1 引言
隨著科學技術的發展，PLC 在生產控制中的應用越來越廣泛，PLC 控制系統的安全可靠性直接影響到企業設備的安全生產和經濟運行，控制系統的抗干擾能力是關係到整個系統可靠運行的關鍵。鞍鋼新 4 號高爐所使用的 PLC ，有的是集中安裝在控制室，有的是安裝在生產現場機旁控制柜上，它們大多處在強電電路和強電設備所形成的惡劣電磁環境中，很容易被周圍電磁干擾源干擾而引起控制系統產生誤動作，影響系統的正常工作，因此必須高度重視系統的抗干擾性。為防止干擾，鞍鋼新4 號高爐採用了硬體和軟體相結合的抗干擾方法，有效地增強了系統的抗干擾性能。
2 PLC控制系統在運行中的電磁干擾分析
鞍鋼新 4 號高爐於 2007 年5 月投產，高爐上料系統是採用德國西門子公司的PLC 控制系統，對整個高爐生產過程進行監控，該系統投入運行后，發現皮帶運輸機、配料系統等所控制的現場設備經常出現誤動作，如該停車時這些設備沒有停車，不應該啟動反而啟動，這時設備的運行反饋信號輸入到PLC 控制系統中，在監視屏幕上顯示它們確在停止，移動可逆皮帶機的行走小車移開原來位置后，原來位置的位置信號仍然顯示在監視屏幕上不消失，通過皮帶電子秤採集配料系統下料量，輸入到PLC 控制系統中的下料量數值與實際皮帶電子秤標定的數值有很大誤差，這些異常現象嚴重影響高爐的正常安全生產與穩定運行。經過認真分析，發現電磁干擾產生的原因如下。
（1）來自空間的電磁輻射干擾：由於高爐上料 PLC 控制系統主要集中安裝在現場的強電電路和強電設備所形成的惡劣電磁環境中，電磁干擾很容易引起控制系統產生誤動作，影響系統的正常工作。電磁場主要由電力網路、電氣設備、雷電、大型整流設備等產生，通常稱為電磁輻射干擾。新4 號高爐因場地受限制，使電氣設備、電子設備高密度使用，使空間電磁波污染非常嚴重，這些干擾源產生的輻射波頻率範圍廣，且無規律。而且該車間的 PLC 恰恰置於其輻射場內，其信號、數據線和電源線即可充當天線接受輻射干擾，造成對 PLC 控制系統的干擾，此種干擾與現場設備布置及設備所產生的電磁場的大小有關，特別是與頻率
有關。
（2）來自電源的干擾：新 4 號高爐的 PLC 控制系統由供電網路供電。該供電網路系統中的某些大功率設備的啟動、停機等經常引起電源過壓、欠壓、浪涌及產生尖峰干擾，這些來自電源的干擾均會通過電源內阻耦合到 PLC 控制系統的電路，給系統造成極大的危害。
（3）來自信號傳輸線上的干擾。與 PLC 控制系統連接的各類信號傳輸線，除了傳輸有效的各類信息之外，總會有外部干擾信號侵入。由信號線引入的干擾會引起I/O 信號工作異常，產生虛假信號，使測量精度大大降低，嚴重時將引起元器件損傷。若系統隔離性能較差，還將導致信號間互相干擾，引起共地系統匯流排迴流，造成邏輯數據變化、誤動作甚至電腦死機。
（4）來自接地系統混亂的干擾。接地是提高電子設備電磁兼容性的有效手段之一。正確的接地，既能抑制電磁干擾的影響，又能抑制設備向外發出干擾。而錯誤的接地，就會引入干擾信號，使PLC 系統將無法正常工作。
PLC 控制系統的地線包括系統地、屏蔽地和保護地等。接地系統混亂對PLC 系統的干擾主要是各個接地點電位分佈不均，不同接地點間存在地電位差，引起地環路電流，影響系統正常工作。通過檢查，發現在新4 號高爐地線施工過程中，由於工期緊，片面追求施工進度，施工單位沒有按地線施工規範施工，造成系統地、屏蔽地和保護地混亂，接地電阻值不符合要求，有的電纜屏蔽層不是一點接地，而是電纜屏蔽層兩端A、B 都接地或不接地，就存在地電位差，有電流流過屏蔽層，地線電流將更大。此外，在這種情況下屏蔽層、接地線和大地有可能構成閉合環路，在變化磁場的作用下，屏蔽層內有時會出現感應電流，通過屏蔽層與芯線之間的耦合，干擾信號迴路。系統地與其他接地處理混亂，所產生的地環流就可能在地線上產生不等電位分佈，影響 PIC 內邏輯電路和模擬電路的正常工作。PLC 作的邏輯電壓干擾容限較低，邏輯地電位的分佈干擾容易影響 PLC 的邏輯運算和數據存貯，造成數據混亂、電腦死機。模擬地電位的分佈將導致測量精度下降，引起對信號測控的嚴重失真和誤動作。
3 主要抗干擾改進措施
針對以上情況，對新 4 號高爐的 PLC 控制系統採取了如下抗干擾改進措施
(1) 電磁輻射的抗干擾措施：現在防範電磁輻射方法很多，其一有用金屬的屏蔽網和含金屬的屏蔽玻璃，這兩樣東西都能很好的對電磁輻射起到過濾隔離作用。特別提醒的是，使用金屬的屏蔽網和含金屬的屏蔽玻璃的必須連接接地線，通過地線把電磁輻射傳到地下。其二合理設計電氣線路，採用同塔雙回或多回架設技術，配線分離，有利於減少電磁輻射的影響，合理布置導線的相序，或採用緊湊型線路，選用合適相序排列，而使其各相產生的電磁輻射相互抵消。
(2)電源部分的抗干擾措施：電源波動造成的電壓畸變或毛刺，將對PIC 及I/O 模塊產生不良影響。據統計分析，PLC 系統的干擾中有 70 ％是從電源耦合進來的。為了抑制干擾，PLC 供電系統採用如下方式：控制器和 I/O 系統的電源分別由各自的隔離變壓器供電，並與主電路電源分開。當某一部分電源出了故障時，而不會影響其他部分，提高了系統的可靠性。
（3）外部配線的抗干擾措施；外部配線之間存在著互感和分佈電容，進行信號傳送時會產生干擾。為了防止或減少外部配線的干擾，交流輸入、輸出信號與直流輸入、輸出信號分別使用各自的電纜，而且要使用屏蔽電纜，屏蔽電纜在現場設備側要懸空，在PLC 控制櫃側要接地。配線時在 30m 以下的短距離，直流和交流輸入、輸出信號線最好不要使用同一電纜，如果要走同一配線管時，輸入信號要使用屏蔽電纜。30～300m距離的配線時，直流和交流輸入、輸出信號線要分別使用各自的電纜，並且輸入信號線一定要用屏蔽線。對於300m以上長距離配線時則用中間繼電器轉換信號。對於PLC 控制器的接地線要與電源線或動力線分開，輸入、輸出信號線要與高電壓、大電流的動力線分層敷設。
（4）接地抗干擾措施：接地在消除干擾上起很大的作用，良好的接地是保證PLC 可靠工作的重要條件之一，可以避免偶然發生的電壓衝擊危害。為了抑制附加在電源及輸入、輸出端的干擾，應給PLC 接以專用地線，接地線與動力設備（如電動機）的接地點分開，用一根大截面銅母線（或絕緣電纜）連接各裝置的櫃體中心接地點，然後將接地母線直接連接接地極。接地線採用截面大於25mm2的銅導線，總母線使用截面大於 60mm2的銅排。接地極的接地電阻小於1?，接地極埋在距建築物10 ～15m 遠處，而且 PLC 系統接地點必須與強電設備接地點相距 10m 以上。
信號源接地時，屏蔽層應在信號側接地。不接地時，應在PLC 側接地。信號線中間有接頭時，屏蔽層應牢固連接並進行絕緣處理，一定要避免多點接地。
（5）軟體抗干擾措施：儘管硬體抗干擾可濾除大部分干擾信號，但因干擾信號產生的原因很複雜，且具有很大的隨機性，很難保證系統完全不受干擾，因此往往在硬體抗干擾措施的基礎上，採取軟體抗干擾技術加以補充，作為硬體措施的輔助手段。軟體抗干擾方法設計簡單、修改靈活、耗費資源少，在PLC 測控系統中同樣獲得了廣泛的應用。如：1）指令重複執行：指令重複執行就是根據需要使作用相同的指令重複執行多次，一般適用於開關量或數字量輸入、輸出的抗干擾。在採集某些開關量或數字量時，可重複採集多次，直到連續 2 次或 2 次以上的採集結果完全相同時才視為有效。若多次採集后，信號總是變化不定，可停止採集，發出報警信號。在滿足實時性要求的前提下，在各次採集數字信號之間插入一段延時，數據的可靠性進一步提高。如果在系統實時性要求不是很高的情況下，其指令重複周期儘可能長些。2）數字濾波：在壓力、溫度、流量和皮帶電子秤重量信號的採集過程中，存在隨機干擾而可能使被測信號的隨機誤差加大。針對這種情況，可以採用數字濾波技術，該方法具有可靠性高和穩定性好的特點。數字濾波的常用方法有程序判斷濾波法、中值濾波法、算術平均濾波法、遞推平均濾波法等，我們現在採用的是算術平均濾波法。
4 結束語
PLC 控制系統中的干擾是一個十分複雜的問題，因此應綜合考慮各方面的因素，對有些干擾情況還需做具體分析，採取對症下藥的方法，才能夠使PLC 控制系統正常工作。對新4 號高爐的PIC 控制系統採取了上述抗干擾改進措施以後，消除了輸入到PLC 控制系統中皮帶運輸機、配料系統等所控制的現場設備的虛假開關量信號，並且使輸入到PLC 控制系統中壓力、溫度、流量和皮帶電子秤重量信號測量誤差大大降低，提高了系統的控制精度和運行穩定性，取得了預期的效果，為新 4 號高爐的安全生產穩定順行提供了保證。
