淺議自控和電氣專業(yè)在工程設(shè)計中的配合

龔詠梅

（上海環(huán)境工程設(shè)計研究院有限公司，上海200072）

0 引言

在工業(yè)自動化生產(chǎn)過程中，需要對生產(chǎn)各階段的有關(guān)工藝參數(shù)進行監(jiān)視和控制，以達到整個生產(chǎn)的穩(wěn)定高效。它們的實現(xiàn)需要大量的過程檢測儀表、執(zhí)行器和PLC或DCS控制系統(tǒng)等（即儀控系統(tǒng)）來完成。

工程設(shè)計中自控專業(yè)和電氣專業(yè)的設(shè)計分工在有關(guān)規(guī)范中已有明確規(guī)定，且兩者的關(guān)系也相當密切。除了在控制回路中有聯(lián)鎖關(guān)系外，兩者在供電和電磁兼容（EMC）方面也有緊密聯(lián)系。筆者根據(jù)長期從事污水處理工程及化工裝置自控設(shè)計的實踐經(jīng)驗，探討了自控專業(yè)在供電和EMC兩方面如何與電氣專業(yè)相配合的問題。

1 儀表及控制系統(tǒng)供電

除大容量不間斷電源（UPS）和電動閥門可能需要交流380 V供電外，儀控系統(tǒng)的工作電源一般為直流24 V和交流220 V。直流24 V由自控專業(yè)通過開關(guān)電源將交流220 V轉(zhuǎn)換獲得，交流220 V和380 V均由電氣專業(yè)提供。自控專業(yè)對電源的要求須作為條件提交給電氣專業(yè)，如：電源容量、電源類型（工作電源或不間斷電源）、電源回路數(shù)、電源電壓等級、電源質(zhì)量、UPS供電持續(xù)時間及電源切換時間要求等。

1.1 負荷分級

對于供電電源的要求，首先要看電源突然中斷時會造成怎樣的后果。按照國家標準GB 50052—2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》提供的負荷分級及供電要求，某些重要的化工生產(chǎn)裝置儀控系統(tǒng)中斷運行會打亂工藝流程，發(fā)生中毒或爆炸事故，此類項目的儀控系統(tǒng)為一級負荷，需要雙重電源供電；一般污水處理站，其儀控系統(tǒng)中斷運行會引起排放水質(zhì)不達標而引起環(huán)境污染及被罰款等較大經(jīng)濟損失，故屬于二級負荷，需由兩回線路供電。

1.2 UPS的選用

儀控系統(tǒng)中的PLC、DCS和上位機的允許供電中斷時間為毫秒級，某些化工裝置的工藝參數(shù)（如反應(yīng)釜溫度壓力等）變化快，一般由UPS系統(tǒng)來保證供電的連續(xù)性。UPS系統(tǒng)主要由整流器、逆變器、旁路/逆變靜態(tài)開關(guān)、輸入/輸出開關(guān)和電池系統(tǒng)等組成。它將交流整流為直流給蓄電池充電，同時又將直流逆變?yōu)榻涣鹘o電子信息設(shè)備或其他重要負荷供電。對用電設(shè)備來說，由于經(jīng)過了電流的轉(zhuǎn)換，電源輸入端的干擾被隔離，既提高了電源質(zhì)量，又提供了后備時間。由大規(guī)模集成電路組成的PLC和DCS控制系統(tǒng)抗干擾要求高，在可靠性、穩(wěn)定性和連續(xù)運行要求較高的場合，UPS得到了廣泛應(yīng)用。如果儀控系統(tǒng)用的UPS電源由電氣專業(yè)設(shè)計，由自控專業(yè)提出設(shè)計條件。

常見的UPS有后備式和雙變換兩種形式。所謂后備式UPS，就是當工作電源正常時，直接向負載輸出工作電源，逆變器不工作；當工作電源失電，逆變器工作并向負載輸出電源。市電與電池之間轉(zhuǎn)換時間一般為10 ms，輸出電壓穩(wěn)定性差，輸出波形為交流方波，如圖1所示。雙變換UPS由于始終由逆變器提供輸出電源，不存在轉(zhuǎn)換時間問題，且電壓輸出穩(wěn)定，精度高，如圖2所示。按照儀表和控制系統(tǒng)對UPS交流電源的要求，有以下幾項技術(shù)指標：交流電壓（220±11）V，頻率（50±0.5）Hz，正弦波失真率小于5%，且要求電壓瞬間擾動小于10%。為了保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行，提高輸入電源質(zhì)量，所以應(yīng)優(yōu)先考慮使用雙變換UPS。

圖1 后備式UPS

圖2 雙變換UPS

為了確保污水處理和化工生產(chǎn)裝置的PLC或DCS控制系統(tǒng)工作的連續(xù)性，應(yīng)采用帶旁路功能的UPS供電。當UPS整流器/逆變器故障、負載電流瞬變或尖峰負載時，轉(zhuǎn)換開關(guān)將逆變器輸出切換到工作旁路輸出。轉(zhuǎn)換開關(guān)采用靜態(tài)開關(guān)，轉(zhuǎn)換時間達微秒級，保證了供電的連續(xù)性。如果要求檢修UPS時不停電，還可以在工作旁路基礎(chǔ)上增加維修旁路功能，如圖3所示。該系統(tǒng)結(jié)合了后備式和雙變換的優(yōu)點，同時也保證了檢修時UPS能持續(xù)供電。

圖3 帶旁路功能的雙變換UPS

UPS的主電源和旁路電源宜由不同母線供電，以保證供電的可靠性。

因污水處理的工藝參數(shù)變化比較緩慢，污水處理的現(xiàn)場檢測儀表對電源切換時間要求不高，秒級完全能滿足要求，故利用普通電源切換開關(guān)即可，該兩回路電源來自不同變壓器的低壓母線段，如圖4所示。

圖4 普通雙電源切換

1.3 電源容量計算

電源容量應(yīng)按儀表及控制系統(tǒng)的負荷性質(zhì)分別統(tǒng)計。如被定性為二級負荷的污水處理站，儀控系統(tǒng)負荷按供電切換時間主要分為兩大類，PLC或DCS與上位機組成的計算機監(jiān)控系統(tǒng)由UPS供電，執(zhí)行器、現(xiàn)場檢測儀表由普通雙電源供電。普通雙電源容量應(yīng)按計算負荷的1.2～1.5倍選??；UPS容量除應(yīng)滿足負載總?cè)萘浚€應(yīng)考慮可靠系數(shù)及功率因數(shù)。

S＞K×∑P/cos φ

式中，S為UPS的容量（kVA）；∑P為UPS全部負荷（kW）；cos φ為負載的功率因數(shù)；K為UPS帶載率，一般取1.2～1.6。

1.4 應(yīng)急供電持續(xù)時間選擇

HG/T 20509—2014《儀表供電設(shè)計規(guī)范》要求后備電池供電時間不小于30 min。DL/T 5226—2013《發(fā)電廠電力網(wǎng)絡(luò)計算機監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》也規(guī)定蓄電池備用時間不小于30 min。以上述規(guī)范為參考，UPS持續(xù)供電時間確定的依據(jù)是能確保安全停工及處理事故，不致造成人身傷害和重大經(jīng)濟損失，設(shè)為30 min。對于三級負荷，采用UPS供電只是為了保證電源質(zhì)量，應(yīng)急供電持續(xù)時間可以低于30 min，也可以不考慮后備時間。

為了保證儀表及控制系統(tǒng)供電，向電氣專業(yè)提資時，須根據(jù)負荷的性質(zhì)決定切換時間和電能質(zhì)量，如帶蓄電池要交待持續(xù)供電時間；對電力系統(tǒng)主進線提出要求，使儀控系統(tǒng)供電能得到穩(wěn)定可靠的保證。

2 儀表及控制系統(tǒng)的電磁兼容

污水處理及化工裝置的儀控系統(tǒng)不時會發(fā)生誤動作或者模塊損壞的情況，它們大多是由電氣設(shè)備的開關(guān)操作、雷擊放電或接地混亂造成的。由于儀控系統(tǒng)往往采用超大規(guī)模的集成電路，防電磁干擾的能力很弱，這就涉及到EMC的問題。

2.1 EMC含義

EMC包含兩方面的內(nèi)容：一是指設(shè)備在電磁環(huán)境中能夠正常工作，二是設(shè)備本身產(chǎn)生的電磁源不會影響周圍設(shè)備的正常運行。這是個系統(tǒng)工程，一方面要求設(shè)備制造商提高產(chǎn)品的抗干擾能力，另一方面也要求在工程設(shè)計和安裝施工等過程中采取措施。

2.2 干擾源及抑制措施

干擾源主要通過輻射和線路傳導引入。儀表和控制系統(tǒng)的輻射電磁干擾主要由閃電和電力系統(tǒng)產(chǎn)生，線路傳導干擾主要是由電源線、信號線和接地系統(tǒng)混亂產(chǎn)生的。除了自控專業(yè)本身需要采用隔離、電涌保護、雙絞線、屏蔽及接地等抗干擾措施外，還須重視與電氣專業(yè)的配合。兩專業(yè)在EMC方面的配合主要體現(xiàn)在屏蔽、等電位和接地。

隨著電子信息系統(tǒng)的廣泛使用，GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》增加了對電子設(shè)備的防電磁脈沖的要求，并提出了具體的指導意見：屏蔽、接地、等電位。雷電電磁脈沖與電氣設(shè)備操作產(chǎn)生的電磁脈沖相比，除了強度較大外，其他方面包括入侵途徑都大同小異。故該標準提出的防雷電電磁脈沖措施也適用于抑制操作電氣設(shè)備產(chǎn)生的電磁脈沖效應(yīng)。

2.2.1 屏蔽

（1）防雷區(qū)劃分：按照國家標準GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》提供的思路，按雷擊電磁場強度衰減程度的不同來劃分防雷區(qū)，如LPZ1、LPZ2、…、LPZn等，數(shù)字越大，電磁場衰減效果越好，LPZ0區(qū)定義為電磁場強度未衰減區(qū)。對于處在室外的儀表設(shè)備，設(shè)備廠家會解決EMC問題。而控制室都設(shè)在室內(nèi)，且控制室與現(xiàn)場儀表之間的電纜連接往往通過封閉金屬線槽或保護鋼管全程相連，儀表和控制系統(tǒng)不可能處于直接雷擊場合，故LPZ0區(qū)不作考慮。

（2）屏蔽效果計算：對控制室所在的建筑物來說，電氣專業(yè)會盡量利用建筑物的金屬框架、混凝土中的鋼筋、金屬墻面等自然金屬部件與防雷裝置連接，構(gòu)成格柵型大空間作為屏蔽。自控專業(yè)要校驗其能否滿足機房內(nèi)控制系統(tǒng)的電磁環(huán)境要求，如果不滿足，通過加密格柵來解決。格柵的間距由自控專業(yè)提給電氣專業(yè)。以格柵間距為5 m為例進行校驗，控制室內(nèi)的天花板、墻、樓板、防靜電地板等所用的鋼筋或鋼支架至少每隔5 m與接地系統(tǒng)焊接。網(wǎng)格的屏蔽效果可以通過GB 50057—2010提供的公式進行校檢：

式中，H0和H1分別為屏蔽前后的磁場強度（A/m）；SF為屏蔽系數(shù)；ω為格柵形屏蔽網(wǎng)格寬度（m）。

我們不難算出格柵網(wǎng)格寬度為5 m的SF值為4.6 dB，這意味著，通過5 m間距組成的格柵型網(wǎng)格，可使電磁場減小到原來的0.59倍。假設(shè)室外的電磁場強度為2 kA/m，則按5 m間距的格柵型網(wǎng)格可以使室外電磁場強度減少為1.18 kA/m，不符合有關(guān)規(guī)范要求。參考GB/T 17626.9－2011《電磁兼容試驗和測量技術(shù)脈沖磁場抗擾度試驗》的試驗等級要求，等級為3的脈沖磁場強度值為100 A/m。由于PLC或DCS控制系統(tǒng)都安裝在金屬結(jié)構(gòu)的控制柜內(nèi)，一般控制室磁場強度可要求不超過300 A/m。如室外電磁強度為2 kA/m，可按式（1）、式（2）計算出屏蔽網(wǎng)格寬度為1 m能滿足要求。

2.2.2 等電位和接地

一般控制室所在的建筑物，電氣專業(yè)采用的接地型式是共用接地系統(tǒng)，則控制室內(nèi)做等電位時，在其機房四周設(shè)置等電位連接帶，該等電位連接帶利用機房內(nèi)墻的結(jié)構(gòu)柱主鋼筋或自設(shè)接地引上線等與接地系統(tǒng)在不同方向至少兩處相連。但要注意，不得直接與防雷引下線相連。同時，控制室內(nèi)預(yù)留一個或多個接地端子板與等電位帶相連，方便機房內(nèi)的控制系統(tǒng)根據(jù)實際需要接成S型、M型或它們的組合等電位結(jié)構(gòu)。進出控制室時，儀表電纜屏蔽層、金屬管道、金屬橋架應(yīng)作等電位連接，同時工作芯線通過浪涌保護器與該等電位帶或等電位端子相連。對于現(xiàn)場儀表等設(shè)備，在儀表集中處預(yù)留接地端子板，方便對其進行接地。

儀表工程要做好屏蔽、等電位和接地，以達到EMC要求?？刂剖业腅MC措施如圖5所示，以上措施都離不開與電氣專業(yè)的密切配合。因為防雷接地設(shè)計由電氣專業(yè)進行整體考慮，自控專業(yè)有必要提出對控制室和現(xiàn)場儀表的接地端子位置、等電位帶的設(shè)置、屏蔽格柵的寬度等要求給電氣專業(yè)，方便儀表工程施工時采取措施，實現(xiàn)EMC的目標。

圖5 控制室屏蔽、等電位、接地與電氣專業(yè)配合示意圖

3 結(jié)語

當前微電子和計算機技術(shù)在儀控系統(tǒng)大量應(yīng)用，而該系統(tǒng)能否穩(wěn)定可靠工作，主要取決于供電和EMC設(shè)計，也包括對電氣專業(yè)提資的準確性。本文對自控和電氣專業(yè)在此兩方面的配合進行了探討，拋磚引玉，可供儀表工程設(shè)計者參考，如有不當之處，敬請指正。

[1]儀表供電設(shè)計規(guī)范：HG/T 20509—2014[S].

[2]UPS與EPS電源裝置的設(shè)計與安裝：15D202-3[Z].

[3]陸德民.石油化工自動控制設(shè)計手冊[M].3版.北京：化學工業(yè)出版社，2000.

[4]建筑物防雷設(shè)計規(guī)范：GB 50057—2010[S].