線上的外部感應(yīng)干擾，這種干擾往往非常嚴(yán)重。

由信號(hào)引入的干擾會(huì)引起I/O 信號(hào)工作異常和測(cè)量精度的降低，嚴(yán)重時(shí)將引起元器件損傷。 對(duì)于隔離性能差的系統(tǒng)，還將導(dǎo)致信號(hào)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(dòng)和死機(jī)。 PLC 控制系統(tǒng)因信號(hào)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(lái)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(duì)PLC 系統(tǒng)的干擾主要是各個(gè)接地點(diǎn)電位分布不均，不同接地點(diǎn)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(diǎn)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(shí)，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(chǎng)的作用下，屏蔽層內(nèi)會(huì)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(hào)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(yùn)算和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，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(cè)量精度下降，引起對(duì)信號(hào)測(cè)控的嚴(yán)重失真和誤動(dòng)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(duì)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(duì)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(duì)于變送器和共用信號(hào)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(shí)施敷設(shè)

為了減少動(dòng)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(dòng)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(hào)分別由不同電纜傳輸。 信號(hào)電纜應(yīng)按傳輸信號(hào)種類分層敷設(shè)，避免信號(hào)線與動(dòng)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(jì)和組態(tài)時(shí)，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(shí)校正參考點(diǎn)電位，并采用動(dòng)態(tài)零點(diǎn)，可防止電位漂移；采用信息冗余技術(shù)，設(shè)計(jì)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(diǎn)，完善接地系統(tǒng)

接地的目的通常有兩個(gè)，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(hào)電纜分布電容和輸入裝置濾波等的影響，裝置之間的信號(hào)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(diǎn)接地和串聯(lián)一點(diǎn)接地方式。集中布置的PLC 控制系統(tǒng)適于并聯(lián)一點(diǎn)接地方式，各裝置的柜體中心接地點(diǎn)以單獨(dú)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(diǎn)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(diǎn)，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(diǎn)必須與強(qiáng)電設(shè)備接地點(diǎn)相距10 m 以上。

信號(hào)源接地時(shí)，屏蔽層應(yīng)在信號(hào)側(cè)接地；不接地時(shí)，應(yīng)在PLC 側(cè)接地；信號(hào)線中間有接頭時(shí)，屏蔽層應(yīng)牢固連接并進(jìn)行絕緣處理，一定要避免多點(diǎn)接地。 多個(gè)測(cè)點(diǎn)信號(hào)的屏蔽雙絞線與多芯對(duì)絞總屏蔽電纜連接時(shí)，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(diǎn)接地。

3 結(jié)語(yǔ)

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