干混攪拌站控制系統抗干擾設計

張作良

(三一重工股份有限公司，湖南長沙410100)

0 引言

干混攪拌站作為干混砂漿生產的重要設備，其自動化控制系統在生產質量、生產安全和穩定運行中起著非常重要的作用。在干混攪拌站的電氣設備控制中，目前主要應用了PLC控制系統，因此PLC的抗干擾能力是整個系統可靠運行的關鍵。

可編程控制器(PLC)是在工業生產現場經常使用的控制裝置，因此在設計制造時已采取了很多措施，其環境適應能力比較強。但干混攪拌站現場環境條件過于惡劣，如溫度過高、粉塵過多、振動過大、沖擊過強，以及電磁干擾嚴重等問題都會直接影響整個控制系統的正常、安全和可靠運行。如果不在控制系統的設計階段就進行可靠性設計，那么用于工業現場時其可靠性就會大打折扣。因此，必須針對干混攪拌站所采用的工藝、電氣設備的特點，對可能影響控制系統工作的干擾源進行認真分析，在設計和安裝調試過程中采用相應的抗干擾措施，以確保系統運行的穩定性和可靠性。

1 耐環境干擾設計

惡劣的工況會影響電氣元件正常的動作，從而出現無法接通、接觸不良等情況。例如灰塵對執行元件觸點的影響會使元件出現接觸不良，從而影響執行元件的正常動作，造成控制系統不穩定運行，嚴重時會損壞系統。

1.1 防振設計

攪拌機、分級篩運行時會使主樓產生振動，振動超過容許值而加在PLC電控系統上，將產生結構件緊固部分的松動、接線材料機械疲勞而引起的折損、PLC主控印制電路板上焊接元器件的脫焊以及繼電器、接觸器等松動、滑脫，造成接觸不良或短路，還可能使電磁閥等執行元件誤動作，往往導致整個PLC電控系統不能穩定運行。

電控設備設置場所的振動加速度應限制在5m/s2以內，當電控系統的設置場所振動超過容許值時，應在振源側加裝減振器或變更設置場所來減小周圍振源對它的影響。比如在結構設計上主樓和主控室分離，分級篩可以通過反接制動來減小其振動產生的影響等。

1.2 防塵設計

干混攪拌站現場由于物料都是粉料，現場粉塵較多。散裝卸料，收塵效果不佳或接口密封不嚴等，都會使粉塵彌漫在空氣中，塵埃可能導致電器觸點接觸不良，電路絕緣性能變差，甚至形成短路；塵埃還會使通風過濾網的網眼堵塞，降低通風效果，使電氣柜內溫度升高。可以采用以下技術措施進行防塵設計。

1)控制室采用整體結構，門窗加密封裝置，減少粉塵進入量，控制室內加排氣扇，使控制室粉塵濃度控制在3mg/m3以內。

2)電控柜下方要有進氣孔，上方要有排氣孔，進排氣孔要裝上過濾網以避免灰塵和異物進入柜內。過濾網的目孔疏密決定除塵的效果，其目孔要較細，以確保灰塵不能吸入柜內。電控柜上方排氣孔要加裝排氣扇，并確保足夠的排氣氣壓，使空氣對流暢通。

3)主樓配置除塵裝置，提高樓內除塵能力，使主樓粉塵濃度減小到6mg/m3以下。

1.3 散熱設計

PLC使用的環境溫度容許值為0℃～45℃，在一般的電氣室內使用沒問題。PLC屬小發熱量裝置，單獨應用時，其自然散熱不成問題。但干混攪拌站現場使用的PLC控制系統有大容量接觸器、變壓器、變頻器等，均屬大發熱量裝置，如不考慮整個控制系統的散熱，尤其是夏季，樓內溫度超過40℃，勢必造成控制系統無法正常運行，因此設計中要采用下述方法降低環境溫度，使它在容許溫度內。

1)要降低操作臺、電控柜內的溫升，則需要加大電控柜的尺寸，或者采用增加冷卻風扇換氣量的方法。在操作臺，電控柜內安裝冷卻風扇時，應讓大發熱量器件盡量靠近冷空氣進風口，提高散熱效率，盡量避免將PLC安裝在熱源的上方。

2)控制室內加裝空調，降低環境溫度。

2 電磁干擾的主要來源

2.1 來自空間的輻射干擾

空間的輻射電磁場(EMI)主要是由電力網絡、電氣設備的暫態過程、雷電、無線電廣播、電視、雷達、高頻感應加熱設備等產生，通常稱為輻射干擾，其分布極為復雜。若PLC系統置于射頻場內，就會受到輻射干擾。其影響主要通過兩條路徑:1)直接對PLC內部的輻射，由電路感應產生干擾；2)對PLC通信內網絡的輻射，由通信線路的感應引入干擾。輻射干擾與現場設備布置及設備所產生的電磁場大小，特別與頻率有關［1］。

2.2 來自系統外引線的干擾

1)來自電源的干擾。因電源引入的干擾造成控制系統故障的情況很多，可更換隔離性能更高的電源來解決。通常PLC系統均由電網供電。電網內部的變化、開關操作浪涌、大型電力設備起停、交直流傳動裝置引起的諧波、電網短路暫態沖擊等，都通過輸電線路傳到電源原邊。

2)來自信號線引入的干擾。與PLC控制系統連接的各類信號傳輸線，除了傳輸有效的各類信息之外，總會有外部干擾信號侵入。此干擾主要有兩種途徑:1)通過變送器供電電源或共用信號儀表的供電電源竄入的電網干擾，這往往被忽視，但在生產中卻經常出現；2)信號線受空間電磁輻射的干擾，即信號線上的外部感應干擾，這是很嚴重的。由信號線引入的干擾會引起I/O信號工作異常和測量精度大大降低，嚴重時將引起元器件損傷。對于隔離性能差的系統，還將導致信號間互相干擾，引起共地系統總線回流，造成邏輯數據變化、誤動作和死機。PLC控制系統因信號引入干擾造成I/O模塊損壞的情況相當嚴重，由此引起系統故障的情況也很多。

3)來自接地系統混亂的干擾。接地是提高電子設備電磁兼容性的有效手段之一。正確的接地，既能抑制電磁干擾的影響，又能抑制設備向外發出干擾；而錯誤的接地，反而會引入嚴重的干擾信號，使PLC系統無法正常工作。

4)來自變頻器的干擾。由于變頻器是利用電力電子器件的高頻通斷而構成的非線性電路，變頻器輸出側產生的諧波會沿電纜進行傳導，并向周圍進行輻射，影響到周邊其他設備的正常運行。

2.3 來自PLC系統內部的干擾

主要由系統內部元器件及電路間的相互電磁輻射產生，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。

3 抗電磁干擾設計

3.1 采用性能優良的電源

采用性能優良的電源，抑制電網引入的干擾。在PLC控制系統中，電源占有極重要的地位。電網干擾信號主要是通過耦合進入PLC系統的供電電源(如CPU電源、I/O電源等)。雖然采取了一定的隔離措施，但隔離變壓器分布參數大，抑制干擾能力差。為了提高電源的隔離效果和保證電網饋電不中斷，需采用在線式不間斷供電電源(UPS)供電。

3.2 安裝與布線

1)動力線、控制線以及PLC的電源線和I/O線應分別配線，隔離變壓器與PLC和I/O之間應采用雙絞線連接。將PLC的I/O線和大功率線分開走線，如必須在同一線槽內，分開捆扎交流線、直流線，若條件允許，分槽走線最好，這不僅能使其有盡可能大的空間距離，并能將干擾降到最低限度［2］。

2)PLC應遠離強干擾源，如電焊機、大功率硅整流裝置和大型動力設備，不能與高壓電器安裝在同一個開關柜內。在柜內PLC應遠離動力線(二者之間距離應大于200mm)。與PLC裝在同一個柜子內的電感性負載，如功率較大的繼電器、接觸器的線圈，應并聯RC消弧電路。

3)PLC的輸入與輸出最好分開走線，開關量與模擬量也要分開敷設。模擬量信號的傳送應采用屏蔽線，屏蔽層應一端或兩端接地，接地電阻應小于屏蔽層電阻的1/10。

4)交流輸出線和直流輸出線不要用同一根電纜，輸出線應盡量遠離高壓線和動力線，避免并行。

3.3 I/O端的接線

a)輸入接線

1)輸入接線一般不要太長。但如果環境干擾較小，電壓降不大時，輸入接線可適當長些。

2)輸入、輸出線不能用同一根電纜，輸入、輸出線要分開。

3)盡可能采用常開觸點形式連接到輸入端，使編制的梯形圖與繼電器原理圖一致，便于閱讀。

b)輸出連接

1)輸出端接線分為獨立輸出和公共輸出。在不同組中，可采用不同類型和電壓等級的輸出電壓。但在同一組中的輸出只能用同一類型、同一電壓等級的電源。

2)由于PLC的輸出元件被封裝在印制電路板上，并且連接至端子板，若將連接輸出元件的負載短路，將燒毀印制電路板。

3)采用繼電器輸出時，所承受的電感性負載的大小，會影響到繼電器的使用壽命，因此，使用電感性負載時應合理選擇，或加隔離繼電器。

4)PLC的輸出負載可能產生干擾，要采取措施加以控制，如直流輸出的續流管保護，交流輸出的阻容吸收電路，晶體管及雙向晶閘管輸出的旁路電阻保護。

3.4 正確選擇接地點，完善接地系統

為了安全，抑制干擾，完善的接地系統是PLC控制系統抗電磁干擾的重要措施之一。在干混攪拌站的接地技術中有兩種接地方式:1)為人身或設備的安全目的，保證在發生漏電的情況下使漏電的電壓迅速降低，電流不通過人體或設備而直接流向大地的接地方式，稱為保護接地；2)為工作電路提供一個工作零點的接地方式，稱為工作接地。這兩種接地方式不可以相混。

為抑制附加在電源及輸入、輸出端的干擾，應給PLC接以專用地線，接地線與動力設備(如電動機)的接地點應分開，若達不到此要求，則可與其他設備公共接地，嚴禁與其他設備串聯接地。接地電阻要＜5 Ω，接地線要粗，面積要＞2mm2，而且接地點最好靠近PLC裝置，其間的距離要＜50m，接地線應避開強電回路，若無法避開時，應垂直相交，縮短平行走線的長度。

3.5 對變頻器干擾的抑制

對變頻器的干擾處理一般有下面幾種方式:

1)加隔離變壓器，主要是針對來自電源的傳導干擾，可將絕大部分的傳導干擾阻隔在隔離變壓器之前。

2)使用濾波器，濾波器具有較強的抗干擾能力，還可防止將設備本身的干擾傳導給電源，有些還兼有尖峰電壓吸收功能。

3)使用輸出電抗器，在變頻器到電動機之間增加交流電抗器，主要是減少變頻器輸出在能量傳輸過程中線路產生電磁輻射，防止影響其他設備正常工作。

4 結語

隨著干混攪拌站應用越來越廣泛，人們對其控制系統的穩定性提出了更高的要求，所要克服的干擾越來越多，因此在設計中應充分考慮各方面的因素，合理有效抑止抗干擾，才能確保控制系統安全可靠，長期穩定地工作。

［1］王存記，曹秀梅，辛琦.PLC控制系統中常見的電磁干擾及防治措施［J］.煤礦機械，2007(3):171-173.

［2］齊從謙.PLC技術及應用［M］.北京:機械工業出版社，2000.

［3］曾永林.接地技術［M］.北京:水利電力出版社，2001.