Почему преобразователь дифференциального давления легко подвергается помехам в условиях работы частотного преобразователя

В вентиляторах, насосных агрегатах, воздушных компрессорах, системах водоснабжения с постоянным давлением, системах ОВК и автоматизированных производственных линиях частотные преобразователи посредством высокоскоростной коммутации модулируют выходное напряжение, что может создавать сильные кондуктивные и излучаемые помехи. Преобразователи дифференциального давления обычно выдают сигналы 4-20mA, 0-10V или RS485. Когда сигнальные провода, линии питания и силовые кабели частотного преобразователя расположены слишком близко либо заземление и экранирование выполнены ненадлежащим образом, на объекте могут возникать колебания показаний, мгновенные скачки, дрейф нуля, потеря связи и другие проблемы.

При диагностике прежде всего необходимо различать «реальные технологические колебания» и «электромагнитные помехи». Например, давление в воздуховоде, перепад давления до и после фильтра или разность уровней действительно могут меняться в зависимости от расхода воздуха, степени открытия клапана, запуска и остановки оборудования. Однако если при каждом изменении частоты преобразователя в сигнале дифференциального давления синхронно появляются выбросы либо показания становятся стабильными сразу после отключения преобразователя, то с высокой вероятностью проблема вызвана помехами.

К распространённым путям проникновения помех относятся связь через питание, контуры общего заземления, ёмкостная связь кабелей, электромагнитное излучение и импульсные перенапряжения на портах связи. В частности, кабели U, V, W на выходе частотного преобразователя имеют крутые фронты импульсов, поэтому в проложенных рядом параллельно слаботочных кабелях могут индуцироваться шумы. При обслуживании на объекте не следует сразу заменять преобразователь; работы необходимо выполнять в последовательности: «наблюдение явлений, изоляция переменных, измерительное подтверждение, корректирующие мероприятия и повторная проверка».

Сначала зафиксируйте закономерности возникновения неисправности

Рекомендуется при возникновении неисправности записывать рабочую частоту частотного преобразователя, ток нагрузки, выходное значение преобразователя дифференциального давления, значение выборки PLC и напряжение питания в шкафу управления. Если частота колебаний сигнала тесно связана с несущей частотой преобразователя, процессом разгона и торможения или моментом запуска двигателя, основное внимание при диагностике следует уделить трассировке кабелей, качеству питания и системе заземления.

Для двухпроводного преобразователя дифференциального давления 4-20mA ток можно измерить мультиметром, включённым последовательно в цепь, либо сравнить значения, считываемые через изолятор или модуль аналогового ввода PLC. Если ток на стороне преобразователя стабилен, а значение на стороне PLC заметно скачет, в первую очередь следует проверить сигнальную линию, клеммы, модуль аналогового ввода и изоляцию входа. Если же выходной сигнал уже колеблется на стороне преобразователя, необходимо продолжить проверку питания, заземления и системы отбора давления.

В процессе диагностики необходимо сохранять исходные данные. Непрерывная регистрация в течение 10–30 минут обычно более информативна, чем наблюдение показаний лишь в один момент времени. При часто изменяющихся режимах можно сначала временно зафиксировать частоту преобразователя, а затем сравнить амплитуду колебаний сигнала на различных частотах, чтобы определить источник помех.

Последовательность проверки преобразователя дифференциального давления на объекте при воздействии помех

Шаг 1: проверьте питание и целостность цепи

Нестабильное питание преобразователя дифференциального давления приводит к изменению выходного сигнала вслед за колебаниями напряжения. Для питания 24VDC предпочтительно использовать промышленный импульсный источник питания, а фактическое напряжение на клеммах преобразователя должно соответствовать рабочему диапазону, указанному для изделия. Для цепей 4-20mA также необходимо учитывать падение напряжения на линии, падение напряжения на изоляторе и суммарную нагрузку, создаваемую входным сопротивлением PLC, во избежание недостаточного запаса питания.

При проверке питания следует наблюдать, не происходит ли заметного падения 24VDC при запуске, остановке, разгоне и работе частотного преобразователя с высокой нагрузкой. Если один и тот же источник питания одновременно питает катушки контакторов, электромагнитные клапаны, реле и приборы, обратная ЭДС, возникающая при отключении катушек, может попасть в цепь приборов. В качестве быстрого метода проверки преобразователь дифференциального давления и модуль аналогового ввода можно подключить к независимому источнику питания приборов.

Ослабленные клеммы, окисление, влага и ненадёжный обжим проводов также могут создавать прерывистое контактное сопротивление, имитирующее электромагнитные помехи. Следует последовательно затянуть положительные и отрицательные клеммы 24V, клеммы заземления экрана, входные сигнальные клеммы и клеммы полевых соединительных коробок; в наружных условиях или средах с высокой влажностью необходимо проверить герметизацию кабелей и наличие воды в соединительных коробках.

Справочная информация по проверке питания и цепи

Шаг 2: проверьте способ заземления и непрерывность экранирования

Ненадлежащее заземление является частой причиной помех от частотного преобразователя при измерении дифференциального давления. Защитное заземление частотного преобразователя, шина PE шкафа управления, заземление экрана приборов и эквипотенциальное соединение оборудования должны образовывать систему с низким сопротивлением, непрерывную и надёжную. Корпус частотного преобразователя должен быть надёжно заземлён, а экран или броня кабеля двигателя должны быть заземлены в соответствии с инструкцией к оборудованию; нельзя произвольно выполнять соединение тонким длинным проводом.

Для аналоговых сигнальных кабелей рекомендуется использовать экранированную витую пару с медной оплёткой. В обычных аналоговых цепях 4-20mA экран, как правило, заземляется с одной стороны — со стороны шкафа управления, чтобы уменьшить токи контура заземления; однако конкретный способ должен быть согласован и подтверждён по инструкциям к преобразователю, изолятору, PLC и системе заземления на объекте. Произвольное заземление с обоих концов или оставление экрана неподключённым может снизить эффективность экранирования.

При проверке недостаточно убедиться лишь в том, что экранирующий провод «подключён». Необходимо также проверить, не прерван ли экран в промежуточной соединительной коробке, нет ли значительных участков оголения в местах соединений и обеспечена ли проводимость между дверью шкафа и его корпусом. В условиях высокочастотных помех чем короче, шире и ровнее проводник заземления, тем обычно эффективнее отвод высокочастотного шума.

Особое внимание уделите расстоянию прокладки кабелей и изоляции сигналов

Шаг 3: убедитесь, что силовые и слаботочные линии проложены раздельно

Сигнальный кабель преобразователя дифференциального давления не следует прокладывать длительно параллельно с входным кабелем питания частотного преобразователя, выходным кабелем двигателя или кабелем тормозного резистора. В особенности выходной кабель от частотного преобразователя к двигателю следует рассматривать как основной источник помех. При наличии возможности расстояние между аналоговыми кабелями и силовыми кабелями должно составлять не менее 300mm; при ограниченном пространстве можно использовать металлические перегородки, отдельные металлические кабельные каналы или разные кабельные лотки для физического разделения.

Если сигнальный кабель неизбежно пересекается с силовой линией, пересечение следует выполнять под углом 90 градусов, избегая параллельной прокладки в одном направлении на протяжении нескольких или даже десятков метров. При совместной прокладке в кабельном лотке даже наличие экрана на самом сигнальном кабеле не исключает накопления помех при большой длине параллельного участка. При модернизации на объекте в первую очередь следует сократить длину выходного кабеля частотного преобразователя и перенести слаботочный сигнальный кабель на сторону, удалённую от клемм U, V, W.

Внутри шкафа управления также необходимо разделение на зоны. Силовые устройства, такие как частотные преобразователи, контакторы и автоматические выключатели, следует устанавливать отдельно от модулей аналогового ввода PLC, изоляторов и приборных источников питания 24VDC. Клеммные колодки аналоговых сигналов рекомендуется размещать в более спокойной зоне шкафа, а вводимые в шкаф кабели датчиков следует как можно скорее подключать к клеммам, не допуская образования большой площади параллельной прокладки с силовыми линиями внутри шкафа.

Распространённые проблемы прокладки кабелей и основные меры устранения

Шаг 4: используйте меры изоляции и фильтрации для проверки проблемы

Если заземление и прокладка кабелей в целом выполнены правильно, но сигнал всё ещё подвержен влиянию, между преобразователем дифференциального давления и PLC можно установить изолятор аналогового сигнала. Изолятор способен разорвать часть путей помех через общее заземление и повысить развязку между входом, выходом и питанием. При выборе необходимо подтвердить, что типы входа и выхода соответствуют 4-20mA или 0-10V, а также проверить способ питания, класс точности и время отклика.

Для преобразователей дифференциального давления с интерфейсом RS485 следует использовать экранированную витую пару и устанавливать оконечные резисторы в соответствии с топологией сети. При большой длине линии связи и большом количестве узлов на объекте можно добавить изолятор или повторитель RS485. Перепутанное подключение линий A и B, неправильная организация заземления связи и избыточное количество звездообразных соединений могут проявляться в виде периодических потерь связи или аномальных данных.

Со стороны частотного преобразователя в зависимости от фактических условий можно установить входной реактор, выходной реактор, EMC-фильтр или синусоидальный фильтр, однако такие меры должны подбираться в соответствии с мощностью частотного преобразователя, длиной кабеля двигателя и техническими требованиями производителя. Они главным образом предназначены для снижения генерируемых или проводимых частотным преобразователем помех и не должны заменять базовое заземление, экранирование и правильную прокладку кабелей.

После устранения электромагнитных помех необходимо также проверить саму систему измерения дифференциального давления

Шаг 5: проверьте импульсные линии, место установки и настройку диапазона

Не все колебания имеют электрическую природу. При использовании преобразователя дифференциального давления для измерения давления воздуха, перепада давления на фильтре, разности уровней или перепада давления расхода засорение отверстий отбора давления, скопление жидкости в импульсных трубках, колебания конденсата, пульсирующее давление и неправильное направление установки могут вызывать нестабильность реального измеряемого значения. После диагностики электрических проблем необходимо проверить и очистить каналы отбора давления со стороны высокого и низкого давления.

Выбор диапазона также влияет на стабильность на объекте. Если фактический перепад давления длительное время составляет менее 5% диапазона, незначительные шумы и технологические колебания будут усиливаться на индикаторе; если диапазон слишком мал, выходной сигнал может достигать верхнего предела из-за избыточного давления. Как правило, обычная рабочая точка должна находиться в пределах от 30% до 80% диапазона, при этом необходимо предусмотреть требуемый запас с учётом реального технологического процесса.

При условиях, допускаемых технологическим процессом, можно закрыть клапаны со стороны высокого и низкого давления либо подать стабильное давление с помощью калибратора, наблюдая за стабильностью нулевой точки и выхода преобразователя. Если после отключения от технологических трубопроводов выходной сигнал нормализуется, основное внимание следует уделить системе отбора давления; если же выход остаётся аномальным даже при независимом стабильном питании и коротких соединительных проводах, следует рассмотреть внутреннюю неисправность преобразователя, повреждение чувствительного элемента или необходимость повторной калибровки.

Быстрая оценка по признакам неисправности

Повторная проверка после устранения неисправностей и рекомендации по долгосрочному обслуживанию

После выполнения мероприятий по заземлению, экранированию, прокладке кабелей или изоляции необходимо провести повторные измерения отдельно при низкой, средней и высокой частоте частотного преобразователя, а также на этапах запуска и остановки. Рекомендуется зарегистрировать как минимум 3 типичные частотные точки, например 20Hz, 35Hz и 50Hz, и сравнить диапазон стабильности выхода дифференциального давления, показание PLC и соответствие фактическим изменениям технологического процесса. Корректирующие мероприятия считаются завершёнными только при стабильности во всём рабочем диапазоне.

Для критически важных контуров управления в программе PLC можно настроить рациональную цифровую фильтрацию, зону нечувствительности или задержку сигнализации, однако программная фильтрация способна лишь ослабить небольшие высокочастотные колебания и не может скрыть серьёзные недостатки заземления и прокладки кабелей. Чрезмерное увеличение времени фильтрации также может снизить скорость реакции управления, поэтому его следует определять на основе испытаний на объекте, избегая необоснованного увеличения параметров.

Компания Xi'an Shenghongchuang Instrumentation Co., Ltd. может предоставить преобразователи дифференциального давления, сопутствующие изолирующие устройства и техническую поддержку по подбору оборудования для конкретных применений, таких как давление воздуха, перепад давления на фильтре, разность уровней и перепад давления расхода. При колебаниях сигнала во время работы частотного преобразователя, аномалиях связи или нестабильном управлении на объекте рекомендуется подготовить данные о модели преобразователя, диапазоне, способе выхода, напряжении питания, длине кабеля и записи неисправностей, чтобы квалифицированные технические специалисты могли провести целенаправленную диагностику с учётом схемы подключения и условий эксплуатации.