杜 靜

摘要:重鋼完成軋機控制系統(tǒng)采用的是12相整流控制系統(tǒng)。由于該系統(tǒng)抗干擾設施安裝不規(guī)范,措施不完善,造成該系統(tǒng)近年來故障頻繁。文章對系統(tǒng)干擾源及其干擾方式的進行了現(xiàn)狀分析,規(guī)范和完善了系統(tǒng)的抗干擾設施,系統(tǒng)最終運行正常、可靠。

關鍵詞:重鋼完成軋機控制系統(tǒng);干擾源;抗干擾;12相整流控制系統(tǒng)

中圖分類號:TG333文獻標識碼:A文章編號:1009-2374(2009)20-0015-03

重鋼完成軋機控制系統(tǒng)是2006年利舊搬遷的一套使用了10年的12相整流控制系統(tǒng)。由于對該系統(tǒng)抗干擾方面沒有足夠的重視,抗干擾措施不規(guī)范,造成該系統(tǒng)自搬遷運行以來,故障不斷。經(jīng)過分析,并完善抗干擾措施后,系統(tǒng)運行正常。

一、系統(tǒng)工況

完成軋機是型材軋制的最后工序。電機為1200kW直流電機,系統(tǒng)單線圖如圖1所示(見下頁)。

控制系統(tǒng)為12相整流控制系統(tǒng),核心控制元件為一主一從兩臺西門子6RA24裝置,一臺勵磁西門子6RA24裝置;Y/△、△/△整流柜各2個,且每個整流柜內裝有6個反并聯(lián)的功率單元;外部聯(lián)鎖(風、油等)和故障報警等均通過西門子S7-300型PLC來實現(xiàn)。整個系統(tǒng)最易受干擾的是系統(tǒng)脈沖盒的電源、脈沖信號和6RA24、S7-300裝置的控制信號。

二、現(xiàn)狀

1.由于種種原因,該套系統(tǒng)利舊搬遷時,對系統(tǒng)抗干擾方面沒有按照標準安裝,只是碼盤速度反饋信號線選用了屏蔽線,脈沖線采用了雙絞線,其他控制線均是普通控制電纜,抗干擾強度極低。加上軋鋼企業(yè)工控惡劣,強電弱電兼有,部分信號線距離遠,造成各種干擾源相互交叉干擾的狀況,系統(tǒng)故障亂報,運行不穩(wěn)定,嚴重影響了型材的軋制節(jié)奏與成材率。

2.整個系統(tǒng)地線零線混亂,所有的地線都只是接到了柜體,柜體僅與大地相通,沒有按規(guī)范接地。

3.施工安放電纜時,沒有將強電弱電分開,信號線與電源線分層,而是將所有的電纜混裝在電纜溝里。

4.距離較遠的控制電纜只是部分穿管,信號衰減與干擾嚴重。

三、系統(tǒng)抗干擾分析

完成軋機控制系統(tǒng)干擾主要為觸發(fā)脈沖和裝置信號兩個方面干擾,裝置信號干擾又包括6RA24和PLC控制信號的干擾。

(一)觸發(fā)脈沖干擾

完成軋機控制系統(tǒng)是晶閘管脈沖觸發(fā)系統(tǒng),該系統(tǒng)應用的可靠與否,很大程度取決于系統(tǒng)對現(xiàn)場各種干擾的抗干擾能力。大多數(shù)干擾表現(xiàn)為瞬時尖峰信號,即所謂的“毛刺”。當其幅值與持續(xù)時間達到一定程度時,就會導致晶閘管的誤導通,造成晶閘管、快熔損壞等后果,系統(tǒng)不能可靠運行。另外完成軋機控制系統(tǒng)的整流柜為大功率的整流裝置,多只晶閘管反并聯(lián)運行,脈沖用的是強觸發(fā)脈沖來保證反并聯(lián)晶閘管運行的一致性、可靠性。脈沖瞬時功率大,脈沖間相互干擾也就嚴重。

晶閘管脈沖觸發(fā)干擾的類型主要有以下兩種:

1.外部干擾:(1)外部環(huán)境:大電流電弧產生的劇變強電磁場、強大的交流變頻電磁場、大功率整流控制產生的移相控制產生的諧波、高壓開關與線路開關分合閘過程產生的過壓;(2)柜內其它電氣設備的強電信號。外部干擾主要通過通道傳輸和電磁耦合等方式干擾系統(tǒng)。

2.脈沖系統(tǒng)內部相互干擾:主要由公用的電源和地引起的。表現(xiàn)為一路脈沖的尖峰干擾信號在對應于其它幾路脈沖時出現(xiàn),因各路脈沖共用一路電源,在一路脈沖觸發(fā)時,瞬時功率很大,可能將電源波形拉下某個缺口,同時在地線上產生較強的脈沖電流,該電流流經(jīng)地線上兩點之間產生壓降干擾毛刺,若地線沒處理好,該毛刺就會通過地線傳到其他路脈沖信號上,產生干擾。也有可能是印刷板上或線槽內兩條平行的信號線線間分布電容的電容耦合。

(二)裝置信號干擾(主要以PLC為例)

影響PLC的干擾源與其他控制系統(tǒng)干擾源一樣,都來自電流或電壓劇烈變化的部位,這些電荷劇烈移動的部位就是噪聲源,即干擾源。

1.干擾分類:(1)干擾源按噪聲產生的原因分為:放電、浪涌、高頻振蕩干擾等;(2)按波形、性質分為:持續(xù)、偶發(fā)干擾;(3)按聲音干擾模式分為:共模和差模干擾(最常見的分類方式)。共模干擾是信號對地面的電位差,主要由電網(wǎng)串入地電位差與空間電磁輻射在信號線上感應的共態(tài)(同方向)電壓疊加形成。變送器輸出信號的共模電壓有的高達130V以上。共模電壓通過不對稱電路可轉換成差模電壓。另外直流影響測控信號,造成元器件損壞(也是一些系統(tǒng)I/O模件損壞率較高的原因),這種共模干擾可為直流也可為交流。差模干擾是信號兩極間的干擾電壓,主要由空間電磁場在信號間耦合感應及由不平衡電路共模干擾所形成的電壓,這種直接疊加在信號線上,直接影響測量和控制精度。

2.PLC控制系統(tǒng)干擾的主要來源有:

(1)來自空間的輻射干擾:空間的輻射電磁場(EMI)電網(wǎng)、電氣設備的暫態(tài)過程、雷電、無線電廣播、電視、雷達、高頻感應加熱設備等產生,通常稱為輻射干擾,分布極為復雜。若PLC控制系統(tǒng)置于所射頻場內,就會受到輻射干擾。其影響主要通過兩條途徑,一是直接對PLC內部的輻射,由電路感應產生;二是對PLC通訊內網(wǎng)絡的輻射,由通訊線路的感應引入干擾。輻射干擾與現(xiàn)場設備布置及設備所產生的電磁場大小,特別是頻率有關,一般通過屏蔽電纜和PLC局部屏蔽及高壓泄放原件進行保護。

(2)來自系統(tǒng)外引線的干擾:主要通過電源和信號線引入,通常稱為傳導干擾。這種干擾在我國工業(yè)現(xiàn)場較嚴重。

(3)電源干擾:因電源引入的干擾造成PLC控制系統(tǒng)故障的情況很多,更換隔離性能更高的PLC電源可緩解。PLC正常工作電源由電網(wǎng)供電。由于電網(wǎng)覆蓋范圍廣泛,它會受到空間電磁干擾而在線路上感應電壓和電流。尤其是電網(wǎng)內部的變換,如開關操作浪涌、大型電力設備啟停、交直流傳動裝置引起的諧波、電網(wǎng)短路暫態(tài)沖擊等,都通過輸電線路傳到電源原邊。

(4)信號干擾:與PLC控制系統(tǒng)連接的各類信號傳輸線,除了傳輸有效的各類信號之外,總會有外部干擾信號侵入。1)通過變送器或共用信號儀表的供電電源串入的電網(wǎng)干擾,易被忽略。2)信號線受空間電磁輻射感應的干擾,即信號線上的外部感應干擾,這是很嚴重的。由信號引入干擾會引起I/O信號工作異常和測量精度大大降低,嚴重時將引起元器件損傷。對于隔離性能差的系統(tǒng)還會引起信號間的相互干擾,引起共地系統(tǒng)總線回流,造成邏輯數(shù)據(jù)變化、誤動和死機。PLC控制系統(tǒng)因信號引入干擾易造成I/O模件損壞。3)來自接地線路混亂時的干擾:接地是提高電子設備電磁兼容性(EMC)的有效手段之一。正確的接地,既能抑制電磁干擾的影響,又能抑制設備向外發(fā)出干擾;錯誤的接地反而會引入嚴重的干擾。PLC控制系統(tǒng)接地包括系統(tǒng)地、屏蔽地、交流地、保護地。對系統(tǒng)的干擾主要是接地點電位分布不均,存在電位差,引起地環(huán)路電流,影響系統(tǒng)正常工作。屏蔽電纜線必須一點接地,如屏蔽層兩點接地,就存在電位差,屏蔽層就有電流通過,如遇到異常狀態(tài)加雷擊,地線電流就會很大。屏蔽層、地線、大地有可能構成閉合環(huán)路,在變化磁場的作用下,屏蔽層內會出現(xiàn)感應電流,通過屏蔽層與芯線之間的耦合,干擾信號回路。若系統(tǒng)地與其他接地處理混亂,所產生的地環(huán)流可能在地線上產生不等電位分布,影響PLC內邏輯電路和模擬電路的正常工作。邏輯地電位的分布干擾也容易影響PLC的邏輯運算和數(shù)據(jù)存儲,造成數(shù)據(jù)混亂、程序跑飛或死機。邏輯地電位的分布還將導致測量精度下降,引起信號測控的嚴重失真和誤動作。4)來自PLC系統(tǒng)內部的干擾:主要由系統(tǒng)內部元器件及電路間的相互電磁輻射產生,如邏輯電路互輻射及其對模擬電路的影響,模擬地與邏輯地的相互影響及元器件間的相互不匹配使用等。

3.幾種主要的干擾現(xiàn)象:系統(tǒng)發(fā)指令時系統(tǒng)無規(guī)則的轉動;信號為零時數(shù)字顯示表數(shù)值亂跳;傳感器工作時,PLC采集的信號與實際參數(shù)所對應的信號值不吻合,且誤差值是隨機的,無規(guī)則;電源工作不正常;程序丟失;6RA24裝置誤報警等。

四、抗干擾方法

(一)正確接地介紹

一般接地可分為:(1)信號地:輸入端信號原件——傳感器的地;(2)交流地:交流供電電源的N線,通常它是產生干擾的主要地方;(3)屏蔽地:一般為防止靜電、磁場感應而設置的外殼或金屬絲網(wǎng),通過專門的銅導線將其與地殼相連;(4)保護地:機器設備外殼或設備內獨立器件的外殼接地,用以保護人身安全和防護設備漏地。

接地的目的是安全和抑制干擾。接地方式一般有浮地方式、直接接地和電容接地。

(二)脈沖抗干擾措施

1.抑制脈沖間相互干擾的措施(主要由公共電源和地引起)。(1)將控制電源和脈沖電源分開,各路脈沖電源也要分開,12路脈沖輸出就要12組脈沖電源,減少消除脈沖間相互干擾,各電源采用大容量電容濾波,提高電源輸出特性的硬度。(2)遵循“一點接地法”做好接地。各路脈沖的地要接在同一點上,地電位保持一致;接地電阻盡量要小即接地線要短、粗。接地沒處理好極易造成毛刺的可能性最大。主要目的是減少地電位差,減少脈沖觸發(fā)大電流時因地電位差引起的“毛刺”。

2.抑制外部干擾源對脈沖系統(tǒng)的干擾。印刷電路板采用鋪地法。印刷電路板全部或局部鋪上地線,用地線將信號線包圍起來,抑制設備內部信號的干擾。脈沖信號線要短。脈沖信號線要采用雙絞線或屏蔽線,且絞距小于1厘米。雙絞線內流過的電流瞬時大小相等,方向相反。脈沖信號自身產生的干擾磁場只在雙絞線間極小的間隙內疊加,線外互相抵消,而設備內部信號產生的干擾磁場在雙絞線內也是大小相等,方向相反,互相消融。這種方式價廉物美。柜內強弱電分開布置,增加強弱電線間物理距離,削弱之間的干擾。柜內空間不夠的采用垂直交叉布線,也可減小干擾。

3.抑制外部干擾源。脈沖信號線與外部干擾源保持一定的物理距離;采用雙絞或屏蔽線;脈沖線單獨穿管與其它信號線分開;管道應可靠保證長度內連續(xù)接地;盡量不要設置中間轉接端子;可將脈沖系統(tǒng)做成抽屜式,便于維護,也能很好地屏蔽外部干擾。

(三)裝置干擾問題

1.接地。為了抑制附加在電源、輸入及輸出端的干擾,應對PLC進行良好的接地。一般情況下,接地方式與信號頻率有關,當頻率低于1MHz時,可用一點接地方式;高于10MHz時,宜采用多點接地方式;在1～10MHz間,可依據(jù)現(xiàn)場情況選定哪種接地方式。PLC控制系統(tǒng)屬于高速低電平裝置,一般采用一點直接接地方式。集中布置的PLC應采用并聯(lián)一點接地方式,即各裝置的柜體中心接地點以單獨的接地線引向接地極;裝置間距離較遠的應采用串聯(lián)一點接地。接地線截面積不能小于22mm2,總母線為大于60mm2的接地銅母排,接地極的接地電阻不能大于2歐姆,接地極埋在據(jù)建筑物10～15米遠的地方,需與強電接地點相隔10米以上。接地線最好是專業(yè)接地線或采用公共接地方式,禁止串聯(lián)接地。

交流電源在傳輸時,在相當一段間隔的導線上,會有幾毫伏或幾伏的電壓,而低電平信號傳輸要求沿路電平為零。為防止交流電源對低電平信號的干擾,在直流信號的導線上,要加隔離屏蔽;不允許信號源與交流電共用一根地線,各個接地線通過接地銅牌接到一起。

屏蔽地、保護地不能與電源地與信號地及其他地扭在一起,只能各自獨立的接到接地銅牌上。為減少信號的電容耦合干擾,可用多種屏蔽方式。對于電場屏蔽的分布電容問題,通過將屏蔽地接入大地可解決。

信號源接地時,屏蔽層應在信號側接地;不接地時,應在PLC側接地;信號線中間有接頭時,屏蔽層應牢固連接并進行絕緣處理,避免多點接地。多個測點信號的屏蔽雙絞線與多芯對絞總屏蔽電纜連接時,各屏蔽層應相互連接好,并經(jīng)絕緣處理,單點接地。

2.選用隔離性能較好的設備、優(yōu)良的電源。

3.動力線與信號線走線合理化。PLC電源線、I/O電源線、輸入信號線、輸出信號線、交流線、直流線都應盡量分開布線,開關量與模擬量信號分開布線,模擬量信號與數(shù)字傳輸線采取屏蔽線,且屏蔽接地。由于雙絞線中,電流大小相當,方向相反,可將感應電流引起的干擾互相抵消,故信號線多采用雙絞線或屏蔽線。不同類型的信號應用不同的電纜敷設,信號電纜應按照傳輸信號種類進行分層敷設,

4.軟件。軟件設計和組態(tài)時的一些措施:數(shù)字濾波和工頻整形采樣,可有效消除周期性干擾;定時校正參考點電位,并采樣動態(tài)零點,可有效防止電位漂移;采樣信息冗余技術,設計相應的軟件標志位;采用間接跳轉設置軟件陷阱等提高軟件的可靠性。實際工況環(huán)境惡劣,干擾多,信號傳輸距離長,常使傳送的信號有誤,可采用軟件容錯術。

5.利用模擬信號隔離器,又稱信號變送器。原理是:將PLC接受的信號通過半導體器件調制變換。然后通過光感或磁感器件進行隔離轉換,然后再進行解調變換回隔離前的原信號或不同信號,同時對隔離后信號的供電電源進行隔離處理。保證變換后的信號、電源和地之間絕對獨立。

6.信號在接入計算機前在信號線與地間并接電容,以減少共模干擾;在信號兩極間加裝濾波器可減少差模干擾。對于較低信噪比的模擬量信號可采用數(shù)字濾波法。

五、系統(tǒng)抗干擾措施的完善

根據(jù)以上分析,完成軋機控制系統(tǒng)進行了以下抗干擾措施完善工作:

1.新制作規(guī)范的接地極,各項指標達到系統(tǒng)要求。

2.系統(tǒng)各種地重新分別接入接地極引至系統(tǒng)的接地母排。

3.規(guī)范系統(tǒng)布線。

4.要求使用屏蔽電纜的全部更換成屏蔽電纜,并將屏蔽層可靠接地;要求使用平行線的全部更換為雙絞線。

六、結語

軋鋼廠由于工控惡劣,干擾的來源廣、影響大,嚴重時整個系統(tǒng)癱瘓,無法正常工作。但是,實踐證明,如果我們對各種存在的干擾源認識足夠,分析透徹,也可以采取一些措施進行抗干擾處理。完成軋機控制系統(tǒng)就是從嚴重干擾到排除干擾后,系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠,達到預定目標。

作者簡介:杜靜(1978-),女,重慶人,重慶鋼鐵股份有限公司型鋼廠助理工程師。