交换开关PLC控制系统受干扰联锁开路故障的分析与解决方法

摘要：本文对天线交换开关自动控制系统受高频干扰，而使联锁开路发射机掉高压的故障进行了分析，并对天线交换开关自动控制系统的干扰来源及途径进行了分析，提出了提高天线交换开关自动控制系统抗干扰能力的方法，有效解决了天线交换开关自动控制系统受高频干扰的问题。

关键词：交换开关 联锁 高频干扰 PLC

中图分类号:TP273 文献标识码：A 文章编号：1007-9416(2012)02-0029-02

1、天线交换开关自动控制系统联锁通路介绍

天线交换开关自动控制系统主要有上位机与下位机组成，上位机采用Visual Basic编写的人机界面，主要监测发射机的运行状态和天线的播音情况、开关状态、系统是否运行正常以及发射机运行图的下载，使PLC按照运行图自动完成发射机的天线交换等；下位机采用美国AB公司的PLC系统作为执行系统。天线交换开关自动控制系统、转动天线控制系统以及发射机控制系统之间有一条联锁通路，如图1。这一联锁通路是为了保护发射机、交换开关以及转动天线设备的安全，确保交换开关倒换和转动天线的转动必须在发射机没有合上高压时进行，同时确保只有在交换开关到位和天线到位后发射机才能合上高压。其具体过程如下：首先，当发射机本时段播音结束关闭高压后，发射机无高压证实信号送出即高压证实信号无效，天线交换开关自动控制系统监测到发射机无高压后，送出允许交换开关动作信号（在需要倒换到其它天线时）和允许转动天线转动信号即禁止天线转动信号无效；此时，转动天线控制系统开始根据运行图转动天线到下一播音角度，当天线转动到位后，再由转动天线控制系统送出天线转动到位信号给天线交换开关自动控制系统；最后，天线交换开关自动控制系统不在输出高压封锁信号即高压封锁信号无效，此时发射机就可以合上高压准备下一时段的播音。概括起来就是：天线转动就禁止发射机合高压，发射机有高压就禁止天线转动。

2、联锁通路开路的故障现象

天线交换开关自动控制系统受高频干扰，而使转动天线控制系统和发射机控制系统之间的联锁通路开路的故障。其故障现象如下：

在某一固定时段，当一部发射机以特定频率正在播音，一部发射机播音结束关闭高压，开始转动天线后，另一部正在播音发射机就频繁关闭高压，掉高压时间时长时短，且无告警信息和故障信息显示。在天线交换开关自动控制系统的控制柜上，上位机屏幕显示这一发射机与对应天线的联锁通路时断时连，当这部以特定频率播音的发射机倒频到另一频率后，故障就消失。

3、联锁通路开路故障分析

我们通过以上故障现象可以确定是天线交换开关自动控制系统、转动天线控制系统和发射机控制系统之间的联锁通路有信号出现错误，但是具体是哪一个信号出现错误，还需进行查找和分析。

由联锁通路原理图，如图2可以清楚的看出，这一联锁通路的核心就是天线交换开关自动控制系统，它通过由发射机输入的高压证实信号和转动天线控制系统输入的天线到位证实信号，进行判断后分别输出高压封锁信号到发射机控制系统封锁屏压和禁止天线转动信号到转动天线控制系统禁止天线转动。以此保护发射机、交换开关以及转动天线设备的安全。首先，我们把三部发射机开启到当时出现故障时的状态，模拟当时环境。当一部发射机关闭高压，开始转动天线后，另一部发射机就频繁关闭高压，这时我们查看天线交换开关控制柜内与这部发射机联锁相关的继电器C1、继电器B1、继电器B5反复动作，而继电器C6一直吸合。对应PLC输入模块25号端子（高压证实信号输入端）对应指示灯和30号端子（天线到位证实信号输入端）对应指示灯，PLC输出模块25号端子（高压封锁信号输出端）对应指示灯和30号端子（禁止天线转动信号输出端）对应指示灯，这四个指示灯都闪烁。由图2可知，正常状态发射机有高压时继电器C1、继电器B5、继电器C6应该一直吸合，而继电器B1释放。PLC输入模块25号端子对应指示灯和30号端子对应指示灯，PLC输出模块30号端子对应指示灯都应该长亮，输出模块25号端子对应指示灯应该灭。由上可知，天线到位证实信号受到高频干扰（对应指示灯一直闪烁，正常时一直亮），再由PLC控制逻辑即天线转动就禁止发射机合高压发射机，有高压就禁止天线转动。可知天线到位证实信号没有，PLC就输出高压封锁信号和使禁止天线转动信号失效。

4、联锁通路开路的故障处理

由于高频干扰抬升了电源地电平，使输入到PLC输入模块的24V证实信号，达不到PLC所需要的逻辑高电平，为了解决高频干扰的问题，我们把电源地和高频地接在一起，并且用5CM宽的铜皮多处接地，把高频干扰信号引入大地。同时更换了抗干扰能力强输出电压稳定的开关电源，把控制继电器线包24V直流电源与输入到PLC输入模块的24V证实信号所需电源分开，把接入PLC输出输入模块的所有信号线套上屏蔽层。从而很好的解决了高频干扰引起的PLC控制系统错误输出控制信号，造成天线交换开关自动控制系统、转动天线控制系统和发射机控制系统之间的联锁通路开路的故障。

5、关于PLC控制系统干扰的主要来源

(1)电源干扰。可编程控制器控制系统的电源，由于电源与电网相连，而电网覆盖面广，它将所有的空间电磁干扰（主要由电网暂态过程中，电气设备、闪电、广播、电视、雷达等电器设备产生），在电网中传播，如果系统中的射频场，受到空间电磁的辐射干扰，就会在系统内线路里产生感应电压。此外还有特别是本系统网络内部的变化，例如：闸刀开关操作大型电力设备引起的浪涌现象，频繁启动停止交直流传动装置引起的谐波，有设备短路造成的瞬时冲击，都会造成控制系统电源电压不稳，从而导致PLC控制系统程序出错，输出错误的控制信号，使设备的控制出现故障，不能保证设备的正常运行。

(2)信号线引入的干扰。在与控制系统连接的各种信号传输线，除了能有效传输信号外，也会引入外部的干扰信号。这种干扰信号主要有两种途径产生：一是通过变压器或与系统共用电源的传感器仪表，通过供电电网传入的干扰；二是信号传输线受所经过的空间电磁场辐射产生的高频感应干扰，导致控制系统故障。

(3)接地系统的干扰。系统接地是提高电子设备电磁兼容性的有效措施之一。适当的接地，可以抑制电磁干扰的影响，并能抑制设备对外干扰；错误的接地，使干扰信号造成对系统设备的严重干扰，会使该系统无法正常工作。

(4)变频器产生的干扰。变频器的起动及运行过程中产生的谐波，会对电网产生传导性干扰，引起电压畸变，供电质量下降的影响；二是变频器输出也会产生较强的电磁辐射干扰，影响正常工作的设备。

6、提高PLC控制系统抗干扰能力的方法

(1)使用抗干扰能力强的电源，抑制从电网引入的干扰。PLC控制系统，电源的稳定性，抗干扰能力强，是非常重要的。电网干扰主要通过PLC系统电源，变频器电源和与PLC系统电源供应有直接电气连接的仪表串入。对于直接电气连接仪器的电源，变频器电源选择分布电容小，对干扰抑制能力强的。此外，为确保PLC控制系统电源不被中断，可选用在线式不间断电源（UPS）供电，提高供电的安全性和可靠性。并且UPS还具有较强的抗干扰能力和起到很好的隔离作用，是PLC控制系统的理想电源。

(2)使用带有屏蔽层的电缆线，减少电磁辐射的干扰。为了减少电力电缆辐射电磁干扰，尤其是变频装置馈电电缆，选用钢带铠装的电力电缆。从而降低了电源线的电磁干扰，信号传输电缆也用多层屏蔽信号电缆。信号线和电源线应分层隔离排放，以减少电磁干扰。

(3)硬件滤波和软件设计方面的抗干扰处理。信号在进入PLC控制系统之前，在信号线和地之间并接电容，以减少共模干扰。加装滤波板对信号进行滤波，以减少差模干扰。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。可采用信息冗余技术，设计相应的软件标志位；采用间接跳转，设置软件陷阱等提高软件结构可靠性。

(4)接地点的正确选择，以改善接地系统。接地系统是PLC控制系统抗电磁干扰的重要措施之一。接地点的正确选择可以提高系统的安全性和抑制干扰的能力。通常系统接地方式有：浮地方式、直接接地方式和电容接地三种方式。对于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点。

7、结语

在高频环境里，由于天线交换开关自动控制系统受干扰而联锁开路的故障，是典型的PLC控制系统受到干扰而错误输出控制信号的案例。PLC控制系统的干扰问题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，合理有效地抑制抗干扰，才能够使PLC控制系统正常工作。