刍议高炉自动化中PLC抗干扰技术的应用_抗干扰
摘要：本文分析了PLC自动化系统内外部干扰产生的原因，涉及到具体的输入输出设备和工业现场的环境。在系统设计、安装和调试阶段，必须对环境作全面分析，确定干扰性质，从而采取相应抗干扰措施，才能保证系统长期稳定的工作。
关键词：PLC控制；自动化；抗干扰技术；滤波
中图分类号：TG155.92 文献标识码：A
引言
高炉自动化系统中所使用的各种类型PLC，有的集中安装在控制室，有的分散安装在生产现场的各单机设备中。由于它直接和现场的I/O设备相连，外来干扰很容易通过供电电路和I/O信号线缆侵入，从而引起控制系统的误动作。PLC受到的干扰可分为外部干扰和内部干扰。在现场的生产环境下，外部干扰是随机的，与系统结构无关，且干扰源是无法消除的，只能针对具体情况加以限制；内部干扰与系统结构有关，主要由系统内交流主电路、模拟量输入信号等引起。合理设计系统线路，能够削弱和抑制内部干扰并防止外部干扰。
1 高炉自动控制系统简介
以某高炉建设项目为例，该项目的自动化控制系统采用先进的网络结构和Quantum140系列冗余PLC系统，实现对整个2500m3高炉生产设备的联锁控制、实时数据采集与分析、设备状态监控与报警、过程趋势数据采集与处理、报表打印和画面显示，完成生产设备的基础自动化及过程计算机控制。各个PLC站、上位监控机和工程师站之间采用环路光纤配置的TCP/IP工业以太网连接，构成了高炉生产的综合监控网络。根据炼铁工艺对自动化系统的要求，实现对配料、喷煤、上料、炉顶、热风炉、TRT及锅炉、鼓风机等系统的控制以及对高炉本体、热风炉等生产工艺的数据采集处理及回路控制。本系统由9套冗余PLC控制器、6个工程师站、2台服务器和20个操作员站组成。基础控制层采用Quantuml40系列PLC，PLC主站与分站之间采用远程I/0方式扩展。各PLC站通过网络通信模板、交换机、TCP/IP工业以太网与工程师站、服务器或操作员站进行通信，其传输速率为100Mbit/s，传送介质为超5类屏蔽双绞线或光纤等。
2 PLC抗干扰技术的应用
2.1 电源部分抗干扰措施
高炉区域内各动力变压器的电源波动造成了电压畸变或毛刺、频率的波动等，这些都将对PLC及I/O模块产生不良影响。在实际项目中，主要采取以下措施消除来自电源部分的干扰。
2.1.1 系统增加滤波、隔离、屏蔽、开关稳压电源系统。设置滤波器的作用是为了抑制干扰信号从电源线传导到系统中。使用隔离时，必须注意屏蔽层要良好接地，次级连接线要使用双绕线(减少电线间的干扰)。隔离的初级绕组和次级绕组应分别加屏蔽层。初级的屏蔽层接交流电网的PE线，而次级的屏蔽层接直流0V端。为了抑制电网大容量设备的启停(如水泵等)引起电网电压的波动，采用了开关型稳压电源，以保持供电电压的稳定。
2.1.2 控制器与I/O系统分别由各自的隔离变压器供电，并与主电源分开，这样当输入输出供电断电时，不会影响到控制器的供电。
2.1.3 所有PLC控制器均采用在线式不间断供电电源(UPS)供电，从而提高供电的安全可靠性。
2.1.4 系统PLC主控器电源部分均采用冗余电源，保证系统的正常运行。
2.2 接地抗干扰措施
高炉各区域PLC均采用直接接地方式。由于信号电缆分布电容和输入装置滤波等的影响，装置之间的信号交换频率都低于1MHz，所以PLC控制系统接地线采用一点接地。集中布置的PLC系统适于并联一点接地方式，各装置的柜体中心接地点由单独的接地线引向接地极。如果装置间距较大，应采用串联一点接地方式，即使用一根大截面铜母线(或绝缘电缆)连接各装置的柜体中心接地点，然后将接地母线直接连接接地极。接地线采用截面大于22mm2的铜导线，总母线使用截面大于60mm2的铜排。接地极的接地电阻小于1Ω，接地极均埋在距建筑物5～10m远处，而且PLC系统接地点与强电设备接地点均相距106m以上。信号源接地时，屏蔽层应在信号侧接地；信号线中间有接头时，屏蔽层应牢固连接并进行绝缘处理，避免多点接地；多个测点信号的屏蔽双绞线与多芯对绞总屏电缆连接时，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。
2.3 输入输出信号的抗干扰措施
选用I/O模块时，应考虑隔离的输入输出信号和内部回路比非隔离的抗干扰性能好，无触点输出比有触点输出产生的干扰小，输入模块允许的输入信号ON-OFF电压差大、抗干扰性能好、OFF电压高对抗感应电压有利等方面。因此，从抗干扰的角度考虑，在干扰大的场合和安装在控制对象侧的I/O模块，宜使用绝缘型的I/O模块。本系统主要采用了以下几个抗干扰措施。①DI信号的抗干扰。系统主要采用在各DI模板的输入通道部分加装隔离继电器，避免外部的干扰源进入各通道，严重时，干扰源可造成模板通道烧毁事故；在个别重要测点上采用通道冗余技术，以保证信号采集的可靠性。②DO信号的抗干扰。所有DO模块的输出通道均加装中间继电器，避免直接驱动负载，造成感性负载产生浪涌电压而干扰输出信号。③AI信号的抗干扰。所有AI模块的输入通道均加装信号隔离器。PLC控制器将接收的信号通过半导体器件调制变换，然后采用光感或磁感器件进行隔离转换和解调，变换到隔离前原信号或不同信号；同时对隔离后信号的供电电源进行隔离处理，保证变换后的信号、电源、地之间绝对独立，从而消除干扰信号。
2.4 外部配线抗干扰措施
2.4.1 外部配线
为保证信号传输的可靠性和系统的易维护性，配线时须严格遵守以下要求。①使用多芯信号电缆时，要避免I/O线和其它控制线共用同一电缆；②如果各接线架是平行的，则各接线架之间至少相隔300mm；③当控制系统要求达到400V/10A或220V/20A的电源容量时。I/O线与电源线的间距不能小于300mm。若在设备连接点外，I/O线与电源线不可避免地敷设在同一电缆沟内时，则必须用接地的金属板将它们相互屏蔽；④交流输入输出信号与直流输入输出信号须分别使用各自的电缆；⑤当使用30m以上的长距离配线时，输入信号与输出信号分别使用各自的电缆；⑥模拟量I/O信号线较长时，应采用不易受干扰的4～20mA电流信号传输方式；⑦模拟量信号线和数字传输线分开布线，并分别采用屏蔽线，屏蔽层接地；⑧远距离配线有干扰或敷设电缆有困难时，采用远程I/O的控制系统。
2.4.2 双绞线的使用
高炉自动化系统采用了大量的双绞线作信号电缆。双绞线又称双股绞合线，用于双线传输通道中，其中一根传送信号或供电，另一根则作为返回通道。系统采用双绞线的目的是使其相邻两扭节的感应电动势大小相等、但方向相反，最终使得总的感应电动势为零。双绞线单位长度内的绞合次数越多，抗干扰效果越好。
使用双绞线时应尽量采用如图1(a)所示的一端接地，即信号端接地；而采用如图1(b)两端接地时，有地环路存在，会削弱双绞线的抗干扰效果，应避免使用。
图1 接地方式
2.5 软件抗干扰措施
软件抗干扰技术设计简单、修改灵活、耗费资源少，它是硬件抗干扰措施的辅助手段。高炉自动化系统中主要采用了数字滤波和软件容错等抗干扰技术。
2.5.1 数字滤波
对于较低信噪比的模拟信号，常因现场瞬时干扰而产生较大波动。若直接使用这些瞬时采样值进行计算控制，则会给系统的可靠运行带来隐患。为此，在软件设计方面常常采用数字滤波技术。现场的模拟量信号经A/D转换后变为离散的数字量信号，然后将这些数据存人PLC中。利用数字滤波程序对其进行处理，滤去噪声信号获得所需的有用信号，进行系统控制。其原理如图2所示。
图2 数字滤波原理图
工程上的数字滤波方法很多，高炉自动化系统中主要采用了以下3种数字滤波。①平均值滤波法。该方法适用于一般随机干扰信号的滤波，采样次数越多，滤波效果越明显。采样次数应根据采样时间及系统控制的需要而定。若要采样N次，则用这N次采样值的平均值代替当前值。每一次的采样值与前N－1次的采样值进行算术平均运算，其结果作为本次采样的滤波值。每采样一次，采样值向前平移一次，为下次滤波作准备。②中间值滤波法。该方法需对某一采样周期的k次采样值进行排序或比较，找出最大值和最小值，然后求算术平均值并将其作为滤波值。中间值滤波法对消除脉冲干扰和小的随机干扰很有效。③惯性滤波法。按当前采样值与历史值的可信程度来分配其在滤波值中所占的比例。若当前采样值的可信度大，则在滤波值中占的比例高，否则占的比例小。此方法适用于信号变化较缓慢且有较大干扰的场合。其数学表达式为：
(1)
式中：y(kT)为第k个采样周期的采样值；
为第K个采样周期的滤波结果；a为惯性系数，a等于采样周期除以滤波时间常数。
2.5.2 软件容错
软件容错主要有以下3个方面：
①程序复执技术，即在程序执行过程中，一旦发现现场故障或错误，就重新执行被干扰的先行指令若干次。若复执成功，说明为干扰，否则输出软件失败或报警。②通过程序判断，可以得出死循环是由主要故障造成的还是由次要故障造成的，然后分别作出停机和相应子程序处理。③软件延时，对重要的开关量输入信号或易形成抖动的检测或控制回路，可采用软件延时50ms。对同一信号多次读取，结果一致时，才确认有效，这样可消除偶发干扰的影响。
3 结束语
综合分析PLC自动化系统内外部干扰产生的原因，最后提出了在系统设计、安装和调试阶段采用稳压电源、可靠接地、输入输出信号隔离、外部配线和软件处理等具体有效的抗干扰措施，由此保证了PLC自动化系统长期稳定的运行。
参考文献
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