消除交流控制系统信号干扰的方法

消除交流控制系统信号干扰的方法

摘要本文以两个故障案例为背景，简单介绍交流控制系统中由信号干扰产生故障的分析过程及解决方案。

关键词交流控制系统；信号干扰；故障分析；解决方案

0 引言

在巴新瑞木镍钴项目电气控制系统调试过程中，曾多次发生设备运行不正常的情况，经过事后分析和模拟试验，发现多数是由于控制信号受干扰引起的。本文以该工程调试过程中两个典型故障案例为背景，对控制系统中信号干扰的产生原因进行简要分析，并提出相应解决方法。

1 故障案例

1.1感应电压故障

1.1.1故障现象

该工程项目中，矿浆输送泵采用艾默生SPMA交流变频器进行控制，控制回路采用现场操作箱并联DCS系统共同进行控制。根据设计要求，从电气室变频器柜分别敷设KVV-450/750V非屏蔽及KVVP-450/750V屏蔽型号的控制电缆，用于泵的操作控制。在E101矿浆输送区域进行试车过程中，在完成变频器参数调整及DCS系统I/O信号测试后，进行现场操作箱控制启/停电动机的试验。在本地控制模式及远方控制模式下，电动机均能正常启动，但当按下手动停止按钮或DCS系统发出停止信号时，电动机没有停止而是继续运行，这是一个很不正常的现象，将会对设备及人身安全造成重大危险，对此我们进行了认真分析，以便找出故障原因及解决方案。

1.1.2试验分析

根据发生的故障现象，对变频器及DCS控制系统重新进行测试。

图1输送泵现场操作箱原理图

图2变频器原理图

1）依据设计原理图（见图1）对控制回路接线检查，没有发现问题；对变

频器单独进行测试，使用手操器在电气室内对电动机进行启动、调速、停止测试，整个过程正常运行，没有发现问题；对DCS系统I/O接口进行测试，所有信号指示正常，继电器动作无误；

2）在完成以上测试后，再次进行现场操作试验，并仔细观察KA2中间继电器（用于变频器的启/停控制）的动作情况。在给出运行信号后，KA2继电器动作，变频器正常启动，现场电动机开始运行。发出停止信号后，KA2继电器没有正常断开，因此变频器没有收到停止信号，导致电动机一直运行。针对这一现象，对KA2继电器线圈两端电压进行测量，发现在变频器运行时，即使发出停止信号，线圈两端仍有170V电压存在。后经过测试，KA2继电器的动作电压在140V左右，返回电压在120V左右，该电压的存在使KA2继电器接点无法断开，致使变频器不能接收停止信号，造成该故障现象的发生；

3）在之前的试验基础上，可以判定该电压是由于变频器运行时产生的干扰造成的。因为变频器的输出部分一般采用IGBT等功率元器件，在输出能量的同时将在输出线路上产生较强的电磁辐射干扰，影响周围的电器正常工作。通过图2可以看出，设计上，在变频器的输出部分并未设置交流电抗器对电磁辐射进行抑制，因此变频器运行时由于产生电磁辐射干扰，在临近的控制电缆上产生的感应电压；

4）为了验证该判断的正确性，临时将控制电缆中的一芯备用线在变频柜内接地后，进行试验。设备启动后发出停止信号，KA2继电器依然没有断开，测量线圈两端电压发现由原来的170V降至130V。说明该方法对消除干扰电压有一定效果，但由于干扰源能量较强，还不能完全消除影响。因此，将控制电缆中剩余的所有备用纤芯全部接地后，再次进行测试。设备运行后，测量KA2继电器线圈两端电压在变频器运行时已降至60V左右，通过现场手动和DCS系统分别停止试验，电动机都能正常停止。通过临时采取临时措施进行试验后，证明该故障正是由于变频器的电磁辐射干扰所引起。

1.1.3解决方案

该故障的解决办法主要就是消除或降低变频器对周围电磁辐射干扰。常用的方法有在变频器输出端串接交流电抗器、控制回路采用抗干扰性能好的屏蔽电缆、在控制回路中间继电器线圈两端并接阻容保护等。针对现场的实际施工情况，采用前两种方法都会大大增加工程成本，而且所有物资设备均需从国内采购并运输至现场，将严重拖延工期。因此，选用第三种方法：在中间继电器线圈两端加装阻容保护，以降低线路中产生的感应电压对器件的影响。另外，考虑今后系统正常运行时，众多变频器同时工作将产生更大的干扰。为更好地消除或降低感应电压对系统的影响，将其余设备控制电缆中的备用线芯全部在变频柜侧接地。在实施上述两种方法后，该故障得到了彻底解决，在后续的调试过程中，再未发生此类故障。

1.2接地系统混乱干扰故障

1.2.1故障现象

在E131高压酸浸给料矿浆浓缩区域低温预热器给料泵小系统联调过程中，根据设计要求，变频器以初始设置频率30Hz启动后，本应缓慢将频率增加至35Hz，但现场实际测量电动机转速时而加快时而减慢，电气室内变频器手操器上显示频率在10-40Hz之间来回跳动，DCS系统检测的变频器反馈参数则在-30-40 Hz之间跳动。故障发生后，立即停止系统联调，并分析故障原因，寻找解决方案。

1.2.2故障分析

根据工艺设计（如图3），泵启动后，DCS系统根据给料泵后接管道上的电磁流量计及低温预热器液位计检测的工艺参数，自动完成对电动机转速调整。此故障反映出，变频器未按DCS系统给定参数工作，且反馈信号数据紊乱。由于流量计与液位计信号电缆均由专用桥架单独敷设，不会受到干扰影响，在之前进行的信号测试中，所有数据均正常。在试车过程中，现场流量变送器与液位变送器显示值与DCS系统监控值也一致。而由于给料泵泵体与电动机为一体设计，无法脱离进行电动机单独调试，只有在系统联调时才能测试。因此，分析问题的重点放在变频器与DCS系统之间的通讯信号上。

由图4可知，变频器与DCS系统之间的频率给定及反馈信号为标准4-20mA 电流信号。经过检测发现，变频器内部39及55公共接口端内部导通且与变频器外壳及盘柜共地。而在DCS侧，频率给定与反馈信号公共端与DCS系统共地。这样就使计算机控制系统与变频调速系统混接接地，会造成两套系统的接地点电位分布不均，引起地环路电流。在变化磁场的作用下，信号电缆屏蔽层内将产生感应电流，通过屏蔽层与线芯之间的耦合，形成干扰信号回路，影响系统正常运行。结合发生的故障现象分析，正是由于两套系统的接地系统混接，造成信号干扰。

图3给料泵控制原理图

图4变频器与DCS信号接口

1.2.3解决方案

由现场实际情况看，只要将DCS系统与变频调速系统的电流信号公共端相互独立即可解决干扰问题。因此，必须在信号通道间加装信号隔离器，使两套系统相互独立。根据解决方案，在控制回路中加装信号隔离器后，再次进行试车，变频器能够依据工艺参数正常运行，反馈信号也显示正确。