UPS在化工控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

柯文耀（福建省雄偉安全技術(shù)咨詢有限責(zé)任公司，福建 泉州362012）

1 UPS工作原理

UPS系統(tǒng)包含蓄電池、靜態(tài)開關(guān)、整流器、逆變器設(shè)備。隨著電子技術(shù)不斷發(fā)展，尤其是自動控制技術(shù)與功率器發(fā)展，UPS技術(shù)也愈發(fā)成熟。UPS主要是輸入的市電交流電源轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)壓直流電源，以為逆變器與蓄電池供電，再使用逆變器將頻率波動、電壓波動、諧波失真等干擾消除，確保輸入電壓成為高質(zhì)量、穩(wěn)定交流電源。

機(jī)器有電運(yùn)行時，UPS則整流市電交流電，存儲在自身電源之中，停止供電后，可為設(shè)備提供電源，讓設(shè)備在一段時間內(nèi)維持正常工作，做好應(yīng)急處理措施。保持時間通常是半小時或10min，以蓄電池容量決定延長的供電時間。

而UPS不間斷特點(diǎn)主要是電源“同步切換”，控制系統(tǒng)會對市電同步范圍適當(dāng)檢測，市電若是不超限，則逆變器則會“先通后斷”進(jìn)行供電，以確保化工控制系統(tǒng)在供電方面能夠“無間斷切換”。

2 UPS在化工控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1 供電特點(diǎn)

UPS電源主要是對計算機(jī)等電子設(shè)備進(jìn)行不間斷供電，而在化工系統(tǒng)中，此類設(shè)備主要包含自動控制及儀表、PLC設(shè)備、計算機(jī)、信息化系統(tǒng)監(jiān)測儀表、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備等。上述設(shè)備供電主要有以下特點(diǎn)：

（1）一般使用220VAV 進(jìn)行單相供電，或是利用開關(guān)電源，將單相220VAV電源向24VDC或48VDC供電轉(zhuǎn)換。

（2）自控設(shè)備通常屬于電子設(shè)備，對于供電電源質(zhì)量具有較高要求，供電系統(tǒng)尖峰脈沖可能影響設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性。

（3）自控系統(tǒng)中，各種設(shè)備均利用數(shù)據(jù)傳輸聯(lián)系，部分設(shè)備若是失電，對于整體系統(tǒng)運(yùn)行可能會造成影響。

（4）自控設(shè)備特點(diǎn)是以計算機(jī)設(shè)備及PLC 為主，利用運(yùn)行程序以達(dá)到控制目的，對于電源連續(xù)可靠性具有要求，短時失電，即50ms可能會重啟狀態(tài)丟失程序。

2.2 UPS供電需求

依據(jù)化工自控設(shè)備特點(diǎn)，與化工控制運(yùn)行管理常見工況相結(jié)合，UPS在自控系統(tǒng)中設(shè)置主要是為解決幾點(diǎn)問題：

（1）電源質(zhì)量不佳。在化工廠中，由于設(shè)備眾多，且存在變頻設(shè)備、高壓設(shè)備等，電磁環(huán)境較為復(fù)雜，各種設(shè)備在頻繁啟停及運(yùn)行變頻器等情況下，對于自控系統(tǒng)進(jìn)線電源質(zhì)量可能會造成一定影響，產(chǎn)生尖峰毛刺或電壓不穩(wěn)的問題。而UPS中有濾波裝置，可有效改進(jìn)化工控制系統(tǒng)的電源質(zhì)量[1]。

（2）全廠失電?；S生產(chǎn)運(yùn)行具有連續(xù)性特點(diǎn)，若是全廠或單體失電，在無法繼續(xù)為化工生產(chǎn)設(shè)備供電的同時，還可能造成設(shè)備損壞、生產(chǎn)事故等問題。所以，在自控系統(tǒng)中設(shè)置UPS，可保證全廠或單體失電情況下，系統(tǒng)仍能獲得電量，通過預(yù)設(shè)失電故障流程處理部分設(shè)備，以達(dá)到應(yīng)急自動控制目的，減少安全損失。

（3）系統(tǒng)失電?；ぷ钥叵到y(tǒng)也有可能產(chǎn)生失電情況，UPS可保證此情況下為系統(tǒng)提供電量，直到修復(fù)電源。

2.3 參數(shù)選擇

以UPS 供電原理劃分，UPS 可分為三類，即在線互動式、后備式與純在線式。其中，在線互動式具有穩(wěn)壓電路效果，電源治理效果更加，但輸入仍然可干擾輸出，但此價格相較于純在線式低，屬于化工廠經(jīng)濟(jì)性選擇（見圖1）；后備式UPS正常市電條件下，缺少穩(wěn)壓能力，無法提高供電效果，不適合在化工廠工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用（見圖2）；純在線式UPS 無論是電池供電還是市電供電，均由逆變器進(jìn)行輸出，可將輸入電源影響完全隔離，對于電源治理具有良好效果。并且，電池供電及市電供電，在進(jìn)行切換中不需要開關(guān)，可做到無憂切換，但價格也較高，化工廠若是經(jīng)費(fèi)允許，可使用UPS純在線式（見圖3）。

圖1

圖2

圖3

UPS計算后備時間對于其造價與尺寸具有直接影響，在選擇化工廠UPS 型號時，計算后備時間應(yīng)當(dāng)對以下因素進(jìn)行考慮：（1）UPS后備時間應(yīng)當(dāng)滿足廠內(nèi)停電下工藝流程應(yīng)急處理用電要求；（2）時間應(yīng)為自控系統(tǒng)提供商機(jī)電管失電至恢復(fù)供電的電量；（3）時間應(yīng)自控系統(tǒng)準(zhǔn)備及備份資料供電要求。依據(jù)化工廠應(yīng)用情況，PLC 后備時間通常為2h，主要是考量失電恢復(fù)時間。若是中控室等機(jī)房，則后備時間應(yīng)為4h，主要是失電后需為系統(tǒng)提供準(zhǔn)備及備份時間。

而UPS 容量，作為應(yīng)用UPS 的關(guān)鍵指標(biāo)，代表UPS 可輸出負(fù)載。UPS 容量以VA 單位的功率，部分UPS 選型會以W 為單位，標(biāo)注有功功率。選型過程中，需確保視在功率或有功功率，UPS均超過負(fù)載。

UPS輸入與輸出選擇中，由于化工廠為三相380VAC，所以UPS 輸入為三相，而輸出則依據(jù)負(fù)載可選擇三相或單相[2]。輸入電壓范圍盡量放寬，保證不會受到外界電壓波動頻繁切換電路，電壓范圍建議超過75%-125%。輸入頻率也應(yīng)當(dāng)提高，以保證上級電源適應(yīng)性，輸入頻率應(yīng)為60Hz左右。

化工廠在布置UPS 時，根據(jù)UPS 容量10%進(jìn)行發(fā)熱量計算，由于其運(yùn)行熱量較大。且周圍環(huán)境溫度對UPS電池影響較高，運(yùn)行溫度應(yīng)控制雜50℃以內(nèi)。所以，化工廠在布置UPS 系統(tǒng)時，需對環(huán)境因素充分考慮，若情況允許，可為其配置空調(diào)，以減少運(yùn)行溫度。并且，化工廠UPS后備時間通常在2-4小時之內(nèi)，電池組龐大，通常以機(jī)柜方式實(shí)施集中布置，需房間有較高承重力，尤其是布置二層濾池時，更需要核算UPS 電池組重量。旁路設(shè)置對于UPS也十分重要，尤其是在線式UPS，隔離輸入輸出，以規(guī)范為依據(jù)，UPS出線側(cè)需進(jìn)行重復(fù)接地。而UPS運(yùn)行濾波穩(wěn)壓電路中，對于漏電檢測線路會造成干擾，禁止UPS電源使用漏電開關(guān)，以保證UPS能夠在整體化工控制系統(tǒng)中充分發(fā)揮自身作用。

3 UPS應(yīng)用注意事項(xiàng)

3.1 常見故障

在化工控制系統(tǒng)中，UPS應(yīng)用十分廣泛，但運(yùn)行中易發(fā)生故障，以下進(jìn)行簡單闡述：

（1）UPS電源系統(tǒng)中，常見壓敏電阻及電源保險損壞故障，以電源保險而言，由于其位置處于市電接入口，若是市電電壓出現(xiàn)過低或過高情況，則UPS 易產(chǎn)生損壞，壓敏電阻作為電壓敏感期，若兩端電壓大于電阻額定電壓，則易被擊穿，成為首先受損部件，最終燒壞UPS的電源保險。

（2）電瓶過量放電。逆變器若是工作時間較長，則機(jī)內(nèi)電瓶會產(chǎn)生過量放電情況。UPS正常工作時，市電供應(yīng)較為穩(wěn)定，電瓶是抗電狀態(tài)。但UPS 放電后，實(shí)施接通電源操作，無法自動進(jìn)行充電，而電瓶作為UPS內(nèi)控電路電源，其缺少電或損壞，均無法讓UPS正常工作。

（3）蓄電池故障。在正常UPS 運(yùn)行下，穩(wěn)定運(yùn)行電池才能充分發(fā)揮效果。UPS電池嚴(yán)格要求充電電壓，不能過高或過低，電池電壓過高，則內(nèi)部易產(chǎn)生電解反應(yīng)，對電池造成損壞。并且，電解反應(yīng)過程中，會有特定氣體放出，也會造成電池報廢。而電壓若過低，內(nèi)部活性物質(zhì)無法將自身作用充分發(fā)揮出來，也就不能實(shí)現(xiàn)UPS效能。

另外，短期內(nèi)外部供電系統(tǒng)可能會多次波動，UPS 也會放電，若無法補(bǔ)充電量，長時間下來會減少電池容量。同時，UPS若并未定期進(jìn)行放電處理，削弱活性流體，則蓄電池?zé)o法達(dá)到相應(yīng)狀態(tài)。因此，UPS電池使用后，應(yīng)注意實(shí)施放電操作。

3.2 維護(hù)管理

（1）維護(hù)UPS主機(jī)

a機(jī)房環(huán)境應(yīng)當(dāng)保持健康干凈，空氣中避免產(chǎn)生大量粉塵，以免其進(jìn)入到UPS 主機(jī)內(nèi)部構(gòu)件之中，腐蝕零件，導(dǎo)致其工作無法正常進(jìn)行。

b 檢查UPS 輸出電壓范圍及負(fù)載水平，以控制單機(jī)負(fù)載在40%以內(nèi)。

c檢查UPS顯示功能及告警指示，確保其能夠正常工作，工作人員則在微小參數(shù)變化中及時發(fā)現(xiàn)安全隱患。

d 定期測試檢查UPS 旁路開關(guān)及逆變器，檢查UPS 系統(tǒng)各部件，確保連接設(shè)備及變壓器線圈無過熱變色情況。

e 觀察運(yùn)行的UPS 系統(tǒng)是否有噪音產(chǎn)生，尤其是風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)是否正常。

f若UPS主機(jī)已經(jīng)達(dá)到使用壽命，需及時更換。

（2）維護(hù)蓄電池

蓄電池維護(hù)工作屬于長期工作，工作人員應(yīng)當(dāng)每天對其進(jìn)行規(guī)范細(xì)致的管理，對UPS 蓄電池溫度進(jìn)行檢查，若是電池連接十分松散，且有變形、滲漏、腐蝕等情況存在，則需及時處理，以保證設(shè)備能夠良好運(yùn)行[3]。而每隔3-6個月，就需要對蓄電池內(nèi)阻及電壓檢查，不符合要求應(yīng)及時更換。每年至少完成一次UPS放電測試，性能不好蓄電池則應(yīng)當(dāng)及時更換，以免市電突然中斷后，UPS無法為設(shè)備供電。

3 結(jié)語

總之，UPS 供電較為穩(wěn)定可靠，當(dāng)市電出現(xiàn)波動會斷電情況，可利用UPS 蓄電池為化工廠設(shè)備繼續(xù)供電，以保證供電能夠維持到恢復(fù)供電或設(shè)備應(yīng)急處理后，避免產(chǎn)生其他安全事故。因此，化工廠在應(yīng)用過程中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)自身日常生產(chǎn)情況，以計算UPS容量、后備時間等，并通過日常維護(hù)加強(qiáng)故障管理，保證UPS能夠充分發(fā)揮其作用。