繼電器控制系統(tǒng)DCS改造電源需求分析

張?zhí)旌?，楊宇奇，朱野，趙東升

（中廣核研究院有限公司 系統(tǒng)工程與改造中心，廣東 深圳518000）

1 引言

對于某些早期建成的大型工廠，限于當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)階段的控制技術(shù)水平，某些工藝系統(tǒng)的控制功能采用繼電器控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。繼電器控制系統(tǒng)通過搭接多個(gè)繼電器觸點(diǎn)的串聯(lián)和并聯(lián)電路來實(shí)現(xiàn)控制邏輯，當(dāng)要實(shí)現(xiàn)的控制邏輯涉及多個(gè)輸入信號及多種狀態(tài)組合的復(fù)雜邏輯運(yùn)算時(shí)，繼電器控制系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)就會很龐大和復(fù)雜，且任何一個(gè)繼電器中的一對觸點(diǎn)接觸不良，都可能影響整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行[1]。隨著計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)的不斷發(fā)展，分散控制系統(tǒng)（DCS）技術(shù)越來越成熟，已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)中。與早期的繼電器控制系統(tǒng)相比，DCS 在可靠性、可擴(kuò)展性、人機(jī)接口等方面存在明顯優(yōu)勢。

2 改造前繼電器控制系統(tǒng)電源

改造前繼電器控制系統(tǒng)電源有三種類型，各類型電源的用途及負(fù)荷如下：

①125VDC 電源，用于繼電器線圈驅(qū)動(dòng)電源、接口設(shè)備驅(qū)動(dòng)電源，aW。

②48VDC 電源，用于繼電器線圈驅(qū)動(dòng)電源、接口設(shè)備驅(qū)動(dòng)電源，bW。

③220VAC 電源，用于機(jī)柜內(nèi)照明及風(fēng)扇電源，cW。

3 改造后DCS 電源設(shè)計(jì)

改造后DCS 系統(tǒng)外部電源的類型及用途如下：

①220VAC 雙冗余電源，其中一路為自帶UPS 的不間斷電源，用于DCS 設(shè)備的工作電源，用途包括：

第一，由DCS 配電柜的電源模塊將220VAC 轉(zhuǎn)成24VDC，主要用于向DCS 一層設(shè)備（包括CPU 模塊、IO 模塊、機(jī)籠電源模塊）、機(jī)柜風(fēng)扇提供工作電源；

第二，由DCS 配電柜的電源模塊將220VAC 轉(zhuǎn)成48VDC，主要用于向DCS 接口設(shè)備提供查詢電源、驅(qū)動(dòng)電源；

第三，由DCS 配電柜進(jìn)行分配后向DCS 的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)設(shè)備供電；

第四，由DCS 配電柜進(jìn)行分配后向DCS 的二層設(shè)備（包括操作員站、服務(wù)器等）供電。

注：本文對DCS 的220VAC 電源需求的分析和評估是基于DCS 二層設(shè)備與一層及接口設(shè)備使用相同外部220VAC 電源的前提；如果工程應(yīng)用中DCS 二層設(shè)備與一層及接口設(shè)備使用不同外部220VAC 電源，則應(yīng)分別評估二層設(shè)備的220VAC 電源需求和一層及接口設(shè)備的220VAC 電源需求。

②125VDC 電源，由DCS 配電柜進(jìn)行分配后向DCS 接口設(shè)備提供驅(qū)動(dòng)電源。

改造后DCS 的配電設(shè)計(jì)示意圖如圖1所示（此圖僅為示意圖，不代表實(shí)際設(shè)備數(shù)量）。

圖1 DCS 配電設(shè)計(jì)示意圖

4 改造后DCS 電源需求

改造后DCS 電源需求可分為DCS 自身設(shè)備和DCS 接口設(shè)備的電源需求，如表1所示，下面分別對各類型電源需求進(jìn)行評估。

表1 DCS 電源需求

4.1 DCS 自身設(shè)備的電源需求

DCS 自身設(shè)備包括CPU 模塊、IO 模塊、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、機(jī)柜風(fēng)扇等?？筛鶕?jù)納入DCS 的IO 點(diǎn)的類型和規(guī)模確定DCS 自身設(shè)備的類型和數(shù)量，進(jìn)而評估DCS 自身設(shè)備的電源需求。

根據(jù)改造后IO 點(diǎn)的類型和規(guī)模（見表2），從控制站內(nèi)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、IO 板卡類型、端子排和繼電器的需求量等方面綜合評估改造后DCS 自身設(shè)備的類型和數(shù)量，為保證電源需求評估結(jié)果具有一定的裕量，所采用的IO 規(guī)模數(shù)據(jù)應(yīng)具有一定的裕量。

表2 繼電器控制系統(tǒng)改造后IO 規(guī)模

①IO 點(diǎn)數(shù)量：

第一，DI 點(diǎn)：j；

第二，DO 點(diǎn)：（k+L+m）。

②IO 模塊數(shù)量（假設(shè)DI 模塊和DO 模塊均為n 通道）：

第一，DI 模塊數(shù)量p= j/n；

第二，DO 模塊數(shù)量q=（k+L+m）/n。

③最少控制站數(shù)量（假設(shè)單個(gè)控制站平均最多容納r個(gè)IO 模塊）：（p+q）/r個(gè)。注：本文中的所有計(jì)算結(jié)果如帶小數(shù)部分，均采用向上取整后的數(shù)值為最終結(jié)果。另外，如下端子排、繼電器以及斷路器的空間需要在評估最少控制站數(shù)量時(shí)考慮在內(nèi)。

第一，控制站內(nèi)需要布置端子排，用于部分特殊情況下的就地信號串接、DO 觸點(diǎn)串接等。

第二，控制站內(nèi)需要布置隔離繼電器以及斷路器，用于在外部回路電壓/電流高于DI/DO 模塊耐受等級的情況下在DCS 模塊與外部回路之間進(jìn)行電氣隔離。

④CPU 模塊數(shù)量：為保證DCS 控制功能的可靠性，DCS控制站采用雙冗余CPU 模塊，所以CPU 模塊數(shù)量為控制站數(shù)量的2 倍，即2×（p+q）/r。

⑤網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)數(shù)量可根據(jù)如下因素進(jìn)行評估：

第一，DCS 系統(tǒng)所采用的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；

第二，網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的選型（端口設(shè)置）。

⑥機(jī)柜風(fēng)扇數(shù)量可根據(jù)改造后DCS 機(jī)柜數(shù)量以及每個(gè)機(jī)柜設(shè)置的風(fēng)扇個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

⑦機(jī)籠電源模塊數(shù)量評估：IO 模塊、CPU 模塊安裝在DCS 過程控制站的機(jī)籠上，24VDC 工作電源經(jīng)過DCS 過程控制站機(jī)籠電源模塊轉(zhuǎn)換為5VDC，通過機(jī)籠背板為IO 模塊、CPU 模塊供電；可先根據(jù)IO 模塊數(shù)量、CPU 模塊數(shù)量、機(jī)籠的槽位數(shù)量評估得出機(jī)籠數(shù)量，再根據(jù)每個(gè)機(jī)籠的雙冗余電源模塊配置評估得出電源模塊數(shù)量。

⑧操作員站數(shù)量可根據(jù)如下因素進(jìn)行評估：

第一，控制室的操作員數(shù)量；

第二，操作員的工作負(fù)荷；

第三，為提高系統(tǒng)可靠性對設(shè)備的冗余要求。

⑨服務(wù)器數(shù)量可根據(jù)如下因素進(jìn)行評估：

第一，IO 規(guī)模；

第二，操作和監(jiān)視功能的具體要求及實(shí)現(xiàn)方式；

第三，為提高系統(tǒng)可靠性對設(shè)備的冗余要求。

4.1.1 24VDC 工作電源

24VDC 工作電源的總負(fù)荷約為所有CPU 模塊功率、DI 模塊功率（不包括查詢電源功率）、DO 模塊功率（不包括驅(qū)動(dòng)電源功率）、機(jī)籠電源模塊自身功率損耗和機(jī)柜風(fēng)扇功率的總和?？蓪⑶笆鲈u估得出的各類設(shè)備的數(shù)量與各類設(shè)備的功率參數(shù)對應(yīng)相乘后求和得出24VDC 工作電源的總負(fù)荷為sW。

4.1.2 220VAC 工作電源

220VAC 工作電源的總負(fù)荷約為所有網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)功率、操作員站功率、服務(wù)器功率的總和。可將前述評估得出的各類設(shè)備的數(shù)量與各類設(shè)備的功率參數(shù)對應(yīng)相乘后求和計(jì)算得出220VAC 工作電源的總負(fù)荷為t W。

4.2 DCS 接口設(shè)備的電源需求

DCS 接口設(shè)備電源需求包括查詢電源、接口設(shè)備驅(qū)動(dòng)電源、隔離繼電器驅(qū)動(dòng)電源。DCS 接口設(shè)備的電源需求可根據(jù)DCS 接口設(shè)備的電氣特性和數(shù)量進(jìn)行評估。

4.2.1 48VDC 查詢電源

48VDC 查詢電源的總負(fù)荷為所有DI 通道查詢電源負(fù)荷的總和?？蓪⑶笆鯠I 點(diǎn)的數(shù)量j 與DI 模塊的單通道查詢電流參數(shù)相乘得出48VDC 查詢電源的總負(fù)荷為u W。

4.2.2 48VDC 驅(qū)動(dòng)電源

48VDC 驅(qū)動(dòng)電源用于驅(qū)動(dòng)DCS 外部負(fù)載（就地設(shè)備）以及驅(qū)動(dòng)隔離繼電器。

對于DCS 外部負(fù)載所需的48VDC 驅(qū)動(dòng)電源負(fù)荷，準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)可根據(jù)DCS 外部負(fù)載具體數(shù)量和設(shè)備信息進(jìn)行計(jì)算得出。如DCS 外部負(fù)載的具體數(shù)量和設(shè)備信息數(shù)據(jù)不完整，則可以采用如下保守方法進(jìn)行估算：一方面，改造前繼電器控制系統(tǒng)的48VDC 電源除了用于外部負(fù)載的驅(qū)動(dòng)之外，還用于自身繼電器線圈的驅(qū)動(dòng)；另一方面，改造后DCS 的48VDC 外部負(fù)載與改造前繼電器控制系統(tǒng)的48VDC 外部負(fù)載相比會有所減少，因?yàn)楦脑旌蟛僮骱蛨?bào)警顯示功能將通過DCS 畫面實(shí)現(xiàn)，改造前控制室的硬操作按鈕、硬報(bào)警處理設(shè)備在改造后將不再需要，所以改造后DCS 外部負(fù)載所需的48VDC 驅(qū)動(dòng)電源負(fù)荷小于改造前繼電器控制系統(tǒng)48VDC 電源負(fù)荷，即小于bW。

對于隔離繼電器驅(qū)動(dòng)所需的48VDC 驅(qū)動(dòng)電源負(fù)荷，可采用如下方法進(jìn)行估算：隔離繼電器需要在DO 模塊的觸點(diǎn)容量無法滿足控制回路中的電壓和電流要求的情況下使用：一是DO（有源，DCS 供電125VDC）的情況，如前面所述，此種情況的點(diǎn)數(shù)為k；二是DO（無源，外部供電）所在的控制回路電壓高于DCS 的DO 模塊的觸點(diǎn)容量的情況，此種情況的點(diǎn)數(shù)為u。如果一個(gè)隔離繼電器線圈的額定功率為v W，則這些隔離繼電器負(fù)載為（k+u）×vW。

根據(jù)上述方法可評估得出48VDC 驅(qū)動(dòng)電源的總負(fù)荷為xW。

4.3 配電柜電源模塊功率損耗

配電柜電源模塊為DCS 自身設(shè)備和DCS 接口設(shè)備提供24VDC和48VDC 電源。

根據(jù)電源模塊的輸出額定電流參數(shù)、電源模塊負(fù)荷裕量要求以及為保證單個(gè)電源模塊故障不會影響DCS 系統(tǒng)正常供電，電源模塊采用“N+1”冗余配置的要求，可評估得出單路外部220VAC 電源下游的：

①24VDC 工作電源所需的電源模塊數(shù)量；

②24VDC 驅(qū)動(dòng)電源所需的電源模塊數(shù)量；

③48VDC DI 查詢電源和DO 驅(qū)動(dòng)電源所需的電源模塊數(shù)量。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)可以得出，單路外部220VAC 電源下游的配電柜24VDC 電源模塊總數(shù)以及48VDC 電源模塊總數(shù)，進(jìn)而通過將電源模塊的自身功率損耗與對應(yīng)的電源模塊的數(shù)量對應(yīng)相乘后求和可得出單路外部220VAC 電源下游的配電柜電源模塊總功率損耗為yW。

4.4 單路外部220VAC 電源的最大總負(fù)荷需求

在外部220VAC 雙冗余電源中僅有單路電源可用的情況下，可用的單路外部220VAC 電源的負(fù)荷達(dá)到最大，為（s+t+u+x+y）W，則此時(shí)單路外部220VAC 電源的電流為z=（[s+u+x+y）（/φ×220）+t/220] A（注：φ 為電源模塊的功率因數(shù)）。

4.5 單路外部220VAC 電源啟動(dòng)電流的要求

對于單路外部220VAC 電源的啟動(dòng)電流要求，考慮DCS采用逐級上電，即同一時(shí)刻僅給一個(gè)電源模塊上電，所以僅需考慮上電過程中閉合最后一個(gè)開關(guān)電源上游斷路器時(shí)的電流，此時(shí)電流不會超過zA 與單個(gè)電源模塊的啟動(dòng)電流之和。

4.6 外部125VDC 電源需求

DCS 改造后，外部125VDC 電源僅用于接口設(shè)備的驅(qū)動(dòng)電源，而DCS 改造前，外部125VDC 電源除了用于接口設(shè)備的驅(qū)動(dòng)電源外，還用于繼電器控制系統(tǒng)自身的繼電器線圈的驅(qū)動(dòng)。所以與DCS 改造前相比，改造后對外部125VDC 電源需求會降低。

5 結(jié)語

本文給出了基于IO 類型和規(guī)模的DCS 初步配電設(shè)計(jì)及電源需求，作為上游電源系統(tǒng)的適應(yīng)性改造的設(shè)計(jì)依據(jù)，為DCS 工程改造涉及的供電分析提供參考。