儀表及控制系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)及可靠性探討

杜海亭

（兗州煤業(yè)榆林能化有限公司，陜西 榆林 719000）

儀表及控制系統(tǒng)隨著電子、計(jì)算機(jī)和通訊等技術(shù)的進(jìn)步，其自身硬件已相當(dāng)成熟和可靠，自身故障率較之前有大幅度降低。相反，外部因素影響儀表及控制系統(tǒng)的長(zhǎng)周期運(yùn)行比例凸顯，如電源故障、機(jī)柜間長(zhǎng)期溫濕度不達(dá)標(biāo)、粉塵和氣體腐蝕等，其中電源故障影響面最大，往往會(huì)導(dǎo)致裝置的非計(jì)劃停車。現(xiàn)從電源現(xiàn)狀、交流電源設(shè)計(jì)、直流電源設(shè)計(jì)及管理措施等4個(gè)方面予以闡述。

1 電源問(wèn)題現(xiàn)狀

電源系統(tǒng)作為儀表及控制系統(tǒng)的動(dòng)力系統(tǒng)，其故障往往影響面大，不但降低了控制系統(tǒng)的可靠性，甚至是造成安全實(shí)施失效，如某煤化工企業(yè)2017年因外網(wǎng)晃電造成甲醇、PVA、醋酸等裝置機(jī)泵大面積跳停，同時(shí)由于UPS故障造成部分DCS控制站、工程師站和操作站等設(shè)備失電，又如2019年因24V開(kāi)關(guān)電源故障造成可燃、有毒氣體報(bào)警儀失效等，據(jù)初步統(tǒng)計(jì)某煤化工企業(yè)2013～2019年共發(fā)生典型電源故障9起，典型故障統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)表1。

表1 2013～2019電源故障統(tǒng)計(jì)Table 1 Power failure statistics 2013 to 2019

在認(rèn)真分析這9起電源故障原因中，以外部電網(wǎng)異常、UPS故障、供電結(jié)構(gòu)不合理等原因居多，主要存在如下問(wèn)題：

1）外部電網(wǎng)異常，諸如外網(wǎng)晃電、電源浪涌等這種因素，作為用電企業(yè)一般難以有效解決，對(duì)于儀表及控制系統(tǒng)設(shè)備而言，一方面是盡可能增加UPS的續(xù)航能力，最好能保證2h及以上，同時(shí)故障出現(xiàn)時(shí)盡可能減少用電負(fù)荷，如關(guān)閉不必要的操作站等。另外，采用GPS供電的儀表及控制系統(tǒng)需配置穩(wěn)壓裝置，否則容易導(dǎo)致電源模塊燒壞，如2013～2015年期間因GPS出現(xiàn)電源浪涌燒毀Tricon系統(tǒng)5塊8312電源模塊。

2）UPS故障，主要逆變器板卡故障，電池組未定期充放電，運(yùn)行環(huán)境惡劣，粉塵未及時(shí)清理，未定期維護(hù)和開(kāi)展切換試驗(yàn)，UPS輸入端電源由電氣同一段供電等。

3）電源冗余結(jié)構(gòu)不合理，空開(kāi)容量上下級(jí)不匹配，保險(xiǎn)大小配置不合理，電源結(jié)構(gòu)不合理等。

2 交流電源設(shè)計(jì)

交流電源設(shè)計(jì)主要包括電氣專業(yè)的UPS或GPS設(shè)計(jì)和儀表專業(yè)220V電源設(shè)計(jì)，電氣側(cè)電源設(shè)計(jì)一般配置一路UPS和一路GPS，但從近年來(lái)的實(shí)際運(yùn)行情況看還是應(yīng)配置兩路UPS更為可靠，兩路UPS可以獨(dú)立供電，也可以并機(jī)供電，如圖1所示。兩種供電模式的選擇，具體應(yīng)根據(jù)負(fù)載系統(tǒng)分配，如傳統(tǒng)DCS、SIS系統(tǒng)可接收兩路電源宜采用獨(dú)立模式，如S7-300PLC只能接收單路電源宜采用并機(jī)模式。

圖1 UPS供電模式Fig.1 UPS Power supply mode

儀表及控制系統(tǒng)內(nèi)部電源設(shè)計(jì)主要指儀表配電柜的設(shè)計(jì)，則根據(jù)儀表情況即單路供電和雙路供電兩類配置：

1）雙路電源供電：主要指DCS、SIS、PLC等控制系統(tǒng)，其中DCS、SIS系統(tǒng)可接雙路電源，PLC系統(tǒng)一般只接單路電源，冗余情況下可接雙路電源，如圖2所示。

圖2 雙路電源供電Fig.2 Two-way power supply

2）單路電源供電：主要指電磁流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)、小型分析儀表、電磁閥等，這類儀表本身只能接收單路電源，當(dāng)采用兩路獨(dú)立模式的UPS供電且設(shè)計(jì)冗余的情況下，儀表配電柜內(nèi)宜按圖2所示設(shè)計(jì)；當(dāng)采用兩路獨(dú)立模式的UPS供電且儀表配置不冗余時(shí)宜采用STS切換模式，如圖3所示，該模式需要加同步器防止出現(xiàn)電源浪涌[1]。

事實(shí)上現(xiàn)場(chǎng)儀表特別是聯(lián)鎖儀表為兼顧可靠性和可用性，往往會(huì)設(shè)置3臺(tái)儀表如氣化爐測(cè)量煤漿流量采用了3臺(tái)電磁流量計(jì)，采取2oo3方式參與聯(lián)鎖，這時(shí)候儀表供電就需要合理配置，如果電源由同一段UPS供電則風(fēng)險(xiǎn)較高，宜采取圖2和圖3結(jié)合的方式，3臺(tái)表分別由A段、B段和C段供電。

另外中央控制室的操作站，一般會(huì)配置兩套UPS或者一路UPS和一路GPS，電源的設(shè)計(jì)則相對(duì)靈活。首先，操作站一般都冗余配置，同一工段各操作站之間可以相互監(jiān)控和操作，出現(xiàn)故障時(shí)對(duì)工藝影響較小，此時(shí)操作站可采用兩種方式供電：一是將冗余操作站整體分成兩部分采用圖2方式供電；二是對(duì)于具有唯一性的操作站可采用圖3方式供電。

圖3 單路電源供電Fig.3 Single-way power supply

3 直流電源設(shè)計(jì)

直流電源是目前儀表及控制系統(tǒng)使用最多的一類電源，特別是基于本安設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，其電磁閥、安全柵等都廣泛采用24V電源。24V電源設(shè)計(jì)最好系統(tǒng)內(nèi)和系統(tǒng)外獨(dú)立設(shè)置，系統(tǒng)內(nèi)指的是控制系統(tǒng)控制器、卡件等自身供電，系統(tǒng)外主要指第三方配件包括安全柵、電磁閥、繼電器等，如圖4所示。24V電源系統(tǒng)的搭建應(yīng)注意的問(wèn)題[2]：

1）每個(gè)直流穩(wěn)壓電源模塊單元應(yīng)具有輸出自動(dòng)均流功能，最好使用同一型號(hào)產(chǎn)品。

2）每個(gè)直流穩(wěn)壓電源模塊單元必須內(nèi)置解耦二極管，并且有負(fù)載均流線，保證同一組冗余安裝的每個(gè)電源模塊的輸出電流相同。

3）確保每個(gè)供電單元分擔(dān)負(fù)載電流，其中一個(gè)故障時(shí)，另一個(gè)能承擔(dān)100%的負(fù)荷。

圖4 24V供電結(jié)構(gòu)圖Fig.4 24V Power supply structure diagram

4 電源可靠性分析及管理措施

儀表及控制系統(tǒng)供電主要有單路電源和冗余電源，單路電源在可靠性工程中相當(dāng)于串聯(lián)系統(tǒng)，冗余電源相當(dāng)于并聯(lián)系統(tǒng)，以下從可靠性角度分析、計(jì)算兩者的不同。

設(shè)系統(tǒng)由兩個(gè)獨(dú)立的部件A1和A2組成，若該系統(tǒng)中至少有一個(gè)部件失效時(shí)，系統(tǒng)功能就全部失效，其系統(tǒng)可靠度的表達(dá)式為：

其可靠性概率函數(shù)：

式中， R1——部件A1的可靠度（0＜R1＜1），R2——部件A2的可靠度（0＜R2＜1），λ——失效率，t——工作時(shí)間。

設(shè)系統(tǒng)由兩個(gè)獨(dú)立部件A1和A2組成，若該系統(tǒng)中兩個(gè)獨(dú)立部件全部都失效后，系統(tǒng)的功能方能失效，則稱該系統(tǒng)為并聯(lián)系統(tǒng)，其系統(tǒng)的可靠度的表達(dá)式為：

圖5 串聯(lián)系統(tǒng)可靠性框圖Fig.5 Reliability block diagram of the series system

圖6 并聯(lián)系統(tǒng)可靠性框圖Fig.6 Parallel system reliability block

可靠性概率函數(shù)：R并（t）=1-（1-λe-λ1t）（1-λe-λ2t）（4）

式中，R1——部件A1的可靠度（0＜R1＜1），R2——部件A2的可靠度（0＜R2＜1），λ——失效率，t——工作時(shí)間。

例如，假設(shè)某電源失效概率是0.00005/h，在1000h時(shí)間內(nèi)，共因失效β因子估計(jì)為 0.05[3]，根據(jù)系統(tǒng)可靠性概率函數(shù)計(jì)算：?jiǎn)坞娫垂╇娍煽啃詾?.95123，雙電源可靠性為0.99762，在考慮圖3中的共因失效時(shí)電源可靠度為0.99536。從以上計(jì)算可知提高電源可靠性設(shè)計(jì)可以采用兩路電源冗余且獨(dú)立的原則，盡量避免共因失效。除了采取必要的技術(shù)措施，實(shí)際應(yīng)用中還應(yīng)從選型、報(bào)警、巡回檢查等方面加強(qiáng)管理。

1）應(yīng)盡可能地選擇冗余UPS供電，UPS盡管投資成本和后期維護(hù)成本較高，但不可否認(rèn)對(duì)于儀表及控制系統(tǒng)的長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行有重要作用，UPS采用單相輸出。

2）做好儀表選型，重要場(chǎng)合首先選擇具備冗余供電的儀表，系統(tǒng)盡量配置成冗余系統(tǒng)，要突出風(fēng)險(xiǎn)分散的原則，如安全柵選擇，有底板供電和獨(dú)立供電之分，建議選擇獨(dú)立供電的。

3）合理配置空開(kāi)、保險(xiǎn)?？臻_(kāi)的設(shè)置必須遵循逐級(jí)遞減原則，24V端子保險(xiǎn)絲容量不易過(guò)大，當(dāng)短路時(shí)會(huì)拉低母線電壓，引起開(kāi)關(guān)量信號(hào)誤動(dòng)[4]，24VDC電源設(shè)置空開(kāi)的話要選擇直流空開(kāi)。

4）完善報(bào)警監(jiān)視功能，把UPS、24V電源的報(bào)警信號(hào)引至DCS等后臺(tái)監(jiān)控。

5）加強(qiáng)電源系統(tǒng)的日常巡檢和維護(hù)，現(xiàn)場(chǎng)也經(jīng)歷過(guò)24V空開(kāi)斷開(kāi)，冗余開(kāi)關(guān)電源中有故障但未及時(shí)發(fā)現(xiàn)的情況，同時(shí)對(duì)UPS應(yīng)加強(qiáng)日常維護(hù)和定期試驗(yàn)工作。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行的需要，對(duì)儀表及控制系統(tǒng)的要求也越來(lái)越高，而電源系統(tǒng)作為儀表及控制系統(tǒng)的公共單元其重要性不言而喻，電源可靠性的提高是技術(shù)和管理的一個(gè)綜合結(jié)果，技術(shù)要求冗余和獨(dú)立并減少共因，盡量分散風(fēng)險(xiǎn)，投用后更要注重日常的管理，才能確保電源系統(tǒng)的真正可靠。