王繼東 ,卿 慧,孫海玲,蘭翔龍
(1．鄭州工程技術學院 土木工程學院,河南 鄭州 450044;2.黃河交通學院 機電工程學院,河南 武陟454950)
可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controlle)簡稱PLC,實質是一種專用于工業控制的計算機,因其具有編程簡單、使用方便、功能豐富、可靠性高、維修方便及適用于惡劣的工業環境等諸多優點,而被廣泛應用于各種工程建設或工業過程的自動化控制系統中。近些年來,在建筑塔機中也得到了普遍應用。PLC電控系統的普及應用,克服了傳統繼電器-接觸器控制系統線路復雜、故障率高、維修不便以及使用壽命低的缺點,極大地提高了起重機工作的安全性、可靠性和工作效率。但是,任何事物都不是十全十美的,PLC電控系統的應用也是如此,近年來的工程實踐發現,建筑塔機的電控系統故障頻繁發生,而且非常難于根治,排障時很難查出線路原因,最終發現多是干擾信號導致的。建筑塔機工作環境惡劣,現場干擾信號紛雜多樣,各種干擾信號時時刻刻會對PLC電控系統產生影響和危害,嚴重時會造成建筑塔機PLC電控系統的故障,影響建筑塔機的正常運轉,甚至引起設備損害或人身傷害,給企業造成巨大經濟損失。因此,防止各類干擾信號對PLC電控系統的危害一直是廣大技術工作者非常關注的課題。
通過對近十年來建筑塔機PLC電控系統故障的案例實地調研發現,建筑塔機PLC電控系統的故障主要如下:
(1)PLC的I/O點會出現閃跳現象;
(2)操作工沒發出操作指令時,建筑塔機產生了誤動作;
(3)把操作信號電纜改道重新敷設之后,建筑塔機誤動作及I/O閃跳現象消失,一切恢復正常;
(4)操作工發出操作指令,建筑塔機沒有動作,經查PLC輸入輸出I/O點損壞。
圖1 是建筑塔機PLC電控系統的電氣原理簡圖。圖中,建筑塔機各種操作指令信號(SO1～SO3)接在PLC的輸入模塊輸入端口(I端口),PLC的輸出模塊的輸出端口(O端口)連接建筑塔機控制系統的控制繼電器(KC1～KC3)上。
圖1 建筑塔機PLC電控系統的電氣原理簡圖
在正常情況下,輸出點O的動作是隨輸入點I的變化而變化的,如果輸入點I沒接到操作工指令,I的狀態不變,輸出端O點的狀態就不會改變。如果I點受到干擾信號,干擾信號當達到I端口導通電壓時,就會引起O點發生狀態改變,導致建筑塔機的誤動作。
當干擾信號反復作用于I點時,就會造成O點的頻繁動作簡稱頻閃,PLC的頻閃動作會導致建筑塔機反復誤動作,嚴重時引起安全事故。
由于PLC的輸入輸出模塊都是微電子器件,當施加于I/O點外部干擾信號量能過大時,會導致I/O點燒毀,此時無論如何施加操作指令,I點都接收不到信號,O點也無法輸出信號了,建筑塔機就不能正常工作了。
當把操作信號電纜改道重新敷設之后,干擾信號消失或削弱,建筑塔機的誤動作故障就會自然消失,一切恢復正常。
從建筑塔機的PLC電控系統原理圖分析可知與上述故障現象完全吻合,證明上述故障現象多是干擾信號引起的。如果能夠屏蔽或消除干擾信號,建筑塔機的PLC電控系統的故障率就會大大降低。
建筑塔機主要用于工程建設的施工和安裝,其工作環境一般都比較惡劣,比如電源質量較差、高溫、高濕、多塵埃、多震動。同時還存在著各種各樣的干擾信號,從干擾源來看,有來自變頻調速裝置的干擾,有來自雷電的干擾,有來自電源的干擾,還有來自電焊機的干擾,另外還有靜電干擾等等。下面分別探討各種干擾源對建筑塔機PLC電控系統的影響和危害。
3.1 變頻調速裝置產生的干擾[1]
在眾多干擾源中,變頻調速裝置是對PLC電控系統影響最大的干擾源。為了改善塔機的工作性能,提高起重機工作效率,近年來,變頻調速裝置被廣泛應用在各類塔機的電氣控制系統中。無論從電氣連接還是空間位置來看,它與PLC電控系統的距離是最近的。因而,由他產生的干擾信號對PLC電控系統的影響也最大。
變頻調速裝置主要由整流電路和逆變電路構成,其工作原理是輸入的交流電壓經過整流電路和平波回路轉換成直流電壓,再通過逆變裝置把直流電壓變換成不同寬度的脈沖電壓 (稱為脈寬調制電壓簡稱PWM電壓)。利用這個PWM電壓去驅動電動機,就可以改變塔機各機構的驅動力矩和工作速度,從而改善塔機的工作性能。變頻調速裝置的結構組成和工作原理決定了在其工作時必然會產生大量的電磁干擾,他的干擾主要有以下三種類型:
(1)諧波干擾。整流電路會產生多次諧波電流,這種諧波電流在供電系統的阻抗上產生電壓降,導致電壓波型發生畸變,這種畸變的電壓對于連接于電路中的PLC等微電子設備產生危害。
(2)射頻傳導干擾。由于負載電壓為脈沖波形,因此變頻調速裝置從電網吸取電流也是脈沖波形,這種脈沖電流中包含了大量的高頻成分,形成射頻傳導干擾,危害連接于同一個電網中的PLC等微電子設備。
(3)射頻輻射干擾。變頻調速裝置的輸入電纜和輸出電纜通過的脈沖電流包含豐富的高頻電流的成分,電纜會像天線一樣,產生輻射電磁波,形成輻射干擾。危害電纜附近的PLC等微電子設備,而且距離越近影響越大。
3.2 雷電產生的電磁干擾[2]
其次就是雷電干擾的影響,建筑塔機大多都工作于戶外,雷電的干擾是不可避免的,雷電是來自大氣層中的頻繁且強烈的電磁干擾,對建筑塔機上的PLC等微電子設備的危害不可小覷。雷擊可分直接雷擊和間接雷擊,由于建筑塔機本體是金屬結構,相當于一個大型避雷器,而且在建筑塔機的頂端設有具有尖端放電功能的避雷針,所以直接雷擊的損害通常較小。對建筑塔機PLC電控系統的危害主要是間接雷擊產生的,間接雷擊也叫感應雷擊。一般的感應雷擊產生的過電壓大約在350～1600kV之間。間接雷擊的實質是雷電擊中建筑塔機附近的物體,將在被擊中物體附近的電線電纜中產生巨大的感應電壓,直接危害連接于電線電纜上的PLC等微電子設備,或者通過輻射危害電線電纜附近的PLC等微電子設備。雷擊產生的干擾是多方面的。首先,當雷擊發生時,會產生高能量沖擊干擾危及連接于電線電纜上的PLC等微電子設備;其次,避雷器在過電壓保護動作時,線路中的電壓、電流會發生迅速變化,此劇變也會產生耦合干擾危及電路中的PLC等微電子設備;最后,雷擊還會引起設備絕緣損壞,造成接地故障,引起電路的暫態響應,產生電壓電流波動和脈沖變化磁場危及PLC等微電子設備。另外,還會產生劇烈的空間磁場變化,產生磁場干擾危及附近的PLC等微電子設備。
3.3 來自現場電網電源的干擾[3]
在施工現場的電網中存在很多電容、電感等儲能元件,當開關操作或故障跳閘時,都會引起儲能元件工作狀態的突變,從而產生暫態響應。在電網的暫態響應過程中,將會產生數倍于電源電壓的操作過電壓,它的持續時間一般從幾毫秒到十毫秒。瞬間變化的操作過電壓,將會產生嚴重的電磁干擾,除過電壓產生的高能沖擊干擾外,暫態響應過程中會產生脈沖震蕩,將會危及連接于電網中的PLC等微電子設備。其中過渡過程的暫態高頻振蕩主要是通過容性耦合、感性耦合、阻性耦合三種耦合方式干擾線路中的PLC等微電子設備。另外,當脈沖振蕩的頻率很高時,還會產生輻射電磁場,對所有能夠接收到電磁波的PLC等微電子設備產生電磁干擾。
除此之外,由于電網中存在大量的諸如變壓器、整流器和逆變器等非線性的負載,他們除吸收電網的基波能量之外,還會產生各種諧波干擾危害連接于同一電網中的PLC等微電子設備。
3.4 電焊機產生的干擾[4]
眾所周知,電焊機(Electric welding machine)是施工現場的常用的焊接設備,而且數量非常龐大,一個較大的施工現場一般需要幾十臺甚至逾千臺的電焊機用于金屬結構的焊接安裝工作,所以電焊機也是施工現場影響較大的干擾源。
電焊機的工作原理是利用其輸出端的正負兩極在瞬間短路時,產生溫度極高的電弧來熔化電焊條上的焊料和被焊材料,使被焊接的兩部分結構緊密地結合為一體。電焊機實質上就是具有下降外特性的變壓設備,它將220V或380V工頻交流電變為焊接所需要的電源。按其輸出電源的類型可分為直流電焊機和交流電焊機兩種。
交流電焊機的輸出是交流電源,相當于是一臺外特性下降的變壓器。而直流電焊機的輸出是直流流電源,可以說是一個大功率的整流器,交流電輸入時,經變壓器變壓后,再由整流器整流,然后通過正負兩個輸出電極輸出具有下降外特性的直流電源。
無論是直流電焊機還是交流電焊機,都是靠輸出端的兩個電極短路時引燃電弧,并利用電弧的高溫來熔化電焊條和焊材,實現焊接的目的。兩極短接的時候,必然伴隨電流急劇增加和電壓急劇下降的突變過程,電路中的電流變化率(di/dt)和電壓變化率(dv/dt)極大,必然產生極大的電磁干擾。
對直流電焊機來說,它是由整流橋、濾波電容器等大功率器件構成, 整流二極管導通時間較短,濾波電容充電電流瞬時峰值大,電流波形為近似尖脈沖,使50Hz正弦電流波形發生畸變,產生諧波電流。造成電網污染。而當前最先進的逆變直流電焊機,內部還具有大功率逆變器,逆變器大多采用了PWM脈沖寬度調制技術,逆變模塊高速通斷時,同樣會產生大量電磁干擾信號。這些干擾信號,通過傳導方式或空間耦合方式,污染施工現場的電網電源,進而危害建筑塔機上的PLC等微電子設備。
3.5 其他干擾源
除上述四種危害較大的干擾源之外,在建筑塔機上還存在嚴重的靜電干擾。塔機上的電線電纜等大電流導體,產生的瞬變電場,還會通過導體和電子設備之間的雜散電容,耦合到PLC的電源電路中形成靜電干擾。塔機開關設備及變頻調速器等在切斷感性負載電流時也將產生較強的靜電干擾。在靜電起電-放電過程中,有時會形成瞬態大電流和電磁脈沖(EMP),產生頻譜很寬的電磁輻射場。給受擾設備造成危害。
由于建筑塔機常工作戶外高空位置,摩擦起電產生的靜電干擾也非常大,尤其是,氣候干燥和大風的時候,會產生嚴重的靜電干擾,甚至會導致建筑塔機PLC電控系統的誤動作。
此外,在積累靜電荷的物體周圍,存在著靜電場,靜電場可以使介質極化,在庫侖力作用下,懸浮在空氣中的塵埃被吸附在建筑塔機的電力電子器件上,影響器件的散熱和開關結點的接觸電阻,可能會導致器件發熱損壞,有的吸附的一些導電性塵埃還會會引起線路短路,造成更多危害。
建筑塔機工作現場的各種干擾源產生的各類干擾信號時時刻刻會對PLC電控系統產生影響和危害,干擾信號雖然紛雜多樣,但其對PLC電控系統的干擾途徑,主要有傳導傳輸方式和輻射傳輸方式兩種。要想消除干擾信號的影響,就要對這兩種方式分別采用相應的消除對策。下面針對建筑塔機干擾信號的特點給出PLC電控系統的抗干擾策略。
4.1 變頻調速裝置干擾危害的抑制措施[5]
正如3.1節所述,變頻調速裝置是起重機PLC控制系統最大的干擾源,為此解決好變頻調速裝置的干擾尤為重要,在建筑塔機的PLC電控系統中,通常采取以下三種措施:
(1)在變頻調速裝置進線端,增設進線電抗器或進線濾波器。進線電抗器可以增加供電電源的內阻抗,阻礙電流突變,抑制含量較高的低頻諧波電流干擾。進線濾波器是通過增加電源輸入端阻抗,降低變頻調速裝置的輸入端阻抗,使大部分高頻諧波電流回流到變頻調速裝置,從而抑制變頻調速裝置對電源及周圍電氣設備的干擾。
(2)隨著變頻調速裝置與塔機電動機之間電纜長度的增加,其分布電容增大,會造成變頻調速裝置輸出的容性尖峰電流過大從而對周圍設備產生電磁干擾。當電纜長度超過50m時,需要考慮在輸出側增設輸出電抗器或正弦波濾波器等裝置,限制這種容性尖峰電流產生的電磁干擾。
(3)當變頻調速裝置到塔機電動機的輸出主電纜長度較長或變頻調速裝置到PLC電控系統距離較近時,干擾會比較嚴重,可采用屏蔽型主電纜以減少輻射干擾,并在變頻調速裝置側和塔機電動機側兩端接地,以減少對周圍設備的電磁干擾。
4.2 PLC供電電源的抗干擾措施
長期的工程實踐發現,PLC所受的干擾約70%的成分是通過電源線耦合進來的,因此要削弱干擾信號的影響,要對PLC供電系統采取合適的抗干擾措施。
首先,在電源模塊的選擇方面,要選擇高品質、具有隔離性能的供電電源模塊,并且在電源模塊的輸出端,接入抗干擾能力較強的濾波器,然后,在通過隔離變壓器隔離后再與PLC的電源入口相連。
其次, PLC電控系統的I/O設備應分別采用各自獨立的供電設備供電。條件許可時,也可以選用在線式不間斷供電電源來阻斷干擾信號的侵擾。
通過這些綜合的硬件處理措施,可以有效地避免各種干擾信號對PLC供電電源的干擾,提高建筑塔機PLC電控系統的可靠性。
4.3 PLC裝置I/O信號的抗干擾措施
干擾信號通過I/O設備的輸入輸出信號線傳導進入電路系統,造成的損害占比很大,為減少這方面的損害,可采取以下硬件措施:
(1)當I端口(PLC的輸入端口)接入的元件為感性元件時,直流電路可以通過并聯續流二極管的措施,交流電路采用并聯RC濾波電路的措施,來抑制干擾信號對I端口的沖擊損害。
(2)當O端口(PLC的輸出端口)連接的負載為感性負載時,對于交流負載,可以通過在負載兩側并聯RC浪涌抑制器或者是壓敏降壓電阻來抑制過電壓信號干擾危害,對于直流負載,可以通過在負載繼電器線圈兩端并聯續流二極管的方法解決。
(3)傳輸I/O信號的電纜線距離過長時,可在I/O信號電纜的兩端,設置光電耦合進行隔離,將線路浮置,切斷干擾信號竄入PLC設備的途徑,從而抑制干擾信號的影響,或者在PLC裝置側通過中間繼電器進行隔離。
4.4 采取完善的接地措施抑制干擾信號的危害[6]
建筑塔機本體是由鋼結構組合體,PLC電控系統全部安裝在設備機臺(機器的平臺)上,通常把建筑塔機本體結構當作接地導體,最終導致接地點只有一個,主電路和控制電路的接地點無法分離,會引起線路間產生雜散電流(迷流),致使PLC電控系統工作不穩定。同時變頻調速裝置與PLC電控系統共地,也會加劇了對PLC電控系統的干擾。鑒于建筑塔機接地的特殊性,很有必要對接地系統采取如下特殊措施:
(1)PLC供電隔離變壓器的二次側與PLC等控制系統采用懸浮接地,切斷兩部分的地線聯系,避免雜散電流的干擾。
PLC的供電電源模塊的一次側和二次側分別加裝可靠接地的屏蔽層;與電源模塊連接的輸入電源線和輸出電源線采用雙絞線連接,并且要求屏蔽層可靠接地;各個I/O設備供電電源的電源線也必須可靠接地,并與總電源電路分開敷設。
(2)用編制銅網以最短距離把變頻調速裝置的外殼與起重機金屬結構可靠連接,以減少變頻調速裝置對周圍電子設備的輻射干擾影響。
(3)為保障中性點電位的穩定,避免中性點電位漂移,對電源供電系統宜采用TN-S系統供電。如果條件有限,無法采用TN-S系統,可在電源配電箱內把TN-C系統轉換為TN-S系統,即采用TN-C-S系統。
(4)I/O信號電纜的屏蔽層要求按下述方法可靠接地。數字信號優先采用信號接收端單端接地方式,模擬信號優先采用PLC側單端接地的方式。抗干擾效果不好時,可考慮兩端懸浮接地,或采用雙層屏蔽電纜的措施(外層采用兩端接地,內層采用單端接地)。
4.5 設備和電纜敷設保持安全距離
(1)在設備安裝時,盡量使變頻調速裝置和PLC設備保持一定的安全距離,以消除變頻調速裝置對PLC設備的輻射干擾。
(2)在敷設電纜時,要注意動力電纜和控制電纜之間盡量保持≮30cm的間隔,如果不能滿足時,可采用金屬管道或金屬線槽隔開彼此,減少電纜絞合,弱化電場耦合,降低電磁干擾。控制系統的電源線、開關量信號線和模擬量信號線不要采用同一根電纜,應盡量分開布線,交、直流信號線也應分別布線。
近年來,伴隨著我國由制造業大國向制造業強國快速邁進的進程,PLC等微電子產品在建筑塔機中的應用越來越普及,建筑塔機的工作性能也越來越優越。但是,由于塔機工作場所的各種干擾信號比較嚴重,時時刻刻都會對塔機PLC系統產生干擾和危害,影響了建筑塔機的正常可靠運行,提高PLC電控系統抗干擾能力已成為廣大建筑塔機用戶亟待解決的問題。本文通過對建筑塔機工作現場的各種干擾源的探討,詳細分析了各種干擾源對PLC電控系統的影響和危害,給出了綜合的抗干擾對策和方法。經過多年的實踐驗證,這些對策和方法對提高建筑塔機PLC電控系統的抗干擾能力、增強系統可靠性及降低系統故障率是行之有效的。在不久的將來,隨著物聯網技術和量子通信技術的工業化應用,并逐步應用于建筑塔機的PLC電控系統,建筑塔機PLC電控系統的抗干擾能力將會得到更大的提升,建筑塔機的運行性能、安全可靠性也將會得到更大提高。
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