基于锌电积智能行车PLC控制系统在强磁场环境中的抗干扰分析与研究.pdf

第32 卷增刊12023年6 月文章编号：10 0 4-40 51(2 0 2 3)S1-0263-04基于锌电积智能行车PLC控制系统在强磁场环境中的抗干扰分析与研究中国矿业CHINA MINING MAGAZINED0I:10.12075/j.issn.1004-4051.20230389Vol.32,Suppl 1June2023彭强，太旭维，姜智，姜勇3（1.云南驰宏锌锗股份有限公司会泽冶炼分公司，云南会泽6 542 12；2.青岛港湾职业技术学院智能制造学院，山东青岛2 6 6 40 4；3.北矿机电科技有限责任公司，北京10 0 16 0）摘要：以有色冶金行业某锌电积智能行车中所应用到的西门子PLC控制系统为研究对象，基于其现场真实应用工况所处的强磁环境，对控制系统受到现场复杂干扰因素影响导致的通信故障进行分析与研究，为相关工程技术人员防范PLC控制系统所受外部干扰与提升系统EMC电磁兼容性能提供了现场解决方案，具有一定的现实指导意义。关键词：锌电积；强磁环境；控制系统；干扰；EMC中图分类号：TD5；T P2 7 3Analysis and research on anti interference of the intelligent crane PLC control systembased on zinc electrodeposition in strong magnetic field environment(1.Huize Smelting Branch of Yunnan Chihong Zn&Ge Co.,Ltd.,Huize 654212,China;2.Qingdao Harbor Vocational and Technical College,School of Intelligent Manufacturing,3.BGRIMM Machinery&Automation Technology Co.,Ltd.,Beijing 100160,China)Abstract:This article takes the Siemens PLC control system applied in a zinc electrowinning intelligentcrane in the non-ferrous metallurgical industry as the research object.Based on the strong magneticenvironment in which the control system is actually applied on site,the communication faults caused bycomplex interference factors on site are analyzed and studied.It provides on-site solutions for relevantengineers and technicians to prevent external interference of PLC control system and improve EMCperformance of the system,which has certain practical significance.Keywords:zinc electrowinning;strong magnetic environment;control system;interference;electromagnetic compatibility改革开放以来，随着我国经济突飞猛进的发展，自动化控制系统在各行各业运用越来越广泛，有效降低了劳动力，节约了大量的成本1-2 1。在国内的有文献标识码：APENG Qiang，T A I Xu w e i ,JI A NG Zh i?,JI A NG Yo n g?Qingdao266404,China;色冶炼行业中，由于自动化控制技术介人较晚，用于生产加工的自动化设备较少，而且大部分自动化设备依靠进口，大大制约了冶炼行业整体整体装备水收稿日期：2 0 2 3-0 4-2 7基金项目：工业和信息化部智能制造专项“新型稀土铝锌合金智能生产系统及示范应用”资助（编号：2 0 17 AA03)第一作者简介：彭强（198 9一），男，汉族，湖南汉寿人，工程师，主要负责电气及自动控制工作，E-mail：t e mp _c h x z 16 3.c o m。引用格式：彭强，太旭维，姜智，等.基于锌电积智能行车PLC控制系统在强磁场环境中的抗干扰分析与研究JI.中国矿业，2 0 2 3，32（S1）：263-266,271.PENG Qiang,TAI Xuwei,JIANG Zhi,et al.Analysis and research on anti interference of the intelligent crane PLC control system based on zincelectrodeposition in strong magnetic field environmentJJ.China Mining Magazine,2023,32(S1):263-266,271.责任编辑：宋菲264平的发展。为了企业加快实施“机械化换人、自动化减人、智能化无人”工程，近年来，铅锌有色冶炼行业某公司自动化装备技术应用与开发工作再上新台阶，为促进行业设备技术水平的发展以及推进装备国产化的进程产生了积极影响。该公司在项目建设初期引进了大量国外进口技术与设备，大量生产线采用过程全自动化生产。其中，锌电积生产工艺流程所涉及的阴阳极板装取槽、锌片剥离、锌片堆垛均采用国外引进的设备机组，实现了全自动运行。目前，自动化已经成为冶金工艺的一个重要组成部分，冶金自动化也正是靠着本身的实力与优势不断提升在生产中的地位与作用3。该公司目前拥有两台锌电积智能行车，采用西门子S7-300系列PLC控制系统作为核心控制部分，具有功能强、通用性好、编程简单、易于扩展等优点。PLC自动控制系统的可靠性直接影响到企业的安全生产和经济运行，系统的抗干扰能力是关系到整个系统可靠运行的关键。PLC中采用了高集成度的微电子器件，可靠性较高，但由于使用时，锌电积生产现场的工作环境恶劣，整个电解槽周围都具有强烈的电磁场，大大降低了PLC控制系统的可靠性4。为了确保控制系统稳定工作，提高可靠性，中国矿业必须对系统研究并采取一定的抗干扰方法和措施。1锌电积智能行车PLC控制系统简介该公司锌电积生产工艺流程所投用的两台智能行车，为国内某起重机械公司设计制造，其PLC控制系统为西门子 S7-300系列，采用PROFIBUS-DP总线型拓扑结构，ET200M从站和现场激光测距仪、变频器等设备均采用PROFIBUS通讯电缆进行连接，其网络结构如图1所示。图1中的PLC控制系统中的CPU、变频器、ET200M从站及Profibus-DP通信网络中的激光测距仪、无线遥控信号接收网关，以及相关传统继电控制回路中的电气设备全部集成安装在现场行车顶部。锌电积智能行车在运行过程中行驶在锌电解槽上方，环境中具有较大的辐射电磁干扰，使得锌电积智能行车PLC控制系统也长期处于复杂的电磁干扰环境中。PLC控制系统所控制的电气元器件随锌电积智能行车来回反复运行，本体抖动较大，会造成PLC信号模块松动、通讯线路磨损、DP通讯接头松动，甚至出现电气元器件损坏的情况，从而导致过程信号不稳定、设备通讯中断、从站通信丢失、设备停机。此外，由于锌电积智能行车所处的工作环境酸雾较大，其PLC控制系统会受到酸雾锈蚀，对通讯线路屏蔽网层、DP接头金属部分等均会造成不同程度的锈蚀而产生通讯故障。第32 卷行车顶部PROFIBUS电缆CPUPROFIBUS电缆PROFIBUS电缆PROFIBUS电缆PROFIBUS电缆PROFIBUS电缆PROFIBUS电缆升降电机ET200M变频器图1国产智能行车PLC硬件网络拓扑结构图Fig.1 Hardware network topology structure of domestic intelligent driving PLC2锌电积智能行车PLC控制系统干扰源分析2.1电解槽面的强电磁场干扰在锌电积生产工艺过程中，为了提高电解直流电效，降低生产成本与产品吨单耗，锌电解槽运行电流需在安全稳定的前提下不断调整，在电解槽母线、阴、阳极板间形成的电磁场，将直接影响PLC控制系统的通讯质量，甚至损坏PLC内部的半导体元器件。强电磁场也会干扰PLC的I/O信号，常用的1/O信号一般为开关量或模拟量，受到干扰后信号大车行走电机变频器的电平会发生改变，其波形发生形变，使得逻辑数据发生变化，设备误动作甚至停机。强电磁场形成的干扰常作用于信号线及其回线之间。一般通过电路耦合、感应耦、电磁辐射产生干扰电压或电流，从而影响PLC控制系统。2.2对地电位差引起的干扰在自动化设备现场，我们把接地分为保护接地、工作接地、屏蔽接地以及防雷接地等5。各个接地点的电位分布不均，不同接地点之间存在地电位差，主侧激光辅侧激光无线遥控器测距仪测距仪增刊1从而在接地线或屏蔽线上产生电流，通过屏蔽线与信号线线芯之间产生的耦合，会造成PLC的I/O信号发生改变。由于行车在取装槽过程中，如果智能行车整体绝缘性能发生改变或绝缘性能下降、接地线损坏等，会使得行车整体金属部分带电，对地电压较高或直接与地间接导通后形成回路，产生电流，干扰PLC控制系统，甚至造成电器元件损坏。该公司的两台智能行车在设计上虽然采用了大量绝缘设计，并严格对行车各部分进行等电位设计，但由于长期处于酸性锈蚀环境，行车绝缘部分锈蚀损坏、等电位线缆锈蚀断裂等，都会不同程度引起行车产生对地产生电位差，进而干扰PLC控制系统。2.3PLC系统内部产生的干扰这种干扰产生的主要原因是系统内部元器件及电路之间的相互电磁辐射。由于PLC控制系统全部设计安装在行车顶部，造成部分设备动力电缆与控制电缆无法按规范进行敷设，电磁干扰严重，造成PLC控制系统受到干扰。2.4信号线的干扰信号线的干扰可以分为差模干扰与共模干扰。信号线的差模干扰是信号在传输的过程中因外力的影响而叠加在信号上的无用信号，差模干扰信号的存在会影响设备的误动作或者是信号的采集6 。在具体的现场应用中可以采用低通滤波器、信号隔离器进行有效抑制。共模干扰是干扰电压出现在仪表任一输人端(正端或负端)对地之间产生的交流信号，可以采用等电位屏蔽方式消弱影响。彭强，等：基于锌电积智能行车PLC控制系统在强磁场环境中的抗干扰分析与研究driving interference faults序号故障位置行车振动造成DP接头固定1DP通讯接头故障螺栓松动2DP接头锈蚀损坏行车振动造成通讯电缆磨损3PROFIBUSDP电缆故障4酸雾锈蚀造成通讯电缆锈蚀5模块DP接口行车振动造成DP接口损坏6故障3锌电积国产智能行车PLC控制系统抗干扰研究通过以上对锌电积智能行车PLC控制系统干扰源进行分析，在经过系列探索与实验验证后，形成如下方案对原锌电积智能行车PLC控制系统进行优化，具体情况如图2 所示。2652.5智能行车PLC控制系统故障统计表1是近两年时间内国产智能行车故障情况统计表。通过表1的统计结果并结合上文对干扰源的分析，在图1中锌电积智能行车将所有电气元器件布置于行车顶部的方案为确保系统通信稳定增添了困难，需优化和改进。另外，智能行车运行过程中的摆动会加速电气元器件接口区域的磨损、现场酸雾进一步加速设备锈蚀，使得通讯线路或通讯接口频繁损坏，引起PLC通讯故障。表1国产智能行车干扰故障统计表Table 1Statistical table of domestic intelligent故障原因断裂酸雾锈蚀造成DP接口锈蚀故障次数统计4次2次3次2次1次2次行车顶部MCC室PROFIBUS电缆CPUPROFIBUS电缆升降电机变频器Fig.2Topological structure of the hardware network of the improved domestic intelligent driving PLC与图1中的原组网模式对比，图2 将原单一PROFIBUS-DP总线组网模式优化为光纤与PROFIBUS-DP总线结合的组网模式，使得能满足可靠通信要求的各站点之间的物理距离可以大幅扩展。首先，通过把安装在行车上的PLC控制系统1111光纤光电转换器光电转换器PROFIBUS电缆1111111大车行走1电机变频器1图2 改进后的国产智能行车PLC硬件网络拓扑结构图PROFIBUS电缆PROFIBUS电缆PROFIBUS电缆主侧激光辅侧激光ET200M测距仪CPU主站、升降电机变频器、大车行走电机变频器整体迁移至附近MCC控制室内，各从站通过PROFIBUS电缆与CPU之间进行通信连接。由于上述设备受行车行走时产生的摆动、酸雾锈蚀、电磁场干扰等复杂因素综合叠加后将直接影响PLC控PROFIBUS电缆测距仪无线遥控器PROFIBUS电缆266制系统的稳定运行，将其迁移后，设备与系统的电气、物理环境均得到了优化与改善。原ET200M从站、主辅侧激光测距仪、无线遥控信号接收网关安装至密封、防护等级更高的控制柜内，控制柜固定于行车顶部。其次，通过PROFIBUS电缆相互连接，再通过光电转换器使用多模光纤与MCC室内的站点进行通信连接，由于光传输信号相对电流、数字传输信号，其受电磁场干扰影响较小，信号传输距离远、信号无衰减，能更好地实现CPU与现场各从站间的信息传输。为了满足实时通信的基本要求，必须对令牌循环时间进行精确的计算，以对令牌循环时间进行合理的设置，提高现场总线的实时性能7-9。另外，还需根据PROFIBUS-DP总线电缆的长度，应合理设定波特率。此外，通过采取一些完善措施来进一步改进PLC控制系统在现场的抗强磁干扰能力。1）规范电缆敷设。为避免电磁干扰，包含仪表接线的电缆桥架通常部包含供电电缆10-11。将PLC的电源线缆与控制系统动力设备电源线缆分开走线，并采用耐锈蚀的塑料绝缘电缆桥架分开铺设，并加盖板封闭，所有的控制电缆均采用带屏蔽层双绞线电缆，屏蔽层汇集到配电柜内的屏蔽接地汇流排上。双绞线外围包裹连续屏蔽层，通常用金属箔材料以将双绞线之间的电磁干扰减到最小。2）可靠接地。确保系统接地电阻满足42；PLC控制系统机柜中的接地母线与系统PE线进行可靠连接；电气设备PE端子与接地母线进行可靠连接；检查机柜金属外壳、设备安装背板与接地母线进行可靠连接12 。3）信号隔离。对PLC控制系统中涉及的模拟量信号，采取安装信号隔离器，将输入输出信号线路与PLC系统隔离，有效地消弱环境噪声对测试电缆的影响。4）强化屏蔽处理。在CPU安装底板上加装一块等电位屏蔽板，并敷设一根12 mm铜质导线将底板与PLC控制系统柜中的保护接地母排连通，从而构成等电位屏蔽体，一定程度上消除外部电磁干扰。5）规范接线。检查更换紧固所有的PROFIBUS-DP插头，剪短过长的PROFIBUS通讯电缆，并确保电缆的屏蔽层与PROFIBUS-DP插头的接地金属片充分接触，保证通讯网络多点接地13-141。6）等电位防护。检查更换行车所有的等电位线，并对行车涂抹绝缘漆，确保行车取装槽时电解槽上的直流电流不会流到行车上，保证行车各点电位相等。中国矿业7）信号放大。在位于MCC室内的PROFIBUS-DP通讯线路加入RS485中继器，对PROFIBUS-DP网络进行隔离、分割，从而减少从站之间相互间的干扰。也可以对信号进行放大，延长信号的传输距离15 。8）物理减震。在行车上配电柜底部增加减震胶垫，即能起到电气柜与行车绝缘的作用，又能减少行车运行时配电柜的振动，防止通讯线路、接头出现松动、磨损。4结语基于现场工程项目实际与所遇到的真实情况，系统分析了锌电积智能行车PLC控制系统的干扰源，并全面结合现场强磁环境、酸雾对相关设备的锈蚀等综合因素，研究了全面改进抗干扰的方法，通过对锌电积智能行车PLC控制系统抗干扰改进方法的应用，改善了PLC控制系统通讯质量，有效解决了锌电积恶劣环境中,PLC控制系统网络通讯的间隙性、无规律闪断问题。自改造结束以来，锌电积两台国产智能行车运行过程稳定，未发生过类似通信故障或停机事件，方法极大提高了通讯网络的可靠性和抗干扰能力。该方法在类似工况环境的工程实践领域具有广阔的应用前景。参考文献1崔坚.西门子S7可编程序控制器：STEP7编程指南M.北京：机械工业出版社，2 0 0 9.2廖常初.S7-300/400PLC应用技术MJ.北京：机械工业出版社，2 0 11.3 曾波.自动化技术在冶金行业中的现状和发展趋势J.山西冶金，2 0 14（5)：6-7,6 6.ZENG Bo.The status and development trends of automationtechnology in metallurgical industryJJ.Shanxi Metallurgy,2014(5):6-7,66.4廖常初，祖正容.西门子工业通信网络组态编程与故障诊断M.北京：机械工业出版社，2 0 0 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可知，通过两种控制器的响应曲线对比可以看出，单神经元控制器的输出响应的提升效果主要体现在超调量、稳态误差和响应时间等方面，但更重要的是当系统在正反两个方向运动、系统参数发生变化时，系统响应输出曲线依然保持着较高的对称性，而传统PID控制器是不具备该性能。3应用实例在国内某冶炼厂剥锌机将上述研究成果，即单神经元控制器模型应用于主剥离阀控非对称液压系统，与原传统PID控制器进行了对比，通过实际测量主剥离单元的运行速度及液压缸伸出与缩回的时间，发现主剥离单元双向运行速度曲线平滑，具有极高的对称性，速度差值在1%以内，较好的满足了主剥离单元运行过程中所需的平稳性。4结语研究分析并建立了剥锌机主剥离单元阀控非对称液压缸系统的数学模型和仿真模型，介绍了单神经控制器的原理、构成以及学习算法的重要性。利用MATLAB/SIMULINK仿真软件，建立了剥锌机主剥离单元阀控非对称液压缸单神经元控制系统仿真模型，对比了传统PID控制系统和单神经元控李强，等：单神经元控制器在剥锌机主剥离过程控制的应用研究主剥离系统的动态性能。参考文献1王占林.近代液压控制LMI.北京：北京航空航天大学出版社，2005:1-5.2吴振顺.液压控制系统M.北京：高等教育出版社，2 0 0 8.3韩利竹，王华.MATLAB电子仿真与应用MI.北京：国防工业出版社，2 0 0 3：6-30.4李人厚.智能控制理论和方法MJ.西安：西安电子科技大学出版社，1999:2 6-30.5焦李成.神经网络系统理论MJ.西安：西安电子科技大学出版社，1995.6 FANG Y,KINCAID TG.Stability analysis of dynamical neu-ral networksJ.IEEE Transactions on Neural Networks,1996,7(4):1003-1006.271制系统的仿真结果，通过输出曲线证明了单神经元控制器的优异性能。同时，为了充分验证该方法的实用性，将该单神经元控制模型应用于国内某冶炼厂剥锌机主剥离单元上，通过指标对比，再次证明了该控制模型的优异性能。仿真与实践的双重结果表明，单神经元控制系统通过在线学习和参数优化，可以很好的调和系统动、静态间的矛盾，克服系统运行过程中的一些非线性因素，对于剥锌机主剥离单元表现出很强的自适应性和鲁棒性，从而大大改善了*（上接第2 6 6 页）8 王元月，赖其涛.PROFIBUS通信性能测试与参数设置分析J.计算机系统应用，2 0 16（9）：2 5-2 8.WANG Yuanyue,LAI Qitao.Performance test and parametersetting analysis of PROFIBUS communication protocolLJJ.Computer Systems&Applications,2016(9):25-28.9 张思弘，姚心，郭天宇，等，三电极矿热电炉电磁场、流场和温度场的数值模拟.有色设备，2 0 2 2，36（6）：48-54.ZHANG Sihong,YAO Xin,GUO Tianyu,et al.Numericalsimulation of electromagnetic field,flow field and temperaturefield in arc furnace with three electrodesJJ.Nonferrous Met-allurgical Equipment,2022,36(6):48-54.10张明生，刘娜.艾默生DeltaV系统基于ProfibusDP通信的实际应用.有色设备，2 0 2 2，36（6）：10 2-10 6.ZHANG Mingsheng,LIU Na.Practical application of emer-son deltaV system based on profibus DP communicationJ.Nonferrous Metallurgical Equipment,2022,36(6):102-106.11BLEVINSTerrence,NIXONMark.控制回路基础：批量过程和连续过程M.北京：清华大学出版社机械，2 0 17.12张志国，姜智，王勇，等.智能剥锌机锌片剥离过程建模及瞬态动力学分析.有色设备，2 0 2 2，36（2）：2 8-32，40.ZHANG Zhiguo,JIANG Zhi,WANG Yong,et al.Modelingand transient dynamics analysis of zinc stripping process of in-telligent zinc stripping 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