水泥廠PLC的抗干擾問題

　　1 概述                     
　　近年來，PLC控制技術(shù)在水泥工業(yè)生產(chǎn)中得到了越來越廣泛地應(yīng)用。但由于現(xiàn)場使用環(huán)境一般比較惡劣，如水泥廠中有許多大功率的交、直流電動(dòng)機(jī)，在啟動(dòng)和停止的過程中使電網(wǎng)電壓波動(dòng)較大，同時(shí)在環(huán)境中產(chǎn)生大量的電磁干擾，PLC在這樣的供電網(wǎng)絡(luò)和使用環(huán)境中，其工作穩(wěn)定性受到影響。因此，如何解決PLC在實(shí)際應(yīng)用中的抗干擾問題，使其不受外界環(huán)境的干擾而穩(wěn)定工作，從而保證生產(chǎn)線的正常運(yùn)行，是一個(gè)至關(guān)重要的問題。

　　一般而言，在有用信號上疊加并產(chǎn)生的畸變信號即為干擾信號。干擾又有內(nèi)部干擾和外部干擾之分。內(nèi)部干擾即為柜內(nèi)元器件在工作中產(chǎn)生的干擾，如PLC本身的抗干擾性能，斷路器及交流接觸器在通斷時(shí)產(chǎn)生的飛弧，小型繼電器頻繁的動(dòng)作等都對系統(tǒng)運(yùn)行有一定的影響。這屬于器件選型、PLC接口設(shè)計(jì)、柜內(nèi)合理布線應(yīng)考慮的問題。外部干擾是指在生產(chǎn)環(huán)境中通過空間輻射和感應(yīng)，由電源線、控制線、信號線及地線導(dǎo)入的雜散信號對有用信號的干擾。如大的動(dòng)力設(shè)備和起動(dòng)裝置在工作過程中產(chǎn)生的尖峰電流對電網(wǎng)電壓的影響。同時(shí)電流改變產(chǎn)生磁場，對設(shè)備產(chǎn)生電磁輻射，磁場改變產(chǎn)生電流，電磁高速產(chǎn)生電磁波等都會(huì)影響系統(tǒng)可靠地運(yùn)行。本文將對幾種主要的干擾問題及措施進(jìn)行探討。
 
　　2 強(qiáng)電干擾
　　現(xiàn)場引起的干擾情況比較復(fù)雜，原因很多，要解決干擾問題，首先要找出引起干擾的原因，然后針對問題加以解決。有些干擾可以在事后想辦法解決，而有些干擾必須事前周密考慮加以實(shí)施，否則事后解決就會(huì)非常麻煩。如儀表信號、PLC控制信號都為弱電，易受強(qiáng)電干擾。所以在柜外布線時(shí)要嚴(yán)格按要求施工，在采用電纜溝、電纜橋架、穿管等敷設(shè)方式時(shí)，將通訊線、信號線、控制線等弱電信號遠(yuǎn)離強(qiáng)電，其間距最好要大于20cm。電纜溝采用多層敷設(shè)時(shí)，要將弱電電纜敷設(shè)在強(qiáng)電電纜的下方。否則由于布線錯(cuò)誤導(dǎo)致干擾，在現(xiàn)場重新布線會(huì)存在很大困難，有時(shí)侯條件根本就不允許。
 
　　3 柜內(nèi)干擾
　　在設(shè)計(jì)與元器件選型時(shí)就要充分考慮可能存在的干擾問題。如采用對電網(wǎng)沖擊小的啟動(dòng)方式，選用滅弧性能好的斷路器及接觸器，使起動(dòng)裝置分?jǐn)嗄芰?qiáng)、滅弧快、飛弧距離小。

　　PLC不能和高壓電器安裝在同一個(gè)控制柜內(nèi)。在低壓柜內(nèi)PLC的安裝應(yīng)遠(yuǎn)離大功率器件，在柜內(nèi)走線時(shí)，最好將PLC的I/O線、信號線與動(dòng)力線分開走線。如必須在同一線槽內(nèi)，應(yīng)分開捆扎交流線、直流線。若走線混亂，會(huì)引起設(shè)備的誤動(dòng)作，給檢查帶來相當(dāng)大的麻煩。所以在控制柜設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮這種情況，只有器件擺放合理，走線清晰，才能最大限度的減少各種干擾。
PLC的輸出采用小型中間繼電器實(shí)現(xiàn)對外部開關(guān)量的隔離。如果受現(xiàn)場條件限制，輸入信號線不能與強(qiáng)電電纜有效隔離，可以用小型繼電器的觸點(diǎn)來隔離輸入端的開關(guān)量信號?？刂乒駜?nèi)有很多信號線，不同的信號線最好不用同一個(gè)插接件轉(zhuǎn)接，以減少相互干擾。與PLC安裝在同一個(gè)柜子內(nèi)的電感性負(fù)載，如交流接觸器、小型繼電器的線圈，應(yīng)在其兩端并接阻容吸收器(RC)消弧電路。使柜內(nèi)干擾減少到最低程度。
 
　　4信號線的抗干擾
　　信號線承擔(dān)著PLC與上位機(jī)信息交換、數(shù)據(jù)采集的傳輸任務(wù)。因此，傳輸質(zhì)量的好壞直接影響到整個(gè)系統(tǒng)控制的準(zhǔn)確性、可靠性和穩(wěn)定性。對信號線的干擾主要是來自空間的電磁輻射，有共模干擾和差模干擾兩種：
 
　　4.1共模干擾
　　共模干擾是指信號線上共有的干擾信號，一般是由控制系統(tǒng)的接地端與被測信號的接地端存在一定的電位差引起的。這種干擾在兩條信號線上的周期、頻率等基本相同，應(yīng)采取如下措施來消除或抑制干擾：

　?。?）采用雙差分輸入的差動(dòng)放大器，這種放大器具有很高的共模抑制比；
　?。?）輸入線采用絞合線，因絞合線能降低共模干擾，其感應(yīng)互相抵消；
　?。?）采用光電隔離的方法，可以消除共模干擾；
　?。?）采用屏蔽線對信號隔離，并單邊接地；
　?。?）對于距離較遠(yuǎn)傳輸?shù)男盘?，要注意阻抗匹配問題，以避免信號失真。
 
　　4.2差模干擾
　　差模干擾是指疊加在測量信號線上的干擾信號，其來源一般是耦合引起的干擾。這種干擾大多是頻率較高的交變信號，抑制干擾的方法有：

　　（1）選用雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器，因?yàn)檫@種積分器的工作特點(diǎn)具有一定的消除高頻干擾的作用；
　?。?）在輸入回路加裝RC濾波器或雙T濾波器，以消除高次諧波；
　?。?）盡量將電壓信號轉(zhuǎn)換成電流信號再傳輸。

　　另外，正確、良好的接地，可以將混入電源和I/O電路的干擾信號引入大地，消除或減少干擾對系統(tǒng)的影響，這是安全保護(hù)和抑制噪聲的重要手段，對提高系統(tǒng)的可靠性及穩(wěn)定性尤為重要。為了盡量減少電磁噪聲產(chǎn)生的干擾，在電源回路和控制回路分別設(shè)置接地極。所有接地線不可形成接地回路，屏蔽層、數(shù)字信號地可以接于控制回路接地極，為防止形成回路，屏蔽層應(yīng)單端接地?？刂破鞯慕拥鼐€與電源線、動(dòng)力線要分開，嚴(yán)禁與其他設(shè)備串聯(lián)接地。
 
　　5 變頻器的干擾
　　變頻器在啟動(dòng)和運(yùn)行過程中產(chǎn)生的諧波對電網(wǎng)造成干擾，使電網(wǎng)電壓產(chǎn)生畸變，從而影響了電網(wǎng)的供電質(zhì)量，同時(shí)變頻器的輸出會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁輻射干擾，影響周邊設(shè)備的正常運(yùn)行，特別是對PLC控制系統(tǒng)影響較大。對于變頻器產(chǎn)生的干擾處理起來比較麻煩，一般有以下幾種：

　　5.1合理布線
　　安裝時(shí)要將變頻器散熱器、電源中性線、變頻器外殼和中性端、電機(jī)外殼和Y型接法中性端要可靠的接于電源回路接地極上，并避免形成“地環(huán)路”。變頻器的接地電阻越小越好，接地導(dǎo)線截面積應(yīng)大于4mm²，長度最好控制在20m以內(nèi)。并注意控制器的接地線與電源線、動(dòng)力線分開，為防止對信號的干擾，通訊管路最好采用全程金屬管或金屬軟管。

　　5.2加隔離變壓器
　　主要是針對來自電源的傳導(dǎo)干擾，這樣做可以將大部分傳導(dǎo)干擾阻隔在隔離變壓器之前。同時(shí)對電源電壓還兼有變換的作用。

　　5.3凈化輸入電源
　　一般情況下，水泥廠的大型電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)會(huì)造成電網(wǎng)電壓的下降，而在停機(jī)時(shí)由于大電感的作用，又會(huì)使電網(wǎng)電壓突升，因而對PLC系統(tǒng)的正常運(yùn)行產(chǎn)生不利影響?？赏ㄟ^加交流穩(wěn)壓電源或采用獨(dú)立的電源(即從低壓配電室母線上直接取電源)來解決，以消除因電網(wǎng)電壓波動(dòng)對系統(tǒng)造成的干擾。

　　5.4使用濾波器
　　濾波器分有源和無源兩種，一般采用無源濾波即會(huì)產(chǎn)生較好效果。這些濾波器有較強(qiáng)的抗干擾能力，其抑制了電壓的快速變化，而且還降低了漏電流和高頻輻射，同時(shí)還能防止將設(shè)備本身的干擾傳導(dǎo)給電源，有些還兼有尖峰電壓吸收功能。

　　5.5使用電抗器。
　　在斷路器與變頻器之間增加交流電抗器，用于改善輸入功率因數(shù)，降低高次諧波及抑制電源浪涌；在變頻器上P1、P+ 端接直流電抗器，用于改善功率因數(shù)，抑制尖峰電流；在變頻器到電動(dòng)機(jī)之間增加輸出交流電抗器，用于抑制變頻器的發(fā)射干擾和感應(yīng)干擾，抑制電動(dòng)機(jī)電壓的振動(dòng)。
 
　　6 結(jié)束語
　　由于現(xiàn)場干擾情況錯(cuò)綜復(fù)雜，干擾源五花八門。但只要我們在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、元器件選型、現(xiàn)場施工、設(shè)備調(diào)試等工作中周密考慮、認(rèn)真對待，并采取相應(yīng)的抗干擾措施，就能夠?qū)F(xiàn)場干擾降到最低限度，使PLC控制系統(tǒng)安全、可靠、穩(wěn)定的運(yùn)行。