劉安林，何振林，王登輝，孫長義，李均華，潘隆軒

（中國核動力研究設(shè)計(jì)院，成都 610213）

0 引言

圖1 某裝置電動調(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，自動控制技術(shù)[1]在越來越多的領(lǐng)域發(fā)揮出重要的作用。電動調(diào)節(jié)閥作為自動控制系統(tǒng)的重要執(zhí)行部件，具有開度自動調(diào)節(jié)功能，可實(shí)現(xiàn)對介質(zhì)流量大小的自動調(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)作為國防安全的重要支柱，也大量采用先進(jìn)的自動控制技術(shù)，以提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性，電動調(diào)節(jié)閥開度控制和反饋信號（開度）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，運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)在不對閥門進(jìn)行任何操作的情況下，電動調(diào)節(jié)閥開度信號出現(xiàn)異常波動，這導(dǎo)致運(yùn)行人員無法準(zhǔn)確判斷電動調(diào)節(jié)閥開度。因此，有必要針對電動調(diào)節(jié)閥開度信號的異常波動進(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。本文通過對電動調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)供電電源、控制信號輸入支路、開度信號支路、顯示控制臺、過程控制柜進(jìn)行依次排查，定位異常波動信號的起始位置，并利用示波器采集異常信號，通過MATLAB 分析異常信號時頻特性，以實(shí)現(xiàn)電動調(diào)節(jié)閥故障分析、定位與處理。

1 某裝置電動調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)簡介

某裝置電動調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)主要分為電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)、顯示控制臺、過程控制柜及過程參數(shù)采集處理柜4 個部分。運(yùn)行人員遠(yuǎn)程操作顯示控制臺的調(diào)節(jié)閥操作開關(guān)，將開關(guān)量信號進(jìn)入過程控制柜，在過程控制柜中經(jīng)過一系列處理后，產(chǎn)生4mA ～20mA 的控制信號，經(jīng)顯示控制臺后輸出至電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而改變閥門的開度。與此同時，執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出閥門開度信號并反饋至顯示控制臺進(jìn)行光柱表顯示，為運(yùn)行人員提供操作依據(jù)，開度信號還傳輸至過程參數(shù)采集處理柜，經(jīng)過光隔離器后送至過程控制柜，作為電動調(diào)節(jié)閥自動控制的輸入信號。電動調(diào)節(jié)閥系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

1.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

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

圖2 過程控制柜框圖Fig.2 Process control cabinet block diagram

1.2 顯示控制臺

某裝置的顯示控制臺是一臺綜合性大型設(shè)備，是整個控制系統(tǒng)的核心設(shè)備。它擔(dān)負(fù)著對該裝置控制系統(tǒng)的管理和操作，通過顯示控制臺上布置的操作開關(guān)、按鈕等操作器實(shí)現(xiàn)對該裝置重要系統(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)，采集顯示控制臺上操作開關(guān)、按鈕等操作器的動作信號，并將動作信號發(fā)送至其它控制柜，以實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)和設(shè)備的集中控制。

1.3 過程控制柜

過程控制柜是某裝置控制系統(tǒng)的重要組成部分，是過程控制系統(tǒng)的主要設(shè)備之一，該設(shè)備主要是對關(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 為過程控制柜組成框圖。

1.4 過程參數(shù)采集處理柜

過程參數(shù)采集處理柜主要負(fù)責(zé)某裝置的過程參數(shù)測量儀表的供電及信號采集，經(jīng)處理后將過程參數(shù)信號反饋回各顯控單元，從而實(shí)現(xiàn)過程參數(shù)的顯示及設(shè)備的自動控制。在該電動調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)中，過程參數(shù)采集處理柜隔離單元將4mA ～20mA 的信號經(jīng)隔離后轉(zhuǎn)換為電壓信號，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，圖3 為過程參數(shù)采集處理柜隔離單元框圖。

2 開度信號異常波動分析與定位

在某裝置運(yùn)行過程中，運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)在電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)供電情況下，電動調(diào)節(jié)閥無就地操作且在顯示控制臺不操作電動調(diào)節(jié)閥操作開關(guān)時，顯示控制臺上的電動調(diào)節(jié)閥開度指示表出現(xiàn)異常波動，波動范圍在2%左右。經(jīng)專業(yè)人員現(xiàn)場確認(rèn)，在波動過程中，電動調(diào)節(jié)閥確實(shí)在進(jìn)行開關(guān)動作，指示表反應(yīng)的是調(diào)節(jié)閥真實(shí)的開度狀態(tài)。

圖3 過程參數(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 電動調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)供電電源時頻圖Fig.4 Electric control valve actuator power supply time-frequency diagram

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

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

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

圖8 顯示控制臺DC24V電源時頻圖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，依次對電動調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)、過程控制柜、顯示控制臺的電源信號進(jìn)行排查，使用FLUKE190-202 示波表采集各電源信號，并利用MATLAB 進(jìn)行時頻分析。圖4 為電動調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)供電電源時頻圖，圖5 為過程控制柜供電電源（UPS 電源1）時頻圖，圖6 為過程控制柜供電電源（UPS 電源2）時頻圖，圖7 為過程控制柜供電電源（凈化電源）時頻圖，圖8 為顯示控制臺DC24V 電源時頻圖。經(jīng)分析，各電源除50Hz工作頻率及諧波成分外，無其它頻率成分，不存在噪聲干擾，供電品質(zhì)良好。

圖9 電動調(diào)節(jié)閥開度信號時頻圖Fig.9 Electric control valve opening signal time-frequency diagram

圖10 電動調(diào)節(jié)閥控制信號時頻圖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 控制信號濾波后時頻圖Fig.12 Control signal filtering time-frequency diagram

其次，重點(diǎn)排查電動調(diào)節(jié)閥開度信號和控制信號。開度信號排查方法如下：斷開顯示控制臺與執(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波形，圖9 為電動調(diào)節(jié)閥開度信號時頻圖，時頻特性正常?？刂菩盘柵挪榉椒ㄈ缦拢簲嚅_顯示控制臺與過程控制柜的接線，串入120Ω 的電阻，利用示波表AC 耦合檔去除信號的直流分量，觀察電阻兩端的電壓信號波形，圖10 為電動調(diào)節(jié)閥控制信號時頻圖，從圖中可以看出，控制信號存在100Hz、200Hz、300Hz 及400Hz 的偶次工頻（50Hz）干擾。

3 處理措施與成效

為了消除控制信號上的偶次工頻諧波干擾，在顯示控制臺內(nèi)與過程控制柜相連的控制信號線路上加入一階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時頻圖，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)過運(yùn)行人員一段時間的觀察，電動調(diào)節(jié)閥開度的波動范圍有所變小。

4 結(jié)束語

本文針對某裝置電動調(diào)節(jié)閥在無任何人為操作的情況下，顯示控制臺上的電動調(diào)節(jié)閥開度指示表出現(xiàn)異常波動的問題，開展了一系列排查工作，依次對各電源信號、閥位控制信號及開度信號進(jìn)行排查，利用示波表采集信號，再通過MATLAB 分析各信號的時頻特性。分析結(jié)果表明，異常波動時電動調(diào)節(jié)閥閥位的確出現(xiàn)異常動作，開度信號正常；各模塊電源信號品質(zhì)較好，不存在干擾信號；而控制信號存在大量工頻（50Hz）偶次諧波干擾。通過在控制信號支路增加濾波電路，控制信號干擾諧波基本被濾除，異常波動有所減小，有效提升了電動調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)的性能，對保證該裝置的安全運(yùn)行具有重要的意義。