翻车机控制系统缺陷--提高信号抗干扰性能

马王君

（陕钢集团汉中钢铁有限公司陕西汉中056300）

摘要：翻车机自动控制系统的被控对象处于变频器产生的强烈电磁谐波信号干扰环境下，采集和发送命令实现全自动卸车，因此干扰信号频繁，自动控制系统与被控对象之间信息传送渠道I/O、AI/AO，现场总线Profibus-DP，也会因这些干扰影响整个系统全自动运行性能，在实际应用中都需要采取消除或减弱谐波干扰源，分别建立良好的接地系统与屏蔽系统等措施控制信号干扰问题。

关键词：翻车机；全自动控制系统；谐波；接地系统；屏蔽系统；抗干扰

前言

汉钢公司中和料场现有一套火车翻车机系统，负责公司铁路线原料的卸车任务，于2013年底相继投运，实现全自动卸车功能，投运初期，因涉及缺陷，翻车机整体系统运行稳定性差，故障率高导致作业率低，主要原因为信号干扰造成。目前通过一系列改造已顺利达产达效，为汉钢公司火运卸车降本增效做出重要贡献。翻车机系统采用远程计算机全自动控制系统，被控对象处于各种生产现场，工作环境条件各异，为保证计算机控制系统采集和命令信号稳定可靠工作，防止信号干扰，保护设备及人生安全，需要对变频系统增加输入、输出电抗器，建立独立接地系统；信号电源经UPS过滤，分别建立良好的接地系统。计算机控制系统的接地系统与屏蔽系统，在抗干扰设计上时最简单，也是最经济且效果最显著的一种方式。本文主要探讨了针对翻车机系统信号干扰控制实施方案，实践证明方案可行达到效果。

一、设备及工艺简介

1.1翻车机主要设备简介

翻车机主要分为：重调、翻车机本体、牵车台、空调四大部分；重调采用一台ACS800变频器拖动5台90KW电机驱动前进、后退，大臂采用液压系统控制；翻车机本体采用一台ACS800变频器拖动2台90KW电机驱动本体在0°-175°范围旋转；牵车台采用一台ACS550变频器拖动2台30KW电机驱动运行，空调采用一台ACS800变频器拖动2台90KW电机驱动；重调、翻车机本体、牵车台、空调位置分别依据各自编码器通过现场总线Profibus-DP通讯方式定位。

1.2翻车机的工艺简介

1.3翻车机总体设计

翻车机采用远程半自动、全自动、现场手动三种控制模式运行，正常运行采用远程计算机全自动运行方式，依据采集现场设备信号、设备位置按照相应流程，增加相应连锁保护编写程序实现。

二、翻车机原设计存在的缺陷

2.1、翻车机原设计，采集现场设备状态、发布命令等信号在变频器运行产生的电磁干扰环境下，造成采集的现场信号不能真实的反应现场设备运行状态，从而不能正确的发布的命令，是造成信号干扰的首要原因；从而导致生产中断或设备故障。

2.2、翻车机动力系统与控制系统接地混用，数字量与模拟量信号接地信号未分离，信号线缆屏蔽系统采用两端同时接地模式，是造成信号干扰的第二原因。

2.3、翻车机因工艺的特殊性，所有设备均需移动，因此所有动力电缆与控制信号线缆在设备科移动范围内均采用滑线模式，但动力线缆与控制线缆混乱，互相交错使用，是造成信号干扰的第三原因；

2.4、翻车机原设计部分连锁单一，并且存在安全、效率等缺陷；导致设备安全性能低，作业效率低；

三、技术改造分析

3.2.1、变频器的主电路一般为交-直-交组成，外部输入的电源经晶闸管三相桥路整流成直流，经电容器滤波后逆变为频率可变的交流电，在整流回路中输入的波形为矩形波，波形分为巨波和高次谐波，高次谐波对计量仪表会造成感应盘产生额外转矩，引起误差，降低精度甚至烧坏线圈；对电力电子设备会影响零交叉移动或波形改变以致误动作；最经济简单的解决途径是在变频器输入侧设置交流电抗器增大整流阻抗使整流重叠角增加，减小高次谐波源。

3.2.2、计算机控制系统接地作用，根据计算机控制系统接地原因分

为：（1）、参考零电位工作点，：计算机控制系统主要部件由多种数字电路构成，工作时需要有一相对零点电位点，这种零点电位时相对参考点的零点，通常将大地作为零点参考点；（2）、抗干扰：自动控制系统中，接地不仅提供了参考零电位点，也是抗电磁干扰（谐波）的重要措施，如翻车机运行依托变频器拖动多台电机运行的环境下，通过增加变频器输入、输出电抗器，分离动力线缆与信号线缆，独立且良好的接地措施减弱电磁干扰信号。针对柜内参考零点的地线复杂繁多，如果设置一点做零点参考点，线路将长短不一，接地线会产生地电位差或互相干扰，针对这种情况，采取将参考零点电位点在机柜下侧做成较宽的独立接地铜牌，增加自动控制系统抗干扰能力，保障翻车机安全稳定运行。

3.2.3自动控制系统抑制干扰的接地方式

单点接地原则，一般高频（10MHZ以上）电路应采用多点接地，低频（1MHZ以下）应采用一点接地。低频电路的一点接地就是把各个接地点用导体形式汇聚到一点，将这一点与大地相接。由于低频电路中，布线和电气元件间的电感较小，而接地电路形成的回路对电路性能影响较大，故需要单点接地。这样可有效克服地电位差的影响和公用地线的共阻抗引起的干扰。对高频电路，接地线阻抗会很高，接地线就会起到天线的作用，而向外辐射噪声。一般高频电路应做到多点接地，防止辐射干扰。

3.2.4模拟地线与数字地线和通讯屏蔽线应分开设置

数字信号一般比模拟信号，它是交变的脉冲信号，流过它的地线电流也是脉冲。模拟信号比较弱，如果两个信号共用一套接地线，数字信号就会通过地线电阻对模拟信号和通信信号构成干扰，因此三种接地线应分开设置，最终只是在一点会合。在控制柜中，一般设计接地母排作为地线的回流排，与各单位的接地线相连接在一起，保证接触电阻很小。为了提高抗干扰性能，信号传输中采用屏蔽线路，对这些屏蔽线路采用单端接地原则。

3.2.5强电信号接地线与信号接地线应分开设置

强电接地信号主要指电源地线、功率地线等，他们线路上流过的电流大，在接线电阻上会产生电压降。如果这种地线与信号地线公用，就会产生很强的干扰。因此强电信号接地线与信号接地线应分开设置。

四、针对翻车机设计、安装存在的缺陷进行技术改造

4.1、对翻车机四台变频器选择相应规格的输入、输出电抗器，增加UPS净化信号电源，减小变频器产生的谐波源；

4.2.1、将电气设备接地系统与控制信号接地系统分离，分别建立独立的电气接地系统和控制接地系统，线缆两端采用同时接地模式；

4.2.2、将信息传送渠道I/O、AI/AO，现场总线Profibus-DP接地系统分离，带屏蔽的信号线缆采用单端接地模式；

4.2.3、将动力线缆与控制线缆混乱，互相交错进行整改，采用滑轮两侧和分离电缆桥架模式将动力线缆与控制线缆进行分离；

4.2.4、（1）、对翻车机原设计不合理、存在安全隐患的进行改造。

结束语

在自动控制系统中，信号干扰往往会造成生产中断，甚至会造成设备重大事故，因此怎样控制信号抗干扰性能是一项重要工作。实际上就是接地系统的设计与应用。接地问题往往比较复杂繁琐，这是因为接地不良的表现形式多种多样，信号干扰现象不同。因此控制系统需要采用相匹配的良好的接地方式，正确理解、使用、维护接地系统。

翻车机系统自投运以来，作业效率低（90车/天）、稳定性差，经过技术人员一系列的改造后，目前翻车机作业率突破230车/天，设备运行安全可靠性显著提高。

1、对变频器选取项匹配的输入、输出电抗器，净化电源；

2、将动力线缆与信号线缆分离敷设；

3、对电气设备（变频器、电机、抱闸等）做独立的接地系统；

4、对数字信号、模拟信号接地分离，采用单点接地原则；

5、所有信号线缆用带屏蔽线缆采用单边接地的方式，并设置独立接地系统；

6、对模拟信号增加信号隔离器；

7、对部分工艺、连锁缺陷进行改造；

使用实践证明，通过一系列改造，翻车机作业率显著提高，设备运行安全可靠。

参考文献：

[1]钱照明等（电磁兼容设计基础及干扰抑制技术）杭州浙江大学出版社2002

[2]张玉明（计算机控制系统分析与设计）北京中国电力出版社。2000