某装置电动调节阀开度信号异常波动分析

刘安林，何振林，王登辉，孙长义，李均华，潘隆轩

（中国核动力研究设计院，成都 610213）

0 引言

图1 某装置电动调节阀控制系统框图Fig.1 Block diagram of the control system of an electric control valve of a device

随着科学技术的发展，自动控制技术[1]在越来越多的领域发挥出重要的作用。电动调节阀作为自动控制系统的重要执行部件，具有开度自动调节功能，可实现对介质流量大小的自动调节，在石化、冶金、电力、制药、化纤等智能制造行业中广泛应用[2]。核工业作为国防安全的重要支柱，也大量采用先进的自动控制技术，以提高系统运行的稳定性和安全性，电动调节阀开度控制和反馈信号（开度）的准确性将直接影响运行人员的决策与操作[3]。某装置在进行热态调试时，运行人员发现在不对阀门进行任何操作的情况下，电动调节阀开度信号出现异常波动，这导致运行人员无法准确判断电动调节阀开度。因此，有必要针对电动调节阀开度信号的异常波动进行相应的故障排查与分析，以便采取有效的处理措施，保证电动调节阀的调节性能，促进该装置得以安全、稳定的运行。本文通过对电动调节阀执行机构供电电源、控制信号输入支路、开度信号支路、显示控制台、过程控制柜进行依次排查，定位异常波动信号的起始位置，并利用示波器采集异常信号，通过MATLAB 分析异常信号时频特性，以实现电动调节阀故障分析、定位与处理。

1 某装置电动调节阀控制系统简介

某装置电动调节阀控制系统主要分为电动执行机构、显示控制台、过程控制柜及过程参数采集处理柜4 个部分。运行人员远程操作显示控制台的调节阀操作开关，将开关量信号进入过程控制柜，在过程控制柜中经过一系列处理后，产生4mA ～20mA 的控制信号，经显示控制台后输出至电动执行机构，从而改变阀门的开度。与此同时，执行机构输出阀门开度信号并反馈至显示控制台进行光柱表显示，为运行人员提供操作依据，开度信号还传输至过程参数采集处理柜，经过光隔离器后送至过程控制柜，作为电动调节阀自动控制的输入信号。电动调节阀系统框图如图1 所示。

1.1 执行机构

电动执行机构是电动单元组合式仪表中的执行单元。它以单相交流电源为动力，输入工业标准的直流信号，将其转换成相应的直线位移，位移信号转换成标准电流信号输出。本执行机构的供电电压为AC220V，开度信号输出为4mA ～20mA 的电流信号，控制信号输入为4mA ～20mA的电流信号。

图2 过程控制柜框图Fig.2 Process control cabinet block diagram

1.2 显示控制台

某装置的显示控制台是一台综合性大型设备，是整个控制系统的核心设备。它担负着对该装置控制系统的管理和操作，通过显示控制台上布置的操作开关、按钮等操作器实现对该装置重要系统和设备的远程控制。采用光柱表显示该装置的重要运行参数，采集显示控制台上操作开关、按钮等操作器的动作信号，并将动作信号发送至其它控制柜，以实现对系统和设备的集中控制。

1.3 过程控制柜

过程控制柜是某装置控制系统的重要组成部分，是过程控制系统的主要设备之一，该设备主要是对关键设备与系统进行控制。主要包括电源插件、模拟量输入（AI）插件、模拟量输出（AO）插件、数字量输入（DI）插件及控制器插件等。过程控制柜由两路不间断电源（UPS）及一路交流净化电源供电，供电电压均为AC220V。图2 为过程控制柜组成框图。

1.4 过程参数采集处理柜

过程参数采集处理柜主要负责某装置的过程参数测量仪表的供电及信号采集，经处理后将过程参数信号反馈回各显控单元，从而实现过程参数的显示及设备的自动控制。在该电动调节阀控制系统中，过程参数采集处理柜隔离单元将4mA ～20mA 的信号经隔离后转换为电压信号，再经放大和V/I 转换，输出二路独立的4mA ～20mA 电流信号，图3 为过程参数采集处理柜隔离单元框图。

2 开度信号异常波动分析与定位

在某装置运行过程中，运行人员发现在电动执行机构供电情况下，电动调节阀无就地操作且在显示控制台不操作电动调节阀操作开关时，显示控制台上的电动调节阀开度指示表出现异常波动，波动范围在2%左右。经专业人员现场确认，在波动过程中，电动调节阀确实在进行开关动作，指示表反应的是调节阀真实的开度状态。

图3 过程参数采集处理柜隔离单元框图Fig.3 Process parameter acquisition and processing cabinet isolation unit block diagram

图4 电动调节阀执行机构供电电源时频图Fig.4 Electric control valve actuator power supply time-frequency diagram

图5 过程控制柜供电电源（UPS电源1）时频图Fig.5 Process control cabinet power supply (UPS power supply 1) time-frequency diagram

图6 过程控制柜供电电源（UPS电源2）时频图Fig.6 Process control cabinet power supply (UPS power 2)time-frequency diagram

图7 过程控制柜供电电源（净化电源）时频图Fig.7 Process control cabinet power supply (purification power supply) time-frequency diagram

图8 显示控制台DC24V电源时频图Fig.8 Shows the time-frequency diagram of the console DC24V power supply

首先，专业人员从电源着手，依次对电动调节阀执行机构、过程控制柜、显示控制台的电源信号进行排查，使用FLUKE190-202 示波表采集各电源信号，并利用MATLAB 进行时频分析。图4 为电动调节阀执行机构供电电源时频图，图5 为过程控制柜供电电源（UPS 电源1）时频图，图6 为过程控制柜供电电源（UPS 电源2）时频图，图7 为过程控制柜供电电源（净化电源）时频图，图8 为显示控制台DC24V 电源时频图。经分析，各电源除50Hz工作频率及谐波成分外，无其它频率成分，不存在噪声干扰，供电品质良好。

图9 电动调节阀开度信号时频图Fig.9 Electric control valve opening signal time-frequency diagram

图10 电动调节阀控制信号时频图Fig.10 Electric control valve control signal time-frequency diagram

图11 抗干扰改进示意图Fig.11 Schematic diagram of anti-interference improvement

图12 控制信号滤波后时频图Fig.12 Control signal filtering time-frequency diagram

其次，重点排查电动调节阀开度信号和控制信号。开度信号排查方法如下：断开显示控制台与执行机构的接线，串入120Ω 的电阻，利用示波表观察电阻两端的电压信号波形，图9 为电动调节阀开度信号时频图，时频特性正常。控制信号排查方法如下：断开显示控制台与过程控制柜的接线，串入120Ω 的电阻，利用示波表AC 耦合档去除信号的直流分量，观察电阻两端的电压信号波形，图10 为电动调节阀控制信号时频图，从图中可以看出，控制信号存在100Hz、200Hz、300Hz 及400Hz 的偶次工频（50Hz）干扰。

3 处理措施与成效

为了消除控制信号上的偶次工频谐波干扰，在显示控制台内与过程控制柜相连的控制信号线路上加入一阶RC低通滤波器，截止频率fH=132Hz。

其中，R=120Ω，C=10μF。此外，在该线路上加入150nF 电容，滤除高频干扰，电阻、电容具体加入位置如图11 所示。图12 为加入滤波电路后控制信号时频图，从图中可以看出，增加滤波电路后，50Hz 的偶次谐波基本被滤除，经过运行人员一段时间的观察，电动调节阀开度的波动范围有所变小。

4 结束语

本文针对某装置电动调节阀在无任何人为操作的情况下，显示控制台上的电动调节阀开度指示表出现异常波动的问题，开展了一系列排查工作，依次对各电源信号、阀位控制信号及开度信号进行排查，利用示波表采集信号，再通过MATLAB 分析各信号的时频特性。分析结果表明，异常波动时电动调节阀阀位的确出现异常动作，开度信号正常；各模块电源信号品质较好，不存在干扰信号；而控制信号存在大量工频（50Hz）偶次谐波干扰。通过在控制信号支路增加滤波电路，控制信号干扰谐波基本被滤除，异常波动有所减小，有效提升了电动调节阀控制系统的性能，对保证该装置的安全运行具有重要的意义。