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計院有限責任公司（450002）

0 前言

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，PLC 控制系統(tǒng)在水泥工業(yè)控制中的應用越來越廣泛。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)濟運行，抗干擾能力是關(guān)系到整個系統(tǒng)可靠運行的關(guān)鍵。由于水泥廠現(xiàn)場環(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)場和各種電機設備上，其大多處在強電電路和強電設備所形成的電磁環(huán)境中。 要提高PLC 控制系統(tǒng)的可靠性，設計人員只有預先了解各種干擾因素，才能有效保證PLC 控制系統(tǒng)可靠運行。

1 電磁干擾源及對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。共模干擾是信號對地面的電位差， 主要由電網(wǎng)串入、地電位差及空間電磁輻射在信號線上感應的共態(tài) （同方向）電壓送加所形成。 共模電壓有時較大，特別是采用隔離性能差的電器供電室， 變送器輸出信號的共模電壓普遍較高，有的可高達130 V。 共模電壓通過不對稱電路可轉(zhuǎn)換成差模電壓， 直接影響測控信號，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兩極間的干擾電壓，主要由空間電磁場在信號間耦合感應及由不平衡電路轉(zhuǎn)換共模干擾所形成的電壓疊加在信號上， 直接影響了測量與控制的精度。

1.2 PLC 控制系統(tǒng)中電磁干擾的主要來源

1.2.1 空間輻射

空間輻射電磁場(EMI)主要是由電力網(wǎng)絡、電氣設備的暫態(tài)過程、雷電、井場大電機的啟停等產(chǎn)生，通常稱為輻射干擾，PLC 控制系統(tǒng)若置于射頻場內(nèi)，就會受到輻射干擾。 產(chǎn)生輻射干擾主要通過兩條路徑: ①直接對PLC 內(nèi)部的輻射， 由電路感應產(chǎn)生干擾；②對PLC通信網(wǎng)絡的輻射，由通信線路感應引入干擾。輻射干擾與現(xiàn)場設備布置、設備所產(chǎn)生的電磁場大小和頻率有關(guān)， 一般通過設置屏蔽電纜和PLC 局部屏蔽來進行保護。

1.2.2 傳導干擾

傳導干擾主要通過電源和信號線引入。 這種干擾在井電系統(tǒng)中比較嚴重, 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)電機組提供,由于發(fā)電機除了驅(qū)動PLC 之外，還驅(qū)動可控整流器(SCR)或變頻器，這些電流變換器會產(chǎn)生大量的諧波,對井電電源的污染相當嚴重.尤其是直流驅(qū)動系統(tǒng)(晶閘管變流)和交流頂驅(qū)系統(tǒng)共用一組柴油發(fā)電機組，而兩者的PLC 均用PROFIBUS 總線傳輸，互相干擾最為嚴重。

PLC 電源通常采用隔離電源， 但因其機構(gòu)及制造工藝等因素使其隔離并不理想。 實際上，由于分布參數(shù)特別是分布電容的存在，絕對隔離是不可能的。 有些油田已經(jīng)用單獨的柴油發(fā)電機驅(qū)動交流頂驅(qū)系統(tǒng)。

1.2.2.2 信號線引入的干擾

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

由信號引入的干擾會引起I/O 信號工作異常和測量精度的降低，嚴重時將引起元器件損傷。 對于隔離性能差的系統(tǒng)，還將導致信號間互相干擾，引起共地系統(tǒng)總線回流，造成邏輯數(shù)據(jù)變化、誤動和死機。 PLC 控制系統(tǒng)因信號引入的干擾造成I/O 模件損壞數(shù)量較多，由此引起系統(tǒng)故障的情況也很嚴重。

1.2.2.3 來自接地系統(tǒng)混亂的干擾

PLC 控制系統(tǒng)的地線包括系統(tǒng)地、屏蔽地、交流地和保護地等。接地系統(tǒng)混亂對PLC 系統(tǒng)的干擾主要是各個接地點電位分布不均，不同接地點間存在地電位差，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，當發(fā)生異常狀態(tài)如雷擊時，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。 在變化磁場的作用下，屏蔽層內(nèi)會出現(xiàn)感應電流，通過屏蔽層與芯線之間的耦合，干擾信號回路。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)的邏輯運算和數(shù)據(jù)存儲，造成數(shù)據(jù)混亂、程序跑飛或死機。 模擬地電位的分布將導致測量精度下降，引起對信號測控的嚴重失真和誤動作。

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入的。 現(xiàn)在對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。所以對于變送器和共用信號儀表供電應選擇分布電容小、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 正確選擇電纜和實施敷設

為了減少動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。 不同類型的信號分別由不同電纜傳輸。 信號電纜應按傳輸信號種類分層敷設，避免信號線與動力電纜靠近平行敷設，以減少電磁干擾。

2.3 軟件抗干擾措施

由于電磁干擾的復雜性，要根本消除干擾影響是不可能的，因此在PLC 控制系統(tǒng)的軟件設計和組態(tài)時，應在軟件方面進行抗干擾處理，進一步提高系統(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；定時校正參考點電位，并采用動態(tài)零點，可防止電位漂移；采用信息冗余技術(shù)，設計相應的軟件標志位；采用間接跳轉(zhuǎn)，設置軟件保護等。

2.4 正確選擇接地點，完善接地系統(tǒng)

接地的目的通常有兩個，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一般都低于1 MHz，所以PLC 控制系統(tǒng)接地線采用一點接地和串聯(lián)一點接地方式。集中布置的PLC 控制系統(tǒng)適于并聯(lián)一點接地方式，各裝置的柜體中心接地點以單獨的接地線引向接地極。 如果裝置間距較大，應采用串聯(lián)一點接地方式，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，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 遠處，而且PLC 控制系統(tǒng)接地點必須與強電設備接地點相距10 m 以上。

信號源接地時，屏蔽層應在信號側(cè)接地；不接地時，應在PLC 側(cè)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，一定要避免多點接地。 多個測點信號的屏蔽雙絞線與多芯對絞總屏蔽電纜連接時，各屏蔽層應相互連接好，并經(jīng)絕緣處理，選擇適當?shù)慕拥靥巻吸c接地。

3 結(jié)語

水泥廠PLC 控制系統(tǒng)中的干擾是一個十分復雜的問題，因此在抗干擾設計中應綜合考慮各方面的因素，合理有效地抑制干擾，對有些干擾情況還需作具體分析，采取對癥下藥的方法，才能夠使PLC控制系統(tǒng)正常工作。