淺談電磁干擾對PLC控制系統(tǒng)運行的影響

鄭海彪

（廣西玉柴機器股份有限公司，廣西玉林537005）

·鑄造設備·

淺談電磁干擾對PLC控制系統(tǒng)運行的影響

鄭海彪

（廣西玉柴機器股份有限公司，廣西玉林537005）

論述了應用西門子S7-300PLC控制系統(tǒng)的連續(xù)式砂芯表干爐在調(diào)試運行中出現(xiàn)的電磁干擾問題，分析了電磁干擾源的成因及采取的抗干擾措施。

變頻器；電磁干擾；控制系統(tǒng)；抗干擾措施

我廠機體車間制芯工段是鑄造廠鑄件生產(chǎn)中第一道工序的生產(chǎn)場所，主要以生產(chǎn)砂芯并通過浸涂、烘烤達到工藝要求。為提高生產(chǎn)能力新建了一套連續(xù)式砂芯表干爐裝置，對整體浸涂后的砂芯進行連續(xù)烘烤，控制過程較為復雜，采用了西門子S7-300PLC控制系統(tǒng)、西門子MICROMASTER420型（MM420）變頻器等設備來達到控制要求。在調(diào)試生產(chǎn)階段，由于電磁干擾，時常導致西門子S7-300PLC控制系統(tǒng)運行出現(xiàn)故障，嚴重影響了生產(chǎn)效率與進度。有關PLC控制系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性分析與提高，在許多著作中均有論述。本文僅就筆者所在工段新建的連續(xù)式砂芯表干爐出現(xiàn)的電磁干擾影響到西門子S7-300PLC控制系統(tǒng)運行的情況作一探討。

1 設備狀況

連續(xù)式砂芯表干爐裝置由南京年達爐業(yè)科技有限公司制造。設計時按生產(chǎn)工藝要求采用分段式控制：上料驅(qū)動、爐內(nèi)驅(qū)動、下（出）料驅(qū)動、返回驅(qū)動等，形成一個封閉的、能連續(xù)生產(chǎn)的烤爐裝置；其中爐內(nèi)驅(qū)動、下（出）料空冷驅(qū)動采用變頻器控制，使得運轉(zhuǎn)速度平穩(wěn)可調(diào)。整個裝置由西門子S7-300PLC控制系統(tǒng)進行控制，主控制柜安裝在爐體中段，爐內(nèi)驅(qū)動電機分布于整條爐體。

1）連續(xù)式砂芯表干爐主要參數(shù)如下：

編號：ND09-04，外形尺寸87 200 mm×2 300 mm× 4 860 mm，干燥溫度：160℃～230℃（可調(diào)），質(zhì)量：75 t，干燥時間：90 min，裝機容量：1 350 kW/ 380 V/50 Hz，溫區(qū)：5區(qū)，冷爐升溫時間60 min，生產(chǎn)率：45盤/h。

2）變頻器工況

表干爐的爐內(nèi)驅(qū)動由9臺0.55 kW/臺的三相異步電機提供；下（出）料空冷驅(qū)動由1臺、0.55 kW的三相異步電機提供。爐內(nèi)驅(qū)動電機分兩組，分別由兩臺5.5 kW的西門子MM420型變頻器控制；下（出）料空冷驅(qū)動電機由1臺、0.75 kW的西門子MM420型變頻器控制。一共使用3臺變頻器，與西門子S7-300PLC控制系統(tǒng)主站并列安裝在爐體中段的主控制柜的機架上。

2 問題及原因分析

在調(diào)試生產(chǎn)階段，設備投入自動運行后，時常出現(xiàn)西門子S7-300PLC控制系統(tǒng)運行故障，造成PLC控制器頻繁停機，整條表干爐無法繼續(xù)運轉(zhuǎn)，嚴重影響生產(chǎn)甚至造成停產(chǎn)的重大事故。

經(jīng)觀察，造成PLC控制器故障的問題是：PLC控制系統(tǒng)主站有較強的電磁干擾源。

經(jīng)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，造成PLC控制系統(tǒng)運行故障的主要原因是：PLC控制器主站的運行環(huán)境較惡劣，在設計、安裝上存在很多不足，比如：接地線的布置、變頻器的輸出等。其中，變頻器運行時產(chǎn)生的電磁干擾猶為明顯。

1）機體車間是我廠一個較老舊的車間，供電系統(tǒng)為三相四線制，電氣設備自動化程度較低，接地方式采用TN-C系統(tǒng)。如圖1所示。

圖1 TN-C接地系統(tǒng)

隨著生產(chǎn)的發(fā)展，電氣設備自動化程度越來越高，PLC控制系統(tǒng)、變頻器等設備越來越多。自動化電氣設備運行時對接地系統(tǒng)要求較高，但因條件所限，新增的自動化電氣設備經(jīng)常在較為惡劣的現(xiàn)場環(huán)境中工作，電磁干擾現(xiàn)象普遍。

2）在連續(xù)式砂芯表干爐中，變頻器運行產(chǎn)生的漏電流干擾是西門子S7-300PLC控制器的主要強干擾源，這與變頻器在表干爐中使用的方式有關。一臺變頻器控制多臺同步運行的電機，只能采用U/ f控制方式，即電壓源脈寬調(diào)制（PWM）控制方式，變頻器中的電力電子元件工作在開關狀態(tài)，電壓、電流上升率du/dt、di/dt較大，含有豐富的高次諧波，這些高次諧波成分會通過電纜的寄生電容和公共阻抗形成漏電流，產(chǎn)生傳導電磁干擾。而對于變頻器來說，多數(shù)情況下產(chǎn)生的傳導干擾是以共模干擾為主的，所謂共模干擾是指由相線或中線與地線構(gòu)成回路里的干擾源。變頻器運行時產(chǎn)生的共模干擾電流就是系統(tǒng)的漏電流。正是由于變頻器運行產(chǎn)生的過大漏電流通過共模的方式傳導干擾了西門子PLC控制器，使之不能正常運行。而變頻器產(chǎn)生漏電流過大的原因則是和變頻器與電機電纜的長度有關，一般情況下，變頻器與電機電纜的長度是有規(guī)定的（如表2為西門子公司提供的數(shù)據(jù)），若長度過長則會引起變頻器的漏電流過大。

在表干爐中，爐體長約87 m，主控制柜雖然安裝在爐體中段，但變頻器的輸出電纜不是指它到最遠的電機的長度，而是變頻器到所有電機的電纜長度之和，這樣，變頻器的輸出電纜長度遠大于100 m以上了。眾所周知，線纜之間有電容效應存在，當電纜較短時，電容值很小，可以忽略不計，但是當電纜過長的情況下，導線間的寄生電容的影響不能忽略不計，導線越長，產(chǎn)生的漏電流越大，干擾越嚴重。正如上述，變頻器的工作方式采用（PWM）控制，它的電力電子元件是工作在開關狀態(tài)的，當du/dt變化過大而電纜太長時，會產(chǎn)生很大的漏電流，如表1所示。

表1 輸出濾波電抗器與允許導線長度

因此，連續(xù)式砂芯表干爐在調(diào)試生產(chǎn)階段，西門子S7-300PLC控制器主站受干擾出現(xiàn)停機故障主要是由于變頻器產(chǎn)生的漏電流及接地線的不合理而引起的。

3 對策措施

針對以上問題，對表干爐的西門子S7-300PLC控制系統(tǒng)與變頻器的安裝作了調(diào)整和改進。

1）重新布置可靠的接地系統(tǒng)，根據(jù)車間供電系統(tǒng)的實際情況，用足夠大的扁鋼把主控制柜外殼與爐體外殼焊接在一起并接入車間的接地網(wǎng)絡中；西門子S7-300PLC控制器與變頻器接地線重新布置連接妥當。這樣，使主控制柜上感應的高頻干擾電壓有一個低阻抗的泄漏通道，使之不能存在積蓄電荷而使控制柜機殼電壓升高，有利于抑制干擾的沖擊。

2）根據(jù)變頻器與電機之間的連接電纜過長引起的漏電流過大而造成強干擾的情況，同時，按照實際情況，參照表2的相關數(shù)據(jù)，分別在變頻器的輸出端接入濾波電抗器。輸出電抗器的選擇按額定電流的原則進行，即輸出電抗器的額定電流Ie≥（1.1～1.2）Ib（Ib設是變頻器的輸出額定電流），1.1～1.2倍是考慮相關裕量。電抗器的額定電壓按電機額定電壓選擇即可。因此，在表干爐的3臺變頻器中，有2臺是MM420型、5.5 kM的變頻器，Ib是13.2 A，選擇的電抗器的Ie是15A，電感量約0.47 mH；另1臺是MM420型、0.75 kM，Ib是2.1A，選擇的電抗器的Ie是5 A，電感量約1.4 mH。需要說明的是，變頻器漏電流的大小跟它的功率的計算選擇也是有關的。在本例中，變頻器的功率大小是足夠的，考慮各方面的因素，安裝輸出電抗器是最為快捷的辦法。

4 結(jié)束語

西門子S7-300PLC控制器自身具有功能完善、性能穩(wěn)定、可靠性高等的特點，但是，當PLC控制器在較為惡劣的現(xiàn)場環(huán)境下工作時，采取切實有效的抗干擾措施是保證PLC系統(tǒng)正常運行的關鍵；同時，要有針對性的從PLC控制器的干擾源以及干擾途徑方面著手，采取正確有效的措施排除干擾源，切斷干擾途徑。上述例子中，采取了改進接地系統(tǒng)、加裝變頻器輸出濾波電抗器的措施后，表干爐已經(jīng)運行了4個多月，不再出現(xiàn)因電磁干擾而導致PLC控制系統(tǒng)停機的故障，取得很好的效果。

［1］邊春元,任雙燕,滿永奎，等.S7-300/400PLC實用開發(fā)指南［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2007.

［2］莫正康.半導體變流技術［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1992.

［3］蘇文成.工廠供電［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1981.

Influence of Electromagnetic Interference on PLC Control System

ZHENG Hai-biao
（Guangxi Yuchai Machinnery Co.，Ltd.，Yulin Guangxi 537005，China）

The electromagnetic interference（EMI）with sequential sand-Core drying furnance using simns S7-300 PLC system are discussed，and the causes and measures of electromagnetic interference（EMI）are analyzed.

transducer，electromagnetic interference（EMI），control system，anti-jamming measures

TG231.2

A

1674-6694（2010）06-0003-02

2010-10-10

鄭海彪（1975－），男，助理工程師。主要從事電氣設備的修復、維護工作。