一、阻抗匹配故障處理案例
1、故障現(xiàn)象
某新建項(xiàng)目中所有氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥無法開到位。具體現(xiàn)象為在現(xiàn)場(chǎng)接線完成及軟件組態(tài)完成遠(yuǎn)程調(diào)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)閥門均只能開到60%至70%。
2、使用工況介紹
歐冶爐頂煤氣噴吹新建項(xiàng)目，遠(yuǎn)程調(diào)試過程中。歐冶爐：國(guó)內(nèi)首創(chuàng)非高爐熔融還原煉鐵技術(shù)。
3、處理前安全措施
該系統(tǒng)處于施工試車階段，應(yīng)先開工作票，由工藝人員確認(rèn)交出后再進(jìn)行檢修調(diào)試。調(diào)試過程須有工藝人員監(jiān)護(hù)，經(jīng)工藝人員確認(rèn)后關(guān)閉氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥前后工藝閥，把調(diào)節(jié)閥切到檢修位。
4、故障原因分析及判斷思路
由于故障是普遍問題，昌暉儀表從閥門本體-閥門定位器本體及傳輸信號(hào)兩個(gè)方面入手查找故障，具體如下：
a、閥門及閥門定位器本身質(zhì)量問題；
b、系統(tǒng)輸出信號(hào)異常；
c、信號(hào)隔離器問題。
①排查定位器步驟
拆開閥門定位器信號(hào)線，用過程家演藝在閥門定位器信號(hào)端子直接送4-20mA有源信號(hào)，分別給0%、25%、50%、75%、100%閥位信號(hào)，閥門動(dòng)作靈活并且各個(gè)閥位定位精確，故排除閥門和定位器故障。
②系統(tǒng)輸出信號(hào)排查步驟
a、將萬用表串聯(lián)到信號(hào)回路中，在系統(tǒng)中手動(dòng)給定100%閥位信號(hào)，測(cè)量4-20mA電流明顯小于標(biāo)準(zhǔn)輸出值，由此初步判斷該故障是PLC卡件輸出電流過低造成。
b、針對(duì)這一情況深入分析：拆掉AO模塊至閥門定位器信號(hào)線；用萬用表毫安檔位直接測(cè)量模塊輸出電流為20mA。繼續(xù)對(duì)比測(cè)試其它模塊發(fā)現(xiàn)也是同樣的結(jié)果。
③原因分析
該閥門原設(shè)計(jì)氣動(dòng)閥均配置的是西門子智能定位器，由于貨期原因，與廠家溝通將定位器更換為KOSO KGP5000智能閥門定位器。查閱定位器說明書，發(fā)現(xiàn)KOSO KGP5000定位器阻抗為650Ω，而控制信號(hào)隔離器帶載能力為580Ω(絕大多智能儀表的阻抗一般不會(huì)超過550Ω)。因此可以確定為信號(hào)隔離器的帶載能力與定位器不匹配，在閥門開至60%以后控制信號(hào)無法驅(qū)動(dòng)定位器動(dòng)作。
5、故障有效處理辦法
更換帶載能力為750Ω的YR9034A-0-GNNN-N信號(hào)隔離器后，該系統(tǒng)氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥均正常。
6、故障防范措施及改進(jìn)
信號(hào)匹配故障一般在新建項(xiàng)目中可能才會(huì)遇到。一般設(shè)計(jì)院在設(shè)計(jì)階段有可能存在考慮不周全或?qū)嶋H供貨設(shè)備參數(shù)與原設(shè)計(jì)內(nèi)容發(fā)生了變動(dòng)，但在物資內(nèi)容確認(rèn)上又容易被疏忽。在運(yùn)行過程中，如果需要更換信號(hào)隔離器或閥門定位器時(shí)，要注意儀表帶載能力與閥門定位器阻抗相匹配。
7、阻抗匹配故障處理經(jīng)驗(yàn)談
在排查4-20mA信號(hào)時(shí)可以采用對(duì)比的方法：
①將萬用表打在直流mA檔位，將萬用表串聯(lián)到回路中，在PLC操作員站給定最大閥位和最小閥位電流值并記錄。
②將信號(hào)線在模塊端子上拆除，用萬用表直接測(cè)量模塊端子，測(cè)得的數(shù)據(jù)與①進(jìn)行比較。即可判斷信號(hào)是否正常(如果采用具備在線測(cè)量功能的底板式隔離器或安全柵模塊，則測(cè)量電流時(shí)可不必拆除端子)。
③在新建項(xiàng)目調(diào)試階段，特別是所有閥門都存有相同故障問題時(shí)，不應(yīng)按常規(guī)思路考慮是單臺(tái)閥門或系統(tǒng)單通道問題，應(yīng)首先考慮外部共因，方能更快更準(zhǔn)的分析問題處理問題。
二、什么是輸入阻抗和輸出阻抗
1、什么是輸入阻抗(input impedance)
輸入阻抗是指一個(gè)電路輸入端的等效阻抗。在輸入端上加上一個(gè)電壓源U，測(cè)量輸入端的電流I，則輸入阻抗Rin就是U/I。你可以把輸入端想象成一個(gè)電阻的兩端，這個(gè)電阻的阻值，就是輸入阻抗。
在輸入電壓不變的情況下，若輸入阻抗低則流過電流大，要求電路中前級(jí)的電流輸出能力強(qiáng)；反之，若輸入阻抗高則流過電流小，這就為前級(jí)的電流輸出能力減輕很大負(fù)擔(dān)。所以儀表電路設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量提高輸入阻抗。
輸入阻抗跟電抗元件無異，輸入阻抗反映了對(duì)電流阻礙作用的大小。對(duì)于電壓驅(qū)動(dòng)的電路，輸入阻抗越大，則對(duì)電壓源的負(fù)載就越輕，因而就越容易驅(qū)動(dòng)，也不會(huì)對(duì)信號(hào)源有影響；而對(duì)于電流驅(qū)動(dòng)型的電路，輸入阻抗越小，則對(duì)電流源的負(fù)載就越輕。因此，我們可以這樣認(rèn)為：如果是用電壓源來驅(qū)動(dòng)的，則輸入阻抗越大越好；如果是用電流源來驅(qū)動(dòng)的，則阻抗越小越好(注：只適合于低頻電路，在高頻電路中，還要考慮阻抗匹配問題)。另外如果要獲取最大輸出功率時(shí)，也要考慮阻抗匹配問題。
①電壓源驅(qū)動(dòng)的電路
所謂電壓源驅(qū)動(dòng)，可以理解為沒有內(nèi)阻且總是充滿能量的恒壓電池作為能量源，給負(fù)載供電。
一個(gè)類似于能量源的電壓源U，加到負(fù)載的兩端，產(chǎn)生的電流I，那么負(fù)載的阻抗Rin就是U/I。負(fù)載上消耗的功率P=UI=U/Rin，由公式可知，這里的Rin總是起到減少電流I的作用，Rin越大，負(fù)載消耗的能量就越小；這里負(fù)載的阻抗就是負(fù)載的輸入阻抗。
②電流源驅(qū)動(dòng)的電路
與電壓源驅(qū)動(dòng)的電路正好相反，電流源驅(qū)動(dòng)可以理解為一個(gè)電流恒定的能量源I，給負(fù)載供電。
由歐姆定律可知，產(chǎn)生的電壓為U=I×Rin，負(fù)載消耗的功率為P=UI=I×I×Rin，由公式可知，這里負(fù)載輸入阻抗Rin起到增大功率的作用，恒流源驅(qū)動(dòng)的電路，電阻越大，負(fù)載兩端電壓越高，消耗的功率越大。
2、什么是輸出阻抗(output impedance)
輸出阻抗含獨(dú)立電源網(wǎng)絡(luò)輸出端口的等效電壓源(戴維南等效電路)或等效電流源(諾頓等效電路)的內(nèi)阻抗。其值等于獨(dú)立電源置零時(shí)，從輸出端口視入的輸入阻抗。
無論信號(hào)源或放大器還有電源，都有輸出阻抗的問題。輸出阻抗就是一個(gè)信號(hào)源的內(nèi)阻。本來，對(duì)于一個(gè)理想的電壓源(包括電源)，內(nèi)阻應(yīng)該為0，或理想電流源的阻抗應(yīng)當(dāng)為無窮大。輸出阻抗在電路設(shè)計(jì)最特別需要注意。
現(xiàn)實(shí)中的電壓源做不到內(nèi)阻為0，常用一個(gè)理想電壓源串聯(lián)一個(gè)電阻r的方式來等效一個(gè)實(shí)際的電壓源。這個(gè)跟理想電壓源串聯(lián)的電阻r就是信號(hào)源/放大器輸出/電源的內(nèi)阻了。當(dāng)這個(gè)電壓源給負(fù)載供電時(shí)，就會(huì)有電流I從這個(gè)負(fù)載上流過，并在這個(gè)電阻上產(chǎn)生I×r的電壓降。這將導(dǎo)致電源輸出電壓的下降，從而限制了最大輸出功率。同樣的，一個(gè)理想的電流源，輸出阻抗應(yīng)該是無窮大，但實(shí)際的電路是不可能的。
輸出阻抗是指電路負(fù)載從電路輸出端口反著看進(jìn)電路時(shí)電路所等效的阻抗，其實(shí)主要是針對(duì)能量源或者輸出電路來說的，是能量源在輸出端測(cè)到的阻抗，俗稱內(nèi)阻。
①電壓源驅(qū)動(dòng)的電路
電壓源在加到負(fù)載上時(shí)，除了在負(fù)載端消耗能量，自身也會(huì)產(chǎn)生能量的消耗，這里是因?yàn)殡妷涸丛谳敵瞿芰康臅r(shí)候，內(nèi)部存在阻礙能量輸出的阻抗，比如電池的內(nèi)阻。比如恒壓源U，輸出阻抗為Rout，負(fù)載端電壓為Ur，負(fù)載R，電流為I=U/(Rout+R)，負(fù)載端電壓Ur=I×R=U×R/(Rout+R)，負(fù)載產(chǎn)生的功率為P=Ur×I=U2×R/(Rout+R)2。由此公式可知，輸出阻抗越小，帶負(fù)載的能力越大。
②電流源驅(qū)動(dòng)的電路
對(duì)于電流源驅(qū)動(dòng)的電路，也存在輸出阻抗，輸出阻抗并聯(lián)在恒流源兩端。電流源輸出恒定電流I，一部分In消耗在內(nèi)阻Rout上，剩余的電流Ir消耗在負(fù)載R上，由此可知，負(fù)載R上電壓為Ur=Ir×R，和內(nèi)阻Rout兩端電壓一致，即Ur=Ir×R=In×Rout，又因?yàn)镮=Ir+In通過推導(dǎo)可知Ur=I×Rout×R/(Rout+R)，負(fù)載端功率：P=Ur×Ir=Ur2/Rout=I2×Rout×R2/(Rout+R)2=I2×R2/(Rout+R2/Rout+2R)。
由此可知，在Rout=R時(shí)，外端負(fù)載P最大。因此，對(duì)于恒流源負(fù)載，要想獲得最大功率，需要將負(fù)載的電阻值和電流源的內(nèi)阻匹配一致，即盡量趨近同一個(gè)值。
本文昌暉儀表深度介紹了輸入阻抗、輸出阻抗和阻抗匹配相關(guān)知識(shí)，如果你有不明白之處，歡迎在評(píng)論區(qū)留言討論。
