采油平臺外輸泵變頻柜信號干擾故障排查與處理

劉峻含，曾清平，賈 波，楊 威，賈俊松

(中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津 300459)

1 背景介紹

在海洋石油采油平臺上，外輸泵是原油輸送環節中至關重要的一環，通過外輸泵可以將原油輸送到陸地終端、中心平臺或油輪。某采油平臺安裝有 3臺原油外輸泵，采用變頻電機驅動螺桿泵運轉，電機額定功率為90kW。

變頻電機的信號控制有自動和手動 2種控制方式。自動控制方式為中控DCS系統通過組態PID功能塊的計算輸出控制信號傳輸至現場 LCP控制盤，控制盤開關選擇為自動模式，通過 LCP控制盤內的PLC將中控自動信號輸出至主配電間的電機變頻柜，至此實現自動控制，自動模式下無論是中控上位機還是現場控制盤均無法調整運行頻率。手動模式分為中控遠程、現場控制盤手動控制和變頻柜手動控制：第1種手動控制方式為，當LIC面板選擇手動模式時，現場控制盤則選擇自動模式，中控上位機就可以手動任意輸入 0～50Hz頻率手動運行；第 2種手動控制方式為 LCP控制盤選擇手動模式，在現場外輸泵的本地盤就可以實現現場手動控制，通過 PLC的觸摸屏輸入設定頻率來實現；最后一種手動控制方式為變頻柜直接控制，變頻柜控制面板選擇本地信號，直接通過變頻柜自己控制信號。具體控制方式框圖如圖1所示。

圖1 信號傳輸簡圖Fig.1 Signal transmission diagram

中控 DCS系統采用的是浙江中控集團的 ECS-700系列產品，外輸泵控制盤 PLC為西門子 S7-200系列，均為成熟應用的控制設備。中控室至現場控制盤的信號線和現場控制盤與主配電間變頻柜之間的信號線均采用標準的船用鎧裝信號纜，有單獨的屏蔽層和接地線。控制盤反饋至中控的外輸泵溫度、振動、頻率等狀態信號采用485通信的方式。

在外輸泵調試投用階段相繼出現外輸泵 PLC卡件燒壞，外輸泵無故障突然停泵或中控無法控制外輸泵頻率的故障現象，且故障出現無規律性，嚴重影響了工藝流程的穩定運行，所以及時將故障查明并消除就顯得格外重要。

2 故障排查

2.1 故障現象

故障現象 1：外輸泵控制盤調試期間 PLC正常工作，AI點能夠接收到中控端輸出的模擬量電流信號，測試正常，但是PLC不規律地出現無法輸出模擬量信號至變頻柜的現象，導致電機無法運轉。

故障現象 2：故障時外輸泵 LCP控制盤處于遠程/自動模式，關斷時控制盤沒有任何報警信息，變頻柜也無報警信息。中控輸出至外輸泵25Hz頻率信號始終不變，變頻器工作頻率驟降，外輸泵停泵；外輸泵選擇手動模式依然存在故障，本地設定頻率“###”，變頻器運轉反饋頻率為負值，見圖2。

圖2 故障現象1Fig.2 Fault phenomenon 1

2.2 原因分析

綜合以上故障現象，故障原因明確為外輸泵現場控制盤 PLC的模擬量輸入輸出信號故障，可能存在的原因分析如下：

①控制盤PLC的CPU故障，程序內輸入輸出信號計算錯誤，導致控制盤顯示的本地頻率、運轉頻率報錯；

②中控輸出信號故障，無法持續輸出穩定的 4～20mA電流信號，致使控制盤接收到錯誤信號參與控制，導致外輸泵停泵；

③控制盤PLC的AI、AO模塊故障，導致輸入輸出通道無法正常工作、變頻柜接收故障信號和外輸泵無法運轉；

④控制盤PLC的IO模塊受干擾，導致模擬量信號干擾嚴重，電壓、電流不穩定，從而產生故障。

2.3 故障檢查

2.3.1 中控信號檢查

檢查中控上位機組態，當中控遠程輸出 0～50Hz信號時AO模塊輸出信號對應4～20mA，隨后在現場控制盤利用FLUKE信號發生器串入中控AO信號的回路里，中控分別輸出 12.5、25、50Hz，檢測到電流值分別為 4、12、20mA，故判斷中控輸出信號不是故障原因，見圖3。

圖3 故障現象2Fig.3 Fault phenomenon 2

2.3.2 PLC檢查

在線連接PLC查看程序中AI、AO變量，首先原信號線保持不變連接到接線端子，通過中控遠程控制和本地控制盤設定頻率，無論怎么變化，其對應的輸入和輸出信號均異常，見圖4；隨后將信號線全部摘除，通過 FLUKE信號發生器輸出標準電流信號至PLC，此時顯示屏和程序中均能一一對應。由此判斷PLC本身邏輯計算和 CPU不是故障原因，同時也判斷出模擬量信號本身是存在問題的，下一步繼續進行故障排查。

圖4 故障排查1Fig.4 Trouble shooting 1

2.3.3 模擬量信號檢查

通過上述排查進一步確認了控制盤對中控和變頻柜的模擬量信號存在干擾，分別用信號發生器單獨測量、串入 PLC IO模塊的控制回路測量電流，發現同樣的輸出下電流存在較大偏差，而用儀表測量信號線之間、信號線對地電壓都沒發現異常，初步判斷控制盤輸入輸出的4～20mA信號干擾嚴重，見圖5。

圖5 故障排查2Fig.5 Trouble shooting 2

2.3.4 控制盤IO信號檢查

對控制盤的所有輸入 AI、DI點進行排查，發現DI點中“變頻準備就緒”信號存在對地電壓，繼續排查發現變頻器控制柜中 I/O端子對地出現了異常電壓，變頻器端子 27-20(27端子可設置為 DI輸入功能，也可以設置為有源 DO輸出端子)作為有源接點來使用，而PLC的 DI卡是需要無源干接點，所以是PLC的供電 24V竄入了變頻器的電源端，進而導致變頻器I/O端子電壓異常。

3 整改方案

3.1 模擬量信號干擾的切除

3.1.1 分析信號干擾的主要來源

地環流干擾：現場控制盤與中控室相距較遠，各種因素影響兩者地電位差不為 0，存在共地干擾，信號傳輸線路形成回路，對系統產生一定干擾的地環流。同時控制盤與配電間變頻柜之間存在共模噪聲，電壓直接耦合在信號線上或者分布參數耦合到信號線上，產生串模干擾，造成了信號不穩定和偏差。

電磁干擾：海上平臺環境下，電機、變頻器等大功率高壓設備較多，且分布集中，在電壓電流突變的場合下電磁干擾更為突出，強弱電設備電氣特性不同，儀表 mA級的信號很容易受到干擾。尤其是變頻器，對自動控制裝置的電子設備產生的干擾主要是感應干擾，變頻器能產生功率比較大的諧波，對系統其他設備干擾性較強[2]。

干擾形成的全過程是由于干擾信號經過耦合通道傳到感受器上而構成的整個系統的干擾[3]，所以務必消除耦合路徑的干擾。因此，在現場控制盤與中控信號、變頻柜信號之間必須全部增加隔離式安全柵，阻斷共地干擾。隔離式安全柵是連接在本安型和非本安型電路之間的一種特殊關聯設備，包括安全柵元件或安全柵電路。安全柵的作用是將供給本安型電路的電壓和電流限制在一定安全水平之內[2]。控制盤PLC共有 3組模擬量信號，即中控 DCS—控制盤—變頻柜，安全柵采用獨立供電，每組信號均使用獨立的安全柵，見圖6所示。

圖6 安全柵安裝Fig.6 Safety barrier installed

3.1.2 PLC的開關電源更換為隔離電源

隔離式開關電源的輸入回路和輸出回路之間沒有直接的電氣連接，輸入和輸出之間是絕緣的高阻態，沒有電流回路，從而有效防止了現場信號和電網的干擾。

3.2 開關量信號調整

排查中發現控制盤PLC的DI點中“變頻準備就緒”信號存在對地電壓，按照設計文件技術要求，PLC的 DI點均為無源干接點，所以在變頻柜控制柜內對“變頻準備就緒”的輸出信號進行改造。首先對信號線的屏蔽重新安裝，如圖7所示，確保屏蔽無干擾，根據設計規范控制柜內的所有的元器件均應可靠接地；各電氣元件、儀器和儀表之間的連線應選用屏蔽控制電纜，且屏蔽層應接地。如果處理不好電磁干擾，往往會使整個系統無法工作，導致控制單元失靈或損壞[1]；然后將開關量的有源信號改為無源信號，增加24V直流繼電器，見圖8，利用繼電器的輔助觸點作為干接點輸出至 PLC，改造后該 DI點對地電壓均為0，PLC串入疊加電壓的問題消除。

圖7 屏蔽線整改Fig.7 Rectification of shielded wire

圖8 繼電器安裝Fig.8 Relay installation

4 改造應用效果

通過 MCT10軟件監控各數值正常，MCT10監控曲線檢測內容為輸出頻率、輸出電流、輸出電壓、頻率給定信號、頻率反饋信號，各曲線呈直線，信號沒有波動現象，也沒發現其他異常情況，監控曲線如圖9所示。變頻柜做空載測試，觀察 24h無異常情況。然后外輸泵啟動，從中控 DCS分別設定不同頻率控制，控制盤顯示和電機實際運行頻率均一一對應；切換手動模式，控制盤手動設定 0～50Hz頻率，電機保持一致，同時電機反饋至 PLC的運行頻率信號也能同步變化，電機運轉穩定。

圖9 MCT監控曲線Fig.9 Monitoring curve of MCT

信號干擾在海上石油平臺是較為常見的問題，這些干擾可以通過安裝初期符合標準的信號電纜合理分布來規避，同時信號電纜的屏蔽和接地也必須按照設計規范來施工。對于大功率設備存在不規律擾動問題，就需要考慮增加信號隔離設備，以保證信號的穩定傳輸。