重鋼完成軋機控制系統(tǒng)抗干擾分析與完善

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(shè)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(jìn)行了現(xiàn)狀分析,規(guī)范和完善了系統(tǒng)的抗干擾設(shè)施,系統(tǒng)最終運行正常、可靠。

關(guān)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(xiàn)標(biāo)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(nèi)裝有6個反并聯(lián)的功率單元;外部聯(lián)鎖(風(fēng)、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(biāo)準(zhǔn)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(yuǎn),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(yán)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(yuǎn)的控制電纜只是部分穿管,信號衰減與干擾嚴(yán)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(yīng)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(dāng)其幅值與持續(xù)時間達(dá)到一定程度時,就會導(dǎo)致晶閘管的誤導(dǎo)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(yán)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(chǎn)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(chǎn)生的移相控制產(chǎn)生的諧波、高壓開關(guān)與線路開關(guān)分合閘過程產(chǎn)生的過壓;(2)柜內(nèi)其它電氣設(shè)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(nèi)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(yīng)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(chǎn)生較強的脈沖電流,該電流流經(jīng)地線上兩點之間產(chǎn)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(chǎn)生干擾。也有可能是印刷板上或線槽內(nèi)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(chǎn)生的原因分為:放電、浪涌、高頻振蕩干擾等;(2)按波形、性質(zhì)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(yīng)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(dá)130V以上。共模電壓通過不對稱電路可轉(zhuǎn)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(yīng)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(shè)備的暫態(tài)過程、雷電、無線電廣播、電視、雷達(dá)、高頻感應(yīng)加熱設(shè)備等產(chǎn)生,通常稱為輻射干擾,分布極為復(fù)雜。若PLC控制系統(tǒng)置于所射頻場內(nèi),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(nèi)部的輻射,由電路感應(yīng)產(chǎn)生;二是對PLC通訊內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的輻射,由通訊線路的感應(yīng)引入干擾。輻射干擾與現(xiàn)場設(shè)備布置及設(shè)備所產(chǎn)生的電磁場大小,特別是頻率有關(guān),一般通過屏蔽電纜和PLC局部屏蔽及高壓泄放原件進(jìn)行保護(hù)。

(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(dǎo)干擾。這種干擾在我國工業(yè)現(xiàn)場較嚴(yán)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(yīng)電壓和電流。尤其是電網(wǎng)內(nèi)部的變換,如開關(guān)操作浪涌、大型電力設(shè)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(yīng)的干擾,即信號線上的外部感應(yīng)干擾,這是很嚴(yán)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(yán)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(shè)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(shè)備向外發(fā)出干擾;錯誤的接地反而會引入嚴(yán)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(hù)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(gòu)成閉合環(huán)路,在變化磁場的作用下,屏蔽層內(nèi)會出現(xiàn)感應(yīng)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(chǎn)生的地環(huán)流可能在地線上產(chǎn)生不等電位分布,影響PLC內(nèi)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(dǎo)致測量精度下降,引起信號測控的嚴(yán)重失真和誤動作。4)來自PLC系統(tǒng)內(nèi)部的干擾:主要由系統(tǒng)內(nèi)部元器件及電路間的相互電磁輻射產(chǎn)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(zhuǎn)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(yīng)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(chǎn)生干擾的主要地方;(3)屏蔽地:一般為防止靜電、磁場感應(yīng)而設(shè)置的外殼或金屬絲網(wǎng),通過專門的銅導(dǎo)線將其與地殼相連;(4)保護(hù)地:機器設(shè)備外殼或設(shè)備內(nèi)獨立器件的外殼接地,用以保護(hù)人身安全和防護(hù)設(shè)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(shè)備內(nèi)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(nèi)流過的電流瞬時大小相等,方向相反。脈沖信號自身產(chǎn)生的干擾磁場只在雙絞線間極小的間隙內(nèi)疊加,線外互相抵消,而設(shè)備內(nèi)部信號產(chǎn)生的干擾磁場在雙絞線內(nèi)也是大小相等,方向相反,互相消融。這種方式價廉物美。柜內(nèi)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(nèi)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(yīng)可靠保證長度內(nèi)連續(xù)接地;盡量不要設(shè)置中間轉(zhuǎn)接端子;可將脈沖系統(tǒng)做成抽屜式,便于維護(hù),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(yīng)對PLC進(jìn)行良好的接地。一般情況下,接地方式與信號頻率有關(guān),當(dāng)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(yīng)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(yuǎn)的應(yīng)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(yuǎn)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(dāng)一段間隔的導(dǎo)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(dǎo)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(hù)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(yīng)在信號側(cè)接地;不接地時,應(yīng)在PLC側(cè)接地;信號線中間有接頭時,屏蔽層應(yīng)牢固連接并進(jìn)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(yīng)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(shè)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(yīng)盡量分開布線,開關(guān)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(dāng),方向相反,可將感應(yīng)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(yīng)用不同的電纜敷設(shè),信號電纜應(yīng)按照傳輸信號種類進(jìn)行分層敷設(shè),

4.軟件。軟件設(shè)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(shù),設(shè)計相應(yīng)的軟件標(biāo)志位;采用間接跳轉(zhuǎn)設(shè)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(shù)。

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(dǎo)體器件調(diào)制變換。然后通過光感或磁感器件進(jìn)行隔離轉(zhuǎn)換,然后再進(jìn)行解調(diào)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(jìn)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(jìn)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(biāo)達(dá)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(jié)語

軋鋼廠由于工控惡劣,干擾的來源廣、影響大,嚴(yán)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(rèn)識足夠,分析透徹,也可以采取一些措施進(jìn)行抗干擾處理。完成軋機控制系統(tǒng)就是從嚴(yán)重干擾到排除干擾后,系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠,達(dá)到預(yù)定目標(biāo)。

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。