某裝置電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度信號(hào)異常波動(dòng)分析

劉安林，何振林，王登輝，孫長(zhǎng)義，李均華，潘隆軒

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，成都 610213）

0 引言

圖1 某裝置電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of the control system of an electric control valve of a device

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)控制技術(shù)[1]在越來(lái)越多的領(lǐng)域發(fā)揮出重要的作用。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥作為自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要執(zhí)行部件，具有開(kāi)度自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，可實(shí)現(xiàn)對(duì)介質(zhì)流量大小的自動(dòng)調(diào)節(jié)，在石化、冶金、電力、制藥、化纖等智能制造行業(yè)中廣泛應(yīng)用[2]。核工業(yè)作為國(guó)防安全的重要支柱，也大量采用先進(jìn)的自動(dòng)控制技術(shù)，以提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度控制和反饋信號(hào)（開(kāi)度）的準(zhǔn)確性將直接影響運(yùn)行人員的決策與操作[3]。某裝置在進(jìn)行熱態(tài)調(diào)試時(shí)，運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)在不對(duì)閥門(mén)進(jìn)行任何操作的情況下，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度信號(hào)出現(xiàn)異常波動(dòng)，這導(dǎo)致運(yùn)行人員無(wú)法準(zhǔn)確判斷電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度。因此，有必要針對(duì)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度信號(hào)的異常波動(dòng)進(jìn)行相應(yīng)的故障排查與分析，以便采取有效的處理措施，保證電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)性能，促進(jìn)該裝置得以安全、穩(wěn)定的運(yùn)行。本文通過(guò)對(duì)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)供電電源、控制信號(hào)輸入支路、開(kāi)度信號(hào)支路、顯示控制臺(tái)、過(guò)程控制柜進(jìn)行依次排查，定位異常波動(dòng)信號(hào)的起始位置，并利用示波器采集異常信號(hào)，通過(guò)MATLAB 分析異常信號(hào)時(shí)頻特性，以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥故障分析、定位與處理。

1 某裝置電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

某裝置電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)主要分為電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、顯示控制臺(tái)、過(guò)程控制柜及過(guò)程參數(shù)采集處理柜4 個(gè)部分。運(yùn)行人員遠(yuǎn)程操作顯示控制臺(tái)的調(diào)節(jié)閥操作開(kāi)關(guān)，將開(kāi)關(guān)量信號(hào)進(jìn)入過(guò)程控制柜，在過(guò)程控制柜中經(jīng)過(guò)一系列處理后，產(chǎn)生4mA ～20mA 的控制信號(hào)，經(jīng)顯示控制臺(tái)后輸出至電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而改變閥門(mén)的開(kāi)度。與此同時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出閥門(mén)開(kāi)度信號(hào)并反饋至顯示控制臺(tái)進(jìn)行光柱表顯示，為運(yùn)行人員提供操作依據(jù)，開(kāi)度信號(hào)還傳輸至過(guò)程參數(shù)采集處理柜，經(jīng)過(guò)光隔離器后送至過(guò)程控制柜，作為電動(dòng)調(diào)節(jié)閥自動(dòng)控制的輸入信號(hào)。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

1.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是電動(dòng)單元組合式儀表中的執(zhí)行單元。它以單相交流電源為動(dòng)力，輸入工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的直流信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的直線位移，位移信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)輸出。本執(zhí)行機(jī)構(gòu)的供電電壓為AC220V，開(kāi)度信號(hào)輸出為4mA ～20mA 的電流信號(hào)，控制信號(hào)輸入為4mA ～20mA的電流信號(hào)。

圖2 過(guò)程控制柜框圖Fig.2 Process control cabinet block diagram

1.2 顯示控制臺(tái)

某裝置的顯示控制臺(tái)是一臺(tái)綜合性大型設(shè)備，是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心設(shè)備。它擔(dān)負(fù)著對(duì)該裝置控制系統(tǒng)的管理和操作，通過(guò)顯示控制臺(tái)上布置的操作開(kāi)關(guān)、按鈕等操作器實(shí)現(xiàn)對(duì)該裝置重要系統(tǒng)和設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。采用光柱表顯示該裝置的重要運(yùn)行參數(shù)，采集顯示控制臺(tái)上操作開(kāi)關(guān)、按鈕等操作器的動(dòng)作信號(hào)，并將動(dòng)作信號(hào)發(fā)送至其它控制柜，以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)和設(shè)備的集中控制。

1.3 過(guò)程控制柜

過(guò)程控制柜是某裝置控制系統(tǒng)的重要組成部分，是過(guò)程控制系統(tǒng)的主要設(shè)備之一，該設(shè)備主要是對(duì)關(guān)鍵設(shè)備與系統(tǒng)進(jìn)行控制。主要包括電源插件、模擬量輸入（AI）插件、模擬量輸出（AO）插件、數(shù)字量輸入（DI）插件及控制器插件等。過(guò)程控制柜由兩路不間斷電源（UPS）及一路交流凈化電源供電，供電電壓均為AC220V。圖2 為過(guò)程控制柜組成框圖。

1.4 過(guò)程參數(shù)采集處理柜

過(guò)程參數(shù)采集處理柜主要負(fù)責(zé)某裝置的過(guò)程參數(shù)測(cè)量?jī)x表的供電及信號(hào)采集，經(jīng)處理后將過(guò)程參數(shù)信號(hào)反饋回各顯控單元，從而實(shí)現(xiàn)過(guò)程參數(shù)的顯示及設(shè)備的自動(dòng)控制。在該電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)中，過(guò)程參數(shù)采集處理柜隔離單元將4mA ～20mA 的信號(hào)經(jīng)隔離后轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再經(jīng)放大和V/I 轉(zhuǎn)換，輸出二路獨(dú)立的4mA ～20mA 電流信號(hào)，圖3 為過(guò)程參數(shù)采集處理柜隔離單元框圖。

2 開(kāi)度信號(hào)異常波動(dòng)分析與定位

在某裝置運(yùn)行過(guò)程中，運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)在電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)供電情況下，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥無(wú)就地操作且在顯示控制臺(tái)不操作電動(dòng)調(diào)節(jié)閥操作開(kāi)關(guān)時(shí)，顯示控制臺(tái)上的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度指示表出現(xiàn)異常波動(dòng)，波動(dòng)范圍在2%左右。經(jīng)專業(yè)人員現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)，在波動(dòng)過(guò)程中，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥確實(shí)在進(jìn)行開(kāi)關(guān)動(dòng)作，指示表反應(yīng)的是調(diào)節(jié)閥真實(shí)的開(kāi)度狀態(tài)。

圖3 過(guò)程參數(shù)采集處理柜隔離單元框圖Fig.3 Process parameter acquisition and processing cabinet isolation unit block diagram

圖4 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)供電電源時(shí)頻圖Fig.4 Electric control valve actuator power supply time-frequency diagram

圖5 過(guò)程控制柜供電電源（UPS電源1）時(shí)頻圖Fig.5 Process control cabinet power supply (UPS power supply 1) time-frequency diagram

圖6 過(guò)程控制柜供電電源（UPS電源2）時(shí)頻圖Fig.6 Process control cabinet power supply (UPS power 2)time-frequency diagram

圖7 過(guò)程控制柜供電電源（凈化電源）時(shí)頻圖Fig.7 Process control cabinet power supply (purification power supply) time-frequency diagram

圖8 顯示控制臺(tái)DC24V電源時(shí)頻圖Fig.8 Shows the time-frequency diagram of the console DC24V power supply

首先，專業(yè)人員從電源著手，依次對(duì)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)、過(guò)程控制柜、顯示控制臺(tái)的電源信號(hào)進(jìn)行排查，使用FLUKE190-202 示波表采集各電源信號(hào)，并利用MATLAB 進(jìn)行時(shí)頻分析。圖4 為電動(dòng)調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)供電電源時(shí)頻圖，圖5 為過(guò)程控制柜供電電源（UPS 電源1）時(shí)頻圖，圖6 為過(guò)程控制柜供電電源（UPS 電源2）時(shí)頻圖，圖7 為過(guò)程控制柜供電電源（凈化電源）時(shí)頻圖，圖8 為顯示控制臺(tái)DC24V 電源時(shí)頻圖。經(jīng)分析，各電源除50Hz工作頻率及諧波成分外，無(wú)其它頻率成分，不存在噪聲干擾，供電品質(zhì)良好。

圖9 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度信號(hào)時(shí)頻圖Fig.9 Electric control valve opening signal time-frequency diagram

圖10 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制信號(hào)時(shí)頻圖Fig.10 Electric control valve control signal time-frequency diagram

圖11 抗干擾改進(jìn)示意圖Fig.11 Schematic diagram of anti-interference improvement

圖12 控制信號(hào)濾波后時(shí)頻圖Fig.12 Control signal filtering time-frequency diagram

其次，重點(diǎn)排查電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度信號(hào)和控制信號(hào)。開(kāi)度信號(hào)排查方法如下：斷開(kāi)顯示控制臺(tái)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的接線，串入120Ω 的電阻，利用示波表觀察電阻兩端的電壓信號(hào)波形，圖9 為電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度信號(hào)時(shí)頻圖，時(shí)頻特性正常。控制信號(hào)排查方法如下：斷開(kāi)顯示控制臺(tái)與過(guò)程控制柜的接線，串入120Ω 的電阻，利用示波表AC 耦合檔去除信號(hào)的直流分量，觀察電阻兩端的電壓信號(hào)波形，圖10 為電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制信號(hào)時(shí)頻圖，從圖中可以看出，控制信號(hào)存在100Hz、200Hz、300Hz 及400Hz 的偶次工頻（50Hz）干擾。

3 處理措施與成效

為了消除控制信號(hào)上的偶次工頻諧波干擾，在顯示控制臺(tái)內(nèi)與過(guò)程控制柜相連的控制信號(hào)線路上加入一階RC低通濾波器，截止頻率fH=132Hz。

其中，R=120Ω，C=10μF。此外，在該線路上加入150nF 電容，濾除高頻干擾，電阻、電容具體加入位置如圖11 所示。圖12 為加入濾波電路后控制信號(hào)時(shí)頻圖，從圖中可以看出，增加濾波電路后，50Hz 的偶次諧波基本被濾除，經(jīng)過(guò)運(yùn)行人員一段時(shí)間的觀察，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度的波動(dòng)范圍有所變小。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)某裝置電動(dòng)調(diào)節(jié)閥在無(wú)任何人為操作的情況下，顯示控制臺(tái)上的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度指示表出現(xiàn)異常波動(dòng)的問(wèn)題，開(kāi)展了一系列排查工作，依次對(duì)各電源信號(hào)、閥位控制信號(hào)及開(kāi)度信號(hào)進(jìn)行排查，利用示波表采集信號(hào)，再通過(guò)MATLAB 分析各信號(hào)的時(shí)頻特性。分析結(jié)果表明，異常波動(dòng)時(shí)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥閥位的確出現(xiàn)異常動(dòng)作，開(kāi)度信號(hào)正常；各模塊電源信號(hào)品質(zhì)較好，不存在干擾信號(hào)；而控制信號(hào)存在大量工頻（50Hz）偶次諧波干擾。通過(guò)在控制信號(hào)支路增加濾波電路，控制信號(hào)干擾諧波基本被濾除，異常波動(dòng)有所減小，有效提升了電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)的性能，對(duì)保證該裝置的安全運(yùn)行具有重要的意義。