自動化控制系統供電可靠性探討與改進

周飛船，楊平平，劉躍偉

（安陽鋼鐵股份有限公司,河南 安陽 455004）

在冶金企業中，自動化控制系統作為生產監控和控制的核心，一方面實現了數據的實時監控，另一方面能夠及時有效的調控現場設備的運行狀態來滿足生產需要。一旦失電將無法監控數據及操控設備，對生產設備及人身安全將帶來不夠估量的損失。

1 控制系統供電探討與優化

（1）現有供電模式及存在問題。根據《儀表供電設計規范規》控制系統PLC及DCS系統供電應為一級負荷，這類負荷在供電中斷時，易造成設備損壞、人身傷害事故及重大經濟損失，所以要求系統正常運行期間不能失電，需由不間斷電源UPS進行供電。單機模式如圖1中圖框1圖框3所示和冗余1+1并機模式如圖1中圖框1圖框2所示。單機供電模式雖然運行維護成本低，但UPS出現故障時在線維修及更換不能保證系統供電的連續性。兩臺UPS均勻分擔系統負載，當一中一臺UPS發生故障時，自動切換到另外一臺UPS進行系統供電，可以在不影響系統供電的情況下對故障UPS進行離線維修維護。該模式可以有效克服單機模式的缺點，提高系統供電穩定性。但其對設備要求嚴格，并機UPS主機的設備型號及設備容量必須相同以保證輸出頻率、相位以及接點相序一直。如果某一臺UPS故障無法修復需要更換時候，需要一臺型號和容量相同的UPS進行替換，否者極易因兩臺UPS輸出幅值或相位不同而造成供電電壓波動甚至故障，如不能找到對應型號設備進行更換就不得不轉入單機運行模式，給整個系統供電帶來了風險。UPS并機時采用數據線通過并機邏輯控制板來傳遞同步信號、負載量信號，保證鎖相、負荷均分來實現同步，但在實際運行中兩臺UPS輸出交流電壓的電壓幅值、頻率、相位角很難保證完全相同，它們任意一個之間的差異必將導致環流的產生，特別是故障機維修維護后重新并機瞬間產生較大環流可能對UPS逆變器產生損壞，給系統帶來不可預估的損失。另外冗余1+1供電系統在檢修維護及投運時有嚴格的操作順序，違規的操作可能造成系統不可逆的損壞。

圖1 原有供電模式

圖2 單機雙回路自動切換供電

（2）供電模式完善優化。在兼顧穩定和經濟的基礎上，充分考慮在線維修維護及更換的方便性，對現有的控制系統供電進行了優化完善。

單機模式雖然設置了內置旁路和手動旁路可以實現更換電池不間斷供電，但當UPS主機逆變器或其他故障需更換UPS主機時需要切斷UPS的輸出也就要中斷系統供電才能更換。為在不中斷系統供電的前提下在線維修更換UPS，我們通過交流接觸器和中間繼電器來實現當UPS輸出時自動切旁路運行如圖2所示，當故障UPS恢復投入運行時我們結合控制系統本身的特點來決定是否手動方式恢復到UPS供電以保證供電品質。交流接觸器雙切換裝置控制原理圖如圖3所示，此時UPS可以在線或離線進行維修維護，UPS維修或更換后供電正常輸出后閉合QF1，此時UPS供電作為備用電源，若想恢復UPS供電需手動按下按鈕SB，KA 2得電后交流接觸器KM 2失電斷開KM 1接觸器線圈得電KM 1接通，系統供電轉入UPS供電市電供電轉入備用狀態，也可市電供電待市電失電后自動切回UPS供電，具體更具自動化控制系統自身特點及工藝要求來確定。

圖3 交流接觸器雙切換裝置控制圖

控制系統模塊中供電有220VAC和24VDC，在交流接觸器切換過程中模塊采集情況通過實驗來驗證，例如數字量輸入模塊采樣是否中斷通過圖4程序來判斷。啟動后通過輸出線圈自鎖回路，通過切換后輸出線圈的通斷來判斷DI輸出采集是否中斷過。

圖4 數字輸入模塊采樣

實驗證明控制系統220VAC供電的主CPU機架及分站在切換過程中工作正常，24VDC供電數字量輸入模塊采集不會中斷，220VAC供電的數字量模塊采集中斷，模擬量輸入及輸出由于2采用24VDC供電在切換過程中無中斷，數字量輸出在切換過程中的狀態同數字量輸入模塊，監控系統SCADA電腦是否掉電存在隨機性。

冗余1+1并機模式為了完善其不足，改為單機雙總線系統供電模式，兩臺UPS、交流接觸器、中間繼電器及一臺小容量的靜態轉換開關等組成如圖5所示。

圖5 單機雙總線系統供電模式

在單機雙總線系統中，UPS1和UPS2分別供電對部分負載，并通過交流接觸器雙切換裝置實現相互冗余熱備，自動化系統中的監控數據采集系統SCADA供電有UPS1和UPS2輸出通過切換時間滿足計算機電源要求小容量的STS來實現，避免在切換過程中可能出現的中斷。

2 結語

自動化控制系統供電方式越來越多，結合自動化控制本身供電特點及要求，通過選擇不同的供電模式來提高自動化控制系統及儀表設備供電的容錯能力、穩定性、可用性、可維護性，為自動化控制系統的可靠穩定運行提供了有力的保證。