高炉自动化plc抗干扰技术的有效运用

闫 晓

高炉自动化系统中所使用的各种类型PLC，有的集中安装在控制室，有的分散安装在生产现场的各单机设备中。由于它直接和现场的I/O设备相连，外来干扰很容易通过供电电路和信号线缆侵入，从而引起控制系统的误动作。PLC受到的干扰可分为外部干扰和内部干扰。在现场的生产环境下，外部干扰是随机的，与系统结构无关，且干扰源是无法消除的，只能针对具体情况加以限制；内部干扰与系统结构有关，主要由系统内交流主电路、模拟量输入信号等引起。合理设计系统线路，能够削弱和抑制内部干扰并防止外部干扰。

某钢铁企业2#高炉的总容积为4038m3，并于2016年5月投产使用，年产生铁325万吨，其中，高炉自动化控制系统主要由冗余PLC控制器、工程师站、服务器以及监控站组成，PLC主站与分站之间通过远程I/O方式扩展，每一个PLC站之间通过网络通信模板、信号交换机以及TCP/IP工业以太网与工程师、服务器及监控站建立通信连接，传输速率为100Mbit/s，信号传输介质为光纤或者超5类屏蔽双绞线。

1 干扰高炉自动化系统正常运转的主要因素

1.1 电磁辐射干扰源

在高炉运转过程中，需要持续电力能源的支持，因此，PLC控制系统往往与现场的强电电路或者强电设备相接，在这样一种运行环境下，强电电路将产生大量的电磁波，一旦电磁波扩散到PLC系统当中，那么控制系统的正常执行动作将受到严重影响，甚至出现误动作，而造成生产中止。而产生电磁波辐射的载体一般是电力网络、各种电气设备、雷电以及整流设备等，由于2#高炉本身使用了大量的电子设备，而且控制系统当中也存在大量的电子元器件，无形当中就增加了电磁干扰强度。

1.2 供电电源的干扰源

2#高炉主要由供电网络负责提供电力能源，在该网络当中，配置了大量的大功率设备，这些设备在启停机过程中，极易出现超压或者电压不足的情况，在这种情况之下，PLC控制系统极易受到浪涌或者尖峰的干扰而出误运作，进而给系统内部的各个组件造成严重损害。

1.3 信号传输线的干扰源

信号传输线的介质以光纤为主，而高炉自动化系统执行各种动作的信号都需要借助于传输线完成信息传递过程，在这一过程中，I/O信号极易出现异常状态，而产生出一些虚假信号对系统动作进行操控，这时，高炉自动化系统的生产加工精度必然受到严重影响，或者出现计算机死机的情况，进而使生产进度严重滞后。

1.4 接地系统的干扰源

如果接地系统中的各条线路布设混乱，那么高炉自动化系统中的各种电子设备的执行动作将受到严重干扰，一旦系统接收到错误的指令与信号，那么PLC系统的正常运行与使用功能也将失效，在这种情况下，高炉自动化控制系统也会停止工作。

2 PLC抗干扰技术在高炉自动化系统中的具体应用

2.1 双股绞合线抗干扰措施

双股绞合线即双绞线，在高炉自动化控制系统运行过程中，主要承担信号传输任务，由于高炉占地面积大，辅助电子设备多，因此，高炉正常运转需要大量的双绞线。两根绞合线所承担的功能各不相同，一根负责信号传输与供电，而另一根则作为信号的返回通道。之所以采用双绞线，主要原因是由于通过双绞线可以确保相邻两扭节的感应电动势相等，方向相反，在这种情况，总感应电动势为零，因此，如果绞合线的长度不变，绞合的次数越多，抗干扰能力则越强。而该钢铁企业的2#高炉，所采用的为超五类屏蔽双绞线，这一类别的双绞线衰减少、串扰小，而且衰减与串扰的比值与信噪比较高，并且在信号传输过程中，既不会产生较长的延时现象，同时，使用寿命也相对较长。但是，在选择双绞线的接地方式时，技术人员应将信号端接地，如果将双绞线两端同时接地，则会出线环路，这样，即便绞合次数增多，抗干扰效果也将大打折扣，在双绞线接地时，应当采取一端接地的方式，避免使用两端接地的方式，这样才能提升系统的抗干扰能力。

2.2 供电电源抗干扰措施

负责给高炉提供动力能源的各组变压器，其电源的不稳定性极易使电压出现毛刺或者大幅度波动，而这一干扰源将严重影响PLC系统以及I/O模块的正常使用功能，因此，为了最大限度的消除供电电源的干扰源，确保高炉自动化系统的正常运转，可以采取以下四种措施：第一，在高炉自动化系统当中设置滤波、隔离、屏蔽开关稳压电源，借助于滤波器抗干扰属性，可以阻断干扰信号的传输通道。在隔离过程中，屏蔽层应保持良好的接地状态，为了减少电线间的干扰，次级连接应当采取双绕线的布线方式，与此同时，被隔离的初级绕组与次级绕组需要加设一个屏蔽层。由于高炉自动化系统存在许多大容量设备，这些设备在开启或者关闭时，都会产生较大的电压波动，为了使电压保持恒定，技术人员可以加设一个开关稳压电源。第二，在给主控制器与I/O系统提供电力能源时，应当分别通过隔离变压器实现，确保供电变压器与主电源分开，在这种情况下，在供配电过程中，不会影响系统的稳定性。 第三，对于系统内部的PLC装置，应当采取线式不间断的供电形式，这样能够保证PLC系统免受干扰。第四，为了确保PLC系统安全稳定运行，为系统提供电力能源的电源应使用冗余电源。

2.2.1 滤波法

当供电电源的高频电磁干扰强度较大时，技术人员可以采取加装滤波器的方式，来排除和抵御电磁干扰噪声。单相交流电源的噪声滤波器基本结构。

消除高频电磁干扰噪声的主要元器件是L1和L2（共模电感）、L3、L4（差模电感）以及Cx（差模电容）与CY1、CY2（共模电容），其中L1与CY1、L2与CY2分别构成交流进线两对独立端口之间的低通滤器，当出现共模干扰噪声时，该滤波器产生的滤波可以有效抑制噪声的波长，进而达到降噪的目的。而L3、L4与Cx共同构成交流进线独立端口间的低通滤波器，该滤波器能够抵御差模干扰噪声，进而给电源设备罩了一层防护外衣。

2.2.2 隔离法

相比于滤波法，隔离法的操作原理比较简单易行，主要是通过隔离变压器对干扰源进行有效隔离。由于电源变压器的初次级之间分布着电容，当干扰信号进入到电源变压器当中后，这些分布电容能够将其耦合到二次测，在这种情况之下，技术人员需要在绕组间加设一道屏蔽层，这样可以有效防止干扰波进入到高炉自动化设备当中，以确保冶炼生产流程能够顺利进行。

2.2.3 吸收法

在直流电路当中，一般采用单向瞬态电压来抑制二极管产生的干扰波，在交流电路中，一般采用双向瞬态电压来抑制二极管产生的干扰波。受到电源涌浪电压的影响，高炉冶炼设备的生产精度将大幅下降，因此，技术人员可以采用压敏电阻或者瞬态电压来截断流涌浪电压的干扰通道，进而大量的吸收尖峰脉冲电压与雷电叠加电压产生的干扰波。

2.2.4 回避法

回避法也是高炉自动化设备运转过程中常用的一种抗干扰技术，该技术主要利用专线供电的方法，来规避因自动化设备启动与停止时的产生的干扰波，尤其对于大型动力设备来说，利用回避法能够收到较好的效果。在应用回避法时，供电电源直接来自于配电变压器的二次测，这样可以大幅降低同一电网中其它大型设备对PLC控制系统造成的干扰概率，而且对延长设备的使用寿命也将大有帮助。

2.3 PLC系统接地抗干扰措施

PLC系统的接地线应当采用一端接地方式，这主要是由于系统内部各个装置之间的信号交换频率都小于1MHz，如果采用两点式接地方式，那么电缆与输入装置产生的滤波将直接给系统造成干扰。高炉各区域PLC均采用直接接地方式。由于信号电缆分布电容和输入装置滤波等的影响，装置之间的信号交换频率都低于1MHz，所以PLC控制系统接地线采用一点接地。集中布置的PLC系统适用于并联一点接地方式，各装置的柜体中心接地点由单独的接地线引向接地极。在布设接地线时，如果系统内部的各装置间存在较大的距离，可以串联一点接地，并使用绝缘电缆与装置所在的柜体中心接地点相连，然后将母线与接地级相连。为了增强接地线路的安全性，选取的接地线尽量采用截面积在22mm2以上的铜导线，总母线则使用截面积在60mm2以上的铜排。如果接地线周边有大量的建筑物，接地极的埋设距离应当超过5m以上，而系统接地点与各强电设备的接地点距离应达到106m2以上，这种接线方式将大大增强系统的抗干扰能力。

2.4 I/O信号的抗干扰措施

钢铁企业在选择I/O系统时，首先应当考虑输入输出信号的隔离问题，如果输出的信号不存在触点，输入模块允许的输入信号ON-OFF电压差大，则说明触点输出的抗干扰能力强，因此，尽量选用绝缘性较好的I/O模块。针对该模块主要采取的抗干扰措施包括DI信号抗干扰措施、DO信号抗干扰措施以及AI信号抗干扰措施。DI信号即数字输入信号，在DI模块当中可以加装一个隔离继电器，这时，外界干扰信号将被有效拦截。但是，一些作用强大的干扰源极易烧损DI模板通道，为了避免这种情况的发生，保障信号采集流程的安全稳定性能，技术人员可以采用通道冗余技术对各个关键测点进行保护。DO信号即数字输出信号，在DO模板的输出通道可以加装中间继电器，用于阻断干扰源的传输通道，以避免浪涌电压对输出信号的稳定性造成影响。AI信号即模拟量输入信号，在AI模板的输入通道可以加装信号隔离器，这种装置可以将信号的供电电源进行隔离处理，使转换以后的信号能够正常传输。

2.5 数字滤波与软件容错抗干扰技术

数字滤波与软件容错都属于软件抗干扰技术范畴，由于软件抗干扰技术节省资源、设计简便、程序修改灵活自如，因此，已经成为高炉自动化系统当中较为常用的一种抗干扰技术。其中，数字滤波技术常常应用于高炉自动化系统的软件设计阶段，主要技术应用原理是现场的模拟量信号经A/D转换以后，转变成为比较分散的数字量信号，被转换的信号统一存储在PLC系统当中，通过滤波技术对这些信号的过滤处理，一些带有噪声或者杂质的信号将变成正常信号，以保证系统完成基本动作，确保滤波技术的基本原理。

目前，在高炉自动化控制系统当中，最为常用的数字滤波为平均值滤波、中间值滤波以及惯性滤波。平均值滤波的过滤效果与采样频次及数量有关，数量越多，过滤效果越好。如果用N代表采样频次，则用N采样值的平均值代替当前值，每一次的采样值与N-1的采样值进行算术平均运算，再将运算结果作为本次的滤波值。中间值滤波首先需要确定滤波的最大值与最小值，并通过求平均值的方法计算出滤波值，如果高炉自动化系统来自于外界的干扰因素较多，那么中间值滤波技术的处理效果也相对较差。而惯性滤波法则多适用于外界干扰因素多、干扰强烈的作业环境，它主要根据当前的采样值与历史值的可信程度来统一分配滤波值的比例，如果可信度高，说明滤波值比例高，反之，则说明滤波值比例小。

另外，软件容错技术也是软件抗干扰技术的一个重要分支，在应用该技术过程中，如果发现高炉自动化系统出现故障或者程序错误，那么被干扰的先行指令将重新被执行若干次，如果经过重复执行成功，则说明系统已经受到外界干扰，如果重复执行失败，那么输出软件也将发出错误预警信号。信号源接地时，屏蔽层应在信号侧接地；信号线中间有接头时，屏蔽层应牢固连接并进行绝缘处理，避免多点接地；多个测点信号的屏蔽双绞线与多芯对绞总屏电缆连接时，各屏蔽层应相互连接好，并经绝缘处理，选择适当的接地处单点接地。同时，也可以通过软件延时，来判断系统是否受到不良干扰，比如对开关量输入信号或者易形成抖动的检测或控制回路，可以延时软件20ms，如果多次读取同一信号，所出现的结果一致，则可以确定这一干扰源已经消除。

3 2#高炉自动化PLC系统外部操作箱的改造措施

该钢铁企业2#高炉所关联的现场冶炼与烧结设备，大多采用手动与自动相结合的方式运行，当2#高炉安装工作结束后，设计人员忽略了操作箱“手动-自动”转换信号的干扰因素，当信号直接进入到PLC系统以后，PLC系统的运行精度受到严重影响，究其原因是现场操作箱的原始设计使220V的控制回路电源与PLC信号传输线共用一根电缆，在这种情况之下，由于PLC系统在运行过程中将产生较大的荷载量，以至于出现供给电压不稳的现象，这时，PLC系统内的组件极易被烧毁。经过技术人员的检查，发现进入到PLC系统中的干扰电压高达100V以上，而系统中内置的输入端光电耦合器已无法抵御这一瞬间高压，进而给PLC系统的使用寿命构成直接威胁。

为了消除瞬间电压的干扰源，技术人员需要对外置操作箱的外部电缆敷设环境以及内部结构进行改造，首先将这一组PLC信号单独敷设具有屏蔽层的电缆传输，同时，在传输信号进入到PLC系统之前，增设一个小型的中间继电器。

原有设计当中的外部操作箱所使用的长线被中间继电器所替代，当干扰信号进入到PLC系统以后，此时光电耦合器当中的发光二极管的工作电流，经过实地测量仅仅为数毫安，而加装的这一小型继电器的线圈所吸收的电压仅仅为数十毫安，当外界干扰信号处于高强状态时，发挥隔离作用的继电器无法吸合电磁感应产生的能量，这就使得外界干扰信号的强度大幅减弱，在这种情况下，PLC系统也必将保持一种安全稳定的运转状态。

4 结语

综合分析PLC自动化系统内外部干扰产生的原因，最后提出了在系统设计、安装和调试阶段采用稳压电源、可靠接地、输入输出信号隔离、外部配线和软件处理等具体有效的抗干扰措施，由此保证了PLC自动化系统长期稳定的运行。抗干扰技术在高炉自动化PLC系统中的有效运用，不仅消除了干扰源，为高炉生产创造了一个安全稳定的环境，同时，也促进了生产效率的提升与经济效益的稳步增长。因此，钢铁生产企业应当积极借鉴一些先进的技术经验与成功案例，并不断对抗干扰技术进行改进和创新，为钢铁企业的持续健康发展提供强大的技术与动力支撑。