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基于PLC控制系统的抗干扰问题分析研究

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  摘要:本文主要论述了如何高效快捷地监控港口装卸设备的运行状态,提高装卸效率、缩短船舶在港停泊时间以及提高码头的吞吐量。其中PLC控制系统的抗干扰能力是关系到整个系统可靠运行的关键。因此,要提高PLC控制系统可靠性,一方面要求PLC生产厂家提高设备的抗干扰能力,另一方面要求应用部门在工程设计、安装施工和使用维护中引起高度重视,多方配合才能有效地提高控制系统的抗干扰性能。本文提出了一些个人的建议,可供同行参考借鉴。
   关键词:控制系统; 自动化; 抗干扰能力; 港口装卸设备; 电磁环境; 抑制电磁干扰; 港口设备; 抑制措施; 可编程控制器; 干扰源;
  
   前言
   港口设备现场工况复杂,干扰源是时刻存在的,并且经常随着设备的增减、变动以及设备负荷的变化而变化。港口设备的PLC抗干扰问题一直是现场维护工程师比较棘手的问题之一;但是只要认真分析干扰源产生的原因与途径,有针对性地采取措施,阻隔、抑制或者降低干扰源的产生,PLC抗干扰问题也是可以很好的解决。
  
   一、PLC控制系统干扰因素分析研究
  影响港口设备PLC控制系统的干扰源与一般影响工业控制设备的干扰源相同,干扰类型通常按干扰产生的原因分类。港口设备中所使用的各种类型PLC大多数是集中安装在控制室,但也有相当数量的PLC设置在从站,带有现场总线协议的检测元件、测量设备等安装在生产现场和各个设备或电动机上,它们大多处在强电设备所形成的电磁环境中,从而使得现场经常出现突发的故障,造成港口设备停机。这些故障的出现有时可以找到故障点,但有时却瞬间出现一次立即恢复正常,虽然故障时间非常短,但给生产造成的后果和损失有时却是巨大的。通过分析在生产现场跟踪记录观察故障时刻的趋势图,某些参数值出现了瞬间的尖峰脉冲,持续记录后又恢复正常,类似于这样的故障在不同区域不同检测元件上偶尔出现过,并且毫无规律可言,基本判断为干扰所致。
  (1)电磁干扰类型及其影响。在港口设备中,当电动机采用变频器控制,特别是变频器的输出部分采用IGBT等开关器件时,在输出能量的同时也在输出线上产生较强的辐射干扰,影响周围电器的正常工作。电磁辐射不仅对PLC内部电路产生干扰,也会对PLC网络通信产生干扰。
  (2)供电电源的干扰。在PLC控制系统中,电源占有极重要的地位。电网干扰窜人PLC控制系统主要通过PLC系统的供电电源(如CPU电源,I/O电源等)、变送器供电电源和与PLC系统具有直接电气连接的仪表供电电源等藕合进入的。一些大电流冲击性负荷对电网的影响较大,再加上电网内部开关操作产生的浪涌电压,大型电力设备起停、交直流传动装置引起的谐波和电网短路暂态冲击等,都通过输电线路传到电源原边,使得电网上谐波含量较大,对PLC系统造成较大干扰。
  (3)信号线引入时的干扰。与PLC控制系统连接的各类信号传输线,除了传输有效信息之外,总有外部干扰信号侵人,引起I/O信号工作异常和测量精度大大降低,严重时将引起元器件损伤。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、误动或死机。PLC控制系统因信号线引入干扰造成I/O模件损坏数相当多,由此引起系统故障的情况也很多。
  (4)由接地系统造成的干扰。接地是提高电子设备电磁兼容性((EMC)的有效手段之一。正确的接地方法既可以抑制电磁干扰的影响,又能抑制设备向外发出干扰;而错误的接地,反而会引入严重的干扰信号,使PLC系统无法工作。PLC控制系统的地线包括系统地、屏蔽地、交流地和保护地等。接地系统混乱对PLC系统的干扰主要是各个接地点电位分布不均,不同接地点之间存在地电位差引起的环路电流,影响系统正常工作。
   二、抗干扰设计分析研究
  为了保证港口设备控制系统在工业电磁环境中免受或减少内外电磁干扰,必须从设计阶段开始便采取抑制措施,例如:抑制干扰源;切断或衰减电磁干扰的传播途径;提高装置和系统的抗于扰能力。这三点就是在设计PLC控制系统时抑制电磁干扰的基本原则。
  (1)选用性能优良的设备。抑制电网引人的干扰针对来自电源的干扰,一是采用隔离性能高的PLC电源,二是采用在线式不间断供电电源(UPS)供电,提高供电的安全可靠性,UPS还具有较强的干扰隔离性能,是控制系统较理想的一种电源。
  (2)电缆选择的敷设。为了减少动力电缆,尤其是变频装置馈电电缆的辐射电磁千扰,不同类型的信号分别由不同电缆传输,信号电缆应按传输信号种类分层敷设,将微弱信号电路与易产生噪声污染的电路分开布线,相互间要保持一定的距离。配线时应区别交流线、直流稳压电源线、数字信号线、模拟信号线和感性负载驱动线等。配线间隔越大,配线越短,则噪声影响越小。
  (3)硬件滤波及软件抗干扰措施。信号在接人计算机前,在信号线与地间并接电容,以减少干扰;在信号两极间加装滤波器可减少差模干扰。由于电磁干扰的复杂性,要根本消除硬件干扰影响是不可能的,因此在PLC控制系统的软件设计和组态时,还应在软件方面进行抗干扰处理,进一步提高系统的可靠性。常用的数字滤波和工频整形采样的措施,可有效消除周期性干扰;定时校正参考点电位,并采用动态零点,可有效防止电位漂移;采用信息冗余技术,设计相应的软件标志位;采用间接跳转,设置软件陷阱等提高软件结构可靠性。
  (4)改造接地系统。对于港口设备来说,完善的接地系统是PLC控制系统抗电磁干扰的重要措施之一。因此,必须正确选择接地点,具有完善接地系统,良好的接地是保证PLC可靠工作的重要条件。设计时将原设计的PLC系统和变频器等电器系统共用一个接地体分开,为PLC系统重新单独设置接地系统。接地体应与大地良好接触,接地电阻小于2,并用铜导线与PLC系统连接,把PLC控制柜内所有元件用胶木板绝缘隔离。接地系统在工程建设中属于隐蔽工程,因此在设备运行过程中,要确保接地系统的可靠连接,如造成接地线断开,对PLC系统的干扰问题将是致命的。
  另外,港口生产现场电磁环境复杂,有时只采用硬件措施不能完全消除干扰的影响,必须用软件措施加以配合。可采用某些软件措施,例如:设计延时确认,即对于开关量输入,可采用软件延时20 ms,对同一信号作两次或两次以上读入,结果一致才确认输入有效;加入封锁干扰,因为某些干扰是可以预知的,一些执行机构(如大功率电动机、电磁铁)动作时伴随产生的火花及电弧等干扰信号,它们产生的干扰信号可能使可编程序控制器接收错误的信息。此时可用软件封锁可编程序控制器的某些输入信号,在干扰易发期过去后,再取消封锁;还有,对于模拟信号可以采取软件滤波措施,目前的大型PLC编程大多支持SFC、结构化文本编程方式,由此可以很方便的编制比较复杂的程序,完成相应的功能。
   三、结语
   抗干扰是一个系统问题,要从工程的最初设计上引起足够重视,要具备完善的接地系统,采用高性能抗干扰产品,在施工中要确保接地系统的施工质量,并在日后的运行维护中根据实际情况不断进一步的采取措施进行完善。通过采取以上措施,整个系统的稳定性、抗干扰能力明显提高。设备运行平稳,没出现过干扰事故停机现象,完全满足了港口设备的自动化生产要求。
  
   参考文献
   [1]汤以范,叶真,陈小异,等电气与可编程序控制器技术[M]北京:机械工业出版社,2004.
   [2]张燕宾.变频器调速应用实践[M].北京:机械工业出版社,2002.


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