铁合金行业袋除尘PLC系统抗干扰措施研究及应用

（江苏科行集团电气自动化研究所2009-7-2）
摘要：随着现代科学技术的爆炸性的发展，极大地推动了各学科之间的交叉与渗透。加速了各个领域内的技术***与改造。在铁合金工程领域，由于微电子技术和计算机技术的迅速发展，为铁合金工业带来了前所未有的发展空间，使铁合金工业的技术特征、产品功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化。使工业生产由单纯的“机械化”迈入了“机电结合”智能化为特征的发展阶段。本文针对袋除尘PLC电气控制系统在铁合金工业应用环境运行时系统受到的干扰问题进行了一定的分析，并提出了一些具体的解决办法。
关键词：电磁干扰,PLC控制系统,抗干扰
根据对铁合金行业袋除尘PLC控制系统设计、安装和调试分析，经过对西门子产品、欧姆龙产品、罗克韦尔产品等多家PLC系统的施工、调试经验总结，在此探讨和分析了铁合金企业中各种干扰源对PLC控制系统带来的影响和破坏，在对干扰源分析的基础上，提出了一些抗干扰的有效措施和方法，以保证控制系统的正常稳定运行。
一、电网系统的干扰及采取措施
PLC系统对电源质量的要求是非常严格的，当电网内部变化、开关操作浪涌和大型电力设备（如矿热炉）启停时，都会通过电网对PLC系统造成干扰。
措施：针对电网系统的干扰，PLC系统的供电采用了如图l所示的结构。

图1





低通滤波器可以让50Hz的基波通过，滤掉高频干扰信号；在线式不间断供电电源(UPS)在交流供电中断情况下，可以瞬时输出交流电代替外界交流供电，是一种无触点的不间断供电，而且UPS还具有较强的干扰隔离性能。同时为确保供电安全，采取了两路供电线路。
二、电磁干扰及采取的措施
1、 雷电电磁波的干扰及采取的措施
雷电电磁波是由强大的雷闪电流产生的脉冲电磁场，它对PLC系统的干扰有以下2种形式：
①当控制室建筑物的防直击雷装置接闪时，在引下线内会通过强大的瞬间雷电流，如果在引下线周围的一定距离内设有连接PLC系统的电缆，则会对电缆产生电磁辐射，将雷电电磁波引入PLC系统，干扰或损坏PLC系统。②当控制室周围发生雷击放电时，会在各种金属管道、电缆线路上产生感应电压，从而传到PLC系统上，并对其产生干扰或损坏。
措施：系统应有良好的防雷击措施，同时要将PLC系统和防雷系统的接地系统进行等电位连接，即使受到雷电电磁波的干扰，由于它们之间不存在电位差，从而大大减少了PLC系统受雷电电磁波的影响。
2、 空间辐射电磁场的干扰及采取的措施
空间辐射电磁场主要是由电力网络、无线电广播电视和变频器等产生的，通常称为辐射干扰。若PLC系统置于其射频场内，就会受到辐射干扰。
措施：辐射干扰与现场设备的布置以及设备所产生的电磁场大小特别是频率有关，一般通过设置屏蔽电缆和局部屏蔽进行消除空间辐射电磁场对PLC系统的干扰。屏蔽电缆选用双绞线是抑制电磁场干扰的有效办法，原因是由于双绞线的每个小绞纽环中会通过交变的磁通，而这些变化磁通会在周围的导体中产生电动势，相邻绞纽环在同一导体上产生的电动势方向相反，相互抵消，对电磁场干扰起到较好的抑制作用。我公司现场设备到控制器的通讯电缆采用的是标准的Prifbus-DP双绞线，信号传输很稳定。
三、 信号线路引入的干扰及采取的措施
与PLC系统连接的各类信号线，除了传输有效的各类信息之外，总会有外部干扰信号侵入，引起I/0模件信号工作异常和测量精度大大降低，严重时会引起元件的损坏。对于隔离性能差的系统，还将导致信号间互相干扰，引起共地系统总线回流，造成逻辑数据变化、误动作和系统主机死机。信号线路引入的干扰在工业现场较为严重，实践证明，因信号线路引入的干扰造成PLC控制系统故障的情况很多，甚至造成I/0模件的损坏，笔者曾在某硅锰合金生产线工程调试中遇到过，经过良好的屏蔽和接地等多种措施后问题才得到解决。
措施：选用屏蔽电缆，敷设时应尽量不与动力电缆靠近或平行，并应远离大功率变压器等感性负载和变频器等干扰源。电源电压220V以下、电流 10A以下的电源电缆与信号电缆之间的距离应大于 150mm；电源电压220V以上的间隔距离应大于 600mm。现场不能远离的可放在同一桥架内，但在中间加隔离钢板，如图2所示。不同电缆同槽敷设示意：







图2

四、 电容、电感耦合引入的干扰及采取的措施
在设备现场往往有很多信号同时接入PLC系统，而且这些信号线通过走电缆桥架或者电缆管道与系统现场站连接，很多根信号线就不可避免地在一起。由于这些信号之间均有分布电容存在，则会通过其将干扰加到别的信号线上。同时在交变信号线的周围会产生交变的磁通，使并行的导体之间产生电动势，这也会造成线路上的干扰。
措施：可用金属电缆管道或金属电缆桥架敷设信号线，而且金属电缆管道或金属电缆桥架要有很好的接地，来消除电容电感耦合引入的干扰。
五、 接地系统混乱引起的干扰
1、 对接地系统的要求
1)由于接地系统直接关系到PLC系统的安全性及抗干扰能力的强弱和通讯系统的畅通，因此接地能否满足要求，对系统十分重要。对于PLC系统，接地一般有四种，分别为：信号接地电阻R<5Ω，PLC控制器接地电阻R<1Ω，机柜接地电阻R<5Ω，通讯网络屏蔽接地电阻R<1Ω。它们之间相互独立，每两接地间距要大于 5m。
2)在PLC系统中，PLC机柜用铜导线(≥ 35mm2，2AWG)接到装置接地排。机柜内部都安置了模拟地汇流排或其它设施，在接线时将屏蔽线分别接到模拟地汇流排上，然后将各机柜的汇流点再用绝缘的铜辫或铜条以辐射状连到接地点。
如果信号线中间有接头时，屏蔽层应牢固连接并进行绝缘处理，一定要避免多点接地；如果多个测点信号的屏蔽双绞线与多芯对绞总屏蔽电缆连接时，各屏蔽层应相互连接好，并经绝缘处理，选择适当的接地处单点接地。
2、 屏蔽层接地
模拟信号屏蔽层的接地，是所有接地中要求最高的一种。由于模拟信号有精度要求，有时信号比较小而且与生产现场连接，因此模拟地要确保良好。如果电缆屏蔽层两端都接地，就会存在地电位差而形成地环路，地环路产生的电流会流过屏蔽层干扰信号。
1)过程电缆屏蔽层接地：直接连接到机柜接地。
2)通讯电缆屏蔽层接地：主要是指PROFIBUS-DP电缆屏蔽层接地。每条PROFIBUS-DP电缆屏层都需单点接地，可在其一端将其屏蔽层固定连接到控制器的安装框架上。
3、 附属设备接地
负载、传感器或调制解调器等所使用的附带电源，如安装在机柜内，那么设备的(PE)端子应连接到保护地接地棒。
4、 控制柜接地
使用钢丝网接地宽带(如DSU485)和最近的机柜金属表面连接，要求接地宽带最长 300mm、截面最小 16mm2，宽带传导性良好、机柜金属表面接触良好。
六、 环境条件异常造成的干扰及采取的措施
1)控制室内环境温度。PLC系统控制室内环境温度一般认为以19～ 23℃为宜。当环境温度大于 29℃时，由于设备电子元件的温度升高而使本身散热效果不好，容易使设备电子元件温升过高而损坏；温度过低时会引起空气结露，容易使设备电子元件受潮，这就要求控制室内的空调制冷情况良好。
2)控制室环境卫生。当过多粉尘侵入设备内部时会造成元件散热差，绝缘下降。特别是网络设备的接口处在灰尘较大时，更易发生接触不良的情况。在我公司l号、2号矿热炉PLC系统实际维护工作中，就发现其中有2个SM331模件由于内部积灰过多造成工作不正常，清扫积灰后一切运行良好的情况。在确保控制室环境卫生良好的同时，控制柜散热风扇也要良好，还要利用设备定检机会对设备进行吹灰除尘。控制室应尽量采用封闭式，进入时应有一个二道门的中间缓冲间，窗户采用双层密封。
七、 静电干扰及采取措施
静电产生的大小，不仅与物质种类有关，而且也与空气中的湿度有关，静电一经产生便会自动积累，放电时的静电电压高达几百到数千伏，对PLC系统危害相当大，因此我们采取了一定措施：
1)PLC系统中央控制室均采用了防静电地板；
2)中央控制室门口放置了一块裸露的金属地板，而且金属地板有良好的接地；
3)机房保持一定的湿度，防止空气过于干燥而产生静电，一般空气湿度应保持在45％～55％；
4)维修人员在维护、检修PLC设备时手不要触及电子元件。
结束语：PLC电气控制系统的防干扰是一个非常复杂的过程，设计时要根据具体的工况来全面的考虑，抗干扰措施是由工控系统开发者操作的项目，应用恰当与否取决于开发者的实践经验和对现场的深刻认识。做好抗干扰措施是电气控制系统的基础建设，首先做好它是成功的保证。
参考文献：
[1]周志敏，徐霞，纪爱华.PLC控制系统电磁兼容技术—工程设计与应用2008（6）
[2]廖常初.PLC应用技术问答2006（4）
[3]电气工程师手册第二版2003（4）
[4]SIEMENS.SIMATIC S7 Configuring Hardware And Communication Connections STEP7 V5.0 Manual[Z].
[5]SIEMENS.S7手册[M].北京：西门子（中国）有限责任公司自动化与驱动集团自动化系统部,1996.