论文部分内容阅读
摘要：可编程控制器作为电控系统的核心元件，因其具有的诸多优点，目前正被广泛应用在煤矿掘进机、采煤机等大型机电的控制系统中，促进矿井机械设备不断向着标准化、数字化、自动化的方向发展。然而其投入运行一段时间以来，由于矿井作业环境恶劣，干扰因素复杂而导致控制系统故障却对矿井生产的安全性和高效性造成了不利影响。本文对作业环境中可能发生的常见干扰类型及引发干扰问题的来源进行了分析，提出了富有针对性的抗干扰对策措施，以期提高系统的抗干扰能力，保障矿井设备的可靠運行。
关键词：矿井PLC，控制系统，抗干扰
Abstract: the programmable controller as a core component of electric control system, because of its many merits, currently being widely used in coal mine, mining roadheader machine large electrical control system, promote the mine machinery equipment toward standardization, constantly to the direction of the digital and automation. Yet its operation for a long time now, because mine work environment is bad, and interference factors to control system fault complex but the mine production safety and efficiency caused adverse impact. In this paper, the work environment to happen in common interference type and causing the interference of the source of the problems are analyzed and some focalized anti-interference measures, so as to enhance the anti-interference ability of the system, ensure mine the reliable operation of the equipment.
Keywords: mine PLC, control system, anti-jamming
中图分类号：O741+.2文献标识码：A 文章编号：
1 PLC在矿井机电控制系统中的应用现状
1.1 PLC在矿井机电控制系统中的重要作用
可编程控制器（PLC）作为电控系统的核心元件，具有体积小、速度快、可靠性高等特点，并兼具强大的适应性和可扩展性。对不同设备在不同工况下的控制，仅需通过改变程序设置即可。随着PLC在煤矿企业掘进机、采煤机等大型机电系统中的广泛应用，矿井机械设备标准化、数字化、自动化进程的不断深化，矿山的生产效率及生产安全均得到了有力的保障。
1.2 系统干扰对矿井机电运行的影响
然而，PLC控制系统投入运行一段时间以来，由于矿井作业环境恶劣，干扰因素复杂，无计划停机等电控系统故障给企业带来了经济负担，并给作业安全埋下了隐患。要保障设备的可靠运作，除应确保系统硬件选配学科、软件设计合理外，还须使其具有良好的抗干扰性能。作为一种灵敏度极高的核心元件，PLC对工作现场震动、湿度、粉尘以及电磁干扰等的处理能力对整个系统的抗干扰能力具有重要影响，一旦其设计、安装、维护等环节发生问题，便可能直接导致变频系统效率降低、系统内部数据丢失、控制系统误操作甚至使系统失控。因此，必须认真分析作业环境中存在的各种干扰因素，并进行有针对性的预防和治理，以全面提高控制系统的抗干扰能力。
2 系统干扰的类型与干扰源的传导途径
2.1 系统干扰的类型
PLC电控系统受到的干扰类型通常分为共模干扰和差模干扰两类。共模干扰是信号对地的电位差，主要由电网串入、地电位差及空间电磁辐射在信号线上感应的共态电压迭加所形成。共模电压通过不对称电路可转换成差模电压，影响测控信号，造成元器件损坏。差模干扰是指作用于信号两极间的干扰电压，主要由空间电磁场在信号间耦合感应及由不平衡电路转换共模干扰所形成，此类干扰叠加在信号上，会造成系统测量与控制精度方面的影响。
2.2 系统干扰源的传导途径
干扰源是指电控系统所处的强电设备与强电电路构成的恶劣电磁环境中，电荷移动剧烈，会对PLC的精确控制造成影响的部位，包括高频振动、放电、冲击等多种干扰方式，其干扰途径包括以下几种：
2.2.1 空间辐射干扰
空间辐射干扰主要指由电气设备和电力网络的高频感应加热、暂态过程、无线电、雷电等作用形成的空间辐射电磁场。通常是由电路感应产生对PLC内部的辐射或由通信线路感应产生的对PLC通信网络的辐射。该类辐射分布相当复杂，并与现场设备布置及其磁场、频率大小有关。
2.2.2 系统外引线干扰
系统外引线干扰主要来自电源、各类信号以及接地。电源干扰是使PLC产生干扰故障的主要途径。PLC电源通常采用隔离电源，但由于分布参数，特别是分布电容的存在，干扰波仍不可避免地会进入系统。信号干扰主要包括共用信号仪表的供电电源与变送器供电电源串入的电网干扰和信号线受到空间电磁作用而引起的感应干扰，信号干扰会导致系统元件损伤等问题的发生。而接地干扰都是由于操作错误造成的接地混乱，使各个接地点电位分布不均，不同接地点间存在地电位差，引起地环路电流，从而影响了系统的正常工作。
2.2.3 其他干扰
PLC系统内部各元件及线路间也可能因元器件规格不匹配、逻辑电路相互辐射、逻辑地与模拟地相互影响等现象产生，由于这属于厂家对PLC设备电磁兼容设计的问题，因此必须在PLC购置之前，进行充分的考察和优选。此外，PLC运行中相邻变频器产生的谐波也可能导致电网电压畸变，从而使系统受到干扰。
3 控制系统中抗干扰技术的应用
要提高PLC的抗干扰能力，首先应采用性能可靠的电源。应选用电压波动小、波形畸变率低的电源，并采取下列技术措施提高其抗干扰性能：电源输入端应加接隔离变压器，由隔离变压器的输出端直接接向PLC；在其输入端加接低通滤波器，以过滤交流电源输入的高频干扰和高次谐波；可采用在线式不间断供电的方式，提高其干扰隔离性能。而对于变送器和共用信号仪表供电，应选择分布电容小、抑制带大的配电器。
其次，在选择动力与控制电缆时，应以铠装屏蔽电力电缆为首选，使动力线的电磁干扰降低，且应借由专线电缆传输不同类型的信号，不同类型的电缆则应以分层而非平行的方式进行隔离。敷设中，不得用使同一电缆的不同导线同时完成动力电源与信号的传送。
再次，应重视对接地位置的选择，并对接地方法进行严格的控制。PLC接地应采用专用接地极，严禁将其与电机设备或大功率晶闸管装置等共用接地系统。应尽可能缩短PLC与接地之间的距离，并使PLC各单元采用统一接地位置以确保各单元间具有相等的点位，PLC的输入、输出信号线所用的屏蔽层也应采用同一接地点。接地线长一般≤20m，截面积则应＞2mm2，接地电阻应＜4Ω。
此外，还应充分利用软硬件抗干扰技术与电子灭弧器等技术。以软件抗干扰技术为例，可采用延时确认，即对于开关量输入，可采用软件延时20ms，对同一信号作两次或两次以上读入，结果一致才可确认有效。或采取封锁干扰，如对PLC输出命令驱动大功率器件动作常会伴随产生火花、电弧等干扰信号等可预知类的干扰，可用软件封锁PLC的某些输入信号，适当延时后，再取消封锁。对于模拟信号可以采取软件滤波措施，目前的大型PLC编程大都支持SFC、结构化文本编程方式，以便于编制比较复杂的程序，完成相应的滤波功能。电子灭弧器则是专为PLC配用的电器产品，用来吸收电弧，有效滤除PLC干扰和吸收杂波，提高电子线路的可靠性及电磁兼容性。
参考文献
[1] 郭俊宇, 刘昆汶, 乔文治. PLC控制系统的抗干扰研究[J]. 包钢科技, 2011, (02).
[2] 荆明星, 罗建国, 杨伟豪, 王辉娜, 周祝青. PLC在煤矿提升机电控系统中的应用[J]. 华北科技学院学报, 2010, (04).
[3] 赵中敏. PLC控制系统的可靠性分析及其关键技术研究[J]. 机床电器, 2006, (04).
[4] 孙延永, 刘美侠. 提高PLC控制系统可靠性的措施[J]. 机电产品开发与创新, 2008, (03).
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：矿井PLC，控制系统，抗干扰
Abstract: the programmable controller as a core component of electric control system, because of its many merits, currently being widely used in coal mine, mining roadheader machine large electrical control system, promote the mine machinery equipment toward standardization, constantly to the direction of the digital and automation. Yet its operation for a long time now, because mine work environment is bad, and interference factors to control system fault complex but the mine production safety and efficiency caused adverse impact. In this paper, the work environment to happen in common interference type and causing the interference of the source of the problems are analyzed and some focalized anti-interference measures, so as to enhance the anti-interference ability of the system, ensure mine the reliable operation of the equipment.
Keywords: mine PLC, control system, anti-jamming
中图分类号：O741+.2文献标识码：A 文章编号：
1 PLC在矿井机电控制系统中的应用现状
1.1 PLC在矿井机电控制系统中的重要作用
可编程控制器（PLC）作为电控系统的核心元件，具有体积小、速度快、可靠性高等特点，并兼具强大的适应性和可扩展性。对不同设备在不同工况下的控制，仅需通过改变程序设置即可。随着PLC在煤矿企业掘进机、采煤机等大型机电系统中的广泛应用，矿井机械设备标准化、数字化、自动化进程的不断深化，矿山的生产效率及生产安全均得到了有力的保障。
1.2 系统干扰对矿井机电运行的影响
然而，PLC控制系统投入运行一段时间以来，由于矿井作业环境恶劣，干扰因素复杂，无计划停机等电控系统故障给企业带来了经济负担，并给作业安全埋下了隐患。要保障设备的可靠运作，除应确保系统硬件选配学科、软件设计合理外，还须使其具有良好的抗干扰性能。作为一种灵敏度极高的核心元件，PLC对工作现场震动、湿度、粉尘以及电磁干扰等的处理能力对整个系统的抗干扰能力具有重要影响，一旦其设计、安装、维护等环节发生问题，便可能直接导致变频系统效率降低、系统内部数据丢失、控制系统误操作甚至使系统失控。因此，必须认真分析作业环境中存在的各种干扰因素，并进行有针对性的预防和治理，以全面提高控制系统的抗干扰能力。
2 系统干扰的类型与干扰源的传导途径
2.1 系统干扰的类型
PLC电控系统受到的干扰类型通常分为共模干扰和差模干扰两类。共模干扰是信号对地的电位差，主要由电网串入、地电位差及空间电磁辐射在信号线上感应的共态电压迭加所形成。共模电压通过不对称电路可转换成差模电压，影响测控信号，造成元器件损坏。差模干扰是指作用于信号两极间的干扰电压，主要由空间电磁场在信号间耦合感应及由不平衡电路转换共模干扰所形成，此类干扰叠加在信号上，会造成系统测量与控制精度方面的影响。
2.2 系统干扰源的传导途径
干扰源是指电控系统所处的强电设备与强电电路构成的恶劣电磁环境中，电荷移动剧烈，会对PLC的精确控制造成影响的部位，包括高频振动、放电、冲击等多种干扰方式，其干扰途径包括以下几种：
2.2.1 空间辐射干扰
空间辐射干扰主要指由电气设备和电力网络的高频感应加热、暂态过程、无线电、雷电等作用形成的空间辐射电磁场。通常是由电路感应产生对PLC内部的辐射或由通信线路感应产生的对PLC通信网络的辐射。该类辐射分布相当复杂，并与现场设备布置及其磁场、频率大小有关。
2.2.2 系统外引线干扰
系统外引线干扰主要来自电源、各类信号以及接地。电源干扰是使PLC产生干扰故障的主要途径。PLC电源通常采用隔离电源，但由于分布参数，特别是分布电容的存在，干扰波仍不可避免地会进入系统。信号干扰主要包括共用信号仪表的供电电源与变送器供电电源串入的电网干扰和信号线受到空间电磁作用而引起的感应干扰，信号干扰会导致系统元件损伤等问题的发生。而接地干扰都是由于操作错误造成的接地混乱，使各个接地点电位分布不均，不同接地点间存在地电位差，引起地环路电流，从而影响了系统的正常工作。
2.2.3 其他干扰
PLC系统内部各元件及线路间也可能因元器件规格不匹配、逻辑电路相互辐射、逻辑地与模拟地相互影响等现象产生，由于这属于厂家对PLC设备电磁兼容设计的问题，因此必须在PLC购置之前，进行充分的考察和优选。此外，PLC运行中相邻变频器产生的谐波也可能导致电网电压畸变，从而使系统受到干扰。
3 控制系统中抗干扰技术的应用
要提高PLC的抗干扰能力，首先应采用性能可靠的电源。应选用电压波动小、波形畸变率低的电源，并采取下列技术措施提高其抗干扰性能：电源输入端应加接隔离变压器，由隔离变压器的输出端直接接向PLC；在其输入端加接低通滤波器，以过滤交流电源输入的高频干扰和高次谐波；可采用在线式不间断供电的方式，提高其干扰隔离性能。而对于变送器和共用信号仪表供电，应选择分布电容小、抑制带大的配电器。
其次，在选择动力与控制电缆时，应以铠装屏蔽电力电缆为首选，使动力线的电磁干扰降低，且应借由专线电缆传输不同类型的信号，不同类型的电缆则应以分层而非平行的方式进行隔离。敷设中，不得用使同一电缆的不同导线同时完成动力电源与信号的传送。
再次，应重视对接地位置的选择，并对接地方法进行严格的控制。PLC接地应采用专用接地极，严禁将其与电机设备或大功率晶闸管装置等共用接地系统。应尽可能缩短PLC与接地之间的距离，并使PLC各单元采用统一接地位置以确保各单元间具有相等的点位，PLC的输入、输出信号线所用的屏蔽层也应采用同一接地点。接地线长一般≤20m，截面积则应＞2mm2，接地电阻应＜4Ω。
此外，还应充分利用软硬件抗干扰技术与电子灭弧器等技术。以软件抗干扰技术为例，可采用延时确认，即对于开关量输入，可采用软件延时20ms，对同一信号作两次或两次以上读入，结果一致才可确认有效。或采取封锁干扰，如对PLC输出命令驱动大功率器件动作常会伴随产生火花、电弧等干扰信号等可预知类的干扰，可用软件封锁PLC的某些输入信号，适当延时后，再取消封锁。对于模拟信号可以采取软件滤波措施，目前的大型PLC编程大都支持SFC、结构化文本编程方式，以便于编制比较复杂的程序，完成相应的滤波功能。电子灭弧器则是专为PLC配用的电器产品，用来吸收电弧，有效滤除PLC干扰和吸收杂波，提高电子线路的可靠性及电磁兼容性。
参考文献
[1] 郭俊宇, 刘昆汶, 乔文治. PLC控制系统的抗干扰研究[J]. 包钢科技, 2011, (02).
[2] 荆明星, 罗建国, 杨伟豪, 王辉娜, 周祝青. PLC在煤矿提升机电控系统中的应用[J]. 华北科技学院学报, 2010, (04).
[3] 赵中敏. PLC控制系统的可靠性分析及其关键技术研究[J]. 机床电器, 2006, (04).
[4] 孙延永, 刘美侠. 提高PLC控制系统可靠性的措施[J]. 机电产品开发与创新, 2008, (03).
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。