电动钻机PLC系统干扰分析与处理

摘要 随着电动钻机自动化控制技术的发展,可编程控制器(PLC)在电动钻机应用也越来越广泛. PLC控制系统的可靠性直接影响到钻井的安全生产和经济运行,系统的抗干扰能力关系到整个系统的可靠运行.本文详细介绍了影响PLC运行的干扰类型及来源,并提出一些抗干扰实施策略.

一 电磁干扰类型及影响
影响PLC控制系统的干扰源大都产生在电压或电流剧烈变化的部位,这些电荷剧烈移动的部位就是干扰源.

干扰类型通常按干扰产生的原因、躁声干扰模式和躁声波型性质来划分.按噪声产生的原因不同,分为放电噪声、浪涌噪声、高频振荡噪声等；按噪声的波型、性质不同,可分为持续噪声、偶发噪声等；按噪声干扰模式不同,可分为共模干扰和差模干扰共模干扰和差模干扰是一种比较常用的分类方法。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(同方向)电压迭加所形成。共模电压有时较大，特别是采用隔离性能差的配电器供电时，变送器输出信号的共模电压普遍较高，有的可高达130V以上。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(这就是一些系统I/O模件损坏率较高的主要原因)，这种共模干扰可为直流、亦可为交流。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的，这种干扰叠加在信号上，直接影响测量与控制精度。

二 电磁干扰的主要来源
1 空间辐射
空间辐射电磁场(EMI)主要是由电力网络、电气设备的暂态过程、雷电、井场大电机的启停等, 通常称为辐射干扰, 若PLC系统置于其射频场内，就会受到辐射干扰，其影响主要通过两条路径：一是直接对PLC内部的辐射，由电路感应产生干扰；二是对PLC通信网络的辐射，由通信线路感应引入干扰。辐射干扰与现场设备布置及设备所产生的电磁场大小特别是频率有关，一般通过设置屏蔽电缆和PLC局部屏蔽来进行保护.

2 传导干扰
传导干扰主要通过电源和信号线引入，通常称为传导干扰.这种干扰在井电系统中比较严重, 主要有下面三类：
第一类是来自电源的干扰。在钻井系统中,PLC系统的供电由柴油发电机组提供,由于发电机除了驱动PLC之外,还驱动可控整流器(SCR)或变频器,这些电流变换器会产生大量的谐波,对井电电源的污染相当严重.尤其是直流驱动系统(晶闸管变流)和交流顶驱系统共用一组柴油发电机组,而两者的PLC均用PROFIBUS总线传输,互相干扰最为严重. PLC电源通常采用隔离电源，但因其机构及制造工艺等因素使其隔离性并不理想。实际上，由于分布参数特别是分布电容的存在，绝对隔离是不可能的。有些油田已经用单独的柴油发电机驱动交流顶驱系统
第二类是来自信号线引入的干扰。与PLC控制系统连接的各类信号传输线，除了传输有效的各类信息之外，总会有外部干扰信号侵入。此干扰主要有两种途径：一是通过变送器供电电源或共用信号仪表的供电电源串入的电网干扰，这往往被忽视；二是信号线受空间电磁辐射感应的干扰，即信号线上的外部感应干扰，这种往往非常严重。
由信号引入的干扰会引起I/O信号工作异常和测量精度大大降低，严重时将引起元器件损伤。对于隔离性能差的系统，还将导致信号间互相干扰，引起共地系统总线回流，造成逻辑数据变化、误动和死机。PLC控制系统因信号引入干扰造成I/O模件损坏数相当严重，由此引起系统故障的情况也很多。
第三类是来自接地系统混乱的干扰. PLC控制系统的地线包括系统地、屏蔽地、交流地和保护地等，接地系统混乱对PLC系统的干扰主要是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，影响系统正常工作。在现有的电动钻机控制方案中,SCR房PLC柜信号传输线的屏蔽层是接在PLC柜的外壳上,SCR房的外壳又通过两个以上的接地棒重复接地,接地点比较良好.司钻控制台上的通讯线的屏蔽层接在司钻控制台的外壳上,但司钻控制台没有专用的接地线. SCR房PLC柜信号传输线的屏蔽层是零电位,一旦在PROFIBUS总线上产生电磁扰动,则在干扰点和SCR房PLC柜信号传输线的屏蔽层产生电位差, 有电流流过屏蔽层。当发生异常状态如雷击时，地线电流将更大
此外屏蔽层、此外接地线和大地可能构成闭合环路，在变化磁场的作用下，屏蔽层内会出现感应电流，通过屏蔽层与芯线之间的耦合，干扰信号回路。若系统地与其它接地处理混乱，所产生的地环流就可能在地线上产生不等电位分布，影响PLC内逻辑电路和模拟电路的正常工作。PLC工作的逻辑电压干扰容限较低，逻辑地电位的分布干扰容易影响PLC的逻辑运算和数据存贮，造成数据混乱、程序跑飞或死机。模拟地电位的分布将导致测量精度下降，引起对信号测控的严重失真和误动作

三 主要抗干扰措施
1 在PLC控制系统中，电源占有极重要的地位。变流器的谐波串入PLC控制系统主要通过PLC系统的供电电源(如CPU电源、I/O电源等)、变送器供电电源和与PLC系统具有直接电气连接的仪表供电电源等耦合进入的。现在对于PLC系统供电的电源，一般都采用隔离性能较好的电源，而对于变送器供电电源以及和PLC系统有直接电气连接的仪表供电电源，并没受到足够的重视。虽然采取了一定的隔离措施，但普遍还不够，主要是使用的隔离变压器分布参数大，抑制干扰能力差，经电源耦合而串入共模干扰、差模干扰。所以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(如采用多次隔离和屏蔽及漏感技术)的配电器，以减少PLC系统的干扰。
此外，为保证电网馈电不中断，可采用在线式不间断供电电源(UPS)供电，提高供电的安全可靠性。而且UPS还具有较强的干扰隔离性能，是一种PLC控制系统的理想电源

2．正确选择电缆的和实施敷设。
为了减少动力电缆尤其是变频装置馈电电缆的辐射电磁干扰，现有的SCR房和变频器都采用铠装屏蔽电力电缆，降低了动力线产生的电磁干扰，取得了满意的效果。不同类型的信号分别由不同电缆传输，信号电缆应按传输信号种类分层敷设，避免信号线与动力电缆靠近平行敷设，以减少电磁干扰。

3．软件抗干扰措施。
由于电磁干扰的复杂性，要根本消除干扰影响是不可能的，因此在PLC控制系统的软件设计和组态时，还应在软件方面进行抗干扰处理，进一步提高系统的可靠性。常用的一些提高软件结构可靠性的措施包括：数字滤波和工频整形采样，可有效消除周期性干扰；定时校正参考点电位，并采用动态零点，可防止电位漂移；采用信息冗余技术，设计相应的软件标志位；采用间接跳转，设置软件保护等

4．正确选择接地点，完善接地系统。
接地的目的通常有两个，一为了安全，二是为了抑制干扰。完善的接地系统是PLC控制系统抗电磁干扰的重要措施之一。
系统接地有浮地、直接接地和电容接地三种方式。对PLC控制系统而言，它属高速低电平控制装置，应采用直接接地方式。由于信号电缆分布电容和输入装置滤波等的影响，装置之间的信号交换频率一般都低于1MHz，所以PLC控制系统接地线采用一点接地和串联一点接地方式。集中布置的PLC系统适于并联一点接地方式，各装置的柜体中心接地点以单独的接地线引向接地极。如果装置间距较大，应采用串联一点接地方式，用一根大截面铜母线(或绝缘电缆)连接各装置的柜体中心接地点，然后将接地母线直接连接接地极。接地线采用截面大于22mm2的铜导线，总母线使用截面大于60mm2的铜排。接地极的接地电阻小于2Ω，接地极最好埋在距建筑物10～15m远处，而且PLC系统接地点必须与强电设备接地点相距10m以上。
信号源接地时，屏蔽层应在信号侧接地；不接地时，应在PLC侧接地；信号线中间有接头时，屏蔽层应牢固连接并进行绝缘处理，一定要避免多点接地。多个测点信号的屏蔽双绞线与多芯对绞总屏蔽电缆连接时，各屏蔽层应相互连接好，并经绝缘处理，选择适当的接地处单点接地
值得注意的是,现有电动钻接机PLC的接地设计方案不很理想 司钻控制台ET200与SCR房S7-300之间的通讯采用的是PROFIBUS总线。司钻控制台上的通讯线的屏蔽层接在司钻控制台的外壳上,同时其他输入输出模块的零电位线也接司钻控制台的外壳上,而PLC柜的设计与此类似.另外,MCC系统保护为TN-S型,通过专用电缆与SCR房的外壳相联. 这种工作点与保护点不分的系统对PLC的干扰非常大。一旦某个电气设备绝缘不好,则SCR房外壳电位升高, 通讯线的屏蔽层直接流过电流造成PLC瘫痪.这种系统可将司钻控制台上的通讯线的屏蔽层和PLC柜信号传输线的屏蔽层悬空,在SCR房和钻台电缆桥架的中点将PROFIBUS总线屏蔽层接地,即PLC柜信号传输线的中点.笔者在2005年在河南油田尼日利亚项目做服务电气师其间,发现该钻井队的PLC经常停机,而且报SF故障,经查明是交流顶驱的钻井电机的绝缘较差,运行时对地有40V的电压,该电机的接地保护线接在SCR房外壳上,经外壳传输的通讯线的屏蔽层,后将该电机的接地保护线脱离SCR房外壳直接接地, 将司钻控制台上的通讯线的屏蔽层和PLC柜信号传输线的屏蔽层悬空,在SCR房和钻台电缆桥架的中点将PROFIBUS总线屏蔽层接地,即PLC柜信号传输线的中点接地,采取以上措施后故障消失

本文小结
PLC控制系统的干扰是一个十分复杂的问题，因此在抗干扰设计中应综合考虑各方面的因素，合理有效地抑制干扰，对有些干扰情况还需做具体分析，采取对症下药的方法，才能够使PLC控制系统正常工作,保证工业设备安全高效运行。