莱钢120万吨球团感应电压消除方法的研究

山东钢铁股份有限公司莱芜分公司自动化部 王囡囡

莱钢120万吨球团感应电压消除方法的研究

山东钢铁股份有限公司莱芜分公司自动化部 王囡囡

本文详细介绍了在120万吨球团热试车过程中出现高于24V(模板工作电压24V)的感应电压后，通过分析噪声、共模干扰、接地、作用于I/O信号上的干扰等原因，采取排除法，找到感应电压产生原因，并采取重新接地和隔离等措施消除感应电压的过程。

熔断端子；噪声；共模干扰；接地

1.引言

莱钢120万吨球团项目始建于2009年8月，竣工于2010年8月，至今已投入使用1年多，运行情况良好。其工艺控制过程为将铁精粉与膨润土按比例混合后，经烘干、润磨、混合后经造球盘造成生球，再经链篦机干燥预热后进回转窑焙烧成成品球，运至环冷机上缓冷后运至成品仓库存或直接运往高炉生成铁水供下一工序使用。

主控楼建筑布局为一层为低压配电室(低压配电柜及变频器均安装于此)，二层为PLC控制室，三层为办公室，四层为造球室，五层为造球盘上料皮带及装置。

2.感应电压的出现

在球团热试车过程中发现PLC的熔断端子不断烧坏。本项目中所有数字量输入均是现场来线先通过熔断端子，再接入数字量输入模板的。这样如果来自现场的接线有接错或其它故障导致有大电流流过导线时，熔断端子能先一步切断电流，保护PLC控制模板。通过测量发现有端子损坏的回路其对地电压有的高达60V，远高于柜内所有设备包括模板、继电器、配电器的24V供电电源。这么高的感应电压，如果不是在设计过程中添加了熔断端子，那么PLC控制模板可能早已烧坏，因此必须尽快消除感应电压。

3.出现感应电压原因分析

要想解决感应电压的问题，就应先找到感应电压出现的原因。在热试车过程中，所有设备都开始上电准备单机运转，因此感应电压的出现可能与以下设备有关：变压器、变频器、造球盘、链篦机、现场操作箱等；感应电压的出现还可能与电缆敷设、接地、电源供电等有关；感应电压的出现还可能与噪声、共模干扰、接地不良、作用于I/O信号的外部干扰等有关。下面进行逐项分析：

3.1 噪声作用

有用信号以外的所有电子信号总称为噪声，当噪声电压大到足够大时，就足以在接收中造成干扰。一个噪声问题包括噪声源、噪声的传播途径和感受体三个要素。通俗的来讲，噪声源即现场使用的大电流设备，如造球盘、链篦机等，传播途径为连接到大电流设备上的导线和通过导线辐射出来的电磁场，感受体即为大电流设备附近的弱信号回路和电气控制回路。从以上三要素可以看出，噪声源是工程中客观存在的，一旦确定是很难改变的，那我们就要从噪声的传播和增强感受体抗干扰能力方面来入手。即在噪声的传播路径上予以衰减，要求在布线、接地、屏蔽、控制室设计、信号的处理和隔离、供电电源等多方面采取措施。

在增强感受体抗干扰能力方面，要从噪声的传播途径分类上来控制。噪声的传播途径分为几大类：导线直接传导藕合、电容性藕合、电感性藕合。感应电压主要来源于电容性藕合。电容性藕合正比于下列因素：噪声电压、噪声频率、两导体间的分布电容、受感应体的对地阻抗，抑制电容性藕合的最基本方法是减少与噪声导体间的分布电容。而减少两导体间的分布电容的最简单的方法是加大与噪声之间的距离，而距离是设计施工已确定的，也很难再更改。因此抑制噪声的最有效措施就是在噪声的传播路径上予以衰减。

3.2 共模干扰

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同方向电压迭加所形成。共模干扰与干扰环境、被测信号源和测量距离有关。抑制共模干扰可以采取如下措施：

在信号源和控制系统之间施行单点接地；将信号源和控制之间实行隔离，同时隔离前和隔离后分别采用两组互相独立的电源，切断两部分的地线联系。

3.3 接地

检查接地是否良好，主要指的工作接地，工作接地包括信号回路接地和屏蔽接地。本系统中按照以下规范进行排查：

3.3.1 非隔离信号需要建立一个统一的信号参考点，并应进行信号回路接地(即直流电源负极)。

3.3.2 隔离信号可以不接地。

3.3.3 仪表工作接地原则是单点接地，信号回路中应避免产生接地回路，如果不可避免地一条线路上两端接地，采用隔离器将两接地点隔离开。电磁流量计等要求在现场侧接地。

3.3.4 工作接地在接地汇总板之前不和保护接地混接。

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3.3.5 检查电缆是否有多处接地，接地点有一个以上时，会产生噪声电流，形成噪声干扰源。

3.3.6 检查操作台、PLC控制柜、现场操作箱等接地是否良好。

3.4 作用于I/O信号的外部干扰

本系统中和PLC控制系统相连接的信号线包括两大类：数字量信号和模拟量信号，外部干扰信号足以产生感应电压的有以下几种：

3.4.1 信号线受空间工频磁场感应的传导骚扰，包括导体中的电流，变压器等电力设备的漏磁通引起的干扰。

3.4.2 通过公用电源串入的电网干扰。

图1 模拟量输入模板接线图

图2 接地连接示意图

如变频器的输出电压含有的高次谐波，通过反馈污染了电网，通过线路的传播以及电磁辐射也构成了对控制信号的干扰。为消除高次谐波对控制信号干扰，可通过以下三种方法：

a.采用无高次谐波产生的变频器。在本项目中使用变频器的设备太多，如6个圆盘造球机、所有的拉式皮带、给料机等，更换变频器很难实现。

b.在高次谐波的传播途径上给予衰减。如控制信号采用屏蔽电缆、变频器电源和控制系统供电电源独立等。

4.设计阶段已采取措施

本项目在设计阶段，是完全依照电气、仪表、PLC的设计规范来设计的，我们已经采取的措施包括：

4.1 电缆及电缆沟设计

本系统中信号电缆均采用屏蔽电缆。电缆沟依照《实用电气安装技术大全》进行设计施工的，采用双侧支架电缆沟，每侧三层支架，每层支架间距20cm。控制电缆放置在支架第一层，高于380V的电力电缆放置在末层。

4.2 信号隔离

所有的现场一次检测原件包括流量计、差压变送器、热电偶、热电阻等均采用隔离器进行隔离，模拟量输入接线如图1所示。但来自变频器的模拟量信号没有隔离。接到现场的数字量输出均是先接至继电器，然后以干触点的方式接到配电柜或现场操作箱的控制回路中，采用排除法，最易出现问题的地方是数字量输入部分和来自变频器的接线。

4.3 采用UPS电源

本项目中已采用双机冗余的UPS电源，将PLC供电电源同其他电源完全隔离开。

5.解决办法

5.1 检查电缆接线

重新全面检查电缆接线，看数字量输入模板接线是否将现场操作箱、手操器的220V电源错误串入24V回路中。检查结果为没有接错线。

5.2 重新检查电缆敷设

重新检查电缆的敷设情况，包括电缆沟内和桥架内电缆，是否按正确分层敷设电缆、是否在接近设备处没有分层。在接近设备处没有分层的采用架设小桥架的方式实现分层。(增加电源回路与弱电回路的距离)

5.3 模拟量信号均实现隔离

为消除可能的高次谐波干扰，对来自变频器的模板量信号也先接入隔离器后再接入模板，实现模拟量信号全部隔离，杜绝电气连接。

5.4 接地

检查电缆接地情况，检查屏蔽层是否接地，是否按要求接地，并将接地线重新坚固。控制柜内增加一条工作接地排，以与保护接地排区别开，柜内工作接地在工作接地排汇合后，再与保护接地排一起接地。接地图如图2所示。

6.实施效果

通过实施上述几种方法后，再次检测感应电压，已降至2V左右，已完全不影响生产的正常运行。该项目投入使用至今，运行稳定可靠，说明消除感应电压的方法行之有效。

[1]诸邦田.电子电路实用抗干扰技术[M].北京:人民邮电出版社,1994.

[2]仪表系统接地设计规定(HG/T 20513-2000)(S).

[3]朱才来.变频器对控制系统的干扰及对策[J].石油化工自动化,2002:82-83.

王囡囡（1979—），女，山东莒南人，学士，工程师，现供职于山东钢铁股份有限公司莱芜分公司自动化部，研究方向：交直流传动与自动控制系统设计。