干扰信号对建筑塔机PLC电控系统的危害及防治对策

王继东 ,卿 慧,孙海玲,兰翔龙

(1．郑州工程技术学院 土木工程学院,河南 郑州 450044;2.黄河交通学院 机电工程学院,河南 武陟454950)

1 引言

可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controlle)简称PLC,实质是一种专用于工业控制的计算机,因其具有编程简单、使用方便、功能丰富、可靠性高、维修方便及适用于恶劣的工业环境等诸多优点,而被广泛应用于各种工程建设或工业过程的自动化控制系统中。近些年来,在建筑塔机中也得到了普遍应用。PLC电控系统的普及应用,克服了传统继电器-接触器控制系统线路复杂、故障率高、维修不便以及使用寿命低的缺点,极大地提高了起重机工作的安全性、可靠性和工作效率。但是,任何事物都不是十全十美的,PLC电控系统的应用也是如此,近年来的工程实践发现,建筑塔机的电控系统故障频繁发生,而且非常难于根治,排障时很难查出线路原因,最终发现多是干扰信号导致的。建筑塔机工作环境恶劣,现场干扰信号纷杂多样,各种干扰信号时时刻刻会对PLC电控系统产生影响和危害,严重时会造成建筑塔机PLC电控系统的故障,影响建筑塔机的正常运转,甚至引起设备损害或人身伤害,给企业造成巨大经济损失。因此,防止各类干扰信号对PLC电控系统的危害一直是广大技术工作者非常关注的课题。

2 故障现象和原因分析

通过对近十年来建筑塔机PLC电控系统故障的案例实地调研发现,建筑塔机PLC电控系统的故障主要如下:

(1)PLC的I/O点会出现闪跳现象;

(2)操作工没发出操作指令时,建筑塔机产生了误动作;

(3)把操作信号电缆改道重新敷设之后,建筑塔机误动作及I/O闪跳现象消失,一切恢复正常;

(4)操作工发出操作指令,建筑塔机没有动作,经查PLC输入输出I/O点损坏。

图1 是建筑塔机PLC电控系统的电气原理简图。图中,建筑塔机各种操作指令信号(SO1～SO3)接在PLC的输入模块输入端口(I端口),PLC的输出模块的输出端口(O端口)连接建筑塔机控制系统的控制继电器(KC1～KC3)上。

图1 建筑塔机PLC电控系统的电气原理简图

在正常情况下,输出点O的动作是随输入点I的变化而变化的,如果输入点I没接到操作工指令,I的状态不变,输出端O点的状态就不会改变。如果I点受到干扰信号,干扰信号当达到I端口导通电压时,就会引起O点发生状态改变,导致建筑塔机的误动作。

当干扰信号反复作用于I点时,就会造成O点的频繁动作简称频闪,PLC的频闪动作会导致建筑塔机反复误动作,严重时引起安全事故。

由于PLC的输入输出模块都是微电子器件,当施加于I/O点外部干扰信号量能过大时,会导致I/O点烧毁,此时无论如何施加操作指令,I点都接收不到信号,O点也无法输出信号了,建筑塔机就不能正常工作了。

当把操作信号电缆改道重新敷设之后,干扰信号消失或削弱,建筑塔机的误动作故障就会自然消失,一切恢复正常。

从建筑塔机的PLC电控系统原理图分析可知与上述故障现象完全吻合,证明上述故障现象多是干扰信号引起的。如果能够屏蔽或消除干扰信号,建筑塔机的PLC电控系统的故障率就会大大降低。

3 建筑塔机作业现场的各种干扰源及其危害

建筑塔机主要用于工程建设的施工和安装,其工作环境一般都比较恶劣,比如电源质量较差、高温、高湿、多尘埃、多震动。同时还存在着各种各样的干扰信号,从干扰源来看,有来自变频调速装置的干扰,有来自雷电的干扰,有来自电源的干扰,还有来自电焊机的干扰,另外还有静电干扰等等。下面分别探讨各种干扰源对建筑塔机PLC电控系统的影响和危害。

3.1 变频调速装置产生的干扰[1]

在众多干扰源中,变频调速装置是对PLC电控系统影响最大的干扰源。为了改善塔机的工作性能,提高起重机工作效率,近年来,变频调速装置被广泛应用在各类塔机的电气控制系统中。无论从电气连接还是空间位置来看,它与PLC电控系统的距离是最近的。因而,由他产生的干扰信号对PLC电控系统的影响也最大。

变频调速装置主要由整流电路和逆变电路构成,其工作原理是输入的交流电压经过整流电路和平波回路转换成直流电压,再通过逆变装置把直流电压变换成不同宽度的脉冲电压 (称为脉宽调制电压简称PWM电压)。利用这个PWM电压去驱动电动机,就可以改变塔机各机构的驱动力矩和工作速度,从而改善塔机的工作性能。变频调速装置的结构组成和工作原理决定了在其工作时必然会产生大量的电磁干扰,他的干扰主要有以下三种类型:

(1)谐波干扰。整流电路会产生多次谐波电流,这种谐波电流在供电系统的阻抗上产生电压降,导致电压波型发生畸变,这种畸变的电压对于连接于电路中的PLC等微电子设备产生危害。

(2)射频传导干扰。由于负载电压为脉冲波形,因此变频调速装置从电网吸取电流也是脉冲波形,这种脉冲电流中包含了大量的高频成分,形成射频传导干扰,危害连接于同一个电网中的PLC等微电子设备。

(3)射频辐射干扰。变频调速装置的输入电缆和输出电缆通过的脉冲电流包含丰富的高频电流的成分,电缆会像天线一样,产生辐射电磁波,形成辐射干扰。危害电缆附近的PLC等微电子设备,而且距离越近影响越大。

3.2 雷电产生的电磁干扰[2]

其次就是雷电干扰的影响,建筑塔机大多都工作于户外,雷电的干扰是不可避免的,雷电是来自大气层中的频繁且强烈的电磁干扰,对建筑塔机上的PLC等微电子设备的危害不可小觑。雷击可分直接雷击和间接雷击,由于建筑塔机本体是金属结构,相当于一个大型避雷器,而且在建筑塔机的顶端设有具有尖端放电功能的避雷针,所以直接雷击的损害通常较小。对建筑塔机PLC电控系统的危害主要是间接雷击产生的,间接雷击也叫感应雷击。一般的感应雷击产生的过电压大约在350～1600kV之间。间接雷击的实质是雷电击中建筑塔机附近的物体,将在被击中物体附近的电线电缆中产生巨大的感应电压,直接危害连接于电线电缆上的PLC等微电子设备,或者通过辐射危害电线电缆附近的PLC等微电子设备。雷击产生的干扰是多方面的。首先,当雷击发生时,会产生高能量冲击干扰危及连接于电线电缆上的PLC等微电子设备;其次,避雷器在过电压保护动作时,线路中的电压、电流会发生迅速变化,此剧变也会产生耦合干扰危及电路中的PLC等微电子设备;最后,雷击还会引起设备绝缘损坏,造成接地故障,引起电路的暂态响应,产生电压电流波动和脉冲变化磁场危及PLC等微电子设备。另外,还会产生剧烈的空间磁场变化,产生磁场干扰危及附近的PLC等微电子设备。

3.3 来自现场电网电源的干扰[3]

在施工现场的电网中存在很多电容、电感等储能元件,当开关操作或故障跳闸时,都会引起储能元件工作状态的突变,从而产生暂态响应。在电网的暂态响应过程中,将会产生数倍于电源电压的操作过电压,它的持续时间一般从几毫秒到十毫秒。瞬间变化的操作过电压,将会产生严重的电磁干扰,除过电压产生的高能冲击干扰外,暂态响应过程中会产生脉冲震荡,将会危及连接于电网中的PLC等微电子设备。其中过渡过程的暂态高频振荡主要是通过容性耦合、感性耦合、阻性耦合三种耦合方式干扰线路中的PLC等微电子设备。另外,当脉冲振荡的频率很高时,还会产生辐射电磁场,对所有能够接收到电磁波的PLC等微电子设备产生电磁干扰。

除此之外,由于电网中存在大量的诸如变压器、整流器和逆变器等非线性的负载,他们除吸收电网的基波能量之外,还会产生各种谐波干扰危害连接于同一电网中的PLC等微电子设备。

3.4 电焊机产生的干扰[4]

众所周知,电焊机(Electric welding machine)是施工现场的常用的焊接设备,而且数量非常庞大,一个较大的施工现场一般需要几十台甚至逾千台的电焊机用于金属结构的焊接安装工作,所以电焊机也是施工现场影响较大的干扰源。

电焊机的工作原理是利用其输出端的正负两极在瞬间短路时,产生温度极高的电弧来熔化电焊条上的焊料和被焊材料,使被焊接的两部分结构紧密地结合为一体。电焊机实质上就是具有下降外特性的变压设备,它将220V或380V工频交流电变为焊接所需要的电源。按其输出电源的类型可分为直流电焊机和交流电焊机两种。

交流电焊机的输出是交流电源,相当于是一台外特性下降的变压器。而直流电焊机的输出是直流流电源,可以说是一个大功率的整流器,交流电输入时,经变压器变压后,再由整流器整流,然后通过正负两个输出电极输出具有下降外特性的直流电源。

无论是直流电焊机还是交流电焊机,都是靠输出端的两个电极短路时引燃电弧,并利用电弧的高温来熔化电焊条和焊材,实现焊接的目的。两极短接的时候,必然伴随电流急剧增加和电压急剧下降的突变过程,电路中的电流变化率(di/dt)和电压变化率(dv/dt)极大,必然产生极大的电磁干扰。

对直流电焊机来说,它是由整流桥、滤波电容器等大功率器件构成, 整流二极管导通时间较短,滤波电容充电电流瞬时峰值大,电流波形为近似尖脉冲,使50Hz正弦电流波形发生畸变,产生谐波电流。造成电网污染。而当前最先进的逆变直流电焊机,内部还具有大功率逆变器,逆变器大多采用了PWM脉冲宽度调制技术,逆变模块高速通断时,同样会产生大量电磁干扰信号。这些干扰信号,通过传导方式或空间耦合方式,污染施工现场的电网电源,进而危害建筑塔机上的PLC等微电子设备。

3.5 其他干扰源

除上述四种危害较大的干扰源之外,在建筑塔机上还存在严重的静电干扰。塔机上的电线电缆等大电流导体,产生的瞬变电场,还会通过导体和电子设备之间的杂散电容,耦合到PLC的电源电路中形成静电干扰。塔机开关设备及变频调速器等在切断感性负载电流时也将产生较强的静电干扰。在静电起电-放电过程中,有时会形成瞬态大电流和电磁脉冲(EMP),产生频谱很宽的电磁辐射场。给受扰设备造成危害。

由于建筑塔机常工作户外高空位置,摩擦起电产生的静电干扰也非常大,尤其是,气候干燥和大风的时候,会产生严重的静电干扰,甚至会导致建筑塔机PLC电控系统的误动作。

此外,在积累静电荷的物体周围,存在着静电场,静电场可以使介质极化,在库仑力作用下,悬浮在空气中的尘埃被吸附在建筑塔机的电力电子器件上,影响器件的散热和开关结点的接触电阻,可能会导致器件发热损坏,有的吸附的一些导电性尘埃还会会引起线路短路,造成更多危害。

4 建筑塔机PLC电控系统的抗干扰对策

建筑塔机工作现场的各种干扰源产生的各类干扰信号时时刻刻会对PLC电控系统产生影响和危害,干扰信号虽然纷杂多样,但其对PLC电控系统的干扰途径,主要有传导传输方式和辐射传输方式两种。要想消除干扰信号的影响,就要对这两种方式分别采用相应的消除对策。下面针对建筑塔机干扰信号的特点给出PLC电控系统的抗干扰策略。

4.1 变频调速装置干扰危害的抑制措施[5]

正如3.1节所述,变频调速装置是起重机PLC控制系统最大的干扰源,为此解决好变频调速装置的干扰尤为重要,在建筑塔机的PLC电控系统中,通常采取以下三种措施:

(1)在变频调速装置进线端,增设进线电抗器或进线滤波器。进线电抗器可以增加供电电源的内阻抗,阻碍电流突变,抑制含量较高的低频谐波电流干扰。进线滤波器是通过增加电源输入端阻抗,降低变频调速装置的输入端阻抗,使大部分高频谐波电流回流到变频调速装置,从而抑制变频调速装置对电源及周围电气设备的干扰。

(2)随着变频调速装置与塔机电动机之间电缆长度的增加,其分布电容增大,会造成变频调速装置输出的容性尖峰电流过大从而对周围设备产生电磁干扰。当电缆长度超过50m时,需要考虑在输出侧增设输出电抗器或正弦波滤波器等装置,限制这种容性尖峰电流产生的电磁干扰。

(3)当变频调速装置到塔机电动机的输出主电缆长度较长或变频调速装置到PLC电控系统距离较近时,干扰会比较严重,可采用屏蔽型主电缆以减少辐射干扰,并在变频调速装置侧和塔机电动机侧两端接地,以减少对周围设备的电磁干扰。

4.2 PLC供电电源的抗干扰措施

长期的工程实践发现,PLC所受的干扰约70%的成分是通过电源线耦合进来的,因此要削弱干扰信号的影响,要对PLC供电系统采取合适的抗干扰措施。

首先,在电源模块的选择方面,要选择高品质、具有隔离性能的供电电源模块,并且在电源模块的输出端,接入抗干扰能力较强的滤波器,然后,在通过隔离变压器隔离后再与PLC的电源入口相连。

其次, PLC电控系统的I/O设备应分别采用各自独立的供电设备供电。条件许可时,也可以选用在线式不间断供电电源来阻断干扰信号的侵扰。

通过这些综合的硬件处理措施,可以有效地避免各种干扰信号对PLC供电电源的干扰,提高建筑塔机PLC电控系统的可靠性。

4.3 PLC装置I/O信号的抗干扰措施

干扰信号通过I/O设备的输入输出信号线传导进入电路系统,造成的损害占比很大,为减少这方面的损害,可采取以下硬件措施:

(1)当I端口(PLC的输入端口)接入的元件为感性元件时,直流电路可以通过并联续流二极管的措施,交流电路采用并联RC滤波电路的措施,来抑制干扰信号对I端口的冲击损害。

(2)当O端口(PLC的输出端口)连接的负载为感性负载时,对于交流负载,可以通过在负载两侧并联RC浪涌抑制器或者是压敏降压电阻来抑制过电压信号干扰危害,对于直流负载,可以通过在负载继电器线圈两端并联续流二极管的方法解决。

(3)传输I/O信号的电缆线距离过长时,可在I/O信号电缆的两端,设置光电耦合进行隔离,将线路浮置,切断干扰信号窜入PLC设备的途径,从而抑制干扰信号的影响,或者在PLC装置侧通过中间继电器进行隔离。

4.4 采取完善的接地措施抑制干扰信号的危害[6]

建筑塔机本体是由钢结构组合体,PLC电控系统全部安装在设备机台(机器的平台)上,通常把建筑塔机本体结构当作接地导体,最终导致接地点只有一个,主电路和控制电路的接地点无法分离,会引起线路间产生杂散电流(迷流),致使PLC电控系统工作不稳定。同时变频调速装置与PLC电控系统共地,也会加剧了对PLC电控系统的干扰。鉴于建筑塔机接地的特殊性,很有必要对接地系统采取如下特殊措施:

(1)PLC供电隔离变压器的二次侧与PLC等控制系统采用悬浮接地,切断两部分的地线联系,避免杂散电流的干扰。 PLC的供电电源模块的一次侧和二次侧分别加装可靠接地的屏蔽层;与电源模块连接的输入电源线和输出电源线采用双绞线连接,并且要求屏蔽层可靠接地;各个I/O设备供电电源的电源线也必须可靠接地,并与总电源电路分开敷设。

(2)用编制铜网以最短距离把变频调速装置的外壳与起重机金属结构可靠连接,以减少变频调速装置对周围电子设备的辐射干扰影响。

(3)为保障中性点电位的稳定,避免中性点电位漂移,对电源供电系统宜采用TN-S系统供电。如果条件有限,无法采用TN-S系统,可在电源配电箱内把TN-C系统转换为TN-S系统,即采用TN-C-S系统。

(4)I/O信号电缆的屏蔽层要求按下述方法可靠接地。数字信号优先采用信号接收端单端接地方式,模拟信号优先采用PLC侧单端接地的方式。抗干扰效果不好时,可考虑两端悬浮接地,或采用双层屏蔽电缆的措施(外层采用两端接地,内层采用单端接地)。

4.5 设备和电缆敷设保持安全距离

(1)在设备安装时,尽量使变频调速装置和PLC设备保持一定的安全距离,以消除变频调速装置对PLC设备的辐射干扰。

(2)在敷设电缆时,要注意动力电缆和控制电缆之间尽量保持≮30cm的间隔,如果不能满足时,可采用金属管道或金属线槽隔开彼此,减少电缆绞合,弱化电场耦合,降低电磁干扰。控制系统的电源线、开关量信号线和模拟量信号线不要采用同一根电缆,应尽量分开布线,交、直流信号线也应分别布线。

5 结语

近年来,伴随着我国由制造业大国向制造业强国快速迈进的进程,PLC等微电子产品在建筑塔机中的应用越来越普及,建筑塔机的工作性能也越来越优越。但是,由于塔机工作场所的各种干扰信号比较严重,时时刻刻都会对塔机PLC系统产生干扰和危害,影响了建筑塔机的正常可靠运行,提高PLC电控系统抗干扰能力已成为广大建筑塔机用户亟待解决的问题。本文通过对建筑塔机工作现场的各种干扰源的探讨,详细分析了各种干扰源对PLC电控系统的影响和危害,给出了综合的抗干扰对策和方法。经过多年的实践验证,这些对策和方法对提高建筑塔机PLC电控系统的抗干扰能力、增强系统可靠性及降低系统故障率是行之有效的。在不久的将来,随着物联网技术和量子通信技术的工业化应用,并逐步应用于建筑塔机的PLC电控系统,建筑塔机PLC电控系统的抗干扰能力将会得到更大的提升,建筑塔机的运行性能、安全可靠性也将会得到更大提高。