某裝置電動調節閥開度信號異常波動分析

劉安林，何振林，王登輝，孫長義，李均華，潘隆軒

（中國核動力研究設計院，成都 610213）

0 引言

圖1 某裝置電動調節閥控制系統框圖Fig.1 Block diagram of the control system of an electric control valve of a device

隨著科學技術的發展，自動控制技術[1]在越來越多的領域發揮出重要的作用。電動調節閥作為自動控制系統的重要執行部件，具有開度自動調節功能，可實現對介質流量大小的自動調節，在石化、冶金、電力、制藥、化纖等智能制造行業中廣泛應用[2]。核工業作為國防安全的重要支柱，也大量采用先進的自動控制技術，以提高系統運行的穩定性和安全性，電動調節閥開度控制和反饋信號（開度）的準確性將直接影響運行人員的決策與操作[3]。某裝置在進行熱態調試時，運行人員發現在不對閥門進行任何操作的情況下，電動調節閥開度信號出現異常波動，這導致運行人員無法準確判斷電動調節閥開度。因此，有必要針對電動調節閥開度信號的異常波動進行相應的故障排查與分析，以便采取有效的處理措施，保證電動調節閥的調節性能，促進該裝置得以安全、穩定的運行。本文通過對電動調節閥執行機構供電電源、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，以實現電動調節閥故障分析、定位與處理。

1 某裝置電動調節閥控制系統簡介

某裝置電動調節閥控制系統主要分為電動執行機構、顯示控制臺、過程控制柜及過程參數采集處理柜4 個部分。運行人員遠程操作顯示控制臺的調節閥操作開關，將開關量信號進入過程控制柜，在過程控制柜中經過一系列處理后，產生4mA ～20mA 的控制信號，經顯示控制臺后輸出至電動執行機構，從而改變閥門的開度。與此同時，執行機構輸出閥門開度信號并反饋至顯示控制臺進行光柱表顯示，為運行人員提供操作依據，開度信號還傳輸至過程參數采集處理柜，經過光隔離器后送至過程控制柜，作為電動調節閥自動控制的輸入信號。電動調節閥系統框圖如圖1 所示。

1.1 執行機構

電動執行機構是電動單元組合式儀表中的執行單元。它以單相交流電源為動力，輸入工業標準的直流信號，將其轉換成相應的直線位移，位移信號轉換成標準電流信號輸出。本執行機構的供電電壓為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備，是整個控制系統的核心設備。它擔負著對該裝置控制系統的管理和操作，通過顯示控制臺上布置的操作開關、按鈕等操作器實現對該裝置重要系統和設備的遠程控制。采用光柱表顯示該裝置的重要運行參數，采集顯示控制臺上操作開關、按鈕等操作器的動作信號，并將動作信號發送至其它控制柜，以實現對系統和設備的集中控制。

1.3 過程控制柜

過程控制柜是某裝置控制系統的重要組成部分，是過程控制系統的主要設備之一，該設備主要是對關鍵設備與系統進行控制。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 過程參數采集處理柜

過程參數采集處理柜主要負責某裝置的過程參數測量儀表的供電及信號采集，經處理后將過程參數信號反饋回各顯控單元，從而實現過程參數的顯示及設備的自動控制。在該電動調節閥控制系統中，過程參數采集處理柜隔離單元將4mA ～20mA 的信號經隔離后轉換為電壓信號，再經放大和V/I 轉換，輸出二路獨立的4mA ～20mA 電流信號，圖3 為過程參數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

在某裝置運行過程中，運行人員發現在電動執行機構供電情況下，電動調節閥無就地操作且在顯示控制臺不操作電動調節閥操作開關時，顯示控制臺上的電動調節閥開度指示表出現異常波動，波動范圍在2%左右。經專業人員現場確認，在波動過程中，電動調節閥確實在進行開關動作，指示表反應的是調節閥真實的開度狀態。

圖3 過程參數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 電動調節閥執行機構供電電源時頻圖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，專業人員從電源著手，依次對電動調節閥執行機構、過程控制柜、顯示控制臺的電源信號進行排查，使用FLUKE190-202 示波表采集各電源信號，并利用MATLAB 進行時頻分析。圖4 為電動調節閥執行機構供電電源時頻圖，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，供電品質良好。

圖9 電動調節閥開度信號時頻圖Fig.9 Electric control valve opening signal time-frequency diagram

圖10 電動調節閥控制信號時頻圖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，重點排查電動調節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行機構的接線，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 為電動調節閥開度信號時頻圖，時頻特性正常。控制信號排查方法如下：斷開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 為電動調節閥控制信號時頻圖，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，經過運行人員一段時間的觀察，電動調節閥開度的波動范圍有所變小。

4 結束語

本文針對某裝置電動調節閥在無任何人為操作的情況下，顯示控制臺上的電動調節閥開度指示表出現異常波動的問題，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。分析結果表明，異常波動時電動調節閥閥位的確出現異常動作，開度信號正常；各模塊電源信號品質較好，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，有效提升了電動調節閥控制系統的性能，對保證該裝置的安全運行具有重要的意義。