棒材生產中PLC抗干擾技術的應用

劉健++楊軍++章霞剛

摘 要：PLC作為新一代的工業控制器，廣泛應用于冶金行業的自動化控制系統中，筆者所在公司改建了一條棒材生產線，控制系統采用了西門子PLC，在生產中出現了很多故障，通過對系統的抗干擾性進行整改，減少了故障，保證了系統的可靠性。

關鍵詞：棒材生產 PLC系統 抗干擾技術

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）12（c）-0085-02

2003年，江西新余鋼鐵公司為了淘汰落后產能，將一條復二重線材生產線升級為棒材生產線，工程主要保留了連鑄坯熱送熱裝機組，保留了一臺Y530mm三輥可逆粗軋機作為粗軋機組，另外在粗軋的出口增加了12臺軋機分別作為中軋、精軋機組，并新建了冷床與精整收集系統，設計年生產能力為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，產品為Ф12～Ф36 mm螺紋鋼筋。工程于2003年8月完成熱負荷試車，并投入正式生產。

整個軋線的自動控制系統分別選用了兩套西門子PLC S7-400，其中一套S7-400PLC與軋機傳動、ET200遠程站組成PROFIBUS-DP網絡，是主軋線自動控制系統，另一套S7-400PLC與ET200遠程站組成了后區收集系統的自動控制系統。

1 投產后整個自動化系統存在的問題

經過這些年的生產，系統的可靠性問題長期困擾生產的穩定運行：PLC系統在運行過程中，CPU模塊的報警指示燈閃爍，經診斷是系統在運行過程中出現遠程工作站通信中斷的現象；現場檢測儀表時常出現的數值閃爍現象；軋制生產線在生產過程中，有些機架出現降速現象，造成軋線堆鋼，影響生產；現場活套控制的信號丟失；后區冷床收集系統的裙板時常出現反應遲鈍或者不動作，造成軋制過程中，冷床沖頂故障等，這一系列問題嚴重制約了生產，月故障時間占全廠設備故障時間的50%，作為棒材生產線是一條連續工作的生產線，故障率的升高直接影響生產線的成本和效益，同樣也提高了員工的勞動強度。

2 PLC的抗干擾分析

控制系統的設備選型階段，考慮到各廠家PLC抗干擾性能的優劣，選型時就需選擇有較高抗干擾能力的PLC產品，性能指標包括電磁兼容性及采用的接地技術、隔離性能、抗干擾指標（共模抑制比、差模抑制比、耐壓能力、允許在多大電場強度和多高頻率的磁場強度環境中工作等）。在實際開發過程中，應根據廠家提供的技術指標，考慮現場存在的對PLC系統各種不利因素，在硬件、軟件的設計和安裝中采取適當的保護措施，保證系統的安全性和可靠性。

2.1 PLC的電源與接地

通常，只要將PLC的電源與系統的動力設備電源分開配線，雖然選用的PLC系統都是抗干擾能力強廠家的，但在實際現場，通常會在PLC的供電電源前接一個帶屏蔽層的隔離變壓器，是為了減少設備與地之間的干擾，抑制來自于電源的外部干擾，以提高系統的可靠性，對于特殊的場合，電源干擾嚴重，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濾波器。

對于控制系統中含有擴展機架以及遠程工程站的系統，則所有擴展機架的電源及遠程站電源共用一個電源開關進行控制，也就是說，它們的上電與斷電必須同時進行，通常所有模塊的負載電源再分開一個電源開關控制良好的接地也是保證PLC安全可靠運行的重要條件。為了抑制附加在電源及輸入端、輸出端的干擾，應給PLC系統接專用地線，并且接地點要與其他設備分開。若達不到這種要求，也可采用公共接地方式，禁止采用串聯接地方式，因為它會因各設備間存在的電位差而產生干擾。接地線需選用較粗的專用黃綠色接地電纜，接地電阻要小，接地點應盡可能靠近PLC系統控制柜。完善的接地系統是PLC控制系統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控制系統電氣柜的金屬框架，可以抵擋來自空中的干擾信號，需要有地線。交流地是PLC控制系統供電所必需的，它通過變壓器中心點構成供電2條回路之一。這條回路上產生電流及各種諧波電流等多個嚴重的干擾源，所以交流地、直流地、模擬地和數字地等必須分開。數字地和模擬地的共點地最好置懸浮方式。地線各點之間的電位差盡可能小，加粗地線，并采用環形地線。

2.2 PLC的輸入/輸出模塊的使用細節

通常PLC系統帶有的輸入模塊電路是系統接收開關量、模擬量等輸入信號的端口，選用高質量元器件、標準的接線方式也是影響控制系統可靠性的重要因素之一。常見的有開關量和模擬量，還有的是其他一些定制信號輸入/輸出，對于模擬量輸入信號來說，常見的信號有4～20 mA、0～20 mA直流電流信號；0～5 V、0～10 V直流電壓信號，電源為直流24 V，還有一些編碼器的脈沖信號等。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根據負載要求來決定，選擇不當會導致系統可靠性降低，嚴重時導致系統不能正常工作。外接繼電器、接觸器、電磁閥等執行元件的質量，也是影響系統可靠性的重要因素。常見的故障有線圈短/開路、機械故障造成接觸器觸點不動作及觸點燒死造成接觸不良，這些問題可以通過選用高質量的元器件來提高可靠性，或者加大接觸器的容量，在一些系統可靠性及智能化要求較高的場合，針對電路中電流異常的情況對輸出單元的一些重點部位通過硬件或軟件進行診斷，檢測到異常信號，系統通過程序自動轉入故障處理，提高系統工作的可靠性。若PLC輸出端子接有感性元件，則應采取繼電器中轉等保護措施，從而能保護PLC的輸出觸點。

2.3 用軟件數字濾波的方法提高輸入信號的信噪比

為了提高輸入信號的信噪比，常采用軟件數字濾波來提高有用信號真實性。例如有些連續輸入的開關量信號，會因現場環境出現一些波動和干擾，可以通過一些時機進行信號濾波，這樣保證自動控制的持續性。

3 通過整改消除現場故障，提高系統的可靠性

根據以上分析，就PLC系統出現掉站和軋機出現速降的問題，是PROFIBUS-DP通信出現干擾，考慮到這條軋線是在老線材軋制線改造過來，電氣系統與廠房接地系統都是原來老強電系統，沒有進行相應改造，原來的接地系統無法滿足現在數字系統的要求。就這一問題，在控制系統的供電電源加裝隔離變壓器，并重新在PLC系統的附近建立一個接地系統。

現場儀表與編碼器及活套信號通過儀表進行相應的接地，并對編碼器信號進行加裝放大板及分配板，保證信號不受干擾，對于一些模擬量信號加裝隔離器，同時在軟件濾波處理；裙板是通過PLC輸出信號到中間繼電器動作控制，因電磁閥的影響造成中間繼電器的觸點存在粘連，造成動作無法同步，一方面加大中間繼電器的容量，另一方面對其觸點進行并聯，以達到增加容量的作用，同時還加裝了續流二極管進行續流，保證繼電器關斷準確。

通過這一系列的整改，PLC的干擾現象得到了遏制，提高了系統的可靠性，故障率大為降低，平均月故障時間由原來的800 min降為100 min以下，占設備總故障時間的5%，為穩產高產提供了有力保障。

參考文獻

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