流花11-1油田DC UPS系統(tǒng)EPROM內(nèi)部程序修復(fù)

李漢玲

(武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣與電子工程學(xué)院，湖北　武漢　430050)

0　引言

流花11-1油田發(fā)現(xiàn)于1987年，是中國海洋石油總公司和美中阿莫科石油公司及科麥奇石油公司合作開發(fā)的，其石油地質(zhì)儲量約2億噸，高峰年產(chǎn)量可達(dá)250萬噸，這是迄今為止我國海上最大的中外合作油田。油田平均水深300 m，由1座半潛式生產(chǎn)系統(tǒng)、1座浮式生產(chǎn)/儲油裝置(FPSO)、單點(diǎn)系泊塔井和水下井口系統(tǒng)構(gòu)成，其中流花油田11-1FPSO生產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)電機(jī)機(jī)房和應(yīng)急發(fā)電機(jī)房共配置了4臺SIEMENS直流24 V UPS電源來為這些設(shè)備提供電源。生產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)電機(jī)(PSG)機(jī)房中的2臺直流UPS主要為發(fā)電機(jī)及其蓄電池組、控制盤提供直流電源；應(yīng)急機(jī)房中的直流UPS則為應(yīng)急發(fā)電機(jī)及其蓄電池組、PLC模塊進(jìn)行供電。UPS除提供設(shè)備正常工作需要的穩(wěn)定電源以外，還需完成對蓄電池組的均浮充管理，使電池性能及運(yùn)行壽命得到優(yōu)化；此外，由于其應(yīng)用環(huán)節(jié)的特殊性，還必須提供多組自身的狀態(tài)量和控制量給中控(或PLC)設(shè)備，完成信號的采集和設(shè)備的應(yīng)急關(guān)斷功能。發(fā)電機(jī)中的UPS系統(tǒng)通常為將程序?qū)胱贤饩€可擦除的EPROM中提供不間斷電源，但是由于EPROM IC受到使用環(huán)境的影響，使用壽命有一定程度縮短，出現(xiàn)了邏輯控制板EPROM中數(shù)據(jù)存儲脆弱、易丟失、無法拷貝導(dǎo)致輸出直流電壓過高且不受控、無法對負(fù)載提供正常供電并對電池組造成嚴(yán)重?fù)p害的情況。所以本文針對UPS邏輯板部分程序丟失、完全丟失兩種故障情況進(jìn)行分析并設(shè)計(jì)出硬件電路對其進(jìn)行修復(fù)。

1　DC UPS機(jī)房生產(chǎn)系統(tǒng)組成及工作原理

1.1　機(jī)房生產(chǎn)系統(tǒng)組成

機(jī)房生產(chǎn)系統(tǒng)主要由UPS系統(tǒng)、配電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)交換系統(tǒng)、視頻系統(tǒng)和供給系統(tǒng)等組成，如圖1所示。采用RS485串口復(fù)用方式在同一個(gè)串口上掛載多個(gè)智能設(shè)備進(jìn)行通信、監(jiān)控，基本上采用一問一答的交互方式，主設(shè)備向從設(shè)備發(fā)送一條指令，從設(shè)備執(zhí)行指令之后返回一條應(yīng)答命令。

圖1　機(jī)房生產(chǎn)系統(tǒng)組成框圖

1.2　DC UPS工作原理

DC UPS電源系統(tǒng)由整流、儲能、變換和開關(guān)控制4個(gè)部分組成，其DC UPS工作原理如圖2 所示。系統(tǒng)的穩(wěn)壓功能通常由整流器完成，整流器件采用可控硅或高頻開關(guān)整流器，本身具有可根據(jù)外電的變化控制輸出幅度的功能，從而當(dāng)外電發(fā)生變化時(shí)，具有輸出幅度基本不變的整流電壓。凈化功能由儲能電池來完成，由于整流器對瞬時(shí)脈沖干擾不能消除，因此整流后的電壓仍存在干擾脈沖。儲能電池除可存儲直流直能的功能外，對整流器來說就像接了一只大電容器，其等效電容量的大小與儲能電池容量大小成正比。由于電容兩端的電壓是不能突變的，即利用了電容器脈沖的平滑特性消除了脈沖干擾，起到了凈化作用，即對干擾的屏蔽。頻率的穩(wěn)定則由變換器來完成，頻率穩(wěn)定度取決于變換器振蕩頻率的穩(wěn)定程度。為方便UPS電源系統(tǒng)的日常操作與維護(hù)，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)工作開關(guān)、主機(jī)自檢故障后的自動旁路開關(guān)、檢修旁路開關(guān)等。

(1) AC-DC變換：將電網(wǎng)來的交流電經(jīng)自耦變壓器降壓、全波整流及濾波變?yōu)橹绷麟妷汗┙o逆變電路。AC-DC輸入有軟啟動電路，可避免開機(jī)時(shí)對電網(wǎng)的沖擊。

(2) DC-AC逆變電路：采用大功率IGBT模塊全橋逆變電路，具有很大的功率富余量，在輸出動態(tài)范圍內(nèi)輸出阻抗特別小，具有快速響應(yīng)特性。由于采用高頻調(diào)制限流技術(shù)及快速短路保護(hù)技術(shù)，使逆變器無論是供電電壓瞬變還是負(fù)載沖擊或短路，均可安全可靠地工作。

(3) 控制驅(qū)動：其是完成整機(jī)功能控制的核心，它除了提供檢測、保護(hù)、同步以及各種開關(guān)和顯示驅(qū)動信號外，還完成SPWM正弦脈寬調(diào)制的控制，由于采用靜態(tài)和動態(tài)雙重電壓反饋，極大地改善了逆變器的動態(tài)特性和穩(wěn)定性。

圖2　DC UPS工作原理

2　主要出現(xiàn)的問題及故障的修復(fù)

該型號DC UPS系統(tǒng)邏輯控制板中EPROM IC電路生產(chǎn)年代較久遠(yuǎn)，其采用的技術(shù)只能保證數(shù)據(jù)有效存儲10年～20年，廠家出于利益考慮把程序?qū)胱贤饩€可擦除的EPROM中，而EPROM是一種具有紫外線可擦除功能的IC(集成電路)，擦除后具有可進(jìn)行再編程的ROM內(nèi)存，但寫入前必須先把里面的內(nèi)容通過用紫外線照射IC卡上的透明視窗的方式來清除掉，且擦除窗口必須保持覆蓋，以防偶然被陽光擦除。紫外線透過該窗口照射內(nèi)部芯片就可以擦除其內(nèi)的數(shù)據(jù)，完成芯片擦除的操作要用到EPROM擦除器。EPROM內(nèi)資料的寫入要用專用的編程器，且往芯片中寫內(nèi)容時(shí)必須要加一定的編程電壓(12 V～24 V，隨不同的芯片型號而定)。EPROM芯片在寫入資料后，還要以不透光的貼紙或膠布將窗口封住，以免受到周圍紫外線的照射而使資料受損。 EPROM芯片在空白狀態(tài)時(shí)(用紫外光線擦除后)，內(nèi)部每一個(gè)存儲單元的數(shù)據(jù)都為1(高電平),最大的缺點(diǎn)就是使用者不知道內(nèi)部的程序，無法讀取源程序，編程器就無法將程序?qū)С鲋匦鹿嗳胄酒?，?dǎo)致系統(tǒng)控制失靈。

由于使用環(huán)境因素的影響，使得使用壽命有一定程度的縮短。針對該數(shù)據(jù)存儲器脆弱、數(shù)據(jù)易丟失、無法拷貝復(fù)制而導(dǎo)致許多功能失靈，不能正常工作的問題，經(jīng)過多次對其外圍線路的測量及考察，決定對兩臺不同情況的UPS分別采用相應(yīng)的硬件邏輯方法即外接電路修復(fù)EPROM內(nèi)部程序?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行修復(fù)(此2臺UPS的主控邏輯及算法就是采用這種方法實(shí)現(xiàn)的)。

2.1　主要出現(xiàn)的問題

故障UPS輸出電壓達(dá)到了直流35 V左右，交流紋波達(dá)到十多伏，已明顯超出了正常輸出電壓27 V、紋波<0.5 V的要求，在這樣的條件下長期工作會對負(fù)載電子設(shè)備造成嚴(yán)重?fù)p壞，同時(shí)過高的直流輸出電壓會對蓄電池組造成過電流、過電壓充電，嚴(yán)重?fù)p壞電池；輸出電壓不受控、不可調(diào)，面板直流電壓、電流顯示與實(shí)際測量值明顯不符，但能正常顯示交流輸入電壓、電流、環(huán)境溫度等參數(shù)。故障CPU板如圖3所示。

圖3　故障CPU板

通過對故障現(xiàn)象的分析，發(fā)現(xiàn)是由于程序中直流輸出電壓閉環(huán)控制部分出現(xiàn)了問題，導(dǎo)致輸出電壓采樣無法與設(shè)定值進(jìn)行正確的閉環(huán)比較運(yùn)算，從而去控制驅(qū)動電路，導(dǎo)致輸出電壓失控。而程序中的其他子程序部分正常，可以正確顯示相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

2.2　故障的修復(fù)

2.2.1UPS邏輯板部分程序丟失故障修復(fù)

針對此故障，設(shè)計(jì)出了直流電壓閉環(huán)控制電路，安裝在整流控制板上，用硬件的方式取代軟件的算法進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)輸出穩(wěn)定的直流電壓。通過陸地測試及海上現(xiàn)場運(yùn)行，輸出電壓均穩(wěn)定運(yùn)行在27 V，通過硬件電路對電壓及充電限流參數(shù)進(jìn)行了設(shè)定。改進(jìn)后的硬件控制電路板如圖4所示。

圖4　改進(jìn)后的硬件控制電路板

設(shè)定的浮充電壓為27 V，電池電流限流值為40 A。新增加了直流電壓表，以正確顯示實(shí)際輸出直流電壓值。

2.2.2EPROM程序完全丟失的故障處理

由于故障EPROM比較脆弱且無法取得其源程序，導(dǎo)致該邏輯板完全無法工作。針對此種情況，為了深入研究該邏輯板的工作原理、各信號邏輯關(guān)系、系統(tǒng)保護(hù)功能、輸出調(diào)節(jié)機(jī)制以及各接口電路的信號含義、類型和電平值，在現(xiàn)場詳細(xì)調(diào)研了UPS與中控接口信號的含義及正常狀態(tài)，實(shí)際測繪了UPS輸出干接點(diǎn)信號接口狀態(tài)。根據(jù)前期調(diào)研所獲得的系統(tǒng)整體要求，設(shè)計(jì)了替代邏輯控制板的完整方案，并通過在陸地搭建測試平臺，試制了邏輯控制板。

通過反復(fù)調(diào)試、修改、驗(yàn)證電路設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了所有的閉環(huán)控制、輸出電壓電流調(diào)節(jié)、輸入/輸出信號邏輯關(guān)系處理、啟?？刂啤⒏黝?過電壓、電流、欠壓等)保護(hù)、數(shù)據(jù)測量顯示、各類狀態(tài)輸出干接點(diǎn)等功能。實(shí)物搭接試驗(yàn)電路如圖5所示。

根據(jù)獲取的外圍接點(diǎn)的狀態(tài)數(shù)值，重新設(shè)計(jì)、加工、制作PCB圖紙，并交由專業(yè)PCB廠家進(jìn)行電路板的制作。設(shè)計(jì)過程中，為力求與原有邏輯板的功能、安裝位置、操作功能鍵、指示燈一致，精確測繪了原控制

板的安裝尺寸、各開關(guān)、指示燈的位置，在新設(shè)計(jì)中保持與其完全一致，以提高現(xiàn)場改造安裝效率，最大程度上兼容原有的操作方式和使用功能，讓現(xiàn)場員工使用起來一樣方便可靠。原故障邏輯控制板和新設(shè)計(jì)的邏輯控制板分別如圖6、圖7所示。

圖5　實(shí)物搭接試驗(yàn)電路

圖6原故障邏輯控制板圖7新設(shè)計(jì)的邏輯控制板

3　結(jié)束語

通過對新制作的邏輯控制板進(jìn)行試驗(yàn)平臺的調(diào)試，完全實(shí)現(xiàn)了原有控制板的各種邏輯控制功能、穩(wěn)定的電壓輸出和各類保護(hù)、告警功能。通過海上現(xiàn)場的安裝、測試及參數(shù)調(diào)整，加裝了新控制板的UPS輸出正常，各種控制功能、保護(hù)功能正常，各指示燈、按鍵與原系統(tǒng)完全一致，顯示參數(shù)與實(shí)測數(shù)值一致；通過測試對比，現(xiàn)有的干接點(diǎn)接口信號與原系統(tǒng)完全一致，所有就地、遠(yuǎn)程告警信號正常。

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