高爐自動化plc抗干擾技術(shù)的有效運(yùn)用

閆 曉

高爐自動化系統(tǒng)中所使用的各種類型PLC，有的集中安裝在控制室，有的分散安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場的各單機(jī)設(shè)備中。由于它直接和現(xiàn)場的I/O設(shè)備相連，外來干擾很容易通過供電電路和信號線纜侵入，從而引起控制系統(tǒng)的誤動作。PLC受到的干擾可分為外部干擾和內(nèi)部干擾。在現(xiàn)場的生產(chǎn)環(huán)境下，外部干擾是隨機(jī)的，與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)無關(guān)，且干擾源是無法消除的，只能針對具體情況加以限制；內(nèi)部干擾與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有關(guān)，主要由系統(tǒng)內(nèi)交流主電路、模擬量輸入信號等引起。合理設(shè)計系統(tǒng)線路，能夠削弱和抑制內(nèi)部干擾并防止外部干擾。

某鋼鐵企業(yè)2#高爐的總?cè)莘e為4038m3，并于2016年5月投產(chǎn)使用，年產(chǎn)生鐵325萬噸，其中，高爐自動化控制系統(tǒng)主要由冗余PLC控制器、工程師站、服務(wù)器以及監(jiān)控站組成，PLC主站與分站之間通過遠(yuǎn)程I/O方式擴(kuò)展，每一個PLC站之間通過網(wǎng)絡(luò)通信模板、信號交換機(jī)以及TCP/IP工業(yè)以太網(wǎng)與工程師、服務(wù)器及監(jiān)控站建立通信連接，傳輸速率為100Mbit/s，信號傳輸介質(zhì)為光纖或者超5類屏蔽雙絞線。

1 干擾高爐自動化系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的主要因素

1.1 電磁輻射干擾源

在高爐運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，需要持續(xù)電力能源的支持，因此，PLC控制系統(tǒng)往往與現(xiàn)場的強(qiáng)電電路或者強(qiáng)電設(shè)備相接，在這樣一種運(yùn)行環(huán)境下，強(qiáng)電電路將產(chǎn)生大量的電磁波，一旦電磁波擴(kuò)散到PLC系統(tǒng)當(dāng)中，那么控制系統(tǒng)的正常執(zhí)行動作將受到嚴(yán)重影響，甚至出現(xiàn)誤動作，而造成生產(chǎn)中止。而產(chǎn)生電磁波輻射的載體一般是電力網(wǎng)絡(luò)、各種電氣設(shè)備、雷電以及整流設(shè)備等，由于2#高爐本身使用了大量的電子設(shè)備，而且控制系統(tǒng)當(dāng)中也存在大量的電子元器件，無形當(dāng)中就增加了電磁干擾強(qiáng)度。

1.2 供電電源的干擾源

2#高爐主要由供電網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)提供電力能源，在該網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，配置了大量的大功率設(shè)備，這些設(shè)備在啟停機(jī)過程中，極易出現(xiàn)超壓或者電壓不足的情況，在這種情況之下，PLC控制系統(tǒng)極易受到浪涌或者尖峰的干擾而出誤運(yùn)作，進(jìn)而給系統(tǒng)內(nèi)部的各個組件造成嚴(yán)重?fù)p害。

1.3 信號傳輸線的干擾源

信號傳輸線的介質(zhì)以光纖為主，而高爐自動化系統(tǒng)執(zhí)行各種動作的信號都需要借助于傳輸線完成信息傳遞過程，在這一過程中，I/O信號極易出現(xiàn)異常狀態(tài)，而產(chǎn)生出一些虛假信號對系統(tǒng)動作進(jìn)行操控，這時，高爐自動化系統(tǒng)的生產(chǎn)加工精度必然受到嚴(yán)重影響，或者出現(xiàn)計算機(jī)死機(jī)的情況，進(jìn)而使生產(chǎn)進(jìn)度嚴(yán)重滯后。

1.4 接地系統(tǒng)的干擾源

如果接地系統(tǒng)中的各條線路布設(shè)混亂，那么高爐自動化系統(tǒng)中的各種電子設(shè)備的執(zhí)行動作將受到嚴(yán)重干擾，一旦系統(tǒng)接收到錯誤的指令與信號，那么PLC系統(tǒng)的正常運(yùn)行與使用功能也將失效，在這種情況下，高爐自動化控制系統(tǒng)也會停止工作。

2 PLC抗干擾技術(shù)在高爐自動化系統(tǒng)中的具體應(yīng)用

2.1 雙股絞合線抗干擾措施

雙股絞合線即雙絞線，在高爐自動化控制系統(tǒng)運(yùn)行過程中，主要承擔(dān)信號傳輸任務(wù)，由于高爐占地面積大，輔助電子設(shè)備多，因此，高爐正常運(yùn)轉(zhuǎn)需要大量的雙絞線。兩根絞合線所承擔(dān)的功能各不相同，一根負(fù)責(zé)信號傳輸與供電，而另一根則作為信號的返回通道。之所以采用雙絞線，主要原因是由于通過雙絞線可以確保相鄰兩扭節(jié)的感應(yīng)電動勢相等，方向相反，在這種情況，總感應(yīng)電動勢為零，因此，如果絞合線的長度不變，絞合的次數(shù)越多，抗干擾能力則越強(qiáng)。而該鋼鐵企業(yè)的2#高爐，所采用的為超五類屏蔽雙絞線，這一類別的雙絞線衰減少、串?dāng)_小，而且衰減與串?dāng)_的比值與信噪比較高，并且在信號傳輸過程中，既不會產(chǎn)生較長的延時現(xiàn)象，同時，使用壽命也相對較長。但是，在選擇雙絞線的接地方式時，技術(shù)人員應(yīng)將信號端接地，如果將雙絞線兩端同時接地，則會出線環(huán)路，這樣，即便絞合次數(shù)增多，抗干擾效果也將大打折扣，在雙絞線接地時，應(yīng)當(dāng)采取一端接地的方式，避免使用兩端接地的方式，這樣才能提升系統(tǒng)的抗干擾能力。

2.2 供電電源抗干擾措施

負(fù)責(zé)給高爐提供動力能源的各組變壓器，其電源的不穩(wěn)定性極易使電壓出現(xiàn)毛刺或者大幅度波動，而這一干擾源將嚴(yán)重影響PLC系統(tǒng)以及I/O模塊的正常使用功能，因此，為了最大限度的消除供電電源的干擾源，確保高爐自動化系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，可以采取以下四種措施：第一，在高爐自動化系統(tǒng)當(dāng)中設(shè)置濾波、隔離、屏蔽開關(guān)穩(wěn)壓電源，借助于濾波器抗干擾屬性，可以阻斷干擾信號的傳輸通道。在隔離過程中，屏蔽層應(yīng)保持良好的接地狀態(tài)，為了減少電線間的干擾，次級連接應(yīng)當(dāng)采取雙繞線的布線方式，與此同時，被隔離的初級繞組與次級繞組需要加設(shè)一個屏蔽層。由于高爐自動化系統(tǒng)存在許多大容量設(shè)備，這些設(shè)備在開啟或者關(guān)閉時，都會產(chǎn)生較大的電壓波動，為了使電壓保持恒定，技術(shù)人員可以加設(shè)一個開關(guān)穩(wěn)壓電源。第二，在給主控制器與I/O系統(tǒng)提供電力能源時，應(yīng)當(dāng)分別通過隔離變壓器實現(xiàn)，確保供電變壓器與主電源分開，在這種情況下，在供配電過程中，不會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 第三，對于系統(tǒng)內(nèi)部的PLC裝置，應(yīng)當(dāng)采取線式不間斷的供電形式，這樣能夠保證PLC系統(tǒng)免受干擾。第四，為了確保PLC系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，為系統(tǒng)提供電力能源的電源應(yīng)使用冗余電源。

2.2.1 濾波法

當(dāng)供電電源的高頻電磁干擾強(qiáng)度較大時，技術(shù)人員可以采取加裝濾波器的方式，來排除和抵御電磁干擾噪聲。單相交流電源的噪聲濾波器基本結(jié)構(gòu)。

消除高頻電磁干擾噪聲的主要元器件是L1和L2（共模電感）、L3、L4（差模電感）以及Cx（差模電容）與CY1、CY2（共模電容），其中L1與CY1、L2與CY2分別構(gòu)成交流進(jìn)線兩對獨(dú)立端口之間的低通濾器，當(dāng)出現(xiàn)共模干擾噪聲時，該濾波器產(chǎn)生的濾波可以有效抑制噪聲的波長，進(jìn)而達(dá)到降噪的目的。而L3、L4與Cx共同構(gòu)成交流進(jìn)線獨(dú)立端口間的低通濾波器，該濾波器能夠抵御差模干擾噪聲，進(jìn)而給電源設(shè)備罩了一層防護(hù)外衣。

2.2.2 隔離法

相比于濾波法，隔離法的操作原理比較簡單易行，主要是通過隔離變壓器對干擾源進(jìn)行有效隔離。由于電源變壓器的初次級之間分布著電容，當(dāng)干擾信號進(jìn)入到電源變壓器當(dāng)中后，這些分布電容能夠?qū)⑵漶詈系蕉螠y，在這種情況之下，技術(shù)人員需要在繞組間加設(shè)一道屏蔽層，這樣可以有效防止干擾波進(jìn)入到高爐自動化設(shè)備當(dāng)中，以確保冶煉生產(chǎn)流程能夠順利進(jìn)行。

2.2.3 吸收法

在直流電路當(dāng)中，一般采用單向瞬態(tài)電壓來抑制二極管產(chǎn)生的干擾波，在交流電路中，一般采用雙向瞬態(tài)電壓來抑制二極管產(chǎn)生的干擾波。受到電源涌浪電壓的影響，高爐冶煉設(shè)備的生產(chǎn)精度將大幅下降，因此，技術(shù)人員可以采用壓敏電阻或者瞬態(tài)電壓來截斷流涌浪電壓的干擾通道，進(jìn)而大量的吸收尖峰脈沖電壓與雷電疊加電壓產(chǎn)生的干擾波。

2.2.4 回避法

回避法也是高爐自動化設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過程中常用的一種抗干擾技術(shù)，該技術(shù)主要利用專線供電的方法，來規(guī)避因自動化設(shè)備啟動與停止時的產(chǎn)生的干擾波，尤其對于大型動力設(shè)備來說，利用回避法能夠收到較好的效果。在應(yīng)用回避法時，供電電源直接來自于配電變壓器的二次測，這樣可以大幅降低同一電網(wǎng)中其它大型設(shè)備對PLC控制系統(tǒng)造成的干擾概率，而且對延長設(shè)備的使用壽命也將大有幫助。

2.3 PLC系統(tǒng)接地抗干擾措施

PLC系統(tǒng)的接地線應(yīng)當(dāng)采用一端接地方式，這主要是由于系統(tǒng)內(nèi)部各個裝置之間的信號交換頻率都小于1MHz，如果采用兩點(diǎn)式接地方式，那么電纜與輸入裝置產(chǎn)生的濾波將直接給系統(tǒng)造成干擾。高爐各區(qū)域PLC均采用直接接地方式。由于信號電纜分布電容和輸入裝置濾波等的影響，裝置之間的信號交換頻率都低于1MHz，所以PLC控制系統(tǒng)接地線采用一點(diǎn)接地。集中布置的PLC系統(tǒng)適用于并聯(lián)一點(diǎn)接地方式，各裝置的柜體中心接地點(diǎn)由單獨(dú)的接地線引向接地極。在布設(shè)接地線時，如果系統(tǒng)內(nèi)部的各裝置間存在較大的距離，可以串聯(lián)一點(diǎn)接地，并使用絕緣電纜與裝置所在的柜體中心接地點(diǎn)相連，然后將母線與接地級相連。為了增強(qiáng)接地線路的安全性，選取的接地線盡量采用截面積在22mm2以上的銅導(dǎo)線，總母線則使用截面積在60mm2以上的銅排。如果接地線周邊有大量的建筑物，接地極的埋設(shè)距離應(yīng)當(dāng)超過5m以上，而系統(tǒng)接地點(diǎn)與各強(qiáng)電設(shè)備的接地點(diǎn)距離應(yīng)達(dá)到106m2以上，這種接線方式將大大增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力。

2.4 I/O信號的抗干擾措施

鋼鐵企業(yè)在選擇I/O系統(tǒng)時，首先應(yīng)當(dāng)考慮輸入輸出信號的隔離問題，如果輸出的信號不存在觸點(diǎn)，輸入模塊允許的輸入信號ON-OFF電壓差大，則說明觸點(diǎn)輸出的抗干擾能力強(qiáng)，因此，盡量選用絕緣性較好的I/O模塊。針對該模塊主要采取的抗干擾措施包括DI信號抗干擾措施、DO信號抗干擾措施以及AI信號抗干擾措施。DI信號即數(shù)字輸入信號，在DI模塊當(dāng)中可以加裝一個隔離繼電器，這時，外界干擾信號將被有效攔截。但是，一些作用強(qiáng)大的干擾源極易燒損DI模板通道，為了避免這種情況的發(fā)生，保障信號采集流程的安全穩(wěn)定性能，技術(shù)人員可以采用通道冗余技術(shù)對各個關(guān)鍵測點(diǎn)進(jìn)行保護(hù)。DO信號即數(shù)字輸出信號，在DO模板的輸出通道可以加裝中間繼電器，用于阻斷干擾源的傳輸通道，以避免浪涌電壓對輸出信號的穩(wěn)定性造成影響。AI信號即模擬量輸入信號，在AI模板的輸入通道可以加裝信號隔離器，這種裝置可以將信號的供電電源進(jìn)行隔離處理，使轉(zhuǎn)換以后的信號能夠正常傳輸。

2.5 數(shù)字濾波與軟件容錯抗干擾技術(shù)

數(shù)字濾波與軟件容錯都屬于軟件抗干擾技術(shù)范疇，由于軟件抗干擾技術(shù)節(jié)省資源、設(shè)計簡便、程序修改靈活自如，因此，已經(jīng)成為高爐自動化系統(tǒng)當(dāng)中較為常用的一種抗干擾技術(shù)。其中，數(shù)字濾波技術(shù)常常應(yīng)用于高爐自動化系統(tǒng)的軟件設(shè)計階段，主要技術(shù)應(yīng)用原理是現(xiàn)場的模擬量信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換以后，轉(zhuǎn)變成為比較分散的數(shù)字量信號，被轉(zhuǎn)換的信號統(tǒng)一存儲在PLC系統(tǒng)當(dāng)中，通過濾波技術(shù)對這些信號的過濾處理，一些帶有噪聲或者雜質(zhì)的信號將變成正常信號，以保證系統(tǒng)完成基本動作，確保濾波技術(shù)的基本原理。

目前，在高爐自動化控制系統(tǒng)當(dāng)中，最為常用的數(shù)字濾波為平均值濾波、中間值濾波以及慣性濾波。平均值濾波的過濾效果與采樣頻次及數(shù)量有關(guān)，數(shù)量越多，過濾效果越好。如果用N代表采樣頻次，則用N采樣值的平均值代替當(dāng)前值，每一次的采樣值與N-1的采樣值進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算，再將運(yùn)算結(jié)果作為本次的濾波值。中間值濾波首先需要確定濾波的最大值與最小值，并通過求平均值的方法計算出濾波值，如果高爐自動化系統(tǒng)來自于外界的干擾因素較多，那么中間值濾波技術(shù)的處理效果也相對較差。而慣性濾波法則多適用于外界干擾因素多、干擾強(qiáng)烈的作業(yè)環(huán)境，它主要根據(jù)當(dāng)前的采樣值與歷史值的可信程度來統(tǒng)一分配濾波值的比例，如果可信度高，說明濾波值比例高，反之，則說明濾波值比例小。

另外，軟件容錯技術(shù)也是軟件抗干擾技術(shù)的一個重要分支，在應(yīng)用該技術(shù)過程中，如果發(fā)現(xiàn)高爐自動化系統(tǒng)出現(xiàn)故障或者程序錯誤，那么被干擾的先行指令將重新被執(zhí)行若干次，如果經(jīng)過重復(fù)執(zhí)行成功，則說明系統(tǒng)已經(jīng)受到外界干擾，如果重復(fù)執(zhí)行失敗，那么輸出軟件也將發(fā)出錯誤預(yù)警信號。信號源接地時，屏蔽層應(yīng)在信號側(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(diǎn)接地；多個測點(diǎn)信號的屏蔽雙絞線與多芯對絞總屏電纜連接時，各屏蔽層應(yīng)相互連接好，并經(jīng)絕緣處理，選擇適當(dāng)?shù)慕拥靥巻吸c(diǎn)接地。同時，也可以通過軟件延時，來判斷系統(tǒng)是否受到不良干擾，比如對開關(guān)量輸入信號或者易形成抖動的檢測或控制回路，可以延時軟件20ms，如果多次讀取同一信號，所出現(xiàn)的結(jié)果一致，則可以確定這一干擾源已經(jīng)消除。

3 2#高爐自動化PLC系統(tǒng)外部操作箱的改造措施

該鋼鐵企業(yè)2#高爐所關(guān)聯(lián)的現(xiàn)場冶煉與燒結(jié)設(shè)備，大多采用手動與自動相結(jié)合的方式運(yùn)行，當(dāng)2#高爐安裝工作結(jié)束后，設(shè)計人員忽略了操作箱“手動-自動”轉(zhuǎn)換信號的干擾因素，當(dāng)信號直接進(jìn)入到PLC系統(tǒng)以后，PLC系統(tǒng)的運(yùn)行精度受到嚴(yán)重影響，究其原因是現(xiàn)場操作箱的原始設(shè)計使220V的控制回路電源與PLC信號傳輸線共用一根電纜，在這種情況之下，由于PLC系統(tǒng)在運(yùn)行過程中將產(chǎn)生較大的荷載量，以至于出現(xiàn)供給電壓不穩(wěn)的現(xiàn)象，這時，PLC系統(tǒng)內(nèi)的組件極易被燒毀。經(jīng)過技術(shù)人員的檢查，發(fā)現(xiàn)進(jìn)入到PLC系統(tǒng)中的干擾電壓高達(dá)100V以上，而系統(tǒng)中內(nèi)置的輸入端光電耦合器已無法抵御這一瞬間高壓，進(jìn)而給PLC系統(tǒng)的使用壽命構(gòu)成直接威脅。

為了消除瞬間電壓的干擾源，技術(shù)人員需要對外置操作箱的外部電纜敷設(shè)環(huán)境以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，首先將這一組PLC信號單獨(dú)敷設(shè)具有屏蔽層的電纜傳輸，同時，在傳輸信號進(jìn)入到PLC系統(tǒng)之前，增設(shè)一個小型的中間繼電器。

原有設(shè)計當(dāng)中的外部操作箱所使用的長線被中間繼電器所替代，當(dāng)干擾信號進(jìn)入到PLC系統(tǒng)以后，此時光電耦合器當(dāng)中的發(fā)光二極管的工作電流，經(jīng)過實地測量僅僅為數(shù)毫安，而加裝的這一小型繼電器的線圈所吸收的電壓僅僅為數(shù)十毫安，當(dāng)外界干擾信號處于高強(qiáng)狀態(tài)時，發(fā)揮隔離作用的繼電器無法吸合電磁感應(yīng)產(chǎn)生的能量，這就使得外界干擾信號的強(qiáng)度大幅減弱，在這種情況下，PLC系統(tǒng)也必將保持一種安全穩(wěn)定的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。

4 結(jié)語

綜合分析PLC自動化系統(tǒng)內(nèi)外部干擾產(chǎn)生的原因，最后提出了在系統(tǒng)設(shè)計、安裝和調(diào)試階段采用穩(wěn)壓電源、可靠接地、輸入輸出信號隔離、外部配線和軟件處理等具體有效的抗干擾措施，由此保證了PLC自動化系統(tǒng)長期穩(wěn)定的運(yùn)行。抗干擾技術(shù)在高爐自動化PLC系統(tǒng)中的有效運(yùn)用，不僅消除了干擾源，為高爐生產(chǎn)創(chuàng)造了一個安全穩(wěn)定的環(huán)境，同時，也促進(jìn)了生產(chǎn)效率的提升與經(jīng)濟(jì)效益的穩(wěn)步增長。因此，鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)當(dāng)積極借鑒一些先進(jìn)的技術(shù)經(jīng)驗與成功案例，并不斷對抗干擾技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，為鋼鐵企業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展提供強(qiáng)大的技術(shù)與動力支撐。