棒材生产中PLC抗干扰技术的应用

刘健++杨军++章霞刚

摘 要：PLC作为新一代的工业控制器，广泛应用于冶金行业的自动化控制系统中，笔者所在公司改建了一条棒材生产线，控制系统采用了西门子PLC，在生产中出现了很多故障，通过对系统的抗干扰性进行整改，减少了故障，保证了系统的可靠性。

关键词：棒材生产 PLC系统 抗干扰技术

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）12（c）-0085-02

2003年，江西新余钢铁公司为了淘汰落后产能，将一条复二重线材生产线升级为棒材生产线，工程主要保留了连铸坯热送热装机组，保留了一台Y530mm三辊可逆粗轧机作为粗轧机组，另外在粗轧的出口增加了12台轧机分别作为中轧、精轧机组，并新建了冷床与精整收集系统，设计年生产能力为40万t，最高轧制速度为15 m/s，坯料采用4.8 m的120方连铸坯，产品为Ф12～Ф36 mm螺纹钢筋。工程于2003年8月完成热负荷试车，并投入正式生产。

整个轧线的自动控制系统分别选用了两套西门子PLC S7-400，其中一套S7-400PLC与轧机传动、ET200远程站组成PROFIBUS-DP网络，是主轧线自动控制系统，另一套S7-400PLC與ET200远程站组成了后区收集系统的自动控制系统。

1 投产后整个自动化系统存在的问题

经过这些年的生产，系统的可靠性问题长期困扰生产的稳定运行：PLC系统在运行过程中，CPU模块的报警指示灯闪烁，经诊断是系统在运行过程中出现远程工作站通信中断的现象；现场检测仪表时常出现的数值闪烁现象；轧制生产线在生产过程中，有些机架出现降速现象，造成轧线堆钢，影响生产；现场活套控制的信号丢失；后区冷床收集系统的裙板时常出现反应迟钝或者不动作，造成轧制过程中，冷床冲顶故障等，这一系列问题严重制约了生产，月故障时间占全厂设备故障时间的50%，作为棒材生产线是一条连续工作的生产线，故障率的升高直接影响生产线的成本和效益，同样也提高了员工的劳动强度。

2 PLC的抗干扰分析

控制系统的设备选型阶段，考虑到各厂家PLC抗干扰性能的优劣，选型时就需选择有较高抗干扰能力的PLC产品，性能指标包括电磁兼容性及采用的接地技术、隔离性能、抗干扰指标（共模抑制比、差模抑制比、耐压能力、允许在多大电场强度和多高频率的磁场强度环境中工作等）。在实际开发过程中，应根据厂家提供的技术指标，考虑现场存在的对PLC系统各种不利因素，在硬件、软件的设计和安装中采取适当的保护措施，保证系统的安全性和可靠性。

2.1 PLC的电源与接地

通常，只要将PLC的电源与系统的动力设备电源分开配线，虽然选用的PLC系统都是抗干扰能力强厂家的，但在实际现场，通常会在PLC的供电电源前接一个带屏蔽层的隔离变压器，是为了减少设备与地之间的干扰，抑制来自于电源的外部干扰，以提高系统的可靠性，对于特殊的场合，电源干扰严重，隔离变压器无法保证抑制干扰，则考虑在隔离变压器前再增加一个滤波器。

对于控制系统中含有扩展机架以及远程工程站的系统，则所有扩展机架的电源及远程站电源共用一个电源开关进行控制，也就是说，它们的上电与断电必须同时进行，通常所有模块的负载电源再分开一个电源开关控制良好的接地也是保证PLC安全可靠运行的重要条件。为了抑制附加在电源及输入端、输出端的干扰，应给PLC系统接专用地线，并且接地点要与其他设备分开。若达不到这种要求，也可采用公共接地方式，禁止采用串联接地方式，因为它会因各设备间存在的电位差而产生干扰。接地线需选用较粗的专用黄绿色接地电缆，接地电阻要小，接地点应尽可能靠近PLC系统控制柜。完善的接地系统是PLC控制系统抗干扰的重要措施之一，接地在消除干扰上起很大的作用，在PLC控制系统电气柜的金属框架，可以抵挡来自空中的干扰信号，需要有地线。交流地是PLC控制系统供电所必需的，它通过变压器中心点构成供电2条回路之一。这条回路上产生电流及各种谐波电流等多个严重的干扰源，所以交流地、直流地、模拟地和数字地等必须分开。数字地和模拟地的共点地最好置悬浮方式。地线各点之间的电位差尽可能小，加粗地线，并采用环形地线。

2.2 PLC的输入/输出模块的使用细节

通常PLC系统带有的输入模块电路是系统接收开关量、模拟量等输入信号的端口，选用高质量元器件、标准的接线方式也是影响控制系统可靠性的重要因素之一。常见的有开关量和模拟量，还有的是其他一些定制信号输入/输出，对于模拟量输入信号来说，常见的信号有4～20 mA、0～20 mA直流电流信号；0～5 V、0～10 V直流电压信号，电源为直流24 V，还有一些编码器的脉冲信号等。PLC模块的输出通常有继电器输出、晶闸管输出、晶体管输出3种形式，具体选择哪种形式的输出应根据负载要求来决定，选择不当会导致系统可靠性降低，严重时导致系统不能正常工作。外接继电器、接触器、电磁阀等执行元件的质量，也是影响系统可靠性的重要因素。常见的故障有线圈短/开路、机械故障造成接触器触点不动作及触点烧死造成接触不良，这些问题可以通过选用高质量的元器件来提高可靠性，或者加大接触器的容量，在一些系统可靠性及智能化要求较高的场合，针对电路中电流异常的情况对输出单元的一些重点部位通过硬件或软件进行诊断，检测到异常信号，系统通过程序自动转入故障处理，提高系统工作的可靠性。若PLC输出端子接有感性元件，则应采取继电器中转等保护措施，从而能保护PLC的输出触点。

2.3 用软件数字滤波的方法提高输入信号的信噪比

为了提高输入信号的信噪比，常采用软件数字滤波来提高有用信号真实性。例如有些连续输入的开关量信号，会因现场环境出现一些波动和干扰，可以通过一些时机进行信号滤波，这样保证自动控制的持续性。

3 通过整改消除现场故障，提高系统的可靠性

根据以上分析，就PLC系统出现掉站和轧机出现速降的问题，是PROFIBUS-DP通信出现干扰，考虑到这条轧线是在老线材轧制线改造过来，电气系统与厂房接地系统都是原来老强电系统，没有进行相应改造，原来的接地系统无法满足现在数字系统的要求。就这一问题，在控制系统的供电电源加装隔离变压器，并重新在PLC系统的附近建立一个接地系统。

现场仪表与编码器及活套信号通过仪表进行相应的接地，并对编码器信号进行加装放大板及分配板，保证信号不受干扰，对于一些模拟量信号加装隔离器，同时在软件滤波处理；裙板是通过PLC输出信号到中间继电器动作控制，因电磁阀的影响造成中间继电器的触点存在粘连，造成动作无法同步，一方面加大中间继电器的容量，另一方面对其触点进行并联，以达到增加容量的作用，同时还加装了续流二极管进行续流，保证继电器关断准确。

通过这一系列的整改，PLC的干扰现象得到了遏制，提高了系统的可靠性，故障率大为降低，平均月故障时间由原来的800 min降为100 min以下，占设备总故障时间的5%，为稳产高产提供了有力保障。

参考文献

[1] 关会芳.PLC控制系统的抗干扰设计[J].控制工程，2015

（s1）：181-182.

[2] 解华明.PLC控制技术的优势及抗干扰措施研究[J].产业与科技论坛，2013，12（5）：102-103.