压力信号异常波动的原因分析及解决办法

李 桢

(中国石化股份有限公司茂名分公司化工分部)

压力信号异常波动的原因分析及解决办法

李 桢

(中国石化股份有限公司茂名分公司化工分部)

分析了信号电缆与变频器输出电缆近距离平行敷设造成压力测量异常波动的原因，提出将两线制变送器与PLC模拟输入卡的连接由两线制连接方式改为四线制连接方式，并将信号地、24V(DC)电源的负极和模拟测量电路的参考地等电位连接的解决方案。实施后，消除了压力信号存在的干扰，满足了生产的要求。

压力变送器 压力信号 异常波动 信号电缆 解决办法

茂名石化乙烯厂2#高压聚乙烯装置挤压机的控制系统采用S7-400系列PLC，ET200M分布式I/O采用S7-300系列模块，模拟输入模块的型号为SM331-7KF02-0AB0。在技术改造中，增加了一个切粒机夹紧油压力变送器PI22204，在操作站对该点进行监测。由监测结果可知，切粒机未启动时，测量信号无波动，而切粒机启动后，测量值出现较大的异常波动。笔者对PLC的结构和干扰特点进行分析，最终查明了测量值出现异常波动的原因并提出解决办法。

1 模拟输入卡工作原理

切粒机夹紧油压力测量PI22204采用两线制变送器，变送器与PLC的连接采用两根导线，M+为测量导线(正)，M-为测量导线(负)，这两根线既是电源线又是信号线， 模拟测量电路的参考电压为MANA，变送器与PLC模拟输入卡的连接如图1所示。模拟输入卡将模拟量信号转换为CPU内部处理的数字信号，由多路开关、A/D(Analog/Digit)转换器、光隔离元件、内部电源和逻辑电路组成。8个模拟量输入通道共用一个A/D转换器，通过多路开关切换被转换的通道，模拟量输入卡各输入通道的A/D转换和转换结果的存储与传送是顺序执行的[1]。

2 原因分析

压力变送器PI22204安装在切粒机的电机旁，切粒机电机采用变频电机，仪表信号电缆与380V(AC)电机控制电缆平行敷设，距离很近，有多处接触。由变频器工作原理可知，变频器输出PWM脉冲波，PWM脉冲波经电缆传输到电机会产生反射，PWM脉冲作为正向行波(入射波)，由变频器逆变器传向电机，在电机端反射后产生反向行波(反射波)传向逆变器，传至逆变器输出端后的反射波又产生第2个入射波，在一个周期内，脉冲波在电机端和逆变器端分别发生两次反射。反射的电压波与各自的入射波叠加，形成电机端电压波，电机端电压呈振荡衰减形式[2]。同时，在电缆上变频器的输出线是主要的电场性干扰源[3]。这种干扰的耦合原理为：在相对的两物体中，若其中一个物体的电位发生变化，则由于物体间的电容作用使另一个物体的电位也发生变化。干扰源是通过电容性的耦合在回路中形成干扰，这是两电场相互作用的结果。

图1 变送器与PLC模拟输入卡的连接

图2表示一对平行导线所构成两回路线间的电容耦合。

图2 电容耦合模型

假设电路1为骚扰源电路，电路2为敏感电路，C为导线1、2间的分布电容，R2为敏感电路对地的电阻(阻抗)，可计算出在回路2上的感应电压U2为：

(1)

当耦合电容较小时，式(1)可以简化为：

U2=jωCR2U1

(2)

可见，电容性耦合引起的感应电压正比于骚扰源的工作频率、敏感电路的对地电阻、分布电容C和骚扰源电压U1；电容性耦合主要在射频频率形成骚扰，频率越高电容性耦合越明显。

从图2可知，测量信号由测量导线M-(负)接入模拟输入卡的A/D转换器，变频器输出线与测量信号线容性耦合，测量信号线引入干扰导致PI22204显示出现波动。

3 解决办法

为解决以上问题，将两线制变送器的供电改为外供电(P+、P-是外置24V(DC)电源的正、负极)，模拟输入卡的组态由原两线制改为四线制，接线方式由原两线制改为四线制，并将M-、MANA和P-等电位连接，如图3所示。现场的干扰信号通过容性耦合到P+、M+线路，P+、P-之间的电位差为24V(DC)，P-的电位随P+电位的变化而变化，而且变化的大小相同，M-、MANA和P-等电位，这样，干扰电平在A/D转换器的输入信号M+、M-之间被抵消，PI22204显示不再出现波动。

图3 两线制压力变送器与PLC模拟输入卡之间采用四线制连接

4 结束语

两线制变送器改为四线制接法，将M-、MANA和P-等电位连接后，经过一年多的运行，切粒机夹紧油压力变送器PI22204的测量信号再未出现异常波动。该方法解决了由变频器输出线与信号电缆平行敷设导致的信号受干扰问题，但在实际的应用中，感应耦合可以由导体间的电容耦合形式出现，也可以由电感耦合的形式或电容、电感混合的形式出现。为了避免信号电缆受到干扰，在有条件的情况下，信号电缆与动力电缆、变频器输出线平行敷设时，应满足设计规范SH/T 3019-2003所规定的最小允许距离要求。

[1] 廖常初.S7-300/400 PLC应用技术[M].北京：机械工业出版社，2005.

[2] 吴广宁，周凯，高波.变频电机绝缘老化机理及表征[M].北京：科学出版社，2009.

[3] 李全，李爱莲.仪表测控系统中信号干扰的抑制[J].自动化应用，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)

李桢(1970-)，高级工程师，从事自动化控制系统的应用与维护工作，lzh107@126.com。

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