淺析DCS和PLC控制系統(tǒng)供電安全

唐小雄

（中鋁東南銅業(yè)有限公司，福建 寧德 352100）

0 前言

據(jù)計(jì)算機(jī)及自動化行業(yè)統(tǒng)計(jì)，80%以上的硬件故障是由外部電源質(zhì)量和接地問題引起的，合理的供電方案，可靠的UPS（不間斷電源）和冗余電源切換裝置，規(guī)范的系統(tǒng)接地，是保證DCS 和PLC 控制系統(tǒng)能否持續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行的前提條件。

1 DCS和PLC控制系統(tǒng)主要的供電方式

1.1 單回路供電

單回路供電就是只有一路電源供電，有單路EVS 供電和單路UPS 供電2 種方式。單回路結(jié)構(gòu)簡單，線路和設(shè)備供電投資成本小，單回路供電的缺點(diǎn)就是當(dāng)供電線路或電源出現(xiàn)故障后，整個(gè)系統(tǒng)將停止運(yùn)行。

單路EVS 供電（穩(wěn)壓電源）就是電氣送來的380VAC 三相電經(jīng)過EVS 穩(wěn)壓調(diào)節(jié)之后，直接輸出到負(fù)載，一般EVS 都有一個(gè)隔離變壓器來保證輸出穩(wěn)定的220VAC 交流電。單路UPS 供電就是電氣送來的380VAC 直接進(jìn)入U(xiǎn)PS 主機(jī)，經(jīng)過UPS 的整流、逆變、電池的充放電，然后由UPS 輸出220VAC到負(fù)載。UPS 通過電池儲能，當(dāng)主供電回路由于某種原因掉電，可以通過電池放電供給負(fù)載，給操作和系統(tǒng)維護(hù)人員處理故障預(yù)留時(shí)間。

1.2 雙回路供電

雙回路使用2 個(gè)回路的供電系統(tǒng)來供電，可靠性取決于電源切換裝置。

1.2.1 UPS、EVS雙回路切換供電

由于UPS 具有相對穩(wěn)定性，具有儲能功能，能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供短時(shí)間供電，可作為PLC 和DCS 控制系統(tǒng)的主回路供電，用EVS 作為副回路供電。

1.2.2 雙回路EVS供電

兩路EVS 電源通過穩(wěn)壓器，經(jīng)雙回路電源切換裝置給負(fù)載供電。

1.2.3 雙路UPS供電

采用雙路UPS 供電，由雙電源切換裝置的輸出供給負(fù)載。

2 改造前DCS和PLC控制系統(tǒng)的供電狀況及存在的問題

中鋁東南銅業(yè)有限公司主體工藝流程及設(shè)備采用了艾默生DeltaV 系列DCS 控制系統(tǒng)，單體成套設(shè)備采用西門子PLC 控制系統(tǒng)，通過DP 總線實(shí)現(xiàn)和DCS 系統(tǒng)的通信和集中控制，主要設(shè)備運(yùn)行參數(shù)全部在線監(jiān)測，設(shè)備自動程度相對較高[1]。

2.1 PLC控制系統(tǒng)采用單回路EVS供電

單體成套設(shè)備主要包括冰銅磨、氣力輸送系統(tǒng)、陽極爐、NGL 爐、圓盤澆筑機(jī)、SO2風(fēng)機(jī)、磨機(jī)、空壓機(jī)等300 余套，采用西門子S7-1200，S7-1500 系列PLC 控制系統(tǒng)，均采用單回路EVS 供電，如圖1 所示。

圖1 PLC 控制系統(tǒng)采用單回路EVS 供電

2.2 DCS控制系統(tǒng)均采用EVS、UPS雙回路切換供電

中鋁東南銅業(yè)有限公司共3 套艾默生DeltaV 系列DCS控制系統(tǒng)，系統(tǒng)機(jī)柜分布在21 個(gè)低壓配電室，共配備17 套UPS，DCS 控制系統(tǒng)均采用EVS、UPS 雙回路切換供電，如圖2 所示。

2.3 目前DCS和PLC控制系統(tǒng)供電電源存在的問題

在實(shí)際運(yùn)用中，很多大功率成套設(shè)備的主電機(jī)動力電源采用10 kVA 電源，PLC 控制系統(tǒng)采用380VAC 或者220VAC電源。采用單回路EVS 對PLC 控制系統(tǒng)進(jìn)行供電存在較大風(fēng)險(xiǎn)，曾出現(xiàn)磨機(jī)低壓PLC 控制系統(tǒng)電源失電，聯(lián)鎖保護(hù)失效，而磨機(jī)主電機(jī)10 kVA 動力電源未能聯(lián)鎖跳閘，設(shè)備遠(yuǎn)程失控的事故。生產(chǎn)控制中心DCS 主網(wǎng)絡(luò)柜380VAC 進(jìn)線電源跳閘后，未及時(shí)發(fā)現(xiàn)處理，造成UPS 電池深度放電直至DCS主網(wǎng)絡(luò)柜失電，DCS 通信中斷，跨區(qū)域聯(lián)鎖設(shè)備大面積跳停事故。出現(xiàn)進(jìn)線電源斷電后，因UPS 逆變器故障，DCS 系統(tǒng)失電設(shè)備跳停事故。

圖2 DCS 系統(tǒng)采用EVS 穩(wěn)壓器和UPS 雙回路供電

3 DCS和PLC控制系統(tǒng)電源優(yōu)化改造方案

結(jié)合發(fā)生的PLC 和DCS 系統(tǒng)供電電源事故，梳理成套控制設(shè)備PLC 控制系統(tǒng)和高壓動力電源的配置情況，為消除因PLC 和DCS 控制系統(tǒng)失電可能造成的設(shè)備失控隱患，對控制系統(tǒng)電源進(jìn)行優(yōu)化改造。

3.1 PLC控制系統(tǒng)由單回路改為EVS和UPS雙回路切換供 電

PLC 控制系統(tǒng)從由單回路EVS 供電改為由1 路EVS 穩(wěn)壓器電源與1 路UPS 電源經(jīng)冗余電源模塊雙回路供電，穩(wěn)壓器電源進(jìn)線電源和UPS 進(jìn)線電源分別從不同變壓器母線取電。高壓斷路聯(lián)鎖信號和高壓斷路器電源采用UPS 電源，確保緊急情況下，PLC 控制系統(tǒng)聯(lián)鎖保護(hù)有效，能遠(yuǎn)程緊急停車和聯(lián)鎖斷開設(shè)備高壓動力電源[2]。

3.2 核心機(jī)柜由EVS、UPS雙回路改為雙回路UPS冗余供電

綜合每個(gè)機(jī)柜控制器、I/O 模塊、通信模塊、上位機(jī)數(shù)量進(jìn)行功率核算，確保單個(gè)UPS 輸出功率大于所有接入設(shè)備額定功率1.5 倍，2 個(gè)UPS 進(jìn)線電源分別從不同變壓器母線取電。根據(jù)配備的UPS 輸出功率和電池容量，可通過更換大功率UPS 和增加電池容量，實(shí)現(xiàn)核心DCS 機(jī)柜、主網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜、服務(wù)器站和工程師站雙回路UPS 冗余電源供電，如圖3所示。

3.3 增加DCS、PLC系統(tǒng)和UPS電源監(jiān)控和報(bào)警信息

將穩(wěn)壓器進(jìn)線電源、UPS 進(jìn)線電源通過繼電器接入DCS或者PLC 數(shù)字量DI 模塊，并做報(bào)警組態(tài)。當(dāng)穩(wěn)壓器進(jìn)線電源、UPS 進(jìn)線電源失電時(shí)，系統(tǒng)觸發(fā)報(bào)警，使操作人員和系統(tǒng)維護(hù)人員及時(shí)響應(yīng)，避免因控制系統(tǒng)失電，UPS 電池深度放電造成事故。

3.4 改雙回路供電的幾個(gè)需要注意的問題

改雙回路供電之前要先設(shè)計(jì)好接線圖，嚴(yán)格按照接線圖進(jìn)行接線，并按功率大小選擇合適的配線。要選用質(zhì)量好、容量足夠大的冗余電源切換開關(guān)。在日常運(yùn)行維護(hù)中要加強(qiáng)檢查，嚴(yán)格監(jiān)控各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除故障。進(jìn)線電源空氣開關(guān)嚴(yán)禁斷開，防止UPS 電池過度放電，影響電池的使用壽命。

雙回路切換供電，可以避免單路供電的缺點(diǎn)，但是對雙回路供電中的電源切換裝置要求比較高，電源切換裝置決定了整個(gè)控制系統(tǒng)的安全性，不同品牌的DCS 系統(tǒng)硬件所能承受的切換時(shí)間差不同，因此廠家基本都有自己的配套電源切換裝置。電源切換裝置是供電故障發(fā)生時(shí)，DCS 系統(tǒng)電源自動切換的關(guān)鍵，必須選擇可靠性高、安全性大的電源切換裝置。

4 系統(tǒng)接地

圖3 雙回路UPS 冗余供電

DCS 和PLC 控制系統(tǒng)接地問題也是系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素，控制系統(tǒng)的接地分為2 個(gè)部分，一部分為安全接地（交流地），另一部分為系統(tǒng)公共地（直流地），安全地是指控制設(shè)備機(jī)殼接地，系統(tǒng)公共地是指系統(tǒng)中的各站（機(jī)柜）通過公共點(diǎn)接地。無論是安全接地還是公共地都是以大地作為零基準(zhǔn)參考電壓點(diǎn)。DCS 控制系統(tǒng)一般應(yīng)獨(dú)立使用一個(gè)地極，這個(gè)地極與建筑地極或其它地極要有大于5 m 的距離，距離避雷針地極要大于10 m，地極周圍不要有大型電力設(shè)備的地極，連接要牢固，保證高可靠導(dǎo)電性能，保證其他接地地極與所選接地地極間的電阻小于1 Ω，用地阻測定器測量地電極與地電阻應(yīng)要小于4 Ω。

5 UPS和電池維護(hù)保養(yǎng)

UPS 一般和DCS 機(jī)柜放在同一配電室，配電室必須清潔干燥，空氣流通良好或安裝空調(diào)能充分冷卻設(shè)備。不要在UPS 上接電動機(jī)、大功率變壓器等電感性負(fù)載，電感性負(fù)載的啟動電流一般會達(dá)到額定電流的3 ～4 倍，會引起UPS 的瞬時(shí)超載過流，影響UPS 和電池的壽命。需按照UPS 的額定輸出功率的70%～80%來考慮負(fù)載的接入情況，過高或過輕都會影響UPS 壽命。

每個(gè)月要對UPS 電池進(jìn)行一次淺放電處理，每3 個(gè)月要進(jìn)行一次中度放電，每9 個(gè)月要進(jìn)行一次深度放電。電池例行保養(yǎng)的目的是為了保持電池活性，可以有效避免電池極板酸化，使電池極板一直處于良好工作狀態(tài)。電池使用3 ～5年以后活性和充放電容量會逐步降低，一般情況下要對電池組整體進(jìn)行更換。

6 結(jié)語

對于DCS 和PLC 控制系統(tǒng)供電，無論采用單回路還是雙回路，風(fēng)險(xiǎn)都是存在的，穩(wěn)定可靠的供電系統(tǒng)才能保證DCS和PLC 控制系統(tǒng)的安全運(yùn)行。單路EVS 供電只能用來為非關(guān)鍵設(shè)備PLC 控制系統(tǒng)供電，單路UPS 只能用來為非核心DCS機(jī)柜和網(wǎng)絡(luò)柜供電。我們通過對供電設(shè)備的合理選型和供電方案的優(yōu)化改造來降低風(fēng)險(xiǎn)，平時(shí)還需做好UPS 系統(tǒng)和電池組維護(hù)，最大限度地保障DCS 和PLC 控制系統(tǒng)的供電安全。