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選煤廠PLC自動化控制系統(tǒng)抗干擾技術分析及應用
——以淮北礦業(yè)臨渙選煤廠為例

2020-08-04 07:02王建文
淮北職業(yè)技術學院學報 2020年3期
關鍵詞:橋架干擾源選煤廠

王建文

(淮北礦業(yè)集團有限責任公司 技術中心,安徽 淮北 235000)

一、前言

臨渙選煤廠入洗能力為1600萬噸/年,是目前亞洲最大的集中型煉焦煤選煤廠。該選煤廠分東、西兩個生產(chǎn)區(qū)域。其中,東生產(chǎn)區(qū)域入洗能力450萬噸/年,主要采用三產(chǎn)品重介質旋流器——煤泥脫泥濃縮浮選工藝,生產(chǎn)系統(tǒng)采用集中控制,使用施耐德公司的中型PLC,型號為Modicon Quantum 140,包含電源模塊(140 CPS11410)、CPU模塊(140 CPU 53414B)、通訊模塊(140 CRP93200)、以太網(wǎng)通訊模塊(140 NOE77101)、輸入模塊(140 DAI74000、140 DAI75300)、輸出模塊(140 DAO84000、140 DAO85300)、模擬量輸入模塊(140 ACI04000)、模擬量輸出模塊(140 ACO13000)等。PLC控制系統(tǒng)設1個主站和16個分站,采用兩路同軸電纜連接通訊,上位機、工控機與PLC通過16口以太網(wǎng)交換機TL-SF1016通訊。東區(qū)生產(chǎn)分3個系統(tǒng),參與集中控制的設備占總設備90%以上。在實際生產(chǎn)中,PLC控制系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)受干擾而引起故障停車的現(xiàn)象,影響選煤生產(chǎn)連續(xù)性,導致洗選產(chǎn)品質量不合格。為解決此問題,該廠組織技術骨干追蹤、觀察,全面分析干擾源,采取多種抗干擾技術,取得了良好效果。

二、PLC干擾源分析

PLC生產(chǎn)控制系統(tǒng)經(jīng)常遇到受干擾而影響正常運行的情況,影響連續(xù)生產(chǎn)。通過對PLC干擾源進行分析后,發(fā)現(xiàn)PLC干擾源有以下幾種。

1.輻射干擾

空間輻射會產(chǎn)生電磁場,當電力設備處于靜止狀態(tài)時,會產(chǎn)生電磁波,像雷電、廣播、雷達等都會產(chǎn)生輻射干擾,且影響范圍廣。PLC 控制系統(tǒng)在運行過程中受到輻射干擾,會對系統(tǒng)造成十分嚴重的危害,影響PLC控制系統(tǒng)的正常運行。分析發(fā)現(xiàn),輻射干擾與現(xiàn)場設備的布置情況、電纜電磁感應有很大關系。

該選煤廠投產(chǎn)于90年代初,期間經(jīng)歷多次集中控制改造。生產(chǎn)設備原控制基本使用就地控制,電纜橋架受空間局限,動力電纜和控制電纜敷設在一起,且動力電纜多于控制電纜。2000年后,該廠生產(chǎn)系統(tǒng)開始進行自動化改造,洗選系統(tǒng)、原煤系統(tǒng)、裝車系統(tǒng)及壓濾系統(tǒng),均采用生產(chǎn)集中PLC控制。改造時,受空間和時間的限制,控制及通訊傳輸電纜均未設計專用路徑,未敷設專用電纜橋架,所以只能和原設備的動力電纜平行敷設,利用簡單穿管方式進行屏蔽和保護。因此,設備運行過程中,動力電纜間產(chǎn)生電磁感應極易影響PLC控制信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性。而且,隨著使用年限的增加,穿管的屏蔽保護作用也逐漸減弱,PLC受干擾的影響越發(fā)嚴重。

該選煤廠自動化集中控制改造后,共組建了16個PLC分站,每個分站有一組PLC柜,存放在對應的低壓配電室內。由于改造緣故,控制電纜無法與強電電纜隔離開,再加上,檢修人員接線標準不統(tǒng)一,接線較為混亂。柜內除PLC自動控制內部接線外,還有來自現(xiàn)場控制箱及就地配電柜電纜接線,也未將交流和直流電纜分開,許多較長的電纜直接就地盤線捆扎。追蹤監(jiān)測后發(fā)現(xiàn),部分單芯電纜感應電流有幾十伏,極易影響信號傳輸產(chǎn)生壓降,造成波動,誘發(fā)電氣設備故障。

此外,控制電纜受到的干擾會引起PLC輸入輸出模塊信號傳輸受阻,不僅降低測量精度,損壞元器件,還將造成PLC信號互相干擾,引起共地系統(tǒng)總線回流,造成邏輯數(shù)據(jù)變化、誤動或死機等故障。

2.電源干擾

電源電壓波動及電源中諧波等電源質量問題對會PLC控制產(chǎn)生一定的影響。由于供電線路覆蓋面積較大,所受到的空間電磁干擾范圍也較大。避免電源干擾的有效方法是選擇隔離性能好的電源。但因電網(wǎng)內部電能變化,PLC電源采用獨有的隔離電源方式,會存在隔離效果不佳的情況。[1]

3.變頻諧波干擾

該選煤廠現(xiàn)場自動化系統(tǒng)中安裝了軟啟動器、變頻器等增效設備。譬如,原煤皮帶3001#、3002#,精煤皮帶501#、502#、503#等大傾角皮帶配套安裝了軟啟動器。原煤車間受煤坑四臺給煤機配備了四臺變頻器進行給煤量調節(jié);東區(qū)原煤系統(tǒng)有7座原煤倉,一個倉配四臺給煤機,共28臺,通過變頻控制實現(xiàn)精準配比,滿足不同煤種之間的不同配比入洗原煤的需要,確保精煤配選產(chǎn)品質量。洗選操控司機通過操作集控畫面控制現(xiàn)場給煤機頻率來實現(xiàn)定量給煤?,F(xiàn)階段,原煤倉配電室共安裝28臺變頻器,型號為ABB ACS800-01-0030-3+P901,采用集中(電腦控制畫面統(tǒng)一操作控制)和就地(現(xiàn)場崗位控制)兩種控制方式,動力電纜、控制電纜通過同一橋架敷設至原煤倉下。

變頻器是通過改變頻率來控制電動機的電力控制設備。變頻器在日常運行中,通過產(chǎn)生可調節(jié)脈寬的SPWM波來達到控制功率元器件的導通和關斷,輸出可調節(jié)電壓、頻率的三相電壓。但是,輸出電壓和電流不是標準正弦波,其內部含有很強的高次諧波成分,這些高次諧波會對電網(wǎng)、電氣設備等裝置造成很大危害?,F(xiàn)有的電抗器無法完全濾除阻抗。這些無法過濾的更高次諧波極易影響PLC傳輸?shù)姆€(wěn)定性,造成信號波動,引起集中控制系統(tǒng)及密度控制系統(tǒng)的非正常運行。此外,變頻器輸出也會產(chǎn)生較強的電磁輻射,這些輻射將影響周圍運行中的電氣設備,對控制電纜信號傳輸產(chǎn)生干擾。

4.接地系統(tǒng)干擾

臨渙選煤廠建廠早,受設計限制,東生產(chǎn)區(qū)域采用三相四線制供電系統(tǒng),6kv變壓器中性點接地,系統(tǒng)接地是PE線與N線共用。這種接地系統(tǒng)的不完善,直接影響東區(qū)集中控制系統(tǒng)正常運行,尤其表現(xiàn)在屏蔽層接地方面,現(xiàn)場接線混亂,多點接地時存在地電位差,誘發(fā)環(huán)路電流,干擾信號傳輸,導致PLC控制系統(tǒng)非正常運行。此外,屏蔽層在變化磁場中也會產(chǎn)生感應電流,經(jīng)過屏蔽層與線芯的耦合,發(fā)生干擾信號,造成PLC內部邏輯單元和模擬單元的非正常工作,嚴重時,會導致PLC數(shù)據(jù)混亂、程序跑飛或死機。

三、抗干擾技術應用

通過追蹤、觀察,全面分析干擾源,制定以下幾種抗干擾措施,并將其應用到選煤廠PLC控制系統(tǒng)中。

1.電纜選型

目前,該廠東區(qū)使用施耐德中型PLC控制系統(tǒng),在生產(chǎn)過程中基本能夠達到控制要求,暫時沒有進行PLC控制系統(tǒng)改造升級。在現(xiàn)有控制系統(tǒng)的基礎上,主要通過提高電纜抗干擾能力來減少信號傳輸過程中的干擾。遠距離傳輸?shù)目刂齐娎|,尤其是控制開關量的控制電纜,可以選用屏蔽性能好的電纜;模擬量電纜和通訊電纜則可以采用施耐德專用屏蔽線;PLC控制分站的分支連接器采用金屬屏蔽盒做保護,并保證屏蔽盒有效接地。

2.電源優(yōu)化

電源在PLC集中控制系統(tǒng)中占有很重要的地位。PLC控制系統(tǒng)供電電源、直接連接的儀表電源等會受到電網(wǎng)干擾串入。雖然現(xiàn)在采用了隔離性能不錯的電源,但連接儀表的供電電源受干擾現(xiàn)象仍然明顯。因此,該廠對共用信號儀表供電安裝了隔離器,其特點是分布電容小、抑制高、低頻信號,增加了PLC系統(tǒng)的抗干擾能力。

此外,為確保集控電源電壓穩(wěn)定,改善電網(wǎng)電壓浮動,該廠還采用了無觸點穩(wěn)壓電源,該裝置具有較強的抗干擾性能,是PLC控制系統(tǒng)的一種理想電源(圖1)。當電網(wǎng)電壓或負載出現(xiàn)瞬間波動時,穩(wěn)壓電源會以10-30ms的響應速度對電壓幅值進行補償,使其穩(wěn)定在±2%以內,防止高低電壓的波動對PLC設備的破壞,降低對PLC的干擾,保證供電安全。

圖1 無觸點穩(wěn)壓電源

3.電纜敷設、接線優(yōu)化

組織技術人員對PLC控制主站、分站及現(xiàn)場設備的控制電纜參數(shù)、布置合理性等進行重新排查,畫出控制電纜分布圖,分析優(yōu)化現(xiàn)場干擾源環(huán)境,找出受干擾較嚴重的電纜敷設區(qū)域。加裝動力電纜專用橋架和控制電纜專用橋架,把動力電纜、控制電纜分開敷設,敷設間距≥600mm。對無法分開敷設動力電纜和控制電纜的區(qū)域,則采用控制電纜加裝穿管的方式進行保護。目前,該廠已累計敷設專用電纜橋架約550m,動力電纜、控制電纜重新敷設約1500m。

同時,組織技術人員對東區(qū)區(qū)域各配電室的PLC柜內電纜進行排查,理清線路,采用統(tǒng)一標準對柜內接線進行整改,按圖施工,把動力電纜和傳輸信號線分層布置,直流和交流電纜分類捆扎,分開放置;PLC柜下部電纜重新標識,通過不同的進線孔穿入;整理電纜,抽除廢棄的電纜,去除多余的電纜長度,重新做頭、接線。同軸電纜統(tǒng)一按3m長標準做頭,不符合標準的全部重新更換。

4.加裝隔離設備

隔離變壓器是一種輸入繞組與輸出繞組在電氣上彼此隔離的設備,其作用是避免偶然同時觸及帶電體(或因絕緣損壞而可能帶電的金屬部件)或大地所帶來的危險, 原理與普通干式變壓器相同,利用電磁感應原理,主要隔離一次電源回路,二次回路對地浮空,以保證用電安全。該廠通過加裝隔離變壓器和低通濾波器,將輸出端和輸入端完全“斷路”隔離,對變壓器的輸入端進行有效過濾,再加上低通濾波器的二次過濾,阻斷、抑制了大部分高頻率雜波,為PLC提供了較為純凈的電源電壓。[2]

5.完善接地系統(tǒng)

該廠建廠早,采用三相四線制供電,6kv變壓器中性點接地,PE線和N線是同一根線。這種接線方式相對于三相五線制接地系統(tǒng)來說不夠完善。因此,該廠組織技術人員重新打接地極,各配電室配電柜之間采用串聯(lián)一點接地方式,用大截面銅排或絕緣電纜連接柜體中心接地點,用銅母排把主廠房各配電室接地點上下連接起來,再將接地母線直接連接接地極?,F(xiàn)場大型電動機等設備外殼采用編織線重復接地。

此外,該廠大量使用變頻器,為了降低其對PLC的干擾,該廠對變頻器主回路端子PE(E、G)進行正確接地,要求動力線、控制線分開布置,使信號線遠離變頻器輸入輸出線,嚴禁與其平行敷設,并單獨接地。信號線接地時,屏蔽層在信號側接地,當中間有接頭時,屏蔽層做到牢固連接,做好絕緣處理,避免多點接地。

四、結語

PLC控制系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)受干擾而引起故障停車的現(xiàn)象,影響生產(chǎn)的連續(xù)性。臨渙選煤廠通過全面分析干擾源,對癥下藥,采用多種抗干擾技術,在實際生產(chǎn)應用中,取得了良好效果。

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