王建文

(淮北礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 技術(shù)中心，安徽 淮北 235000)

一、前言

臨渙選煤廠入洗能力為1600萬噸/年，是目前亞洲最大的集中型煉焦煤選煤廠。該選煤廠分東、西兩個生產(chǎn)區(qū)域。其中，東生產(chǎn)區(qū)域入洗能力450萬噸/年，主要采用三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器——煤泥脫泥濃縮浮選工藝，生產(chǎn)系統(tǒng)采用集中控制，使用施耐德公司的中型PLC，型號為Modicon Quantum 140，包含電源模塊(140 CPS11410)、CPU模塊(140 CPU 53414B)、通訊模塊(140 CRP93200)、以太網(wǎng)通訊模塊(140 NOE77101)、輸入模塊(140 DAI74000、140 DAI75300)、輸出模塊(140 DAO84000、140 DAO85300)、模擬量輸入模塊(140 ACI04000)、模擬量輸出模塊(140 ACO13000)等。PLC控制系統(tǒng)設(shè)1個主站和16個分站，采用兩路同軸電纜連接通訊，上位機(jī)、工控機(jī)與PLC通過16口以太網(wǎng)交換機(jī)TL-SF1016通訊。東區(qū)生產(chǎn)分3個系統(tǒng)，參與集中控制的設(shè)備占總設(shè)備90%以上。在實(shí)際生產(chǎn)中，PLC控制系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)受干擾而引起故障停車的現(xiàn)象，影響選煤生產(chǎn)連續(xù)性，導(dǎo)致洗選產(chǎn)品質(zhì)量不合格。為解決此問題，該廠組織技術(shù)骨干追蹤、觀察，全面分析干擾源，采取多種抗干擾技術(shù)，取得了良好效果。

二、PLC干擾源分析

PLC生產(chǎn)控制系統(tǒng)經(jīng)常遇到受干擾而影響正常運(yùn)行的情況，影響連續(xù)生產(chǎn)。通過對PLC干擾源進(jìn)行分析后，發(fā)現(xiàn)PLC干擾源有以下幾種。

1．輻射干擾

空間輻射會產(chǎn)生電磁場，當(dāng)電力設(shè)備處于靜止?fàn)顟B(tài)時，會產(chǎn)生電磁波，像雷電、廣播、雷達(dá)等都會產(chǎn)生輻射干擾，且影響范圍廣。PLC 控制系統(tǒng)在運(yùn)行過程中受到輻射干擾，會對系統(tǒng)造成十分嚴(yán)重的危害，影響PLC控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行。分析發(fā)現(xiàn)，輻射干擾與現(xiàn)場設(shè)備的布置情況、電纜電磁感應(yīng)有很大關(guān)系。

該選煤廠投產(chǎn)于90年代初，期間經(jīng)歷多次集中控制改造。生產(chǎn)設(shè)備原控制基本使用就地控制，電纜橋架受空間局限，動力電纜和控制電纜敷設(shè)在一起，且動力電纜多于控制電纜。2000年后，該廠生產(chǎn)系統(tǒng)開始進(jìn)行自動化改造，洗選系統(tǒng)、原煤系統(tǒng)、裝車系統(tǒng)及壓濾系統(tǒng)，均采用生產(chǎn)集中PLC控制。改造時，受空間和時間的限制，控制及通訊傳輸電纜均未設(shè)計(jì)專用路徑，未敷設(shè)專用電纜橋架，所以只能和原設(shè)備的動力電纜平行敷設(shè)，利用簡單穿管方式進(jìn)行屏蔽和保護(hù)。因此，設(shè)備運(yùn)行過程中，動力電纜間產(chǎn)生電磁感應(yīng)極易影響PLC控制信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性。而且，隨著使用年限的增加，穿管的屏蔽保護(hù)作用也逐漸減弱，PLC受干擾的影響越發(fā)嚴(yán)重。

該選煤廠自動化集中控制改造后，共組建了16個PLC分站，每個分站有一組PLC柜，存放在對應(yīng)的低壓配電室內(nèi)。由于改造緣故，控制電纜無法與強(qiáng)電電纜隔離開，再加上，檢修人員接線標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，接線較為混亂。柜內(nèi)除PLC自動控制內(nèi)部接線外，還有來自現(xiàn)場控制箱及就地配電柜電纜接線，也未將交流和直流電纜分開，許多較長的電纜直接就地盤線捆扎。追蹤監(jiān)測后發(fā)現(xiàn)，部分單芯電纜感應(yīng)電流有幾十伏，極易影響信號傳輸產(chǎn)生壓降，造成波動，誘發(fā)電氣設(shè)備故障。

此外，控制電纜受到的干擾會引起PLC輸入輸出模塊信號傳輸受阻，不僅降低測量精度，損壞元器件，還將造成PLC信號互相干擾，引起共地系統(tǒng)總線回流，造成邏輯數(shù)據(jù)變化、誤動或死機(jī)等故障。

2．電源干擾

電源電壓波動及電源中諧波等電源質(zhì)量問題對會PLC控制產(chǎn)生一定的影響。由于供電線路覆蓋面積較大，所受到的空間電磁干擾范圍也較大。避免電源干擾的有效方法是選擇隔離性能好的電源。但因電網(wǎng)內(nèi)部電能變化，PLC電源采用獨(dú)有的隔離電源方式，會存在隔離效果不佳的情況。[1]

3．變頻諧波干擾

該選煤廠現(xiàn)場自動化系統(tǒng)中安裝了軟啟動器、變頻器等增效設(shè)備。譬如，原煤皮帶3001#、3002#，精煤皮帶501#、502#、503#等大傾角皮帶配套安裝了軟啟動器。原煤車間受煤坑四臺給煤機(jī)配備了四臺變頻器進(jìn)行給煤量調(diào)節(jié)；東區(qū)原煤系統(tǒng)有7座原煤倉，一個倉配四臺給煤機(jī)，共28臺，通過變頻控制實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)配比，滿足不同煤種之間的不同配比入洗原煤的需要，確保精煤配選產(chǎn)品質(zhì)量。洗選操控司機(jī)通過操作集控畫面控制現(xiàn)場給煤機(jī)頻率來實(shí)現(xiàn)定量給煤?，F(xiàn)階段，原煤倉配電室共安裝28臺變頻器，型號為ABB ACS800-01-0030-3+P901，采用集中(電腦控制畫面統(tǒng)一操作控制)和就地(現(xiàn)場崗位控制)兩種控制方式，動力電纜、控制電纜通過同一橋架敷設(shè)至原煤倉下。

變頻器是通過改變頻率來控制電動機(jī)的電力控制設(shè)備。變頻器在日常運(yùn)行中，通過產(chǎn)生可調(diào)節(jié)脈寬的SPWM波來達(dá)到控制功率元器件的導(dǎo)通和關(guān)斷，輸出可調(diào)節(jié)電壓、頻率的三相電壓。但是，輸出電壓和電流不是標(biāo)準(zhǔn)正弦波，其內(nèi)部含有很強(qiáng)的高次諧波成分，這些高次諧波會對電網(wǎng)、電氣設(shè)備等裝置造成很大危害?，F(xiàn)有的電抗器無法完全濾除阻抗。這些無法過濾的更高次諧波極易影響PLC傳輸?shù)姆€(wěn)定性，造成信號波動，引起集中控制系統(tǒng)及密度控制系統(tǒng)的非正常運(yùn)行。此外，變頻器輸出也會產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁輻射，這些輻射將影響周圍運(yùn)行中的電氣設(shè)備，對控制電纜信號傳輸產(chǎn)生干擾。

4．接地系統(tǒng)干擾

臨渙選煤廠建廠早，受設(shè)計(jì)限制，東生產(chǎn)區(qū)域采用三相四線制供電系統(tǒng)，6kv變壓器中性點(diǎn)接地，系統(tǒng)接地是PE線與N線共用。這種接地系統(tǒng)的不完善，直接影響東區(qū)集中控制系統(tǒng)正常運(yùn)行，尤其表現(xiàn)在屏蔽層接地方面，現(xiàn)場接線混亂，多點(diǎn)接地時存在地電位差，誘發(fā)環(huán)路電流，干擾信號傳輸，導(dǎo)致PLC控制系統(tǒng)非正常運(yùn)行。此外，屏蔽層在變化磁場中也會產(chǎn)生感應(yīng)電流，經(jīng)過屏蔽層與線芯的耦合，發(fā)生干擾信號，造成PLC內(nèi)部邏輯單元和模擬單元的非正常工作，嚴(yán)重時，會導(dǎo)致PLC數(shù)據(jù)混亂、程序跑飛或死機(jī)。

三、抗干擾技術(shù)應(yīng)用

通過追蹤、觀察，全面分析干擾源，制定以下幾種抗干擾措施，并將其應(yīng)用到選煤廠PLC控制系統(tǒng)中。

1．電纜選型

目前，該廠東區(qū)使用施耐德中型PLC控制系統(tǒng)，在生產(chǎn)過程中基本能夠達(dá)到控制要求，暫時沒有進(jìn)行PLC控制系統(tǒng)改造升級。在現(xiàn)有控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，主要通過提高電纜抗干擾能力來減少信號傳輸過程中的干擾。遠(yuǎn)距離傳輸?shù)目刂齐娎|，尤其是控制開關(guān)量的控制電纜，可以選用屏蔽性能好的電纜；模擬量電纜和通訊電纜則可以采用施耐德專用屏蔽線；PLC控制分站的分支連接器采用金屬屏蔽盒做保護(hù)，并保證屏蔽盒有效接地。

2．電源優(yōu)化

電源在PLC集中控制系統(tǒng)中占有很重要的地位。PLC控制系統(tǒng)供電電源、直接連接的儀表電源等會受到電網(wǎng)干擾串入。雖然現(xiàn)在采用了隔離性能不錯的電源，但連接儀表的供電電源受干擾現(xiàn)象仍然明顯。因此，該廠對共用信號儀表供電安裝了隔離器，其特點(diǎn)是分布電容小、抑制高、低頻信號，增加了PLC系統(tǒng)的抗干擾能力。

此外，為確保集控電源電壓穩(wěn)定，改善電網(wǎng)電壓浮動，該廠還采用了無觸點(diǎn)穩(wěn)壓電源，該裝置具有較強(qiáng)的抗干擾性能，是PLC控制系統(tǒng)的一種理想電源(圖1)。當(dāng)電網(wǎng)電壓或負(fù)載出現(xiàn)瞬間波動時，穩(wěn)壓電源會以10-30ms的響應(yīng)速度對電壓幅值進(jìn)行補(bǔ)償，使其穩(wěn)定在±2%以內(nèi)，防止高低電壓的波動對PLC設(shè)備的破壞，降低對PLC的干擾，保證供電安全。

圖1 無觸點(diǎn)穩(wěn)壓電源

3．電纜敷設(shè)、接線優(yōu)化

組織技術(shù)人員對PLC控制主站、分站及現(xiàn)場設(shè)備的控制電纜參數(shù)、布置合理性等進(jìn)行重新排查，畫出控制電纜分布圖，分析優(yōu)化現(xiàn)場干擾源環(huán)境，找出受干擾較嚴(yán)重的電纜敷設(shè)區(qū)域。加裝動力電纜專用橋架和控制電纜專用橋架，把動力電纜、控制電纜分開敷設(shè)，敷設(shè)間距≥600mm。對無法分開敷設(shè)動力電纜和控制電纜的區(qū)域，則采用控制電纜加裝穿管的方式進(jìn)行保護(hù)。目前，該廠已累計(jì)敷設(shè)專用電纜橋架約550m，動力電纜、控制電纜重新敷設(shè)約1500m。

同時，組織技術(shù)人員對東區(qū)區(qū)域各配電室的PLC柜內(nèi)電纜進(jìn)行排查，理清線路，采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)對柜內(nèi)接線進(jìn)行整改，按圖施工，把動力電纜和傳輸信號線分層布置，直流和交流電纜分類捆扎，分開放置；PLC柜下部電纜重新標(biāo)識，通過不同的進(jìn)線孔穿入；整理電纜，抽除廢棄的電纜，去除多余的電纜長度，重新做頭、接線。同軸電纜統(tǒng)一按3m長標(biāo)準(zhǔn)做頭，不符合標(biāo)準(zhǔn)的全部重新更換。

4．加裝隔離設(shè)備

隔離變壓器是一種輸入繞組與輸出繞組在電氣上彼此隔離的設(shè)備，其作用是避免偶然同時觸及帶電體(或因絕緣損壞而可能帶電的金屬部件)或大地所帶來的危險(xiǎn)， 原理與普通干式變壓器相同，利用電磁感應(yīng)原理，主要隔離一次電源回路，二次回路對地浮空，以保證用電安全。該廠通過加裝隔離變壓器和低通濾波器，將輸出端和輸入端完全“斷路”隔離，對變壓器的輸入端進(jìn)行有效過濾，再加上低通濾波器的二次過濾，阻斷、抑制了大部分高頻率雜波，為PLC提供了較為純凈的電源電壓。[2]

5．完善接地系統(tǒng)

該廠建廠早，采用三相四線制供電，6kv變壓器中性點(diǎn)接地，PE線和N線是同一根線。這種接線方式相對于三相五線制接地系統(tǒng)來說不夠完善。因此，該廠組織技術(shù)人員重新打接地極，各配電室配電柜之間采用串聯(lián)一點(diǎn)接地方式，用大截面銅排或絕緣電纜連接柜體中心接地點(diǎn)，用銅母排把主廠房各配電室接地點(diǎn)上下連接起來，再將接地母線直接連接接地極?，F(xiàn)場大型電動機(jī)等設(shè)備外殼采用編織線重復(fù)接地。

此外，該廠大量使用變頻器，為了降低其對PLC的干擾，該廠對變頻器主回路端子PE(E、G)進(jìn)行正確接地，要求動力線、控制線分開布置，使信號線遠(yuǎn)離變頻器輸入輸出線，嚴(yán)禁與其平行敷設(shè)，并單獨(dú)接地。信號線接地時，屏蔽層在信號側(cè)接地，當(dāng)中間有接頭時，屏蔽層做到牢固連接，做好絕緣處理，避免多點(diǎn)接地。

四、結(jié)語

PLC控制系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)受干擾而引起故障停車的現(xiàn)象，影響生產(chǎn)的連續(xù)性。臨渙選煤廠通過全面分析干擾源，對癥下藥，采用多種抗干擾技術(shù)，在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，取得了良好效果。