單UPS供電系統在DCS中的應用

趙建波

（中鹽德邦（江蘇）化工有限公司，江蘇 連云港 222023）

DCS控制系統（Distributed Control System，分散控制系統）是隨著現代大型工業生產自動化的不斷興起和過程控制要求的日益復雜應運而生的綜合控制系統。20世紀90年代，隨著我國三大氨堿廠的建設，DCS控制系統開始在國內純堿企業應用，我公司在2000年開始對生產過程控制系統進行升級改造，采用DCS控制系統取代常規的盤裝儀表。我公司是聯堿法制堿企業，有鍋爐、氣化、合成、聯堿等生產裝置，生產過程具有易燃、易爆、高溫、高壓、有毒、有害、腐蝕等特點，所以需要一個可靠的供電系統來保證DCS的安全穩定運行，本文旨在通過介紹UPS原理與選擇，單UPS供電系統在我廠的應用為例，同時就有關運行維護方面問題與大家探討。

1 UPS的選擇

采用DCS系統執行監控的生產裝置，當市電突然停電時，要有備用電源保持一定時間的供電，以便對DCS系統的數據做保護性處理并使現場儀表及調節閥處于安全位置，同時還要確保工藝做緊急處理，防止事故發生，所以UPS（不間斷電源）就成為DCS系統安全供電的重要手段。UPS（Uninterruptible Power Supply），是一種含有儲能裝置，以整流器、逆變器為主要組成部分的穩壓穩頻的交流電源。主要利用電池等儲能裝置在停電時給計算機／服務器、存儲設備、網絡設備等計算機、通信網絡系統或工業控制系統、需要持續運轉的工業設備等提供不間斷的電力供應。當市電輸入正常時，UPS將市電穩壓后供應給負載使用，此時的UPS就是一臺交流市電穩壓器，同時它還向機內電池充電；當市電中斷（事故停電）時，UPS立即將機內電池的電能，通過逆變轉換的方法向負載繼續供應220V交流電，使負載維持正常工作并保護負載軟、硬件不受損壞。

目前市場上常見的UPS不間斷電源按工作原理有后備式和在線式：

1）后備式

平時處于蓄電池充電狀態，在停電時逆變器緊急切換到工作狀態，將電池提供的直流電轉變為穩定的交流電輸出，因此后備式UPS也被稱為離線式UPS。

圖1 后備式UPS原理圖

2）在線式

市電經過整流器整流后變成直流電，一部分給蓄電池充電，另一部分則是直接送到了逆變器進行逆變，把直流電轉換為交流電輸出，當市電出現問題時，蓄電池會向逆變器提供電力，保證電力的持續輸出。因為其進行了“交流—直流—交流”兩次變換，所以叫做雙變換UPS。

在線式UPS原理如下：

圖2 在線式UPS原理圖

·正常時由UPS主回路經整流、逆變雙轉換后對負載供電；

·當整流器出現故障或輸入電源消失時，由后備蓄電池組逆變轉換給負載供電；

·當逆變器出現故障或后備電池無電時，轉靜態旁路由市電進行供電。

后備式UPS在有市電時僅對市電進行穩壓，逆變器不工作，處于等待狀態，當市電異常時，后備式UPS會迅速切換到逆變狀態，將UPS蓄電池電能逆變成為交流電對負載繼續供電，因此后備式UPS在由市電轉逆工作時會有一段轉換時間，一般小于10ms，基本用在小功率、對于電源反應不是很敏感的場合，因此比較適合用于辦公室和家庭。而在線式UPS開機后逆變器始終處于工作狀態，因此在市電異常轉UPS蓄電池放電時沒有中斷時間，即0中斷，電壓輸出平穩無雜波，而且現在的在線式UPS還支持自檢、信息顯示和軟件遠程監控等功能。所以針對DCS系統UPS要選擇在線式的，按化工行業《儀表供電設計規定》的要求，在供給UPS的電源出現故障時，UPS后備蓄電池能保證系統供電15～30min。

2 單UPS供電系統在DCS中的應用

采用UPS給DCS系統供電有幾種方式，如單機、熱冗余，N＋1并機冗余、雙母線等；除了單機，其他供電方式最少需要兩臺UPS，增加投資，但單純的單機供電，如圖2，UPS輸出直接接負載，可靠性相對較低：

1）當市電停電后，電池耗盡，負載將停機；

2）UPS故障，負載由不可靠的旁路供電；

3）UPS輸出與負載之間的供電線路出現故障，負載將停機。

根據美國的大型數據中心的統計資料，在UPS輸出供電系統的故障中，各種故障出現的幾率：79%來源于UPS輸出與負載之間的供電線路上的故障，11%來源于UPS和電池組，其他故障占10%。

為實現DCS系統供電的連續、可靠，又節約投資，我們公司DCS系統仍采用單臺UPS的供電模式，但采用兩路市電輸入，一路市電直接給DCS供電，另一路通過UPS給DCS供電，在DCS機柜內部再把兩路220V交流電通過直流電源轉換成DCS系統需要的直流24V及5V，供電系統示意圖如圖3。

圖3 單UPS給DCS系統供電電路示意圖

該供電系統特點：

1）采用兩路AC供電，其中一路通過UPS對DCS系統供電，任何一路交流電失效時，系統仍能正常工作，即使兩路都失效，UPS將后備蓄電池組的電能通過逆變器轉換成220VAC繼續向系統供電，保證系統正常運行。

2）采用兩個互為冗余的直流電源對DCS控制站機籠供電，直流電源將外部供DCS使用的220V交流電源轉換成相應的直流電源24V和5V保證機籠內安裝的主控卡、數據轉發卡、I／O卡件等設備正常運行。如果一個直流電源因本身原因或外部供電原因導致其不能正常工作，另一個直流電源仍能保證機籠供電正常。

兩個冗余的直流電源可以供電的機籠數量根據電源容量及機籠配置情況來定。

3）220VAC、24VDC、5VDC都冗余設計，其中任何一部分出現故障都能報警。

4）在保證供電可靠性的情況下，只采用一臺UPS，投資少，且可隨時對UPS進行維護、維修，是比較經濟的方案。

3 UPS的使用和維護

我們公司UPS在運行過程中出現多次故障，主要是主板故障，究其原因是我們生產過程有腐蝕、有粉塵，夏季空氣濕度大導致的，后來通過改善UPS的工作環境，加強對UPS的定期檢測與維護，大大降低了UPS的故障率，延長了UPS蓄電池的使用時間。

1）保持UPS主機的工作環境衛生清潔，防止灰塵進入機箱損害元器件。

2）保持UPS主機工作的環境溫度和濕度，有條件的安裝空調，溫度保持在20～25℃，濕度控制在50%左右。

3）UPS主機內部元器件利用生產裝置大、中、小修，進行衛生清潔。

4）UPS三至六個月做一次充、放電測試。

5）經常檢查電池外觀有否變形或漏液、電池正負極是否氧化、接線端子是否松動、散熱風扇運轉是否正常、電池端充電電壓是否在規定范圍內。

6）注意UPS的開機與關機順序，關機的時候，應先關掉負載，開機則相反。

4 結 語

通過UPS提高DCS控制系統供電可靠性已是共識，但通過UPS的供電方案有多種選擇，我們結合企業自身裝置特點，從可靠性、經濟性等方面考慮采用了單UPS、冗余電源的供電設計，當某一路電源出現故障，其他路電源能及時投入工作，經過幾年運行，效果良好。雖然通過電路設計提高了DCS系統的供電可靠性，也不是萬無一失的，所以為了保持UPS時刻處于良好的備用狀態，正確的使用與維護UPS也是非常必要的。

［1］ 張穎超.UPS原理與維修［M］.北京：化學工業出版社，2011

［2］ 曹保國.UPS應用技術［M］.北京：化學工業出版社，2007