提高水電站PLC系統(tǒng)可靠性的措施

1、提高水電站PLC系統(tǒng)可靠性的措施劉軍偉1，孫宇琴，韓春燕2（1.許昌繼電器研究所，河南 許昌 461000；2.許繼自動(dòng)化公司，河南 許昌 461000）    摘  要： 分析了水電站PLC系統(tǒng)的工作環(huán)境及對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響并提出了相應(yīng)的措施。    關(guān)鍵詞： 水電站；PLC；可靠性 1引言    水電站的空間存在極強(qiáng)的電磁場(chǎng)，發(fā)電機(jī)的電壓高達(dá)數(shù)千伏，電流高達(dá)數(shù)百安甚至數(shù)千安，開關(guān)站的輸出電壓高達(dá)數(shù)十千伏或數(shù)百千伏，發(fā)電廠的空間具有極強(qiáng)的電磁干擾。這種極強(qiáng)的電磁干擾將對(duì)PLC系統(tǒng)的通信、CPU的

2、正常運(yùn)行、PLC電源等造成影響。        PLC是水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)核心部件，并且自成系統(tǒng)，PLC系統(tǒng)的可靠性直接關(guān)系著整個(gè)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性，采取措施提高水電站PLC系統(tǒng)的可靠性是十分必要的。2環(huán)境對(duì)PLC系統(tǒng)運(yùn)行的影響2.1開入的“假信號(hào)”可能造成PLC系統(tǒng)的誤動(dòng)    若強(qiáng)電電纜和PLC的信號(hào)電纜不能有效地分隔開，甚至敷設(shè)在同一電纜溝內(nèi)時(shí)，高電壓、大電流電路接通和斷開瞬間產(chǎn)生的強(qiáng)電干擾可能會(huì)在PLC輸入信號(hào)線上產(chǎn)生很強(qiáng)的感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流，足以超出光電耦合器的抗干擾作用有效范圍

3、，使PLC輸入端的光電耦合器中的發(fā)光二極管發(fā)光，使PLC輸入點(diǎn)有效。這樣的輸入叫“假信號(hào)”或“誤輸入”，將導(dǎo)致PLC產(chǎn)生誤動(dòng)作。    當(dāng)PLC的開入模塊上接到“誤輸入”時(shí)，其控制程序并不能識(shí)別，將依據(jù)既定的邏輯關(guān)系作出推斷，并發(fā)出動(dòng)作命令,同時(shí)將此“誤輸入”不加識(shí)別地傳向后臺(tái)計(jì)算機(jī)。這樣的動(dòng)作命令屬于“誤動(dòng)”，可能造成意外停機(jī)甚至重大事故。2.2電源干擾將引起PLC系統(tǒng)不能正常運(yùn)行甚至死機(jī)    水電站各種大功率用電、發(fā)電設(shè)備通過供電線路的阻抗耦合干擾PLC的電源，從而影響PLC系統(tǒng)的正常運(yùn)行。當(dāng)PLC系統(tǒng)供電電壓過低時(shí)，系統(tǒng)將不能

4、正常工作甚至死機(jī)；當(dāng)供電電壓過高或出現(xiàn)峰值電壓時(shí)，將會(huì)對(duì)PLC系統(tǒng)造成沖擊甚至損壞PLC系統(tǒng)。2.3通信數(shù)據(jù)出錯(cuò)    水電站強(qiáng)電磁場(chǎng)的工作環(huán)境，將會(huì)對(duì)PLC的通信系統(tǒng)產(chǎn)生極大影響。較強(qiáng)的電磁干擾將會(huì)影響通訊數(shù)據(jù)的正確性，甚至?xí)斐赏ㄐ胖袛?、癱瘓。2.4開出端對(duì)PLC造成沖擊，甚至對(duì)PLC系統(tǒng)造成損壞    水電站的控制電路電壓等級(jí)一般為DC220V，這樣的電壓一般不能直接接入PLC數(shù)字量輸出模塊。另外開出電路的感應(yīng)電流、感應(yīng)電壓也會(huì)竄入PLC開出模塊對(duì)PLC系統(tǒng)造成沖擊。3所采用的可靠性措施  針對(duì)工作環(huán)境對(duì)PLC系統(tǒng)的各

5、種影響，可以采取以下相應(yīng)措施以保證系統(tǒng)的可靠性。3.1屏體選用屏蔽性能良好的結(jié)構(gòu)，以保證外部電磁干擾不在屏內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流。3.2開入端選用光電隔離端子。外部開入信號(hào)的電壓等級(jí)為DC220V，增強(qiáng)抗干擾性能；內(nèi)部因?yàn)闆]有什么強(qiáng)電磁干擾，開入信號(hào)電壓仍選DC24V工作。光電隔離端子輸入側(cè)和輸出側(cè)的絕緣電阻很高，一般為10121013，而分布電容值很小，一般僅為0.51pF，從而輸入側(cè)的干擾很難通過；光電隔離端子中信息的傳送介質(zhì)為光，而信息的轉(zhuǎn)換與傳送過程是在不透明的密閉環(huán)境中進(jìn)行的，從而不受通常的電磁信號(hào)和外界光的干擾。光電隔離端子不僅增加抗干擾性能，還能避免由開入端來的強(qiáng)干擾損壞屏內(nèi)

6、元器件。3.3開出選用開關(guān)量輸出端子。為避免開出端的干擾對(duì)PLC造成沖擊，甚至對(duì)PLC系統(tǒng)造成損壞，應(yīng)使用出口繼電器，并選用開出量專用端子。PLC輸出模塊內(nèi)的小型繼電器的觸點(diǎn)很小，斷弧能力很差，不能直接用于發(fā)電站的DC 220V電路中，必須用PLC驅(qū)動(dòng)外部繼電器，用外部繼電器的觸點(diǎn)驅(qū)動(dòng)DC 220V的負(fù)載。PLC系統(tǒng)只通過出口繼電器的空接點(diǎn)對(duì)電站控制回路進(jìn)行操作。對(duì)于屏內(nèi)的信號(hào)燈、光字牌等工作電壓為DC24V的負(fù)載可以用PLC輸出模塊內(nèi)的小型繼電器直接驅(qū)動(dòng)。3.4對(duì)于通訊部分，為提高其抗干擾性能，選用適合強(qiáng)干擾的工業(yè)環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)總線方式，通信介質(zhì)選用屏蔽電纜。在實(shí)際應(yīng)用中我們選用CAN總線方式。

7、CAN采用短幀結(jié)構(gòu)傳輸，每幀有效字節(jié)為8個(gè)，傳輸時(shí)間短，受干擾的概率低。而且每幀信息都有CRC校驗(yàn)和其他檢錯(cuò)措施，保證數(shù)據(jù)出錯(cuò)率極低。當(dāng)節(jié)點(diǎn)嚴(yán)重錯(cuò)誤時(shí)，具有自動(dòng)關(guān)閉功能，使總線上其他節(jié)點(diǎn)不受影響。CAN總線是最適合水電站等強(qiáng)干擾工業(yè)環(huán)境。實(shí)際運(yùn)行證明CAN是水電站PLC通信的上佳選擇。3.5電源部分    如果PLC使用交流電源，在干擾較強(qiáng)或?qū)煽啃砸蠛芨叩膱?chǎng)合，可以在PLC的交流電源輸入端加接帶屏蔽層的隔離變壓器和低通濾波器，隔離變壓器可以抑制從電源線竄入的外來干擾，提高抗高頻共模干擾能力，屏蔽層應(yīng)可靠地接地。    低通濾波器可

8、以吸收掉電源中的大部分“毛刺”，如用L1和L2來表示用來抑制高頻差模電壓，L3和L4來表示用等長(zhǎng)的導(dǎo)線反向繞在同一磁環(huán)上的，50Hz的工頻電流在磁環(huán)中產(chǎn)生的磁通互相抵消，磁環(huán)不會(huì)飽和。兩根線中的共模干擾電流在磁環(huán)中產(chǎn)生的磁通是迭加的，共模干擾被L3和L4阻擋。C1和C2來表示用來濾除共模干擾電壓，C3來表示用來濾除差模干擾電壓。R表示壓敏電阻，其擊穿電壓略高于電源正常工作時(shí)的最高電壓，平常相當(dāng)于開路。遇尖峰干擾脈沖時(shí)被擊穿，干擾電壓被壓敏電阻鉗位，后者的端電壓等于其擊穿電壓。    高頻干擾信號(hào)不是通過變壓器的繞組耦合，而是通過初級(jí)、次級(jí)繞組之間的分布電容傳遞的。

9、在初級(jí)、次級(jí)繞組之間加繞屏蔽層，并將它和鐵芯一起接地，可以減少繞組間的分布電容，提高抗高頻干擾的能力。    如果使用220V的直流電源（蓄電池）給PLC供電，可以顯著地減少來自交流電源的干擾，在交流電源消失時(shí)，也能保證PLC的正常工作。    若PLC電源模塊選用DC24V供電模塊，可以選用外加開關(guān)電源方式，如圖1。     這樣，就把電源方向的干擾擋在開關(guān)電源之外了，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行證明這種方案是切實(shí)可行并可靠的。3.6模擬量輸入部分    模擬量盡量采用420mA這種

10、不易受電磁干擾的電流信號(hào)方式，模擬量輸入無論屏內(nèi)還是屏外均要求用屏蔽電纜接線，并且屏蔽層一端要可靠接地，否則，電磁干擾將影響模擬量采樣值的正確性。同時(shí)，在采樣算法中也應(yīng)加入濾波算法剔除較短的峰值較大的脈沖干擾。3.7關(guān)于站內(nèi)安裝與布線        PLC應(yīng)遠(yuǎn)離強(qiáng)干擾源，如高壓開關(guān)柜、大功率可控硅裝置、高頻焊機(jī)和大型動(dòng)力設(shè)備、動(dòng)力線等。與PLC裝在同一個(gè)屏內(nèi)的電感性元件，如繼電器、接觸器的線圈，應(yīng)并聯(lián)RC消弧電路，以避免屏內(nèi)強(qiáng)磁場(chǎng)的產(chǎn)生。        PLC的I/O線與大功率線應(yīng)分開走線，如因條件限制實(shí)在要在同一線槽中布線，信號(hào)線應(yīng)使用屏蔽電纜。交流線