PLC系統(tǒng)抗干擾分析及其應(yīng)用

過程控制實施技術(shù) 石 油 化 工 自 動 化 2 0 1 0 1 8 O AUT0M ATI oN I N PETR CH EM I CAL I NDUS TRY P L C系統(tǒng)抗干擾分析及其應(yīng)用 張修 申 王愛軍 高志 國 盛偉 中國石化集團中原油田 天然氣處理廠 河南 濮 陽4 5 7 0 6 1 摘 要 隨著 自動化控制技術(shù)的發(fā)展 可編程控制器 P L C 在工業(yè)控制 的應(yīng)用也越來越廣泛 P L C控制系統(tǒng)的可靠性 直接 影響企業(yè)的安全生產(chǎn) 系統(tǒng)的抗干擾能 力關(guān) 系到 整個系統(tǒng) 的可靠 運行 詳細(xì)介紹石 油化工企業(yè) 中 P L C系統(tǒng) 受干擾 的具體 原 因 通過對系統(tǒng)干擾源 的分析和解決措施 的應(yīng)用 探討如何使 P L C控制系統(tǒng)正 常工作 關(guān) 鍵 詞 可編程控制器 干擾源 硬件濾波 數(shù)字濾波 中圖分 類號 T P 2 7 3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B 文章編號 1 0 0 7 7 3 2 4 2 0 1 0 0 1 0 0 8 0 0 3 O 引 言 中原 油 田天 然 氣處 理 廠 主要 從事 石 油伴 生 氣 加工處 理 和輕烴 精細(xì)化 工產(chǎn) 品生產(chǎn) 為 提高罐 區(qū) 自動 化控制 水平 決 定 對 控 制 系統(tǒng) 進(jìn)行 改造 采 用 某儀表公司 HOL L i AS L K系統(tǒng) 該系統(tǒng)采用 P L C 進(jìn)行信號傳輸和控制 由于 P L C集中安裝在控制 室 現(xiàn)場儀 表安 裝 在罐 區(qū)現(xiàn) 場 和各 種設(shè) 備 上 大 多 處在 強 電路 和強 電設(shè)備 所形 成 的惡 劣 電磁 環(huán)境 中 通信 線路鋪 設(shè)較 長 該 系統(tǒng) 投入 運行 以來 工 作一 直處 于不穩(wěn) 定狀 態(tài) 經(jīng)分 析 研 究后 認(rèn) 為 系 統(tǒng)受 干 擾嚴(yán)重 要提高 P L C控制系統(tǒng)的可靠性 就要從多 方 面提 高系統(tǒng) 的抗 干擾能 力 1 分析 P L C系統(tǒng)干 擾源 1 1 來 自空間的 輻射干 擾 空 間的輻射 電磁 場 E MI 主要是 由電力 網(wǎng)絡(luò) 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)生的 通常稱為輻射干 擾 其 分布極 為 復(fù) 雜 若 P L C系統(tǒng) 置 于 以上 干擾 源頻場 內(nèi) 就 會受 到 輻 射 干擾 其 影 響 主要 通 過 兩 條路徑 一是直接對 P L C 內(nèi)部的輻射 由電路感 應(yīng)產(chǎn)生干擾 二是對 P L C通信 網(wǎng)絡(luò)的輻射 由通信 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 過設(shè) 置屏蔽 電纜 和 P L C局部 屏蔽及 高 壓泄 放 元件 進(jìn)行保 護 1 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 這種干擾在該廠罐區(qū)現(xiàn)場較為嚴(yán)重 a 來 自電源 的干擾 P L C系統(tǒng) 的正常 電源均 由電網(wǎng)供 電 由于 電 網(wǎng)覆 蓋 范 圍廣 它 將 受 到所 有 空 間電磁 干擾而 在線路 上產(chǎn) 生感應(yīng) 電壓 尤其 是 電 網(wǎng) 內(nèi)部 的變 化 開 關(guān)操 作 大 型 電力設(shè) 備起 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 電源遠(yuǎn) 端 P L C電源 通 常采 用隔離電源 但其構(gòu)成及制造工藝因素使其隔離性 并不理想 實際上 由于分布參數(shù)特別是分布電容 的存 在 絕 對隔離 是不 可能 的 b 來 自信號線引入的干擾 與 P L C控 制系 統(tǒng)連接的各類信號傳輸線 除 了傳輸有效信號之 外 總會有 外部 干擾信 號侵入 此 干擾 主要 有兩種 途徑 一是通過變送器供 電電源或共用信號儀表 的供 電電源串入的電網(wǎng)干擾 二是信號線受空間電 磁輻射感應(yīng)的干擾 即信號線上 的外部感應(yīng)干擾 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) 還將導(dǎo)致信號問互相干擾 引起 共 地 系統(tǒng)總線 回流 造 成 邏 輯數(shù) 據(jù) 變 化 誤動 和 死 機 P L C控制系統(tǒng)因信號引入干擾造成 I O模件 損 壞 由此引起 系統(tǒng)故 障的情 況很 多 c 來 自接地 系統(tǒng) 的干擾 接地 是 提高 電子 設(shè) 備 電磁 兼容性 E MC 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 而錯誤 的接地 反而會引入嚴(yán)重的干擾 信號 使 P L C系統(tǒng) 將無 法正常 工作 P L C控制系統(tǒng)的地線包括系統(tǒng)地 屏蔽地 交 流地 和保護 地等 接地 系統(tǒng)混 亂對 P L C系統(tǒng) 的干 擾主要是各個接地點電位分布不均 不同接地點間 收稿 日期 2 0 0 9 1 1 2 0 修改稿 作者簡介 張修 申 1 9 6 4 一 男 河南安 陽人 現(xiàn)任 中國石 化中 原油田天然氣處理廠副總工程 師 一直從 事石油天 然氣加工 工藝 研 究 學(xué)兔兔 w w w x u e t u t u c o m 第 1期 張修 申等 P L C系統(tǒng)抗 于擾分析及其應(yīng)用 存在 的 電位 差 引起 地 環(huán) 路 電 流 影 響 系統(tǒng) 正 常 工 作 例如電纜屏蔽層必須一點接地 如果電纜屏蔽 層兩端都接地 就存在地電位差 有電流流過屏蔽 層 當(dāng)發(fā) 生 異 常 狀 態(tài) 如 雷擊 時 地 線 電流 將 更 大 此外 屏蔽層 接地線和大地有可能構(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 1 3來 自 P h C 系統(tǒng) 內(nèi)部 的干 擾 主要 由系統(tǒng) 內(nèi)部 元 器 件及 電路 問 的相 互 電磁 輻 射產(chǎn) 生 如 邏輯 電路相 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 這屬 于 P L C制造 廠對 系 統(tǒng) 內(nèi)部 進(jìn) 行 電磁 兼容設(shè) 計 的 內(nèi)容 比較 復(fù) 雜 作 為使 用 者 是 無法 改變 的 2抗干擾 措施 應(yīng)用 2 1 優(yōu)化 供給 電源及 抑制 電 網(wǎng)引入 的干擾 在 P L C控制 系統(tǒng) 中 電源 占有極 重要 的地位 電 網(wǎng)干擾 串入 P L C控 制 系統(tǒng) 主要 通 過 P L C 系統(tǒng) 的供 電電源 如 C P U 電源 i o 電源等 變 送 器供 電 電源和與 P L C系統(tǒng)具 有 直接 電氣連 接 的儀 表供 電電源等耦合進(jìn)入的 對 P L C系統(tǒng)供電的電源和 P L C系統(tǒng)有直接電氣連接儀表 的供 電電源 采用 抑 制干擾 能力 強 的電源 消除經(jīng) 電源 耦合 而產(chǎn) 生 的 共模 干 擾 差 模 干 擾 在 費 用 允 許 的 情 況 下 為 P L C系統(tǒng)及 儀表 電源 在單 相 電源處 增 加模 塊 式 的 浪 涌保護 器 以消除 因雷 電引發(fā) 電 網(wǎng)電壓波 動對 供 電板 卡 的損 壞 2 2合理 的 電纜 敷設(shè) 為 了減 少動力 電纜 輻射 電磁 干擾 尤 其 是變頻 裝 置饋 電 電纜 采 用銅帶 鎧裝 屏蔽 電力 電纜 從 而 降低動力線產(chǎn)生的電磁干擾 不 同類型的信號分 別 由不同電纜傳輸 信號電纜應(yīng)按傳輸信號種類分 層鋪 設(shè) 嚴(yán) 禁用 同一條 電纜 的不 同導(dǎo) 線 同時傳送 動 力 電源 和信 號 避免信 號線 與動力 電纜靠 近平行 鋪 設(shè) 以減少 電磁 干擾 2 3 硬件 濾波及 軟件 抗干 擾 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 問加裝濾波器 可 減 少差模 干擾 由于 電磁 干擾 的 復(fù)雜性 要根 本消 除干擾影響是不可能的 因此在 P L C控制 系統(tǒng) 的 軟件設(shè)計和組態(tài)時 還應(yīng)在軟件方面進(jìn)行抗干擾處 理 進(jìn)一步提高系統(tǒng) 的可靠性 常用 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 并采用 動態(tài) 零點 可有 效 防止電位漂移 采用信息冗余技術(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 件結(jié) 構(gòu) 可靠性 a 消振 在振動環(huán)境 中 行程 開關(guān)或按鈕 常 常會因為振動而發(fā)出誤信號 一般的振動時間都比 較短 針對振動時間短的特點 可用 P L C內(nèi)部計時 器經(jīng)過一定時間的延時 得到消除振動后的可靠有 效信 號 從 而 達(dá) 到 抗 干 擾 目 的 如 該 廠 的 丙 烷 壓 縮機 組 齒 輪箱 上 的本 特 利 振 動探 頭 每 次 6 3 k V 高壓拖動電機啟動時 都 要伴隨著監(jiān)測 的齒 輪箱 振動瞬間峰值 高 而聯(lián)鎖 保護 機組停 運 經(jīng)過對 該信號的延 時報警信號數(shù)值 的處理 使開機一 次 成 功 b 數(shù) 字濾 波方 法提 高輸 入信 號 的信 噪 比 為 了提高輸 入信 號 的信 噪 比 常采用 軟件 數(shù)字 濾波來 提 高有用 信號 真 實 性 對 于 有 大 幅度 隨機 干 擾 的 系統(tǒng) 采 用程 序限 幅法 即連續(xù) 采樣 5 次 若某 一次 采樣 值遠(yuǎn) 遠(yuǎn) 大 于 其 他 幾 次 采 樣 的 幅值 那 么 就 舍 去 對于 流量 壓 力 液 面 位 移 等參 數(shù) 往 往 會 在 一 定 范 圍 內(nèi) 頻 繁 波 動 則 采 用 算 術(shù) 平 均 法 即用 n次采樣 的平 均 值 來 代 替 當(dāng)前 值 一 般 認(rèn) 為 流 量 一 1 2 壓 力 一 4較合適 對于 緩慢 變化 的信 號如溫度參數(shù) 可連續(xù)三次采樣 選取居 中的采樣 值作為有效信號 對于具有 積分器 A D轉(zhuǎn)換來 說 采樣 時 間應(yīng) 取 工頻周 期 2 0 ms 的整數(shù)倍 實踐 證 明其 抑制工 頻 干擾 能力超 過單純 積分 器 的效果 2 4正 確選擇 接 地點和 完善 接地 系統(tǒng) 接地的 目的通 常有兩個 其一為了安全 其二 是為 了抑 制干擾 完 善 的接地 系統(tǒng) 是 P L C控制 系 統(tǒng)抗 電 磁 干 擾 的重 要 措 施 之 一 系統(tǒng) 接 地 方 式 浮地 方 式 直 接 接 地 方 式 和 電 容 接 地 三 種 方 式 P L C控制系統(tǒng)屬于高速低 電平控制設(shè) 備 應(yīng)采用 直接接地方式 由于信號 電纜分布電容 和輸入設(shè) 備濾波等的影響 儲存罐之間的信號交換頻率一般 都低 于 1 MHz 所 以 P L C控 制 系統(tǒng) 接 地 線 采 用一 點接 地 和串聯(lián) 一點 接地 方式 集 中布 置 的 P L C系 統(tǒng)適于并聯(lián)一點接地方式 各儲存罐的柜體中心接 地點 以單獨 的接 地線 引 向接 地 極 由于儲 存 罐 間 距 較 大 采 用 串聯(lián) 一點 接 地方 式 用一 根大截 面銅 母線 或絕緣電纜 連接各儲存 罐的柜體 中心接地 點 然后將接地母線直接連接接地極 接地線采用 截面大于 2 2 mm2的銅導(dǎo)線 總母線使用截 面大于 6 0 mm z的銅排 接地極的接地電阻小于 2 Q 而且 P L C系統(tǒng)接地 點必 須 與 強 電設(shè) 備 接地 點 相距 1 0 m 以上 同時對于 新擴 建 的裝 置 增 加 的接 地環(huán) 網(wǎng)與 原有的接地環(huán)網(wǎng)連接成一體 使之實現(xiàn)等電位 學(xué)兔兔 w w w x u e t u t u c o m 石油化工 自動化 2 5 P L C的輸入和輸出設(shè)備 輸入電路元器件質(zhì)量的優(yōu)劣 接線方式及是否牢 靠也是影響控制系統(tǒng)可靠性的重要因素 以開關(guān)量 輸人為例 按鈕 行程開關(guān)的觸點接觸要保持在 良好 狀態(tài) 接線要 牢固可靠 機械 限位 開關(guān)是 容易產(chǎn)生故 障的元件 按鈕觸點的選擇也影響到系統(tǒng)的可靠性 對于開關(guān)量輸出來說 P L C的輸出有繼電器輸 出 晶閘管輸出 晶體管輸出三種形式 選擇不當(dāng)會 使系統(tǒng)可靠性降低 嚴(yán)重時導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常工作 如晶閘管輸 出只能用 于交 流 負(fù)載 晶體管 輸 出只 能 用于直流負(fù)載 此外 P L C的輸出端子帶負(fù)載能力是 有限的 如果超過了規(guī)定的最大限值 必須外接繼電 器或接觸器 才能正常工作 外接繼 電器 接觸器 電 磁閥等執(zhí)行元件的質(zhì)量 是影響系統(tǒng)可靠性的重要因 素 常見的故障有線圈短路 機械故障造成觸點不動 或接觸不 良 若 P L C輸 出端子接有感性元件 則采取 相應(yīng) 的保護措施 以保護 P L C的輸出觸點 3結(jié)束 語 該 廠 的 P L C 系 統(tǒng) 抗 干 擾 問 題 研 究 討 論 實 施 后 系統(tǒng) 的穩(wěn) 定性有 了很大 提高 P L C控制 系 統(tǒng) 中 的 干 擾 是 一 個 十 分 復(fù) 雜 的 問 題 因 此 在 抗 干擾 設(shè) 計 中應(yīng) 綜 合 考 慮 各 方 面 的 因 素 合 理有 效 地 抑 制 抗 干 擾 對 有 些 干 擾 情 況 還 需 做 具 體 分 析 才 能 夠 使 P L C控 制 系 統(tǒng) 正 常 工 作 參考文獻(xiàn) 1 王幸之 單 片機應(yīng)用系統(tǒng) 電磁 干擾與抗 干擾技術(shù) M 北京 北京航天航空大學(xué)出版社 2 0 0 6 2 鐵道部工程設(shè)計鑒定中心 通信線路及其他設(shè)施 電磁 干擾防 護工程設(shè)計指南 M 北京 中國鐵道 出版社 2 0 0 8 3 王永華 現(xiàn)代電氣控制 及 P I C應(yīng)用技術(shù) M 北京 北 京航 天航空大學(xué)出版社 2 0 0 8 4 陳 潔 案例解說 P L C 觸摸屏 及變頻器綜 合應(yīng)用 M 北 京 中 國電 力 出 版社 2 0 0 7 5 1 郁漢琪 電氣控制與可編程序控 制器應(yīng)用技術(shù) M 南京 東 南大學(xué) 出版社 2 0 0 2 6 周志敏 徐霞 紀(jì)愛華 P L C控 制系統(tǒng) 電磁兼容技 術(shù) M 北京 人民郵電出版社 2 0 0 8 7 周志敏 紀(jì)愛華 電磁兼容技術(shù) 屏蔽 濾波 接地 浪涌 工程 應(yīng)用 M 北京 電子工業(yè)出版社 2 0 0 7 上 接 第 5 3頁 還沒有 多少 成 功 的案 例 不 過這 正 是 值 得 研 究 的 課 題 3結(jié)束 語 通 過對 電儀專 業(yè)設(shè)計 文檔 管 理 的深 入剖 析 從 I T 基礎(chǔ) 架 構(gòu) 的管 理 角度 出發(fā) 結(jié) 合 多 年 的 工 程設(shè) 計經(jīng)驗 不難 發(fā) 現(xiàn) 該 公 司 作 為 國 內(nèi)知 名 的 業(yè) 主 與 工程設(shè)計單位 在其文檔控制達(dá)到國內(nèi)外先進(jìn)水平 的 同時 仍然有 著 巨大 的改進(jìn) 與提 升 的 空 間 這 些 提升 與改進(jìn) 不 僅 有 技 術(shù) 上 的改 進(jìn) 也 有 管 理 上 的 改進(jìn) 更 重要 的是思 想觀 念上 的 改進(jìn) 工 作流 的 實 施 數(shù)據(jù) 的集 成 管 理 以及 數(shù) 據(jù)管 理 觀 念 轉(zhuǎn) 變 的 提 出 不僅對于業(yè)主單位 對于設(shè)計單位甚至整個工 程信息 化 的實踐 均有著積 極 的參 考 與借鑒 意義 參 考 文獻(xiàn) 1 張華 高學(xué)武 建立工程項 目電子文檔管理系統(tǒng)的探索與實 踐 c 第 卜 屆全 國信息技術(shù)化工應(yīng)用年會論文集 2 0 0 5 2 劉瑩 D o c u me n t u m企業(yè) 文檔管 理平 臺的構(gòu)建 J 煉 油技 術(shù)與工程 2 0 0 7 8 3 4 3 7 3 李荔寧 大型石化工程項 目管理 中的