不间断电源UPS在化工DCS系统上的应用及改造小结

谢路国，孔维华

（湖南化工医药设计院，湖南长沙410007）

1 UPS化工应用概述

UPS是英语Uninterruptiable Power Supply的缩写，译为不间断电源。由20世纪60年代的旋转发电机发展到目前的具有一定智能化程度的静止式全电子电路，它也是随着电子技术特别是功率器件和自动控制技术的飞速发展而日趋成熟的。近年来，我国化工行业也得到快速发展，一方面给我们的社会经济和人民生活水平起到了巨大的提高和促进作用，另一方面也给人民群众的生命财产安全构成了极大的威胁。因为化工企业向大型化、连续化、自动化的方向发展，易燃、易爆、高温、高压、剧毒、腐蚀等特点相当突出，生产过程中稍有失误将会酿成灾难性事故，造成生产、设备、人员等多方面不可挽回的重大损失。像鲁南化工公司的气化工段，将空分工段来的氧气和气化高压煤浆泵送来的浓度63.5%的煤浆在一定的安全联锁条件下（由程序自动控制），通过特制的烧嘴混合后喷入气化炉内，进行迅速氧化和部分氧化反应。正常生产条件下，炉温1 300～1 450℃、压力2.7MPa，生成的水煤气经洗涤塔洗涤后送往后续变换工段，制取合成气。气流床反应器中物料停留时间较短（仅数秒钟），且氧气直接参与氧化和部分氧化反应，氧煤比是气流床气化反应中极重要的工艺条件之一，如果控制不好氧煤比，就可能发生爆炸等事故，造成巨大损失。公司有相对独立的6～35kV企业配电网，其供配电系统网络复杂、电力负荷密度大、供电可靠性要求高、设备绝缘水平参差不齐、使用环境由于污染腐蚀而较为恶劣。由于这些特点的存在，配电系统较易遭受雷击、绝缘破坏、操作事故、大容量负荷合闸冲击等的影响，发生电网电源的波动、脉冲干扰和瞬时中断等现象，致使生产过程紊乱、产品质量波动甚至生产装置停车，由此造成设备损坏、环境污染甚至人身伤亡事故，对企业的生产和安全构成严重威胁。UPS作为电网与用电设备的接口，能有效地消除以上各种电源扰动和短时停电，逐渐成为化工生产装置中过程控制、现场仪表、消防、通讯设备的标准电源，作为不可或缺的电力保障和电源净化设备，正发挥越来越重要的作用。

2 中控生产装置DCS的UPS的应用情况

气化生产装置控制系统随着鲁化的不断技术改进，自动化控制水平有了很大提高。采用霍尼韦尔的DCS（分布式控制系统）控制系统和GE的三重冗余的ESD（紧急停车）系统。对于化工企业而言，DCS和ESD控制系统能否连续稳定运行，既关系到企业生产运行的安全可靠，也关系到企业产品的质量、企业社会责任问题。不同的DCS控制系统，其工作的软硬件不尽相同，但都需要一个安全稳定的工作电源。由于DCS和ESD是24h连续工作，依靠单台UPS提供保护明显不足，一旦发生UPS故障，将导致DCS和ESD出错、断电等情况发生，迫使生产装置强制停车，甚至造成严重后果。由于化工厂对DCS可靠性的要求，鲁化公司采用的UPS是40kVA容量的MGE GALAXY 5000在线式并联双回路冗余供电系统。

在线式UPS一直使其逆变器处于工作状态，它首先通过电路将外部交流电转变为直流电，再通过高质量的逆变器将直流电转换为高质量的正弦波交流电输出给计算机。在线式UPS在供电状况下的主要功能是稳压及防止电波干扰；在停电时则使用备用直流电源（蓄电池组）给逆变器供电。其工作原理如图1。由于逆变器一直在工作，因此不存在切换时间问题，适用于对电源有严格要求的场合。在线式UPS不同于后备式的一大优点是供电持续时间长。

图1 在线式UPS工作原理示意

但是，UPS在使用期间多次出现问题，具体如下。

2010年5月2日，中央控制室UPS2发生故障，UPS2切换至自动旁路，系统提示逆变器故障，查看系统报警记录（如图2），发现UPS报 “逆变器”故障。结合UPS出现的类似故障，基本确定为UPS电源板和主控板故障。对更换的UPS工作板进行仔细检查，查看电路板是否存在腐蚀现象，排查UPS损坏的根本原因，做好预防措施以延长UPS的运行周期。

图2 2010－05－02UPS故障

2010年6月6日，气化炉UPS1发生故障，系统提示内部CAN总线通讯故障，人机界面上的轻微故障LED指示灯亮黄色，故障现象及报警信息见图3。通过系统 “测量”功能检查，发现人机界面与UPS主机通讯出现故障，人机界面系统状态LED指示灯不能实时显示UPS系统状态；通过对UPS1主回路和旁路的电流检测，发现UPS1工作电源已经由主回路切换至静态旁路。通过咨询厂家，初步判定为UPS1系统板卡故障，导致系统通讯丢失，UPS1工作电源发生切换。

图3 2010－06－06UPS故障

3 延长UPS无故障运行时间的改造

针对中央控制室UPS故障频繁出现的状况，车间专门成立了攻关小组，并请来厂家人员进行指导，对影响UPS的各种因素进行查找，并实施改造。最终主要总结了以下几点。

首先，UPS系统软件版本低。自2006年以来，中央控制室采用了MGE银河系列GALAXY 5000／40kVA UPS两台，至今UPS软硬件均没有升级，软件硬件版本均较低，易导致UPS

图4 面板死机

第三，UPS并机通讯不稳定。两台UPS运行方式为冗余并机，该运行方式要求输出频率、电压、电流必须一致。当1台UPS出现故障时，由于不能完全隔离，导致出现故障的UPS无法检修。而且该运行方式存在瓶颈，当2台UPS面板死机（如图4），主控板通讯故障，事件记录经常丢失。虽然该因素不影响系统的正常输出，但是通过查看UPS系统软件当前版本，并作比较分析，维护人员无法对UPS的运行状况进行监控，说明UPS系统软件版本不符合实际需要。公司联系MGE工程师，对UPS系统软件进行升级（如图5），并升级UPS的主控板、通讯板、电源板。

其次，输入侧交流电源存在谐波。我们通过使用Fluke 190示波表对UPS输入侧交流电源的三相电进行测试，得出其工作时的波形，如图6。

由图6可见，正常工作时的正弦波形已经被别的信号干扰，波峰、波谷处表现十分明显，说明输入侧交流电源确实存在着谐波。由于UPS主路与旁路电源直接来自电气配电室，UPS经常出现主路电源和旁路电源超出允许范围，多次导致UPS逆变器故障。我们利用检修机会，打到手动旁路，对UPS停电，拆掉UPS输出线，在UPS输出端加装两台变压隔离器，分别将UPS1、UPS2的输出端接到对应隔离变压器的输入端，再将隔离变压器的输出端接到UPS的负载端，并测试隔离变压器的功能以及供负载方向的电源特性曲线（如图6）。通过加装隔离变压器，成功地稳定了输入电源的波形，彻底解决了交流输入电源带给UPS系统的谐波干扰，这就很好地解决了逆变器故障问题。的并机线发生故障时，UPS输出中断，DCS供电丢失，可能会导致整个控制系统和现场工作的关键仪控设备失控，甚至造成现场装置停车。类似状况曾经在3＃气化炉UPS供电系统中发生过，导致整个UPS系统无法正常输出，只能使用UPS旁路向后系统供电。这种情况下，一旦旁路供电，即普通市电，产生波动或失电，将会造成无法控制的局面。我们利用检修时间对UPS运行方式改为主从串联。改造后，UPS以串联方式运行，若UPS1出现故障，可以完全隔离进行在线检修，同时撤销同步电缆。改造前后如图7、8。

图5 升级软件

最后，MGE银河系列GALAXY 5000／40kVA UPS的防腐性能不适用于化工企业。通过咨询厂家和查询资料我们发现，MGE银河系列GALAXY 5000／40kVA UPS一般用于银行商场等无腐蚀性介质的场所。通过对电路主板进行实验室分析，发现在所有印刷电路板上都存在硫腐蚀；对损坏的主控板进行光谱分析（见图9），确认所测试的焊点与通孔上的黑色物质是硫化银（Ag2S）与硫化铜（CuS／Cu2S）的沉积物。此外，故障主控卡拿到200～500倍放大的显微镜下进行观察，同样观察HAI区域，HAI处焊点间存在微粒（见图10），进而导致腐蚀现象。我们在电路板表面喷涂了三防漆（喷涂前后见图11），可有效防止电路主板长期暴露于腐蚀性气体中。

图6 UPS加隔离器的输出波形以及测试工具

图8 UPS串联电路图（改造后）

图9 光谱分析含（Ag2S）／（CuS／Cu2S）

图10 在显微镜下看到的焊点微粒

图11 卡件喷涂三防漆前后的对比

4 结 语

通过技术攻关，鲁化公司很好地解决了中央控制室UPS无故障运行周期较短的问题，为气化、甲醇两大DCS系统长周期运行打下了坚实的基础。