高爐自動化plc抗干擾技術的有效運用

閆 曉

高爐自動化系統中所使用的各種類型PLC，有的集中安裝在控制室，有的分散安裝在生產現場的各單機設備中。由于它直接和現場的I/O設備相連，外來干擾很容易通過供電電路和信號線纜侵入，從而引起控制系統的誤動作。PLC受到的干擾可分為外部干擾和內部干擾。在現場的生產環境下，外部干擾是隨機的，與系統結構無關，且干擾源是無法消除的，只能針對具體情況加以限制；內部干擾與系統結構有關，主要由系統內交流主電路、模擬量輸入信號等引起。合理設計系統線路，能夠削弱和抑制內部干擾并防止外部干擾。

某鋼鐵企業2#高爐的總容積為4038m3，并于2016年5月投產使用，年產生鐵325萬噸，其中，高爐自動化控制系統主要由冗余PLC控制器、工程師站、服務器以及監控站組成，PLC主站與分站之間通過遠程I/O方式擴展，每一個PLC站之間通過網絡通信模板、信號交換機以及TCP/IP工業以太網與工程師、服務器及監控站建立通信連接，傳輸速率為100Mbit/s，信號傳輸介質為光纖或者超5類屏蔽雙絞線。

1 干擾高爐自動化系統正常運轉的主要因素

1.1 電磁輻射干擾源

在高爐運轉過程中，需要持續電力能源的支持，因此，PLC控制系統往往與現場的強電電路或者強電設備相接，在這樣一種運行環境下，強電電路將產生大量的電磁波，一旦電磁波擴散到PLC系統當中，那么控制系統的正常執行動作將受到嚴重影響，甚至出現誤動作，而造成生產中止。而產生電磁波輻射的載體一般是電力網絡、各種電氣設備、雷電以及整流設備等，由于2#高爐本身使用了大量的電子設備，而且控制系統當中也存在大量的電子元器件，無形當中就增加了電磁干擾強度。

1.2 供電電源的干擾源

2#高爐主要由供電網絡負責提供電力能源，在該網絡當中，配置了大量的大功率設備，這些設備在啟停機過程中，極易出現超壓或者電壓不足的情況，在這種情況之下，PLC控制系統極易受到浪涌或者尖峰的干擾而出誤運作，進而給系統內部的各個組件造成嚴重損害。

1.3 信號傳輸線的干擾源

信號傳輸線的介質以光纖為主，而高爐自動化系統執行各種動作的信號都需要借助于傳輸線完成信息傳遞過程，在這一過程中，I/O信號極易出現異常狀態，而產生出一些虛假信號對系統動作進行操控，這時，高爐自動化系統的生產加工精度必然受到嚴重影響，或者出現計算機死機的情況，進而使生產進度嚴重滯后。

1.4 接地系統的干擾源

如果接地系統中的各條線路布設混亂，那么高爐自動化系統中的各種電子設備的執行動作將受到嚴重干擾，一旦系統接收到錯誤的指令與信號，那么PLC系統的正常運行與使用功能也將失效，在這種情況下，高爐自動化控制系統也會停止工作。

2 PLC抗干擾技術在高爐自動化系統中的具體應用

2.1 雙股絞合線抗干擾措施

雙股絞合線即雙絞線，在高爐自動化控制系統運行過程中，主要承擔信號傳輸任務，由于高爐占地面積大，輔助電子設備多，因此，高爐正常運轉需要大量的雙絞線。兩根絞合線所承擔的功能各不相同，一根負責信號傳輸與供電，而另一根則作為信號的返回通道。之所以采用雙絞線，主要原因是由于通過雙絞線可以確保相鄰兩扭節的感應電動勢相等，方向相反，在這種情況，總感應電動勢為零，因此，如果絞合線的長度不變，絞合的次數越多，抗干擾能力則越強。而該鋼鐵企業的2#高爐，所采用的為超五類屏蔽雙絞線，這一類別的雙絞線衰減少、串擾小，而且衰減與串擾的比值與信噪比較高，并且在信號傳輸過程中，既不會產生較長的延時現象，同時，使用壽命也相對較長。但是，在選擇雙絞線的接地方式時，技術人員應將信號端接地，如果將雙絞線兩端同時接地，則會出線環路，這樣，即便絞合次數增多，抗干擾效果也將大打折扣，在雙絞線接地時，應當采取一端接地的方式，避免使用兩端接地的方式，這樣才能提升系統的抗干擾能力。

2.2 供電電源抗干擾措施

負責給高爐提供動力能源的各組變壓器，其電源的不穩定性極易使電壓出現毛刺或者大幅度波動，而這一干擾源將嚴重影響PLC系統以及I/O模塊的正常使用功能，因此，為了最大限度的消除供電電源的干擾源，確保高爐自動化系統的正常運轉，可以采取以下四種措施：第一，在高爐自動化系統當中設置濾波、隔離、屏蔽開關穩壓電源，借助于濾波器抗干擾屬性，可以阻斷干擾信號的傳輸通道。在隔離過程中，屏蔽層應保持良好的接地狀態，為了減少電線間的干擾，次級連接應當采取雙繞線的布線方式，與此同時，被隔離的初級繞組與次級繞組需要加設一個屏蔽層。由于高爐自動化系統存在許多大容量設備，這些設備在開啟或者關閉時，都會產生較大的電壓波動，為了使電壓保持恒定，技術人員可以加設一個開關穩壓電源。第二，在給主控制器與I/O系統提供電力能源時，應當分別通過隔離變壓器實現，確保供電變壓器與主電源分開，在這種情況下，在供配電過程中，不會影響系統的穩定性。 第三，對于系統內部的PLC裝置，應當采取線式不間斷的供電形式，這樣能夠保證PLC系統免受干擾。第四，為了確保PLC系統安全穩定運行，為系統提供電力能源的電源應使用冗余電源。

2.2.1 濾波法

當供電電源的高頻電磁干擾強度較大時，技術人員可以采取加裝濾波器的方式，來排除和抵御電磁干擾噪聲。單相交流電源的噪聲濾波器基本結構。

消除高頻電磁干擾噪聲的主要元器件是L1和L2（共模電感）、L3、L4（差模電感）以及Cx（差模電容）與CY1、CY2（共模電容），其中L1與CY1、L2與CY2分別構成交流進線兩對獨立端口之間的低通濾器，當出現共模干擾噪聲時，該濾波器產生的濾波可以有效抑制噪聲的波長，進而達到降噪的目的。而L3、L4與Cx共同構成交流進線獨立端口間的低通濾波器，該濾波器能夠抵御差模干擾噪聲，進而給電源設備罩了一層防護外衣。

2.2.2 隔離法

相比于濾波法，隔離法的操作原理比較簡單易行，主要是通過隔離變壓器對干擾源進行有效隔離。由于電源變壓器的初次級之間分布著電容，當干擾信號進入到電源變壓器當中后，這些分布電容能夠將其耦合到二次測，在這種情況之下，技術人員需要在繞組間加設一道屏蔽層，這樣可以有效防止干擾波進入到高爐自動化設備當中，以確保冶煉生產流程能夠順利進行。

2.2.3 吸收法

在直流電路當中，一般采用單向瞬態電壓來抑制二極管產生的干擾波，在交流電路中，一般采用雙向瞬態電壓來抑制二極管產生的干擾波。受到電源涌浪電壓的影響，高爐冶煉設備的生產精度將大幅下降，因此，技術人員可以采用壓敏電阻或者瞬態電壓來截斷流涌浪電壓的干擾通道，進而大量的吸收尖峰脈沖電壓與雷電疊加電壓產生的干擾波。

2.2.4 回避法

回避法也是高爐自動化設備運轉過程中常用的一種抗干擾技術，該技術主要利用專線供電的方法，來規避因自動化設備啟動與停止時的產生的干擾波，尤其對于大型動力設備來說，利用回避法能夠收到較好的效果。在應用回避法時，供電電源直接來自于配電變壓器的二次測，這樣可以大幅降低同一電網中其它大型設備對PLC控制系統造成的干擾概率，而且對延長設備的使用壽命也將大有幫助。

2.3 PLC系統接地抗干擾措施

PLC系統的接地線應當采用一端接地方式，這主要是由于系統內部各個裝置之間的信號交換頻率都小于1MHz，如果采用兩點式接地方式，那么電纜與輸入裝置產生的濾波將直接給系統造成干擾。高爐各區域PLC均采用直接接地方式。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都低于1MHz，所以PLC控制系統接地線采用一點接地。集中布置的PLC系統適用于并聯一點接地方式，各裝置的柜體中心接地點由單獨的接地線引向接地極。在布設接地線時，如果系統內部的各裝置間存在較大的距離，可以串聯一點接地，并使用絕緣電纜與裝置所在的柜體中心接地點相連，然后將母線與接地級相連。為了增強接地線路的安全性，選取的接地線盡量采用截面積在22mm2以上的銅導線，總母線則使用截面積在60mm2以上的銅排。如果接地線周邊有大量的建筑物，接地極的埋設距離應當超過5m以上，而系統接地點與各強電設備的接地點距離應達到106m2以上，這種接線方式將大大增強系統的抗干擾能力。

2.4 I/O信號的抗干擾措施

鋼鐵企業在選擇I/O系統時，首先應當考慮輸入輸出信號的隔離問題，如果輸出的信號不存在觸點，輸入模塊允許的輸入信號ON-OFF電壓差大，則說明觸點輸出的抗干擾能力強，因此，盡量選用絕緣性較好的I/O模塊。針對該模塊主要采取的抗干擾措施包括DI信號抗干擾措施、DO信號抗干擾措施以及AI信號抗干擾措施。DI信號即數字輸入信號，在DI模塊當中可以加裝一個隔離繼電器，這時，外界干擾信號將被有效攔截。但是，一些作用強大的干擾源極易燒損DI模板通道，為了避免這種情況的發生，保障信號采集流程的安全穩定性能，技術人員可以采用通道冗余技術對各個關鍵測點進行保護。DO信號即數字輸出信號，在DO模板的輸出通道可以加裝中間繼電器，用于阻斷干擾源的傳輸通道，以避免浪涌電壓對輸出信號的穩定性造成影響。AI信號即模擬量輸入信號，在AI模板的輸入通道可以加裝信號隔離器，這種裝置可以將信號的供電電源進行隔離處理，使轉換以后的信號能夠正常傳輸。

2.5 數字濾波與軟件容錯抗干擾技術

數字濾波與軟件容錯都屬于軟件抗干擾技術范疇，由于軟件抗干擾技術節省資源、設計簡便、程序修改靈活自如，因此，已經成為高爐自動化系統當中較為常用的一種抗干擾技術。其中，數字濾波技術常常應用于高爐自動化系統的軟件設計階段，主要技術應用原理是現場的模擬量信號經A/D轉換以后，轉變成為比較分散的數字量信號，被轉換的信號統一存儲在PLC系統當中，通過濾波技術對這些信號的過濾處理，一些帶有噪聲或者雜質的信號將變成正常信號，以保證系統完成基本動作，確保濾波技術的基本原理。

目前，在高爐自動化控制系統當中，最為常用的數字濾波為平均值濾波、中間值濾波以及慣性濾波。平均值濾波的過濾效果與采樣頻次及數量有關，數量越多，過濾效果越好。如果用N代表采樣頻次，則用N采樣值的平均值代替當前值，每一次的采樣值與N-1的采樣值進行算術平均運算，再將運算結果作為本次的濾波值。中間值濾波首先需要確定濾波的最大值與最小值，并通過求平均值的方法計算出濾波值，如果高爐自動化系統來自于外界的干擾因素較多，那么中間值濾波技術的處理效果也相對較差。而慣性濾波法則多適用于外界干擾因素多、干擾強烈的作業環境，它主要根據當前的采樣值與歷史值的可信程度來統一分配濾波值的比例，如果可信度高，說明濾波值比例高，反之，則說明濾波值比例小。

另外，軟件容錯技術也是軟件抗干擾技術的一個重要分支，在應用該技術過程中，如果發現高爐自動化系統出現故障或者程序錯誤，那么被干擾的先行指令將重新被執行若干次，如果經過重復執行成功，則說明系統已經受到外界干擾，如果重復執行失敗，那么輸出軟件也將發出錯誤預警信號。信號源接地時，屏蔽層應在信號側接地；信號線中間有接頭時，屏蔽層應牢固連接并進行絕緣處理，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電纜連接時，各屏蔽層應相互連接好，并經絕緣處理，選擇適當的接地處單點接地。同時，也可以通過軟件延時，來判斷系統是否受到不良干擾，比如對開關量輸入信號或者易形成抖動的檢測或控制回路，可以延時軟件20ms，如果多次讀取同一信號，所出現的結果一致，則可以確定這一干擾源已經消除。

3 2#高爐自動化PLC系統外部操作箱的改造措施

該鋼鐵企業2#高爐所關聯的現場冶煉與燒結設備，大多采用手動與自動相結合的方式運行，當2#高爐安裝工作結束后，設計人員忽略了操作箱“手動-自動”轉換信號的干擾因素，當信號直接進入到PLC系統以后，PLC系統的運行精度受到嚴重影響，究其原因是現場操作箱的原始設計使220V的控制回路電源與PLC信號傳輸線共用一根電纜，在這種情況之下，由于PLC系統在運行過程中將產生較大的荷載量，以至于出現供給電壓不穩的現象，這時，PLC系統內的組件極易被燒毀。經過技術人員的檢查，發現進入到PLC系統中的干擾電壓高達100V以上，而系統中內置的輸入端光電耦合器已無法抵御這一瞬間高壓，進而給PLC系統的使用壽命構成直接威脅。

為了消除瞬間電壓的干擾源，技術人員需要對外置操作箱的外部電纜敷設環境以及內部結構進行改造，首先將這一組PLC信號單獨敷設具有屏蔽層的電纜傳輸，同時，在傳輸信號進入到PLC系統之前，增設一個小型的中間繼電器。

原有設計當中的外部操作箱所使用的長線被中間繼電器所替代，當干擾信號進入到PLC系統以后，此時光電耦合器當中的發光二極管的工作電流，經過實地測量僅僅為數毫安，而加裝的這一小型繼電器的線圈所吸收的電壓僅僅為數十毫安，當外界干擾信號處于高強狀態時，發揮隔離作用的繼電器無法吸合電磁感應產生的能量，這就使得外界干擾信號的強度大幅減弱，在這種情況下，PLC系統也必將保持一種安全穩定的運轉狀態。

4 結語

綜合分析PLC自動化系統內外部干擾產生的原因，最后提出了在系統設計、安裝和調試階段采用穩壓電源、可靠接地、輸入輸出信號隔離、外部配線和軟件處理等具體有效的抗干擾措施，由此保證了PLC自動化系統長期穩定的運行。抗干擾技術在高爐自動化PLC系統中的有效運用，不僅消除了干擾源，為高爐生產創造了一個安全穩定的環境，同時，也促進了生產效率的提升與經濟效益的穩步增長。因此，鋼鐵生產企業應當積極借鑒一些先進的技術經驗與成功案例，并不斷對抗干擾技術進行改進和創新，為鋼鐵企業的持續健康發展提供強大的技術與動力支撐。