选煤厂PLC系统抗干扰分析
2022-06-08
PLC（可编程序控制器）是以微处理器为核心，综合了通信技术、计算机技术和自动控制技术而发展起来的一种数字运算操作电子系统，具有可靠性高，控制功能强，使用灵活，易于扩展等优点，因而在选煤厂控制中的应用越来越广泛。可靠性和稳定性是控制系统的关键性能，直接影响到选煤厂的安全生产和经济运行，而系统的抗干扰能力是关系到整个系统稳定和可靠运行的关键。选煤厂PLC控制系统中使用的各种类型PLC，主机通常是安装在控制室的机柜间内，而各远程分站分别安装在变电所低压配电室或生产现场，它们大多处在强电电路和强电设备所形成的恶劣电磁环境中。要提高PLC控制系统的可靠性，就要求对PLC系统设备本身以及工程设计、安装施工、使用维护等各方面引起高度重视，多方配合才能彻底解决问题，有效地增强系统的抗干扰能力。
一、PLC系统的基本组成
选煤厂PLC控制系统主要由控制主机、远程I/O单元和上位机、现场仪表等外部设备组成。其中PLC主机由CPU控制器、存储器、通讯模块和电源模块等部分组成。[1，2]上位机设置在控制室，与PLC柜之间通过工业以太网连接，远程I/O单元与控制主机以及远程I/O单元之间通过总线相连，使选煤厂各单元形成一个统一的控制网，完成全部信号采集、设备控制、工艺参数调整等功能。[3]
二、PLC系统在设计中采取的抗干扰措施
1.硬件措施
在选煤厂控制系统设计开始时，应充分考虑PLC的使用环境，采取必要的硬件措施以保障系统的稳定高效运行，主要采取的硬件措施有以下几点：
1.1对屏蔽的处理。对供电电源的变压器、CPU、编程器等主要部件应采用导电、导磁性良好的材料进行屏蔽处理，消除外界信号的干扰。[4]
1.2对滤波的处理采用各种滤波方式对供电系统的输入线路进行处理，抑制或消除高频干扰信号，减小各模块间的相互干扰。
1.3电源的处理。电源的不稳定造成电压和电流的波动，将对CPU及I/O模块产生不良影响。对控制主机提供的DC5V电源采用多重滤波处理，并用电压调整器进行调整，以适应电网波动带来的电源波动的影响。电源线应尽可能平行走线，并对地呈低阻抗，以减少电源噪声干扰。其屏蔽层不同的接地方式，对抑制干扰的效果也不一样，次级线圈一般不能接地。为了抑制共摸干扰，输入、输出线应采用屏蔽层可靠接地的双绞线。
1.4元器件的隔离。在主控制器与I/O模块电路之间，采用光电隔离措施，把他们有效地隔离，将PLC本机与地线环路中产生的噪声电信号及外部的干扰信号隔离开来，从而保障PLC的正常工作。
1.5采用热插拔式模块结构PLC模块在生产过程中发生故障时，可在不断电的状态下快速更换故障单元，使系统在最短的时间内恢复正常，把对正常生产的影响降至最低。
2.软件措施
采用软件数字滤波的方式可提高输入信号的信噪比和有用信号的真实性。[5]选煤厂的环境中经常存在大幅度的随机干扰信号，对此可采用程序限幅法，即连续采样n次，若某一次采样的结果与其他几次相比差别很大，那么就舍掉异常的这次数据。对于压力、流量、位移、液位等参数，在一定范围内频繁波动是很正常的，对此可采用算术平均法。即用n次采样的平均值来代替当前值。一般对于流量n取12，对于压力n取4最合适。
2.1故障诊断。系统软件对设备的外部条件进行定期的循环检测，如供电电流、电压、干扰信号等，发现问题可及时解决。
2.2信号保存和恢复。当偶然性故障发生时，PLC内部的数据和信息自动保存，故障一旦解除，就可以恢复正常，继续原来的工作。
2.3设置警戒时钟。如果程序循环扫描执行时间超过了系统警戒时钟设定的时间，说明程序已进入了死循环，系统会立即报警。
2.4检查和校验程序。程序一旦出现错误，系统立即报警，同事停止对程序的执行。
2.5采用后备电池保存动态数据及程序当系统突然停电时，利用后备电池供电，对系统关键数据和程序进行保存。[6]
三、PLC系统在施工安装、使用维护中采取的抗干扰措施
1.电缆的选择与敷设
1.1电缆的选择。开关量信号抗干扰能力相对较强，可以采用普通非屏蔽控制电缆进行传输；
频率较高的脉冲信号，传输过程中抗外界干扰能力弱，应选用屏蔽电缆进行传输；
模拟量信号的本质决定了其连续变化的特性，外界的各种电磁干扰都很容易通过迭加的方式对模拟量信号产生干扰，因而应选用屏蔽电缆进行传输，屏蔽电缆应采用一点接地的方式。如果模拟量信号传输距离较远，应采用电流传输的方式。[7]如热电阻信号离PLC柜较远，为保证信号的准确性，可在现场将其转换为电流信号进行传输。
1.2电缆的敷设。在选煤厂的各车间、厂房和栈桥内设置电缆桥架，室外设置架空桥架或挖电缆沟，桥架外壳要良好接地，动力电缆与控制电缆、信号电缆应严格分开、分层敷设，如由于空间限制必须敷设在同一电缆桥架内时，应在电缆桥架内设置隔板，将动力电缆与控制电缆、信号电缆隔开，将干扰降到最低限度。控制电缆、信号电缆应远离高压电缆，避免并行，更不能与其敷设在同一电缆桥架内。
PLC应避免靠近强电磁干扰源，如大功率变压器、变频器、整流装置和大型动力设备，不允许与高压电器安装在同一个机柜内。与PLC装在同一机柜的电感性负载，应采用并联RC消弧电路的措施，以降低电磁干扰。
一、PLC系统的基本组成
选煤厂PLC控制系统主要由控制主机、远程I/O单元和上位机、现场仪表等外部设备组成。其中PLC主机由CPU控制器、存储器、通讯模块和电源模块等部分组成。[1，2]上位机设置在控制室，与PLC柜之间通过工业以太网连接，远程I/O单元与控制主机以及远程I/O单元之间通过总线相连，使选煤厂各单元形成一个统一的控制网，完成全部信号采集、设备控制、工艺参数调整等功能。[3]
二、PLC系统在设计中采取的抗干扰措施
1.硬件措施
在选煤厂控制系统设计开始时，应充分考虑PLC的使用环境，采取必要的硬件措施以保障系统的稳定高效运行，主要采取的硬件措施有以下几点：
1.1对屏蔽的处理。对供电电源的变压器、CPU、编程器等主要部件应采用导电、导磁性良好的材料进行屏蔽处理，消除外界信号的干扰。[4]
1.2对滤波的处理采用各种滤波方式对供电系统的输入线路进行处理，抑制或消除高频干扰信号，减小各模块间的相互干扰。
1.3电源的处理。电源的不稳定造成电压和电流的波动，将对CPU及I/O模块产生不良影响。对控制主机提供的DC5V电源采用多重滤波处理，并用电压调整器进行调整，以适应电网波动带来的电源波动的影响。电源线应尽可能平行走线，并对地呈低阻抗，以减少电源噪声干扰。其屏蔽层不同的接地方式，对抑制干扰的效果也不一样，次级线圈一般不能接地。为了抑制共摸干扰，输入、输出线应采用屏蔽层可靠接地的双绞线。
1.4元器件的隔离。在主控制器与I/O模块电路之间，采用光电隔离措施，把他们有效地隔离，将PLC本机与地线环路中产生的噪声电信号及外部的干扰信号隔离开来，从而保障PLC的正常工作。
1.5采用热插拔式模块结构PLC模块在生产过程中发生故障时，可在不断电的状态下快速更换故障单元，使系统在最短的时间内恢复正常，把对正常生产的影响降至最低。
2.软件措施
采用软件数字滤波的方式可提高输入信号的信噪比和有用信号的真实性。[5]选煤厂的环境中经常存在大幅度的随机干扰信号，对此可采用程序限幅法，即连续采样n次，若某一次采样的结果与其他几次相比差别很大，那么就舍掉异常的这次数据。对于压力、流量、位移、液位等参数，在一定范围内频繁波动是很正常的，对此可采用算术平均法。即用n次采样的平均值来代替当前值。一般对于流量n取12，对于压力n取4最合适。
2.1故障诊断。系统软件对设备的外部条件进行定期的循环检测，如供电电流、电压、干扰信号等，发现问题可及时解决。
2.2信号保存和恢复。当偶然性故障发生时，PLC内部的数据和信息自动保存，故障一旦解除，就可以恢复正常，继续原来的工作。
2.3设置警戒时钟。如果程序循环扫描执行时间超过了系统警戒时钟设定的时间，说明程序已进入了死循环，系统会立即报警。
2.4检查和校验程序。程序一旦出现错误，系统立即报警，同事停止对程序的执行。
2.5采用后备电池保存动态数据及程序当系统突然停电时，利用后备电池供电，对系统关键数据和程序进行保存。[6]
三、PLC系统在施工安装、使用维护中采取的抗干扰措施
1.电缆的选择与敷设
1.1电缆的选择。开关量信号抗干扰能力相对较强，可以采用普通非屏蔽控制电缆进行传输；
频率较高的脉冲信号，传输过程中抗外界干扰能力弱，应选用屏蔽电缆进行传输；
模拟量信号的本质决定了其连续变化的特性，外界的各种电磁干扰都很容易通过迭加的方式对模拟量信号产生干扰，因而应选用屏蔽电缆进行传输，屏蔽电缆应采用一点接地的方式。如果模拟量信号传输距离较远，应采用电流传输的方式。[7]如热电阻信号离PLC柜较远，为保证信号的准确性，可在现场将其转换为电流信号进行传输。
1.2电缆的敷设。在选煤厂的各车间、厂房和栈桥内设置电缆桥架，室外设置架空桥架或挖电缆沟，桥架外壳要良好接地，动力电缆与控制电缆、信号电缆应严格分开、分层敷设，如由于空间限制必须敷设在同一电缆桥架内时，应在电缆桥架内设置隔板，将动力电缆与控制电缆、信号电缆隔开，将干扰降到最低限度。控制电缆、信号电缆应远离高压电缆，避免并行，更不能与其敷设在同一电缆桥架内。
PLC应避免靠近强电磁干扰源，如大功率变压器、变频器、整流装置和大型动力设备，不允许与高压电器安装在同一个机柜内。与PLC装在同一机柜的电感性负载，应采用并联RC消弧电路的措施，以降低电磁干扰。