AI信号异常时的故障诊断及检修

论文3-1
AI信号异常时的故障诊断及检修
目 录
一、现场系统概况 (1)
二、故障现象 (1)
三、理论分析判断 (1)
⑴模拟量输入模块 (1)
①：量程卡 (1)
②：电流变送器接线 (2)
③：电压测量变送器接线 (2)
④：电阻温度计(PT100) 的接线 (3)
⑤：热电偶 (4)
⑵隔离器 (6)
①：系统产生干扰的原因 (6)
②：隔离器类型 (6)
③：功能 (7)
④：图尔克IM33-22Ex-Hi / 24VDC一入两出隔离栅 (7)
⑶导致WinCC画面AI信号数据故障可能原因 (8)
①：某个点数据丢失或者某些点数据丢失 (8)
②：所有点数据丢失 (9)
③：模拟量信号总是显示满量程 (9)
四、检修排查 (10)
⑴找WinCC上故障点对应实际AI输入模块对应点 (10)
①：在WinCC画面中找到故障点在STEP7数据块中的地址 (10)
②：在STEP7中找到数据块DB1000，DD28对应PIW (11)
⑵故障分析 (13)
①：硅钢氢站EMS系统 (13)
②：301泵房EMS系统 (13)
论文要求
工作要求：
1、根据9月30日的现场检修，分现场系统概况、故障现象、理论分析判断、检修排查四部分详细描述当运行画面上AI信号显示异常时的故障诊断及检修方法；（关键字：一入两出式隔离器、量程卡）
2、阅读《西门子工业通信网络组态编程与故障诊断》，编写400H冗余系统与S7-300之间的以太网通讯程序；
3、2#制氢400#出口流量FI2402（经过温压补偿）在系统运行画面中显示800，而EMS画面中数据显示为700，查找故障原因并予以解决；（关键字：SCL 语言）
论文目录： 完成时间
论文1：《第一集控站抄表画面设计方案》（2014.09.11）
论文2：《一集控GCS站监控系统运行方案》（2014.10.10）
论文3：《AI信号异常时的故障诊断及检修》（2014.10.24）
《AI信号一入两出状况下显示数值差异探讨》（暂定）
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一、现场系统概况
该工程在年后开始，原设计是现场信号由原先的连接各自的三套制氢系统修改为先连接至子站，然后通过子站安装的一路入两路出的隔离器，一路输出至子站AI模块，另一路返回至原先系统。

缺点是若EMS子站发生断电，则三套系统中这些上传至能中的重要数据（大多与系统运行联锁）将丢失，导致运行系统跳机，故有此改造。

二、故障现象
检修EMS子站中硅钢氢站上传至EMS系统的两组数据丢失故障，在制氢站有电流信号输出，但子站端子侧未检测到电流值，怀疑是中间线路有短路或断路。

下午将该子站连接到“制氢站EMS系统上传数据测试”画面，发现实际有四组数据丢失，PIW输入值为-32768。

再次测量电流发现均为负值，调换接线位置后，四组数据均显示正常。

改造过程属于停电操作，在2#硅钢制氢系统输出至子站模块的接线过程中未仔细核对线路，导致7路信号中有四路的正负极接反。

调度居然在半年后才发现其中两路异常。

三、理论分析判断
⑴模拟量输入模块
模拟量输入模块用于接受来自生产过程的连续变化的模拟信号。

如温度、压力、流量、液位及频率等非电量；电压、电流、有功功率、无功功率等电量。

传感器检测的模拟量信号通过相应的变送器转化成标准的直流电压和电流信号，例如：DC 0~10V，DC -10V~+10V，DC 1V~5V；0~10mA和4~20mA。

模拟量输入模块将来自变送器的模拟信号转化成CPU处理的数字信号，即A/D转化。

模拟量输入模块SM331中也有直接连接不带附加放大器的温度传感器，如热电偶或热电阻。

①：量程卡
SM331是S7-300的模拟量输入模块，其输入通道能接受不同量程的电流输入或电压输入，通过模块侧面的量程卡选择输入信号的类型，通过STEP7的硬件组态功能选择量程的范围和信号转化的分辨率。

模拟量模块上每两个通道为一组，共用一个量程卡，图3.1中的模块有8个通道，所以有四个量程卡。

模块SM331 具有4 个量程卡（每个通道组具有一个）。

可以将量程卡设置到4 个不同的位置（A、B、C 或D）。

图3.1 4 个量程卡的默认设置为B（电压）
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由位置确定连接到各个通道组的变送器。

表3.2量程卡的位置
位置测量类型
A 热电偶/电阻测量
B 电压（出厂设置）
C 电流（4 线制变送器）
D 电流（2 线制变送器）
②：电流变送器接线
2 线制电流变送器的接线原理
这种类型变送器由模拟输入模块供电。

图3.3 接线：2 线制电流变送器
4 线制电流变送器的接线原理
与2 线制变送器不同，该变送器自身具有电源。

图3.4 接线：4 线制电流变送器
③：电压测量变送器接线
为电压测量变送器接线：
请按以下步骤为电压测量变送器接线：
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图3.5 接线原理：隔离SM331 后的电压测量变送器
如果要在EMC 干扰极强的地区使用SM331 模块，则应将M- 与Mana 连接起来。

这样，输入和Mana 参考电位之间的电位差就不会超出允许值。

④：电阻温度计(PT100) 的接线
可以有三种方法来接线电阻温度计：
• 4 线制连接
• 3 线制连接
• 2 线制连接
对于4 线制连接和3 线制连接，模块通过端子Ic+ 和Ic- 提供恒定电流，这样可以在测量电路的电压突降时给予补偿。

此时必须将恒定电流电缆直接连接到电阻温度计上。

电阻温度计的4 线制连接
在M+ 和M- 的连接处，可以测量电阻温度计产生的电压。

进行连接时，请观察Ic+/M+ 和Ic-/M- 连接线路的极性，并确保这些线路是直接与电阻温度计相连接。

图3.6 接线：电阻温度计的4 线制连接
电阻温度计的3 线制连接
对于3 线制连接，通常必须在M- 和Ic- 之间放一个连接插头。

进行连接时，确保连接线路Ic+ 和M+ 直接连接到电阻温度计。

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图3.7 接线：电阻温度计的3 线制连接
电阻温度计的2 线制连接
对于2 线制连接，必须在模块前连接器上的端子M+ 和Ic+ 之间插入一个连接插头，在端子M- 和Ic- 之间插入另一个连接插头。

图3.8 接线：电阻温度计的2 线制连接
⑤：热电偶
与热电偶的连接相比，模拟模块SM331 的接线仅在选择以下内容时有所不同：
•使用内部参比接点
•使用外部参比接点
如果导线两端存在电位差，则等电位电流可能会流过屏蔽，这样会干扰模拟量信号。

在这种情况下，您应该只在一端将屏蔽层接地或者安装适当的补偿导线。

使用内部参比接点和外部参比接点
表3.9 内部参比接点和外部参比接点
属性使用内部参比接点使用外部参比接点
接线（具有相同类型的热电偶） 最多允许使用8 个热电偶。

最多允许使用8 个热电偶。

接线（具有不同类型的热电偶） 可以为每个通道组安装2
个相同类型的热电偶。

这意味着： 总共可以安装最多4
种不同类型的8 个热电偶。

不允许混合使用不同的热电偶。

模块的所有通道都参考同一个参 比接点。

因此，最多可以安装8 个相同类型的热电偶。

可用的连接导线 直接连接热电偶
通过补偿导线连接 可以使用长的铜质导线。

直接在参比接点处连接热电偶。

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使用内部参比接点的热电偶的连接图
图显示了具有通过补偿导线和内部参比接点连接的热电偶的模拟模块SM331。

图3.10 连接图：使用内部参比接点
补偿导线的材料必须始终与热电偶的材料（合金）相同。

在每个通道组上，只能安装相同类型的热电偶。

使用外部参比接点的热电偶的连接图
该图说明了通过补偿导线的连接点与热电偶连接
•的模拟模块SM331
•与外部参比接点连接
图3.11 接线：使用外部参比接点的热电偶
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如果使用外部补偿，则可以通过补偿盒获取热电偶的参比接点的温度。

补偿盒包含一个桥接电路，该电路可以针对某参考温度（补偿温度）进行调节。

热电偶补偿导线应紧邻补偿盒连接。

只有这样，您才能保证热电偶的连接点周围的温度与补偿盒周围的温度相同。

⑵隔离器
首先将变送器或仪表的信号，通过半导体器件调制变换，然后通过光感或磁感器件进行隔离转换，然后再进行解调变换回隔离前原信号，同时对隔离后信号的供电电源进行隔离处理。

保证变换后的信号、电源、地之间绝对独立。

①：系统产生干扰的原因
在工业生产过程中实现监视和控制需要用到各种自动化仪表、控制系统和执行机构，它们之间的信号传输既有微弱到毫伏级、微安级的小信号，又有几十伏，甚至数千伏、数百安培的大信号；既有低频直流信号，也有高频脉冲信号等等，构成系统后往往发现在仪表和设备之间信号传输互相干扰，造成系统不稳定甚至误操作。

出现这种情况除了每个仪表、设备本身的性能原因如抗电磁干扰影响外，还有一个十分重要的因素就是由于仪表和设备之间的信号参考点之间存在电势差，因而形成“接地环路”造成信号传输过程中失真。

因此，要保证系统稳定和可靠的运行，“接地环路”问题是在系统信号处理过程中必须解决的问题。

解决“接地环路”的方法
根据理论和实践分析，有三种解决方案：
第一种方案：所有现场设备不接地，使所有过程环路只有一个接地点，不能形成回路，这种方法看似简单，但在实际应用中往往很难实现，因为某些设备要求必须接地才能保证测量精度或确保人身安全，某些设备可能因为长期遭到腐蚀和磨损后或气候影响而形成新的接地点。

第二种方案：使两接地点的电势相同，但由于接地点的电阻受地质条件及气候变化等众多因素的影响，这种方案其实在实际中无法完全做到。

第三种方案：在各个过程环路中使用信号隔离方法，断开过程环路，同时又不影响过程信号的正常传输，从而彻底解决接地环路问题。

②：隔离器类型
隔离器一般由输入信号处理单元、隔离单元、输出信号处理单元、电源等4部份构成。

虽然实际应用中的隔离器基本上都是由上述四个单元构成，但输入、输出的类型和数量的不同，组成了种类繁多的型号，下面的表格大致进行了归纳。

输入处理单元大致类型：
序号类型
1 标准4-20MA、1-5V信号
2 热阻、热偶型号
3 开关量信号
4 通信信号
5 交流信号
6 其它非标准信号（0~10V、-10~10V)
输出信号的大致类型：
序号类型
1 标准4-20MA、1-5V信号
2 开关量输出
3 通信信号
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隔离单元的大致类型：
序号类型
1 磁隔离
2 光隔离
电源类型（均为隔离电源）：
序号类型
1 自激式
2 他激式
③：功能
1、保护下级的控制回路。

2、消弱环境噪声对测试电路的影响。

3、抑制公共接地、变频器、电磁阀及不明脉冲对设备的干扰；同时对下级设备具有限压、额流的功能是变送器、仪表、变频器、电磁阀PLC/DCS输入输出及通讯接口的忠实防护。

系列导轨结构，易于安装，可有效的隔离：输入、输出和电源及大地之间的电位。

能够克服变频器噪声及各种高低频脉动干扰。

④：图尔克IM33-22Ex-Hi / 24VDC一入两出隔离栅
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IM33-22Ex-Hi / 24VDC用来驱动危险区的本安2线制HART 变送器，并将测量信号传送到安全区。

除模拟信号外可双向传送HART 通讯协议的数字信号。

该设备也可连接2线制有源信号(II)和3线便送器。

绿色LED指示灯指示24VDC电源的状态正常，输入回路输出回路和电源之间相互隔离。

该设备将来自危险区的输入信号无衰减地（1:1传输）传送至安全区的输出回路。

由于是1:1信号传输特性，当输入回路中发生断路或短路情况，输出回路电流为0mA或>22.5mA。

为连接HART 手操器，可插拔端子上带测试插孔（Ф2mm）。

·带可插拔端子的HART双通道隔离栅
·本安输入回路EEx ia
·应用区域符合
ATEX：II（1）GD
·为二线制具有HAR通信协议的智能变送器供电，也可以连接普通2线制有源信号和3线制变送器
·安全电隔离
·输入回路短路保护
·2通道输入回路0/4～20mA
·线性误差≤0.1%
·温漂≤最终值0.01%/K
·像变送器提供恒压源
·EMC符合NE21
⑶导致WinCC画面AI信号数据故障可能原因
①：某个点数据丢失或者某些点数据丢失
序号损坏点结果
1 AI模块损坏 AI模块损坏导致接入模块的所有AI信号数据都丢失，
WinCC画面对应点显示为0。

2 线路短路或断路线路绝缘层损伤与金属接触导致接地短路，WinCC画
面对应点显示为0；线路某处断了导致断路，WinCC
画面对应点显示为零。

3 隔离器损坏隔离器损坏导致断路，WinCC画面对应点显示为0。

4 仪表损坏仪表损坏导致输出<4mA，WinCC对应点显示为0。

5 接触不良接触不良导致断路，WinCC画面对应点显示0。

6 线路正负极反接线路正负极反接导致输入为负值，WinCC画面对应点
显示为0。

②：所有点数据丢失
通讯故障：通讯设置问题，网卡损坏，路由器或者交换机损坏，网线损坏或者接触不良。

③：模拟量信号总是显示满量程
1、模拟量到前连接器都有电流，但PIW一直是32767
若排除测量模式和量程卡的问题后，问题仍存在，可能是共模电压过高，我一般先用信号发生器发生一4～20mA，排除一下通道本身故障（也可用其他正常点的信号输出测量），如无故障，往往加装信号隔离器可正常检测。

2、可能是如下原因：
可能使用了一个自供电或隔离的传感器电源，两个电源没有彼此连接，即模拟量输入模块的电源地和传感器的信号地没有连接。

这将会产生一个很高的上下振动的共模电压，影响模拟量输入值。

另一个原因可能是模拟量输入模块接线太长或绝缘不好。

可以用如下方法解决：
1）连接传感器输入的负端与模块上的公共M 端以补偿此种波动。

（但要注意确保这是两个电源系统之间的唯一联系。

）
背景是：
模拟量输入模块内部是不隔离的；
共模电压不应大于 12V；
对于60Hz干扰信号的共模抑制比为40dB。

2）使用模拟量输入滤波器。

3、共模电压问题：
一、首先，这是典型的电磁干扰，导致AI模块输入通道的共模（即干扰）电压值超出AI模块的允许范围所致。

即超出AI模块的允许共模抑制比（简写CMRR）。

二、而四线制AI输入信号与AI模块的供电电源不等电位，在共模干扰电压作用下极易造成超出AI模块的允许共模抑制比（即CMRR），因此最易受电磁干扰影响。

三、AI模块抗干扰处理方法如下：
请先将接线端子编号10、11（即Mana）短接在一起；
然后将所有8个AI通道的测量线路的负极线（即M0－、M1－、M2－、M3－、M4－、M5－、M6－、M7－）全部也短接在一起；
最后，再将端子编号10、11（即Mana）的短接线，与所有8个AI通道的测量线路的负极线的短接线，再次短接在一起就可以了。

4、问题补充：
建议采用信号隔离器。

对于四线制变送器，模拟量输入模块量程必须设定为4线制，此时直接将变送器的+接m+,变送器的-接m-。

四、检修排查
⑴找WinCC上故障点对应实际AI输入模块对应点
下面以硅钢氢站上传至EMS系统的四组数据丢失故障中焦煤入口压力PI2101为例
①：在WinCC画面中找到故障点在STEP7数据块中的地址
打开图形编辑器中故障画面
选中故障点窗口，右击鼠标选择链接→变量连接，弹出变量连接的链接对话框，获取到变量名PIW286。

打开变量管理→SIMATIC S7 PROTOCOL SUITE→Industrial Ethernet，查找PIW286，获取PIW286参数为DB1000，DD28意思是STEP7程序中数据块1000中28位。

②：在STEP7中找到数据块DB1000，DD28对应PIW
打开数据块DB1000，找到地址DD28变量，右击DD28名称，点击跳转到位置，弹出跳转到位置对话框，点击FC8 流量采集_非线性。

弹出功能块FC8，在程序段8查找到PIW286。

打开硬件组态，点击IM153-1，286在输入地址272～287之间，定位4号插槽模拟量输入模块，变量为双字，占用地址286和287，定位4号槽最后一个输入点。

到现场找到对应点。

⑵故障分析
①：硅钢氢站EMS系统
打开FC6在线调试，观察PIW286值。

现场发现PIW286的输入值为-32768。

测量电流值发现为负值，说明线路是通的。

调换正负极接线后，四路数据显示正常。

该工程在年后开始，原设计是现场信号由原先的连接各自的三套制氢系统修改为先连接至子站，然后通过子站安装的一路入两路出的隔离器，一路输出至子站AI模块，另一路返回至原先系统。

缺点是若EMS子站发生断电，则三套系统中这些上传至能中的重要数据（大多与系统运行联锁）将丢失，导致运行系统跳机，故有此改造。

改造过程属于停电操作，在2#硅钢制氢系统输出至子站模块的接线过程中未仔细核对线路，导致7路信号中有四路的正负极接反。

调度居然在半年后才发现其中两路异常。

②：301泵房EMS系统
1.打开wincc图形编辑器301PUMP.PDL启动画面，鼠标右击送冷轧流量测量值点击动态对话框查找到变量名为PIW336-301
2.在wincc中301PUMP\DB1000_301中查找到PIW336-301变量，右击PIW336-301变量属性，查找到变量地址为DB1000，DD32
3.打开EMS05-301Pump工程，打开DB1000找到DD32送冷轧流量变量，右击WJ7100500_99_M300跳转到FC9或者OB32。

4.在FC9程序段2中找到DB1000.DBD32送冷轧流量，找到PIW336 FT-301 送冷轧流量input变量，在硬件组态中找到PIW336位于5号模拟量输入模块第一位输入口。

5.打开FC9，打开在线监视，此时PIW336的值为-184，小于0，说明流量计通过变送器送过来的值小于4mA。

观察相邻PIW334和PIW338为正常显示，关闭PIW334和PIW338的接触器Y08和Y10，两个值都变为-32768，接通接触器恢复正常。

关闭PIW336的接触器Y09，数值变为-32768，接通接触器变为-184。

可以确定PIW336所接线路是通的，可能是流量计出现问题。

洪洋
2014年10月24日。