棒材生產(chǎn)中PLC抗干擾技術(shù)的應(yīng)用

劉健++楊軍++章霞剛

摘 要：PLC作為新一代的工業(yè)控制器，廣泛應(yīng)用于冶金行業(yè)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，筆者所在公司改建了一條棒材生產(chǎn)線，控制系統(tǒng)采用了西門子PLC，在生產(chǎn)中出現(xiàn)了很多故障，通過對(duì)系統(tǒng)的抗干擾性進(jìn)行整改，減少了故障，保證了系統(tǒng)的可靠性。

關(guān)鍵詞：棒材生產(chǎn) PLC系統(tǒng) 抗干擾技術(shù)

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）12（c）-0085-02

2003年，江西新余鋼鐵公司為了淘汰落后產(chǎn)能，將一條復(fù)二重線材生產(chǎn)線升級(jí)為棒材生產(chǎn)線，工程主要保留了連鑄坯熱送熱裝機(jī)組，保留了一臺(tái)Y530mm三輥可逆粗軋機(jī)作為粗軋機(jī)組，另外在粗軋的出口增加了12臺(tái)軋機(jī)分別作為中軋、精軋機(jī)組，并新建了冷床與精整收集系統(tǒng)，設(shè)計(jì)年生產(chǎn)能力為40萬t，最高軋制速度為15 m/s，坯料采用4.8 m的120方連鑄坯，產(chǎn)品為Ф12～Ф36 mm螺紋鋼筋。工程于2003年8月完成熱負(fù)荷試車，并投入正式生產(chǎn)。

整個(gè)軋線的自動(dòng)控制系統(tǒng)分別選用了兩套西門子PLC S7-400，其中一套S7-400PLC與軋機(jī)傳動(dòng)、ET200遠(yuǎn)程站組成PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)，是主軋線自動(dòng)控制系統(tǒng)，另一套S7-400PLC與ET200遠(yuǎn)程站組成了后區(qū)收集系統(tǒng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)。

1 投產(chǎn)后整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)存在的問題

經(jīng)過這些年的生產(chǎn)，系統(tǒng)的可靠性問題長期困擾生產(chǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行：PLC系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，CPU模塊的報(bào)警指示燈閃爍，經(jīng)診斷是系統(tǒng)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)遠(yuǎn)程工作站通信中斷的現(xiàn)象；現(xiàn)場檢測儀表時(shí)常出現(xiàn)的數(shù)值閃爍現(xiàn)象；軋制生產(chǎn)線在生產(chǎn)過程中，有些機(jī)架出現(xiàn)降速現(xiàn)象，造成軋線堆鋼，影響生產(chǎn)；現(xiàn)場活套控制的信號(hào)丟失；后區(qū)冷床收集系統(tǒng)的裙板時(shí)常出現(xiàn)反應(yīng)遲鈍或者不動(dòng)作，造成軋制過程中，冷床沖頂故障等，這一系列問題嚴(yán)重制約了生產(chǎn)，月故障時(shí)間占全廠設(shè)備故障時(shí)間的50%，作為棒材生產(chǎn)線是一條連續(xù)工作的生產(chǎn)線，故障率的升高直接影響生產(chǎn)線的成本和效益，同樣也提高了員工的勞動(dòng)強(qiáng)度。

2 PLC的抗干擾分析

控制系統(tǒng)的設(shè)備選型階段，考慮到各廠家PLC抗干擾性能的優(yōu)劣，選型時(shí)就需選擇有較高抗干擾能力的PLC產(chǎn)品，性能指標(biāo)包括電磁兼容性及采用的接地技術(shù)、隔離性能、抗干擾指標(biāo)（共模抑制比、差模抑制比、耐壓能力、允許在多大電場強(qiáng)度和多高頻率的磁場強(qiáng)度環(huán)境中工作等）。在實(shí)際開發(fā)過程中，應(yīng)根據(jù)廠家提供的技術(shù)指標(biāo)，考慮現(xiàn)場存在的對(duì)PLC系統(tǒng)各種不利因素，在硬件、軟件的設(shè)計(jì)和安裝中采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施，保證系統(tǒng)的安全性和可靠性。

2.1 PLC的電源與接地

通常，只要將PLC的電源與系統(tǒng)的動(dòng)力設(shè)備電源分開配線，雖然選用的PLC系統(tǒng)都是抗干擾能力強(qiáng)廠家的，但在實(shí)際現(xiàn)場，通常會(huì)在PLC的供電電源前接一個(gè)帶屏蔽層的隔離變壓器，是為了減少設(shè)備與地之間的干擾，抑制來自于電源的外部干擾，以提高系統(tǒng)的可靠性，對(duì)于特殊的場合，電源干擾嚴(yán)重，隔離變壓器無法保證抑制干擾，則考慮在隔離變壓器前再增加一個(gè)濾波器。

對(duì)于控制系統(tǒng)中含有擴(kuò)展機(jī)架以及遠(yuǎn)程工程站的系統(tǒng)，則所有擴(kuò)展機(jī)架的電源及遠(yuǎn)程站電源共用一個(gè)電源開關(guān)進(jìn)行控制，也就是說，它們的上電與斷電必須同時(shí)進(jìn)行，通常所有模塊的負(fù)載電源再分開一個(gè)電源開關(guān)控制良好的接地也是保證PLC安全可靠運(yùn)行的重要條件。為了抑制附加在電源及輸入端、輸出端的干擾，應(yīng)給PLC系統(tǒng)接專用地線，并且接地點(diǎn)要與其他設(shè)備分開。若達(dá)不到這種要求，也可采用公共接地方式，禁止采用串聯(lián)接地方式，因?yàn)樗鼤?huì)因各設(shè)備間存在的電位差而產(chǎn)生干擾。接地線需選用較粗的專用黃綠色接地電纜，接地電阻要小，接地點(diǎn)應(yīng)盡可能靠近PLC系統(tǒng)控制柜。完善的接地系統(tǒng)是PLC控制系統(tǒng)抗干擾的重要措施之一，接地在消除干擾上起很大的作用，在PLC控制系統(tǒng)電氣柜的金屬框架，可以抵擋來自空中的干擾信號(hào)，需要有地線。交流地是PLC控制系統(tǒng)供電所必需的，它通過變壓器中心點(diǎn)構(gòu)成供電2條回路之一。這條回路上產(chǎn)生電流及各種諧波電流等多個(gè)嚴(yán)重的干擾源，所以交流地、直流地、模擬地和數(shù)字地等必須分開。數(shù)字地和模擬地的共點(diǎn)地最好置懸浮方式。地線各點(diǎn)之間的電位差盡可能小，加粗地線，并采用環(huán)形地線。

2.2 PLC的輸入/輸出模塊的使用細(xì)節(jié)

通常PLC系統(tǒng)帶有的輸入模塊電路是系統(tǒng)接收開關(guān)量、模擬量等輸入信號(hào)的端口，選用高質(zhì)量元器件、標(biāo)準(zhǔn)的接線方式也是影響控制系統(tǒng)可靠性的重要因素之一。常見的有開關(guān)量和模擬量，還有的是其他一些定制信號(hào)輸入/輸出，對(duì)于模擬量輸入信號(hào)來說，常見的信號(hào)有4～20 mA、0～20 mA直流電流信號(hào)；0～5 V、0～10 V直流電壓信號(hào)，電源為直流24 V，還有一些編碼器的脈沖信號(hào)等。PLC模塊的輸出通常有繼電器輸出、晶閘管輸出、晶體管輸出3種形式，具體選擇哪種形式的輸出應(yīng)根據(jù)負(fù)載要求來決定，選擇不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性降低，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常工作。外接繼電器、接觸器、電磁閥等執(zhí)行元件的質(zhì)量，也是影響系統(tǒng)可靠性的重要因素。常見的故障有線圈短/開路、機(jī)械故障造成接觸器觸點(diǎn)不動(dòng)作及觸點(diǎn)燒死造成接觸不良，這些問題可以通過選用高質(zhì)量的元器件來提高可靠性，或者加大接觸器的容量，在一些系統(tǒng)可靠性及智能化要求較高的場合，針對(duì)電路中電流異常的情況對(duì)輸出單元的一些重點(diǎn)部位通過硬件或軟件進(jìn)行診斷，檢測到異常信號(hào)，系統(tǒng)通過程序自動(dòng)轉(zhuǎn)入故障處理，提高系統(tǒng)工作的可靠性。若PLC輸出端子接有感性元件，則應(yīng)采取繼電器中轉(zhuǎn)等保護(hù)措施，從而能保護(hù)PLC的輸出觸點(diǎn)。

2.3 用軟件數(shù)字濾波的方法提高輸入信號(hào)的信噪比

為了提高輸入信號(hào)的信噪比，常采用軟件數(shù)字濾波來提高有用信號(hào)真實(shí)性。例如有些連續(xù)輸入的開關(guān)量信號(hào)，會(huì)因現(xiàn)場環(huán)境出現(xiàn)一些波動(dòng)和干擾，可以通過一些時(shí)機(jī)進(jìn)行信號(hào)濾波，這樣保證自動(dòng)控制的持續(xù)性。

3 通過整改消除現(xiàn)場故障，提高系統(tǒng)的可靠性

根據(jù)以上分析，就PLC系統(tǒng)出現(xiàn)掉站和軋機(jī)出現(xiàn)速降的問題，是PROFIBUS-DP通信出現(xiàn)干擾，考慮到這條軋線是在老線材軋制線改造過來，電氣系統(tǒng)與廠房接地系統(tǒng)都是原來老強(qiáng)電系統(tǒng)，沒有進(jìn)行相應(yīng)改造，原來的接地系統(tǒng)無法滿足現(xiàn)在數(shù)字系統(tǒng)的要求。就這一問題，在控制系統(tǒng)的供電電源加裝隔離變壓器，并重新在PLC系統(tǒng)的附近建立一個(gè)接地系統(tǒng)。

現(xiàn)場儀表與編碼器及活套信號(hào)通過儀表進(jìn)行相應(yīng)的接地，并對(duì)編碼器信號(hào)進(jìn)行加裝放大板及分配板，保證信號(hào)不受干擾，對(duì)于一些模擬量信號(hào)加裝隔離器，同時(shí)在軟件濾波處理；裙板是通過PLC輸出信號(hào)到中間繼電器動(dòng)作控制，因電磁閥的影響造成中間繼電器的觸點(diǎn)存在粘連，造成動(dòng)作無法同步，一方面加大中間繼電器的容量，另一方面對(duì)其觸點(diǎn)進(jìn)行并聯(lián)，以達(dá)到增加容量的作用，同時(shí)還加裝了續(xù)流二極管進(jìn)行續(xù)流，保證繼電器關(guān)斷準(zhǔn)確。

通過這一系列的整改，PLC的干擾現(xiàn)象得到了遏制，提高了系統(tǒng)的可靠性，故障率大為降低，平均月故障時(shí)間由原來的800 min降為100 min以下，占設(shè)備總故障時(shí)間的5%，為穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)提供了有力保障。

參考文獻(xiàn)

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