自動化控制系統(tǒng)供電可靠性探討與改進(jìn)

周飛船，楊平平，劉躍偉

（安陽鋼鐵股份有限公司,河南 安陽 455004）

在冶金企業(yè)中，自動化控制系統(tǒng)作為生產(chǎn)監(jiān)控和控制的核心，一方面實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控，另一方面能夠及時有效的調(diào)控現(xiàn)場設(shè)備的運行狀態(tài)來滿足生產(chǎn)需要。一旦失電將無法監(jiān)控數(shù)據(jù)及操控設(shè)備，對生產(chǎn)設(shè)備及人身安全將帶來不夠估量的損失。

1 控制系統(tǒng)供電探討與優(yōu)化

（1）現(xiàn)有供電模式及存在問題。根據(jù)《儀表供電設(shè)計規(guī)范規(guī)》控制系統(tǒng)PLC及DCS系統(tǒng)供電應(yīng)為一級負(fù)荷，這類負(fù)荷在供電中斷時，易造成設(shè)備損壞、人身傷害事故及重大經(jīng)濟(jì)損失，所以要求系統(tǒng)正常運行期間不能失電，需由不間斷電源UPS進(jìn)行供電。單機(jī)模式如圖1中圖框1圖框3所示和冗余1+1并機(jī)模式如圖1中圖框1圖框2所示。單機(jī)供電模式雖然運行維護(hù)成本低，但UPS出現(xiàn)故障時在線維修及更換不能保證系統(tǒng)供電的連續(xù)性。兩臺UPS均勻分擔(dān)系統(tǒng)負(fù)載，當(dāng)一中一臺UPS發(fā)生故障時，自動切換到另外一臺UPS進(jìn)行系統(tǒng)供電，可以在不影響系統(tǒng)供電的情況下對故障UPS進(jìn)行離線維修維護(hù)。該模式可以有效克服單機(jī)模式的缺點，提高系統(tǒng)供電穩(wěn)定性。但其對設(shè)備要求嚴(yán)格，并機(jī)UPS主機(jī)的設(shè)備型號及設(shè)備容量必須相同以保證輸出頻率、相位以及接點相序一直。如果某一臺UPS故障無法修復(fù)需要更換時候，需要一臺型號和容量相同的UPS進(jìn)行替換，否者極易因兩臺UPS輸出幅值或相位不同而造成供電電壓波動甚至故障，如不能找到對應(yīng)型號設(shè)備進(jìn)行更換就不得不轉(zhuǎn)入單機(jī)運行模式，給整個系統(tǒng)供電帶來了風(fēng)險。UPS并機(jī)時采用數(shù)據(jù)線通過并機(jī)邏輯控制板來傳遞同步信號、負(fù)載量信號，保證鎖相、負(fù)荷均分來實現(xiàn)同步，但在實際運行中兩臺UPS輸出交流電壓的電壓幅值、頻率、相位角很難保證完全相同，它們?nèi)我庖粋€之間的差異必將導(dǎo)致環(huán)流的產(chǎn)生，特別是故障機(jī)維修維護(hù)后重新并機(jī)瞬間產(chǎn)生較大環(huán)流可能對UPS逆變器產(chǎn)生損壞，給系統(tǒng)帶來不可預(yù)估的損失。另外冗余1+1供電系統(tǒng)在檢修維護(hù)及投運時有嚴(yán)格的操作順序，違規(guī)的操作可能造成系統(tǒng)不可逆的損壞。

圖1 原有供電模式

圖2 單機(jī)雙回路自動切換供電

（2）供電模式完善優(yōu)化。在兼顧穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)上，充分考慮在線維修維護(hù)及更換的方便性，對現(xiàn)有的控制系統(tǒng)供電進(jìn)行了優(yōu)化完善。

單機(jī)模式雖然設(shè)置了內(nèi)置旁路和手動旁路可以實現(xiàn)更換電池不間斷供電，但當(dāng)UPS主機(jī)逆變器或其他故障需更換UPS主機(jī)時需要切斷UPS的輸出也就要中斷系統(tǒng)供電才能更換。為在不中斷系統(tǒng)供電的前提下在線維修更換UPS，我們通過交流接觸器和中間繼電器來實現(xiàn)當(dāng)UPS輸出時自動切旁路運行如圖2所示，當(dāng)故障UPS恢復(fù)投入運行時我們結(jié)合控制系統(tǒng)本身的特點來決定是否手動方式恢復(fù)到UPS供電以保證供電品質(zhì)。交流接觸器雙切換裝置控制原理圖如圖3所示，此時UPS可以在線或離線進(jìn)行維修維護(hù)，UPS維修或更換后供電正常輸出后閉合QF1，此時UPS供電作為備用電源，若想恢復(fù)UPS供電需手動按下按鈕SB，KA 2得電后交流接觸器KM 2失電斷開KM 1接觸器線圈得電KM 1接通，系統(tǒng)供電轉(zhuǎn)入UPS供電市電供電轉(zhuǎn)入備用狀態(tài)，也可市電供電待市電失電后自動切回UPS供電，具體更具自動化控制系統(tǒng)自身特點及工藝要求來確定。

圖3 交流接觸器雙切換裝置控制圖

控制系統(tǒng)模塊中供電有220VAC和24VDC，在交流接觸器切換過程中模塊采集情況通過實驗來驗證，例如數(shù)字量輸入模塊采樣是否中斷通過圖4程序來判斷。啟動后通過輸出線圈自鎖回路，通過切換后輸出線圈的通斷來判斷DI輸出采集是否中斷過。

圖4 數(shù)字輸入模塊采樣

實驗證明控制系統(tǒng)220VAC供電的主CPU機(jī)架及分站在切換過程中工作正常，24VDC供電數(shù)字量輸入模塊采集不會中斷，220VAC供電的數(shù)字量模塊采集中斷，模擬量輸入及輸出由于2采用24VDC供電在切換過程中無中斷，數(shù)字量輸出在切換過程中的狀態(tài)同數(shù)字量輸入模塊，監(jiān)控系統(tǒng)SCADA電腦是否掉電存在隨機(jī)性。

冗余1+1并機(jī)模式為了完善其不足，改為單機(jī)雙總線系統(tǒng)供電模式，兩臺UPS、交流接觸器、中間繼電器及一臺小容量的靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)等組成如圖5所示。

圖5 單機(jī)雙總線系統(tǒng)供電模式

在單機(jī)雙總線系統(tǒng)中，UPS1和UPS2分別供電對部分負(fù)載，并通過交流接觸器雙切換裝置實現(xiàn)相互冗余熱備，自動化系統(tǒng)中的監(jiān)控數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)SCADA供電有UPS1和UPS2輸出通過切換時間滿足計算機(jī)電源要求小容量的STS來實現(xiàn)，避免在切換過程中可能出現(xiàn)的中斷。

2 結(jié)語

自動化控制系統(tǒng)供電方式越來越多，結(jié)合自動化控制本身供電特點及要求，通過選擇不同的供電模式來提高自動化控制系統(tǒng)及儀表設(shè)備供電的容錯能力、穩(wěn)定性、可用性、可維護(hù)性，為自動化控制系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定運行提供了有力的保證。