淺析DCS和PLC控制系統供電安全

唐小雄

（中鋁東南銅業有限公司，福建 寧德 352100）

0 前言

據計算機及自動化行業統計，80%以上的硬件故障是由外部電源質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，規范的系統接地，是保證DCS 和PLC 控制系統能否持續、穩定運行的前提條件。

1 DCS和PLC控制系統主要的供電方式

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。單回路結構簡單，線路和設備供電投資成本小，單回路供電的缺點就是當供電線路或電源出現故障后，整個系統將停止運行。

單路EVS 供電（穩壓電源）就是電氣送來的380VAC 三相電經過EVS 穩壓調節之后，直接輸出到負載，一般EVS 都有一個隔離變壓器來保證輸出穩定的220VAC 交流電。單路UPS 供電就是電氣送來的380VAC 直接進入UPS 主機，經過UPS 的整流、逆變、電池的充放電，然后由UPS 輸出220VAC到負載。UPS 通過電池儲能，當主供電回路由于某種原因掉電，可以通過電池放電供給負載，給操作和系統維護人員處理故障預留時間。

1.2 雙回路供電

雙回路使用2 個回路的供電系統來供電，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 具有相對穩定性，具有儲能功能，能夠為系統提供短時間供電，可作為PLC 和DCS 控制系統的主回路供電，用EVS 作為副回路供電。

1.2.2 雙回路EVS供電

兩路EVS 電源通過穩壓器，經雙回路電源切換裝置給負載供電。

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載。

2 改造前DCS和PLC控制系統的供電狀況及存在的問題

中鋁東南銅業有限公司主體工藝流程及設備采用了艾默生DeltaV 系列DCS 控制系統，單體成套設備采用西門子PLC 控制系統，通過DP 總線實現和DCS 系統的通信和集中控制，主要設備運行參數全部在線監測，設備自動程度相對較高[1]。

2.1 PLC控制系統采用單回路EVS供電

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

圖1 PLC 控制系統采用單回路EVS 供電

2.2 DCS控制系統均采用EVS、UPS雙回路切換供電

中鋁東南銅業有限公司共3 套艾默生DeltaV 系列DCS控制系統，系統機柜分布在21 個低壓配電室，共配備17 套UPS，DCS 控制系統均采用EVS、UPS 雙回路切換供電，如圖2 所示。

2.3 目前DCS和PLC控制系統供電電源存在的問題

在實際運用中，很多大功率成套設備的主電機動力電源采用10 kVA 電源，PLC 控制系統采用380VAC 或者220VAC電源。采用單回路EVS 對PLC 控制系統進行供電存在較大風險，曾出現磨機低壓PLC 控制系統電源失電，聯鎖保護失效，而磨機主電機10 kVA 動力電源未能聯鎖跳閘，設備遠程失控的事故。生產控制中心DCS 主網絡柜380VAC 進線電源跳閘后，未及時發現處理，造成UPS 電池深度放電直至DCS主網絡柜失電，DCS 通信中斷，跨區域聯鎖設備大面積跳停事故。出現進線電源斷電后，因UPS 逆變器故障，DCS 系統失電設備跳停事故。

圖2 DCS 系統采用EVS 穩壓器和UPS 雙回路供電

3 DCS和PLC控制系統電源優化改造方案

結合發生的PLC 和DCS 系統供電電源事故，梳理成套控制設備PLC 控制系統和高壓動力電源的配置情況，為消除因PLC 和DCS 控制系統失電可能造成的設備失控隱患，對控制系統電源進行優化改造。

3.1 PLC控制系統由單回路改為EVS和UPS雙回路切換供 電

PLC 控制系統從由單回路EVS 供電改為由1 路EVS 穩壓器電源與1 路UPS 電源經冗余電源模塊雙回路供電，穩壓器電源進線電源和UPS 進線電源分別從不同變壓器母線取電。高壓斷路聯鎖信號和高壓斷路器電源采用UPS 電源，確保緊急情況下，PLC 控制系統聯鎖保護有效，能遠程緊急停車和聯鎖斷開設備高壓動力電源[2]。

3.2 核心機柜由EVS、UPS雙回路改為雙回路UPS冗余供電

綜合每個機柜控制器、I/O 模塊、通信模塊、上位機數量進行功率核算，確保單個UPS 輸出功率大于所有接入設備額定功率1.5 倍，2 個UPS 進線電源分別從不同變壓器母線取電。根據配備的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，實現核心DCS 機柜、主網絡機柜、服務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系統和UPS電源監控和報警信息

將穩壓器進線電源、UPS 進線電源通過繼電器接入DCS或者PLC 數字量DI 模塊，并做報警組態。當穩壓器進線電源、UPS 進線電源失電時，系統觸發報警，使操作人員和系統維護人員及時響應，避免因控制系統失電，UPS 電池深度放電造成事故。

3.4 改雙回路供電的幾個需要注意的問題

改雙回路供電之前要先設計好接線圖，嚴格按照接線圖進行接線，并按功率大小選擇合適的配線。要選用質量好、容量足夠大的冗余電源切換開關。在日常運行維護中要加強檢查，嚴格監控各設備的運行狀態，及時發現并排除故障。進線電源空氣開關嚴禁斷開，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，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控制系統的安全性，不同品牌的DCS 系統硬件所能承受的切換時間差不同，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生時，DCS 系統電源自動切換的關鍵，必須選擇可靠性高、安全性大的電源切換裝置。

4 系統接地

圖3 雙回路UPS 冗余供電

DCS 和PLC 控制系統接地問題也是系統可靠、穩定運行的關鍵因素，控制系統的接地分為2 個部分，一部分為安全接地（交流地），另一部分為系統公共地（直流地），安全地是指控制設備機殼接地，系統公共地是指系統中的各站（機柜）通過公共點接地。無論是安全接地還是公共地都是以大地作為零基準參考電壓點。DCS 控制系統一般應獨立使用一個地極，這個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備的地極，連接要牢固，保證高可靠導電性能，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要小于4 Ω。

5 UPS和電池維護保養

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

每個月要對UPS 電池進行一次淺放電處理，每3 個月要進行一次中度放電，每9 個月要進行一次深度放電。電池例行保養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。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行更換。

6 結語

對于DCS 和PLC 控制系統供電，無論采用單回路還是雙回路，風險都是存在的，穩定可靠的供電系統才能保證DCS和PLC 控制系統的安全運行。單路EVS 供電只能用來為非關鍵設備PLC 控制系統供電，單路UPS 只能用來為非核心DCS機柜和網絡柜供電。我們通過對供電設備的合理選型和供電方案的優化改造來降低風險，平時還需做好UPS 系統和電池組維護，最大限度地保障DCS 和PLC 控制系統的供電安全。