儀表系統(tǒng)供電方案的優(yōu)化

王文志

（洛陽實(shí)華合纖有限責(zé)任公司，河南洛陽 471O12）

儀表系統(tǒng)供電方案的優(yōu)化

王文志

（洛陽實(shí)華合纖有限責(zé)任公司，河南洛陽 471O12）

針對(duì)儀表系統(tǒng)供電可靠性問題，以洛陽實(shí)華合纖有限責(zé)任公司聚酯裝置儀表系統(tǒng)供電現(xiàn)狀為例，分析目前裝置儀表系統(tǒng)供電存在的缺陷，提出具體的優(yōu)化措施。

儀表系統(tǒng) ；供電 ；優(yōu)化

1 引言

健全可靠的儀表供電系統(tǒng)，是生產(chǎn)裝置安、穩(wěn)、長、優(yōu)運(yùn)行的基本保證，除了應(yīng)該具有大功率在線式UPS供電和大功率隔離變壓器之外，還應(yīng)具備完善的故障監(jiān)測(cè)報(bào)警功能。目前較先進(jìn)的供電方案已經(jīng)采取了UPS冗余配置的供電方式，并設(shè)計(jì)了完善的切換保護(hù)回路，可以有效提高供電的可靠性。

2 儀表供電現(xiàn)狀分析

合纖公司聚酯裝置的儀表系統(tǒng)供電主要有22OV AC、11OV AC和24V DC三種。其中22OV AC電源由單UPS（不間斷電源）供電，經(jīng)過一個(gè)斷路器后，分別經(jīng)過變壓器產(chǎn)生11OV AC和24V DC供電。供電方案如圖1所示。

圖1 目前儀表系統(tǒng)供電方案

此供電方式儀表系統(tǒng)安全性和可靠性存在問題，首先沒有將直流儀表電源采用冗余配置；其次將DCS系統(tǒng)的主電源與冗余電源合在一起，采用一路電源供電方式，沒有真正體現(xiàn)DCS系統(tǒng)電源冗余結(jié)構(gòu)的本質(zhì)；而且沒有考慮到UPS、變壓器和AC/DC轉(zhuǎn)換器可能發(fā)生的故障，機(jī)柜照明、風(fēng)扇等輔助設(shè)備可能發(fā)生的短路故障，主控開關(guān)機(jī)電纜故障等情況發(fā)生存在的風(fēng)險(xiǎn)。因此要從設(shè)計(jì)方案入手，充分考慮各種可能的影響因素，隔離隱患，盡量減少供電事故的發(fā)生。

3 供電方案的優(yōu)化措施

3.1 直流供電儀表

直流電源主要是給24 V DC的儀表供電。為了保證供電可靠性，采用兩臺(tái)24V DC穩(wěn)壓電源并聯(lián)供電，在每個(gè)電源輸出端正極上外加大功率解耦二極管將兩路電源隔離，兩臺(tái)24V DC穩(wěn)壓電源的輸入來自兩路獨(dú)立的22OV AC電源，這樣就實(shí)現(xiàn)了直流儀表供電的冗余，如圖2所示。

圖2 直流供電儀表電源冗余配置方案

該方案簡單經(jīng)濟(jì)地解決了直流供電儀表電源冗余的問題，提高了直流供電的可靠性。但這種供電方式均流效果不好，如果開關(guān)電源1#AC/DC的輸出電壓高于2#AC/DC，1#AC/DC的負(fù)擔(dān)就會(huì)較重，輸出電流較大，而2#AC/DC輸出電流會(huì)較小或不輸出電流。為了均衡各電源模塊的輸出電流，需要采取自動(dòng)均流措施，在兩個(gè)并聯(lián)電源模塊的電流放大器輸出端分別通過一個(gè)電阻R，接到一條公用的母線上，這條母線稱為均流母線。如圖3所示，電路是1#AC/DC電源模塊與均流母線的接線原理圖。

圖3 自動(dòng)均流接線圖

圖中，參考電壓Ur和反饋電壓Uf為電壓放大器的輸入，U1r是參考電壓Ur和均流控制電壓Uc之和，電壓放大器的輸出電壓Ue控制脈寬調(diào)制器PWM及驅(qū)動(dòng)電路，U是電流放大器的輸出電壓，它與相應(yīng)電源模塊的輸出電流I成正比，Ub為均流母線上的電壓，U與Ub是調(diào)整放大器A2的輸入信號(hào)，A2輸出一個(gè)均流控制電壓Uc。U與Ub之差就是各電源模塊均流誤差，通過調(diào)整放大器A2的調(diào)整放大后，輸出一個(gè)調(diào)整控制電壓Uc。一般情況下，Ub可能大于U也可能小于U。當(dāng)Ub=U時(shí)，則Uc=O，系統(tǒng)各電源模塊輸出電流處于均衡狀態(tài)；若Ub≠U，則 Uc≠O，表明電流分配不均勻，Uc與 Ur相加后，作為電壓放大器A1的輸入信號(hào)，使放大器A1輸出電壓信號(hào)Ue，去控制脈沖寬度調(diào)制器PWM，最終達(dá)到精確均流。

這種方法通過該電源模塊輸出電流反饋信號(hào)來適當(dāng)調(diào)整電源模塊輸出電壓，從而調(diào)整了其輸出電流，使各并聯(lián)模塊輸出電流等于總電流的平均值，從而達(dá)到均流的目的。此外還要完善自診斷功能和故障報(bào)警等功能，以進(jìn)一步提高供電可靠性。

3.2 雙路供電儀表系統(tǒng)

這里的雙路供電儀表主要指DCS和PLC等控制系統(tǒng)。正常情況下，只要DCS系統(tǒng)運(yùn)行正常，其它部分即使短時(shí)間失電也不會(huì)給生產(chǎn)裝置造成大的影響，因此，設(shè)計(jì)時(shí)采取了冗余電源。原供電方案沒有真正體現(xiàn)出冗余的特點(diǎn)，現(xiàn)在將系統(tǒng)冗余電源分別來自兩個(gè)獨(dú)立的電源，1#UPS或市電做主電源，2#UPS做冗余電源。在主回路運(yùn)行正常時(shí)，后備回路保持與主回路的狀態(tài)同步；當(dāng)主回路出現(xiàn)嚴(yán)重故障時(shí)，后備回路將切換為主回路，而不影響過程控制。只要有一個(gè)回路的供電正常，系統(tǒng)就能夠正常工作。然而可靠性再高的控制系統(tǒng)也不能保證故障為零，所以通訊網(wǎng)絡(luò)和重要模塊也要采用相似的方式進(jìn)行熱備。

3.3 單路交流供電儀表系統(tǒng)

單路交流供電的儀表系統(tǒng)包括兩部分：一是在控制系統(tǒng)中的部分監(jiān)控儀表和在線分析儀表，如質(zhì)量流量計(jì)、放射性液位計(jì)、部分電磁閥、在線黏度分析儀等；二是控制柜風(fēng)扇、照明、打印機(jī)、備用電源插座等輔助設(shè)備。此類儀表的供電方案如圖4所示。

圖4 單路交流儀表供電方案

其中，STS（Static Transfer Switch）為靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)，它是電源二選一自動(dòng)切換裝置，正常工作狀態(tài)下，在主電源處于正常的電壓范圍內(nèi)，負(fù)載一直連接于主電源。主電源發(fā)生故障時(shí)，負(fù)載自動(dòng)切換到備用電源，主電源恢復(fù)正常后，負(fù)載又自動(dòng)切換到主電源。STS采用先斷后通的切換方式，可以實(shí)現(xiàn)不兩路電源之間的不間斷切換，為單電源負(fù)載提供雙母線供電。STS具有自動(dòng)保護(hù)和在線檢測(cè)功能，另外還能夠手動(dòng)切換，兩路電源正常時(shí)，可隨意將負(fù)載轉(zhuǎn)向另一路電源供電，實(shí)現(xiàn)了在線檢修。

目前，STS的可靠性遠(yuǎn)高于UPS，當(dāng)UPS出現(xiàn)故障時(shí)，STS將電源切換到市電，然后對(duì)UPS進(jìn)行搶修。切換的時(shí)間間隔一般小于8ms，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)控制儀表來說是可以滿足的，但對(duì)于開關(guān)量輸入DCS的交流回路供電，信號(hào)有中斷的危險(xiǎn)。這需要增加同步控制器。STS的切換元件一般采用晶閘管。對(duì)于感性負(fù)載而言，還要求流過晶閘管的滯后電流下降到晶閘管的截至電流以下。對(duì)交流電源來說，處于優(yōu)先供電通道上和備用電源供電通道上的兩對(duì)晶閘管有同時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)的可能性，如果發(fā)生這種情況，兩個(gè)電源頻率相位不一致的交流電交會(huì)，會(huì)產(chǎn)生很高的瞬態(tài)浪涌電壓，有可能損壞設(shè)備。為此兩路電源應(yīng)處于相位互鎖之中，增加同步控制器，生成統(tǒng)一的參考時(shí)鐘，將二者輸出頻率相位同步。

另外，建議現(xiàn)場(chǎng)儀表應(yīng)盡量采用24V DC直流儀表，在有條件的情況下，可以將現(xiàn)有交流儀表改為直流儀表，這樣可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)儀表供電的冗余配置。

4 結(jié)束語

優(yōu)化后的供電系統(tǒng)解決了UPS故障、變壓器故障、AC/DC轉(zhuǎn)換器故障和主控開關(guān)機(jī)電纜故障等。隨著控制系統(tǒng)的發(fā)展，對(duì)儀表系統(tǒng)供電的可靠性要求會(huì)越來越高，相信故障檢測(cè)、故障隔離、在線更換、智能控制等技術(shù)必將在電源系統(tǒng)中得以實(shí)現(xiàn)，使系統(tǒng)更加適應(yīng)生產(chǎn)的要求，進(jìn)一步提高供電安全系數(shù)。

TQO56.22

B

1OO3－3467（2O1O）17－OO51－O2

2O1O－O5－21

王文志（1981－ ），男，工程師，從事石化設(shè)備管理工作，電話：（O379）66996439。