壓力信號(hào)異常波動(dòng)的原因分析及解決辦法

李 楨

(中國石化股份有限公司茂名分公司化工分部)

壓力信號(hào)異常波動(dòng)的原因分析及解決辦法

李 楨

(中國石化股份有限公司茂名分公司化工分部)

分析了信號(hào)電纜與變頻器輸出電纜近距離平行敷設(shè)造成壓力測(cè)量異常波動(dòng)的原因，提出將兩線制變送器與PLC模擬輸入卡的連接由兩線制連接方式改為四線制連接方式，并將信號(hào)地、24V(DC)電源的負(fù)極和模擬測(cè)量電路的參考地等電位連接的解決方案。實(shí)施后，消除了壓力信號(hào)存在的干擾，滿足了生產(chǎn)的要求。

壓力變送器 壓力信號(hào) 異常波動(dòng) 信號(hào)電纜 解決辦法

茂名石化乙烯廠2#高壓聚乙烯裝置擠壓機(jī)的控制系統(tǒng)采用S7-400系列PLC，ET200M分布式I/O采用S7-300系列模塊，模擬輸入模塊的型號(hào)為SM331-7KF02-0AB0。在技術(shù)改造中，增加了一個(gè)切粒機(jī)夾緊油壓力變送器PI22204，在操作站對(duì)該點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。由監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，切粒機(jī)未啟動(dòng)時(shí)，測(cè)量信號(hào)無波動(dòng)，而切粒機(jī)啟動(dòng)后，測(cè)量值出現(xiàn)較大的異常波動(dòng)。筆者對(duì)PLC的結(jié)構(gòu)和干擾特點(diǎn)進(jìn)行分析，最終查明了測(cè)量值出現(xiàn)異常波動(dòng)的原因并提出解決辦法。

1 模擬輸入卡工作原理

切粒機(jī)夾緊油壓力測(cè)量PI22204采用兩線制變送器，變送器與PLC的連接采用兩根導(dǎo)線，M+為測(cè)量導(dǎo)線(正)，M-為測(cè)量導(dǎo)線(負(fù))，這兩根線既是電源線又是信號(hào)線， 模擬測(cè)量電路的參考電壓為MANA，變送器與PLC模擬輸入卡的連接如圖1所示。模擬輸入卡將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為CPU內(nèi)部處理的數(shù)字信號(hào)，由多路開關(guān)、A/D(Analog/Digit)轉(zhuǎn)換器、光隔離元件、內(nèi)部電源和邏輯電路組成。8個(gè)模擬量輸入通道共用一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器，通過多路開關(guān)切換被轉(zhuǎn)換的通道，模擬量輸入卡各輸入通道的A/D轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)換結(jié)果的存儲(chǔ)與傳送是順序執(zhí)行的[1]。

2 原因分析

壓力變送器PI22204安裝在切粒機(jī)的電機(jī)旁，切粒機(jī)電機(jī)采用變頻電機(jī)，儀表信號(hào)電纜與380V(AC)電機(jī)控制電纜平行敷設(shè)，距離很近，有多處接觸。由變頻器工作原理可知，變頻器輸出PWM脈沖波，PWM脈沖波經(jīng)電纜傳輸?shù)诫姍C(jī)會(huì)產(chǎn)生反射，PWM脈沖作為正向行波(入射波)，由變頻器逆變器傳向電機(jī)，在電機(jī)端反射后產(chǎn)生反向行波(反射波)傳向逆變器，傳至逆變器輸出端后的反射波又產(chǎn)生第2個(gè)入射波，在一個(gè)周期內(nèi)，脈沖波在電機(jī)端和逆變器端分別發(fā)生兩次反射。反射的電壓波與各自的入射波疊加，形成電機(jī)端電壓波，電機(jī)端電壓呈振蕩衰減形式[2]。同時(shí)，在電纜上變頻器的輸出線是主要的電場(chǎng)性干擾源[3]。這種干擾的耦合原理為：在相對(duì)的兩物體中，若其中一個(gè)物體的電位發(fā)生變化，則由于物體間的電容作用使另一個(gè)物體的電位也發(fā)生變化。干擾源是通過電容性的耦合在回路中形成干擾，這是兩電場(chǎng)相互作用的結(jié)果。

圖1 變送器與PLC模擬輸入卡的連接

圖2表示一對(duì)平行導(dǎo)線所構(gòu)成兩回路線間的電容耦合。

圖2 電容耦合模型

假設(shè)電路1為騷擾源電路，電路2為敏感電路，C為導(dǎo)線1、2間的分布電容，R2為敏感電路對(duì)地的電阻(阻抗)，可計(jì)算出在回路2上的感應(yīng)電壓U2為：

(1)

當(dāng)耦合電容較小時(shí)，式(1)可以簡(jiǎn)化為：

U2=jωCR2U1

(2)

可見，電容性耦合引起的感應(yīng)電壓正比于騷擾源的工作頻率、敏感電路的對(duì)地電阻、分布電容C和騷擾源電壓U1；電容性耦合主要在射頻頻率形成騷擾，頻率越高電容性耦合越明顯。

從圖2可知，測(cè)量信號(hào)由測(cè)量導(dǎo)線M-(負(fù))接入模擬輸入卡的A/D轉(zhuǎn)換器，變頻器輸出線與測(cè)量信號(hào)線容性耦合，測(cè)量信號(hào)線引入干擾導(dǎo)致PI22204顯示出現(xiàn)波動(dòng)。

3 解決辦法

為解決以上問題，將兩線制變送器的供電改為外供電(P+、P-是外置24V(DC)電源的正、負(fù)極)，模擬輸入卡的組態(tài)由原兩線制改為四線制，接線方式由原兩線制改為四線制，并將M-、MANA和P-等電位連接，如圖3所示?，F(xiàn)場(chǎng)的干擾信號(hào)通過容性耦合到P+、M+線路，P+、P-之間的電位差為24V(DC)，P-的電位隨P+電位的變化而變化，而且變化的大小相同，M-、MANA和P-等電位，這樣，干擾電平在A/D轉(zhuǎn)換器的輸入信號(hào)M+、M-之間被抵消，PI22204顯示不再出現(xiàn)波動(dòng)。

圖3 兩線制壓力變送器與PLC模擬輸入卡之間采用四線制連接

4 結(jié)束語

兩線制變送器改為四線制接法，將M-、MANA和P-等電位連接后，經(jīng)過一年多的運(yùn)行，切粒機(jī)夾緊油壓力變送器PI22204的測(cè)量信號(hào)再未出現(xiàn)異常波動(dòng)。該方法解決了由變頻器輸出線與信號(hào)電纜平行敷設(shè)導(dǎo)致的信號(hào)受干擾問題，但在實(shí)際的應(yīng)用中，感應(yīng)耦合可以由導(dǎo)體間的電容耦合形式出現(xiàn)，也可以由電感耦合的形式或電容、電感混合的形式出現(xiàn)。為了避免信號(hào)電纜受到干擾，在有條件的情況下，信號(hào)電纜與動(dòng)力電纜、變頻器輸出線平行敷設(shè)時(shí)，應(yīng)滿足設(shè)計(jì)規(guī)范SH/T 3019-2003所規(guī)定的最小允許距離要求。

[1] 廖常初.S7-300/400 PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[2] 吳廣寧，周凱，高波.變頻電機(jī)絕緣老化機(jī)理及表征[M].北京：科學(xué)出版社，2009.

[3] 李全，李愛蓮.儀表測(cè)控系統(tǒng)中信號(hào)干擾的抑制[J].自動(dòng)化應(yīng)用，2014，(8)：32～34.

The technologies for designing intelligent instrument were discussed and their implementation was described, including their application in the engineering.

technologies for intelligent instrument design, collaborative design platform, optimized design flow, secondary development

TH812

B

1000-3932(2017)02-0198-02

2016-06-19，

2016-12-10)

李楨(1970-)，高級(jí)工程師，從事自動(dòng)化控制系統(tǒng)的應(yīng)用與維護(hù)工作，lzh107@126.com。

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