仪表系统供电方案的优化

王文志

（洛阳实华合纤有限责任公司，河南洛阳 471O12）

仪表系统供电方案的优化

王文志

（洛阳实华合纤有限责任公司，河南洛阳 471O12）

针对仪表系统供电可靠性问题，以洛阳实华合纤有限责任公司聚酯装置仪表系统供电现状为例，分析目前装置仪表系统供电存在的缺陷，提出具体的优化措施。

仪表系统 ；供电 ；优化

1 引言

健全可靠的仪表供电系统，是生产装置安、稳、长、优运行的基本保证，除了应该具有大功率在线式UPS供电和大功率隔离变压器之外，还应具备完善的故障监测报警功能。目前较先进的供电方案已经采取了UPS冗余配置的供电方式，并设计了完善的切换保护回路，可以有效提高供电的可靠性。

2 仪表供电现状分析

合纤公司聚酯装置的仪表系统供电主要有22OV AC、11OV AC和24V DC三种。其中22OV AC电源由单UPS（不间断电源）供电，经过一个断路器后，分别经过变压器产生11OV AC和24V DC供电。供电方案如图1所示。

图1 目前仪表系统供电方案

此供电方式仪表系统安全性和可靠性存在问题，首先没有将直流仪表电源采用冗余配置；其次将DCS系统的主电源与冗余电源合在一起，采用一路电源供电方式，没有真正体现DCS系统电源冗余结构的本质；而且没有考虑到UPS、变压器和AC/DC转换器可能发生的故障，机柜照明、风扇等辅助设备可能发生的短路故障，主控开关机电缆故障等情况发生存在的风险。因此要从设计方案入手，充分考虑各种可能的影响因素，隔离隐患，尽量减少供电事故的发生。

3 供电方案的优化措施

3.1 直流供电仪表

直流电源主要是给24 V DC的仪表供电。为了保证供电可靠性，采用两台24V DC稳压电源并联供电，在每个电源输出端正极上外加大功率解耦二极管将两路电源隔离，两台24V DC稳压电源的输入来自两路独立的22OV AC电源，这样就实现了直流仪表供电的冗余，如图2所示。

图2 直流供电仪表电源冗余配置方案

该方案简单经济地解决了直流供电仪表电源冗余的问题，提高了直流供电的可靠性。但这种供电方式均流效果不好，如果开关电源1#AC/DC的输出电压高于2#AC/DC，1#AC/DC的负担就会较重，输出电流较大，而2#AC/DC输出电流会较小或不输出电流。为了均衡各电源模块的输出电流，需要采取自动均流措施，在两个并联电源模块的电流放大器输出端分别通过一个电阻R，接到一条公用的母线上，这条母线称为均流母线。如图3所示，电路是1#AC/DC电源模块与均流母线的接线原理图。

图3 自动均流接线图

图中，参考电压Ur和反馈电压Uf为电压放大器的输入，U1r是参考电压Ur和均流控制电压Uc之和，电压放大器的输出电压Ue控制脉宽调制器PWM及驱动电路，U是电流放大器的输出电压，它与相应电源模块的输出电流I成正比，Ub为均流母线上的电压，U与Ub是调整放大器A2的输入信号，A2输出一个均流控制电压Uc。U与Ub之差就是各电源模块均流误差，通过调整放大器A2的调整放大后，输出一个调整控制电压Uc。一般情况下，Ub可能大于U也可能小于U。当Ub=U时，则Uc=O，系统各电源模块输出电流处于均衡状态；若Ub≠U，则 Uc≠O，表明电流分配不均匀，Uc与 Ur相加后，作为电压放大器A1的输入信号，使放大器A1输出电压信号Ue，去控制脉冲宽度调制器PWM，最终达到精确均流。

这种方法通过该电源模块输出电流反馈信号来适当调整电源模块输出电压，从而调整了其输出电流，使各并联模块输出电流等于总电流的平均值，从而达到均流的目的。此外还要完善自诊断功能和故障报警等功能，以进一步提高供电可靠性。

3.2 双路供电仪表系统

这里的双路供电仪表主要指DCS和PLC等控制系统。正常情况下，只要DCS系统运行正常，其它部分即使短时间失电也不会给生产装置造成大的影响，因此，设计时采取了冗余电源。原供电方案没有真正体现出冗余的特点，现在将系统冗余电源分别来自两个独立的电源，1#UPS或市电做主电源，2#UPS做冗余电源。在主回路运行正常时，后备回路保持与主回路的状态同步；当主回路出现严重故障时，后备回路将切换为主回路，而不影响过程控制。只要有一个回路的供电正常，系统就能够正常工作。然而可靠性再高的控制系统也不能保证故障为零，所以通讯网络和重要模块也要采用相似的方式进行热备。

3.3 单路交流供电仪表系统

单路交流供电的仪表系统包括两部分：一是在控制系统中的部分监控仪表和在线分析仪表，如质量流量计、放射性液位计、部分电磁阀、在线黏度分析仪等；二是控制柜风扇、照明、打印机、备用电源插座等辅助设备。此类仪表的供电方案如图4所示。

图4 单路交流仪表供电方案

其中，STS（Static Transfer Switch）为静态转换开关，它是电源二选一自动切换装置，正常工作状态下，在主电源处于正常的电压范围内，负载一直连接于主电源。主电源发生故障时，负载自动切换到备用电源，主电源恢复正常后，负载又自动切换到主电源。STS采用先断后通的切换方式，可以实现不两路电源之间的不间断切换，为单电源负载提供双母线供电。STS具有自动保护和在线检测功能，另外还能够手动切换，两路电源正常时，可随意将负载转向另一路电源供电，实现了在线检修。

目前，STS的可靠性远高于UPS，当UPS出现故障时，STS将电源切换到市电，然后对UPS进行抢修。切换的时间间隔一般小于8ms，对于现场控制仪表来说是可以满足的，但对于开关量输入DCS的交流回路供电，信号有中断的危险。这需要增加同步控制器。STS的切换元件一般采用晶闸管。对于感性负载而言，还要求流过晶闸管的滞后电流下降到晶闸管的截至电流以下。对交流电源来说，处于优先供电通道上和备用电源供电通道上的两对晶闸管有同时处于导通状态的可能性，如果发生这种情况，两个电源频率相位不一致的交流电交会，会产生很高的瞬态浪涌电压，有可能损坏设备。为此两路电源应处于相位互锁之中，增加同步控制器，生成统一的参考时钟，将二者输出频率相位同步。

另外，建议现场仪表应尽量采用24V DC直流仪表，在有条件的情况下，可以将现有交流仪表改为直流仪表，这样可以实现现场仪表供电的冗余配置。

4 结束语

优化后的供电系统解决了UPS故障、变压器故障、AC/DC转换器故障和主控开关机电缆故障等。随着控制系统的发展，对仪表系统供电的可靠性要求会越来越高，相信故障检测、故障隔离、在线更换、智能控制等技术必将在电源系统中得以实现，使系统更加适应生产的要求，进一步提高供电安全系数。

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1OO3－3467（2O1O）17－OO51－O2

2O1O－O5－21

王文志（1981－ ），男，工程师，从事石化设备管理工作，电话：（O379）66996439。