PLC抗干扰的工程实践 点击:235 | 回复:3



电仪人生

    
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发表于:2011-08-12 08:46:14
楼主
摘 要:本文通过在一个整流控制系统中PLC的设计,施工和调试工程,分析了PLC控制系统的干扰源和所采取的抗干扰措施;讨论在一般的工业复杂电磁环境中采取的抗干扰措施及其效果,提出了较实用的抗干扰实践方法。
关键词:PLC控制系统;可靠性;抗干扰;硬件措施;软件措施

随着新设备的采用和控制系统的改进,PLC使用越来越广泛,大多数的PLC系统都运行在复杂电磁的工业环境中,为了保证PLC系统的正常运行,采取一些抗干绕的措施是必须的。一般来说PLC(可编程序控制器)本身都已具备较好的抗干扰能力,都应该满足通用的电磁兼容标准,但在实际的工作中,我们常常发现,干扰导致PLC出现误动,这是因为部分的干扰靠PLC本身不能解决,采取措施提高整个系统的抗干扰能力才能可靠的解决干扰问题。
提高整个控制系统的抗干扰的能力需要从设备选型到工程设计,程序设计,安装施工等多方面进行考虑和配合。通过实践总结,我认为主要包括硬件措施和软件措施两个方面。
铜电解工艺中,直流电流的变化会对阴极铜产生一个累计效应,影响电铜质量。原来老的控制是采取人工控制,导致直流电流波动大,可靠性很差。通过调查,决定采用PLC实现电流自动控制,提高控制效率。
在整流系统中,由于有直流大电流整流,高压配电环境,电磁污染较严重,在系统调试中我们检测到较强的干扰信号;输入的模拟信号常常用万用表检测时是正确的,但是进到PLC时,数据常常偏离正常值并出现不规则波动,完全无法用于控制,错误的信号常常导致PLC误动作,导致程序混乱,不能达到控制要求。干扰问题能否解决是项目成功的关键。
要解决电磁干扰问题,首先需要找到干扰源。干扰类型通常按干扰产生的原因、噪声干扰模式和噪声波形性质来划分。按噪声产生的原因不同,分为放电噪声、浪涌噪声、高频振荡噪声等;按噪声的波形、性质不同,可分为持续噪声、偶发噪声等;按噪声干扰模式不同,分为共模干扰和差模干扰。
一 干扰的主要来源及其硬件处理措施 :
1.辐射干扰:空间辐射电磁场通常称为辐射干扰,其成份通常较复杂。工业环境的PLC系统置于其射频场内,一般都会受到辐射干扰,其影响主要通过两条路径:一是直接对控制硬件内部的辐射,由电路感应产生干扰;二是对通信网络的辐射,由通信线路感应引入干扰。辐射干扰与现场设备布置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PLC控制单元屏敝。由于我们把PLC控制单元安装在控制室,距离最远的模拟量采集点和输出的变压器级数调节设备在50多米,并且穿过整流设备,变压器和直流母线,为了防止电磁的辐射干扰,设计和选型时采取如下措施:
PLC选用了西门子S7-315及其系列的模块;在其他方面采取以下措施:
1) 所有的模拟量采用标准电流信号4~20mA;
2) 所有的模拟量采集采用双绞屏敝电缆;
3) 在线路设计时尽量离开电磁干扰源。
4) 开关量的输入输出用继电器隔离;
5) 开关量的驱动电源采用AC220V;
6) PLC控制设备安装在有屏敝的机柜内,屏敝有良好接地(实践我们把PLC放在有屏敝的控制室内,而且机柜也作了屏敝);
7) 严格按照S7-300的安装技术规范进行安装。
2.传导干扰:通过电源和信号线路引入的导致电流或电压的变化,即du/dt,di/dt的变化,此种干扰是最为常见的情况,一般有以下几种情况:
1)电源:由于处于一个大的整流系统中,共有8套整流设备,电力变压器在这样的高压系统下,高次谐波是难以避免的,通过检测,发现7次以上的奇次谐波较多,这与我们整流设备多是6脉波有关;电源引入的干扰会造成PLC控制系统的多种故障;在调试的过程中导致误动作和程序混乱,采用高隔离性能的稳压电源可以解决,既可以稳压也可以滤除高频干扰信号。由于变送器供电源和PLC系统有直接电气连接的仪表的电源容易受到干扰而在线路上产生感性电压和电流,电网内部的变化、开关操作浪涌、大型电力设备起停、交直流传动装置引起的谐波、电网短路暂态冲击等,都通过输电线路传到电源原边会引起仪表和变送器工作不正常,一般不采用UPS供电;有时为了保证PLC的连续工作,如果用UPS,在为PLC选配电源模块时,必须注意。最好用PLC定制的电源模块,如PS307等。



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发表于:2011-08-12 08:46:30
1楼
2)电缆线引入的干扰:与PLC模块连接的各类信号传输线;这种干扰主要有两种:一是通过变送器供电电源或共用信号仪表的供电电源串入的电网干扰,上文已经提到;二是信号线受空间电磁辐射感应的干扰,即信号线上的外部感应干扰,这种情况在辐射干扰的描述中提到,除了上述措施外,对于已经传入信号的干扰,最好取信号隔离的措施: (1)共模干绕:抑制措施主要有:变压器隔离,光电隔离,浮地屏敝;(2)串模干绕:用屏敝双绞线,滤波;
在实践中并不需要去甄别是具体是共模干绕还是串模干绕,选质量较好的信号隔离器,安装上以后,在PLC下记录信号变化情况,在个可预计的时间周期内,信号是所预期的就说明干扰的抑制取得效果。在系统设计时对所有进入系统的模拟量都选用了深圳万讯MSC系列的信号处理器进行隔离。
3)系统接地:接地是提高电子设备电磁兼容性(EMC)的有效手段之一,正确的接地既能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系统无法正常工作。接地是否正确是抗干绕措施成果的关键。一般错误的接地主要是:
(1)接地系统混乱;(2)多点接地;(3)接地电阻过大。PLC控制系统的地线包括系统地、屏蔽地、交流地和保护地等,接地混乱和多点接地对PLC系统的干扰主要是各个接地点电位分布不均,不同接地点间存在地电位差,引起地环路电流,干扰正常信号。较常出现的错误是与其他电气系统混用接地和屏敝层两面接地。为了避免其他电气系统的干绕,独立接地是必须的,而且接地点距离电力系统接地必须满足国家规范的要求,一般接地电阻4Ω以下就可以,我们做到0.1Ω。接地系统的原则是:整个系统一点接地,接地电阻小;虽然也有浮地等方法,但建议不用。
4)电缆布置:电缆的敷设问题,通常容易被忽视,不恰当的电缆敷设通常也会造成干扰。布线时必须注意:信号电缆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,严禁用同一电缆同时传送动力电源和信号,避免信号线与动力电缆靠近平行敷设,最好采用独立的桥架。对于避不开直流母线的地方,电缆采用穿钢管的方式敷设,钢管良好接地。
以上的硬件处理措施已经可以很大程度减少PLC系统的干扰,但在实际的调试过程中,发现偶发性的干扰信号会导致误动作,在试验室调试好的程序还不能正常的运行。所以在控制程序中还必须采取一些抗干绕的软件措施。

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发表于:2011-08-12 08:46:49
2楼
二 干扰处理的软件措施:
软件处理主要包括两个方面:数字滤波和程序抗干扰措施 ;
1. 数字滤波:
在信号的采集过程中,由于存在随机干扰,硬件措施并不能完全解决这个问题,在PLC的编程中常常采用数字滤波的方法进一步改善信号质量。在西门子PLC中软件本身带了模拟量数字滤波的选项,建议选择;然后在程序中作数字滤波的子程序;一般有:程序判断滤波法、中值滤波法、算术平均滤波法、递推平均滤波法,限幅滤波法,惯性滤波法等几种方法。这几种方法在C语言等中都很常用,只是在PLC中用SFC、结构化文本编程方式等来完成。
1)程序判断滤波法:通常情况下的模拟量在一个可预见的时间段中数据变化是有规律的,或是可以预计的,干扰影响的数据常常超出数据本身的可能性,可以通过预设定值判断数据可靠性,消除错误的信号数据,限制数据波动幅度。整流系统中,由于所带电解槽在一个大尺度时间内是不变的,所以直流电流的变化与变压器的级数变化密切相关(相对线性,但有影响因素,还与工艺有关,我们通过长时间的数据统计,得到一个数学模型),把通过统计的分析数据用于程序判断中,极大的控制了大幅度的随机干扰;
2)中值滤波法;算术平均滤波法;递推平均滤波法:3种方法都是采用在一个时间段内的数据进行数学处理的方法消除或减弱干扰影响,已有现成的公式和子程序。这种方法程序简单可靠。递推平均滤波法的效果更好些。在实践中把递推平均滤波法和程序判断滤波法一起使用,效果更好。
2. 程序抗干扰措施:
程序抗干扰的目的是为了保证出现干扰信号不会导致程序误动。
主要有以下几点:
1)建立系统的控制算法和控制模型:包含了数据处理,计算,信号关联,信号联锁,输入输出等等方面的问题,模型想的越周到,调试越容易发现和解决问题。
2)对于开关量输入,可采用软件延时处理,对同一信号作两次或两次以上读入并作比对,结果相同才确认输入有效。延时时间一般在毫秒级。
3) 在特定的周期性干扰或由于PLC输出控制的设备导致的干扰,是可以预知的,在产生这种干扰的时间内,在程序中对特定输入信号进行屏敝,在干扰时间过去后,数据再作更新。在控制输出采用输出锁定。保证输出不受影响。
4) 反馈检测 :为了保证输出信号得到执行,对与输出相关的输入信号进行反馈检测。输出所驱动的电气机械设备在正常的情况下,各自工步的动作时间是相对不变的,即使变化也很小,用这个时间为反馈监控时间。整流变压器的级数调整通过一个控制机构来执行,运行周期是30秒,在程序内当输出执行调电压级时,在延时30秒以后,开始监控电压值,电流值,变压器级数的数据变化,这些值的变化是有一定范围和相互关联的,一旦异常就起动报警和故障显示程序,及时采取排除故障的措施。这种方法也可以用在对执行设备进行故障判断。
5) 逻辑检测: 在系统正常运行时,PLC的输入、输出信号和内部的信号相互之间通常存在着确定的关系,干扰导致的错误信号会使逻辑异常。通过这种逻辑错误可以判断有干扰的错误信号,用异常逻辑来排除错误信号,上一点也使用了这种方法。
6)软件冗余:通常硬件作冗余,其实软件也可作冗余,只是触发方式不一样。只是这种方式需要加大费用,我们没有采用。

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3楼
三 结语
由于在项目设计阶段对抗干扰问题重视不够,整流控制系统在调试阶段暴露出了问题,干扰常常导致错误输出,控制需要的关键数据经常出错。其他系统在切换时,常常导致数据错误。经过仔细的分析,借鉴了许多成功的经验,特别是软件部分的抗干扰措施取得很好的效果。通过采用了硬件和软件接合的措施,基本解决了在整流系统影响下的干扰问题,从设备调试结束到现在,一直运行良好,极大的减少了人工操作下的电流波动大,可靠性低的问题,将直流电流波动滤下降到2%,减少了人力和劳动量。本项目获得到了云南省QC管理优秀奖。
PLC的抗干扰问题是个比较复杂的问题,在不同的使用环境下,有不同的处理办法,特别是程序设计各有差异。以往的大部分对于PLC的干扰问题,仅强调硬件的处理办法,软件抗干扰没有重视,软件抗干扰是非常有用的办法。本文仅对在整流系统改造过程中遇到的问题和解决作了一个总结。由于工业环境的复杂,PLC的抗干扰问题将不可避免,本文总结提供一个成功的解决思路。



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