儀表系統供電方案的優化

王文志

（洛陽實華合纖有限責任公司，河南洛陽 471O12）

儀表系統供電方案的優化

王文志

（洛陽實華合纖有限責任公司，河南洛陽 471O12）

針對儀表系統供電可靠性問題，以洛陽實華合纖有限責任公司聚酯裝置儀表系統供電現狀為例，分析目前裝置儀表系統供電存在的缺陷，提出具體的優化措施。

儀表系統 ；供電 ；優化

1 引言

健全可靠的儀表供電系統，是生產裝置安、穩、長、優運行的基本保證，除了應該具有大功率在線式UPS供電和大功率隔離變壓器之外，還應具備完善的故障監測報警功能。目前較先進的供電方案已經采取了UPS冗余配置的供電方式，并設計了完善的切換保護回路，可以有效提高供電的可靠性。

2 儀表供電現狀分析

合纖公司聚酯裝置的儀表系統供電主要有22OV AC、11OV AC和24V DC三種。其中22OV AC電源由單UPS（不間斷電源）供電，經過一個斷路器后，分別經過變壓器產生11OV AC和24V DC供電。供電方案如圖1所示。

圖1 目前儀表系統供電方案

此供電方式儀表系統安全性和可靠性存在問題，首先沒有將直流儀表電源采用冗余配置；其次將DCS系統的主電源與冗余電源合在一起，采用一路電源供電方式，沒有真正體現DCS系統電源冗余結構的本質；而且沒有考慮到UPS、變壓器和AC/DC轉換器可能發生的故障，機柜照明、風扇等輔助設備可能發生的短路故障，主控開關機電纜故障等情況發生存在的風險。因此要從設計方案入手，充分考慮各種可能的影響因素，隔離隱患，盡量減少供電事故的發生。

3 供電方案的優化措施

3.1 直流供電儀表

直流電源主要是給24 V DC的儀表供電。為了保證供電可靠性，采用兩臺24V DC穩壓電源并聯供電，在每個電源輸出端正極上外加大功率解耦二極管將兩路電源隔離，兩臺24V DC穩壓電源的輸入來自兩路獨立的22OV AC電源，這樣就實現了直流儀表供電的冗余，如圖2所示。

圖2 直流供電儀表電源冗余配置方案

該方案簡單經濟地解決了直流供電儀表電源冗余的問題，提高了直流供電的可靠性。但這種供電方式均流效果不好，如果開關電源1#AC/DC的輸出電壓高于2#AC/DC，1#AC/DC的負擔就會較重，輸出電流較大，而2#AC/DC輸出電流會較小或不輸出電流。為了均衡各電源模塊的輸出電流，需要采取自動均流措施，在兩個并聯電源模塊的電流放大器輸出端分別通過一個電阻R，接到一條公用的母線上，這條母線稱為均流母線。如圖3所示，電路是1#AC/DC電源模塊與均流母線的接線原理圖。

圖3 自動均流接線圖

圖中，參考電壓Ur和反饋電壓Uf為電壓放大器的輸入，U1r是參考電壓Ur和均流控制電壓Uc之和，電壓放大器的輸出電壓Ue控制脈寬調制器PWM及驅動電路，U是電流放大器的輸出電壓，它與相應電源模塊的輸出電流I成正比，Ub為均流母線上的電壓，U與Ub是調整放大器A2的輸入信號，A2輸出一個均流控制電壓Uc。U與Ub之差就是各電源模塊均流誤差，通過調整放大器A2的調整放大后，輸出一個調整控制電壓Uc。一般情況下，Ub可能大于U也可能小于U。當Ub=U時，則Uc=O，系統各電源模塊輸出電流處于均衡狀態；若Ub≠U，則 Uc≠O，表明電流分配不均勻，Uc與 Ur相加后，作為電壓放大器A1的輸入信號，使放大器A1輸出電壓信號Ue，去控制脈沖寬度調制器PWM，最終達到精確均流。

這種方法通過該電源模塊輸出電流反饋信號來適當調整電源模塊輸出電壓，從而調整了其輸出電流，使各并聯模塊輸出電流等于總電流的平均值，從而達到均流的目的。此外還要完善自診斷功能和故障報警等功能，以進一步提高供電可靠性。

3.2 雙路供電儀表系統

這里的雙路供電儀表主要指DCS和PLC等控制系統。正常情況下，只要DCS系統運行正常，其它部分即使短時間失電也不會給生產裝置造成大的影響，因此，設計時采取了冗余電源。原供電方案沒有真正體現出冗余的特點，現在將系統冗余電源分別來自兩個獨立的電源，1#UPS或市電做主電源，2#UPS做冗余電源。在主回路運行正常時，后備回路保持與主回路的狀態同步；當主回路出現嚴重故障時，后備回路將切換為主回路，而不影響過程控制。只要有一個回路的供電正常，系統就能夠正常工作。然而可靠性再高的控制系統也不能保證故障為零，所以通訊網絡和重要模塊也要采用相似的方式進行熱備。

3.3 單路交流供電儀表系統

單路交流供電的儀表系統包括兩部分：一是在控制系統中的部分監控儀表和在線分析儀表，如質量流量計、放射性液位計、部分電磁閥、在線黏度分析儀等；二是控制柜風扇、照明、打印機、備用電源插座等輔助設備。此類儀表的供電方案如圖4所示。

圖4 單路交流儀表供電方案

其中，STS（Static Transfer Switch）為靜態轉換開關，它是電源二選一自動切換裝置，正常工作狀態下，在主電源處于正常的電壓范圍內，負載一直連接于主電源。主電源發生故障時，負載自動切換到備用電源，主電源恢復正常后，負載又自動切換到主電源。STS采用先斷后通的切換方式，可以實現不兩路電源之間的不間斷切換，為單電源負載提供雙母線供電。STS具有自動保護和在線檢測功能，另外還能夠手動切換，兩路電源正常時，可隨意將負載轉向另一路電源供電，實現了在線檢修。

目前，STS的可靠性遠高于UPS，當UPS出現故障時，STS將電源切換到市電，然后對UPS進行搶修。切換的時間間隔一般小于8ms，對于現場控制儀表來說是可以滿足的，但對于開關量輸入DCS的交流回路供電，信號有中斷的危險。這需要增加同步控制器。STS的切換元件一般采用晶閘管。對于感性負載而言，還要求流過晶閘管的滯后電流下降到晶閘管的截至電流以下。對交流電源來說，處于優先供電通道上和備用電源供電通道上的兩對晶閘管有同時處于導通狀態的可能性，如果發生這種情況，兩個電源頻率相位不一致的交流電交會，會產生很高的瞬態浪涌電壓，有可能損壞設備。為此兩路電源應處于相位互鎖之中，增加同步控制器，生成統一的參考時鐘，將二者輸出頻率相位同步。

另外，建議現場儀表應盡量采用24V DC直流儀表，在有條件的情況下，可以將現有交流儀表改為直流儀表，這樣可以實現現場儀表供電的冗余配置。

4 結束語

優化后的供電系統解決了UPS故障、變壓器故障、AC/DC轉換器故障和主控開關機電纜故障等。隨著控制系統的發展，對儀表系統供電的可靠性要求會越來越高，相信故障檢測、故障隔離、在線更換、智能控制等技術必將在電源系統中得以實現，使系統更加適應生產的要求，進一步提高供電安全系數。

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王文志（1981－ ），男，工程師，從事石化設備管理工作，電話：（O379）66996439。