单UPS供电系统在DCS中的应用

赵建波

（中盐德邦（江苏）化工有限公司，江苏 连云港 222023）

DCS控制系统（Distributed Control System，分散控制系统）是随着现代大型工业生产自动化的不断兴起和过程控制要求的日益复杂应运而生的综合控制系统。20世纪90年代，随着我国三大氨碱厂的建设，DCS控制系统开始在国内纯碱企业应用，我公司在2000年开始对生产过程控制系统进行升级改造，采用DCS控制系统取代常规的盘装仪表。我公司是联碱法制碱企业，有锅炉、气化、合成、联碱等生产装置，生产过程具有易燃、易爆、高温、高压、有毒、有害、腐蚀等特点，所以需要一个可靠的供电系统来保证DCS的安全稳定运行，本文旨在通过介绍UPS原理与选择，单UPS供电系统在我厂的应用为例，同时就有关运行维护方面问题与大家探讨。

1 UPS的选择

采用DCS系统执行监控的生产装置，当市电突然停电时，要有备用电源保持一定时间的供电，以便对DCS系统的数据做保护性处理并使现场仪表及调节阀处于安全位置，同时还要确保工艺做紧急处理，防止事故发生，所以UPS（不间断电源）就成为DCS系统安全供电的重要手段。UPS（Uninterruptible Power Supply），是一种含有储能装置，以整流器、逆变器为主要组成部分的稳压稳频的交流电源。主要利用电池等储能装置在停电时给计算机／服务器、存储设备、网络设备等计算机、通信网络系统或工业控制系统、需要持续运转的工业设备等提供不间断的电力供应。当市电输入正常时，UPS将市电稳压后供应给负载使用，此时的UPS就是一台交流市电稳压器，同时它还向机内电池充电；当市电中断（事故停电）时，UPS立即将机内电池的电能，通过逆变转换的方法向负载继续供应220V交流电，使负载维持正常工作并保护负载软、硬件不受损坏。

目前市场上常见的UPS不间断电源按工作原理有后备式和在线式：

1）后备式

平时处于蓄电池充电状态，在停电时逆变器紧急切换到工作状态，将电池提供的直流电转变为稳定的交流电输出，因此后备式UPS也被称为离线式UPS。

图1 后备式UPS原理图

2）在线式

市电经过整流器整流后变成直流电，一部分给蓄电池充电，另一部分则是直接送到了逆变器进行逆变，把直流电转换为交流电输出，当市电出现问题时，蓄电池会向逆变器提供电力，保证电力的持续输出。因为其进行了“交流—直流—交流”两次变换，所以叫做双变换UPS。

在线式UPS原理如下：

图2 在线式UPS原理图

·正常时由UPS主回路经整流、逆变双转换后对负载供电；

·当整流器出现故障或输入电源消失时，由后备蓄电池组逆变转换给负载供电；

·当逆变器出现故障或后备电池无电时，转静态旁路由市电进行供电。

后备式UPS在有市电时仅对市电进行稳压，逆变器不工作，处于等待状态，当市电异常时，后备式UPS会迅速切换到逆变状态，将UPS蓄电池电能逆变成为交流电对负载继续供电，因此后备式UPS在由市电转逆工作时会有一段转换时间，一般小于10ms，基本用在小功率、对于电源反应不是很敏感的场合，因此比较适合用于办公室和家庭。而在线式UPS开机后逆变器始终处于工作状态，因此在市电异常转UPS蓄电池放电时没有中断时间，即0中断，电压输出平稳无杂波，而且现在的在线式UPS还支持自检、信息显示和软件远程监控等功能。所以针对DCS系统UPS要选择在线式的，按化工行业《仪表供电设计规定》的要求，在供给UPS的电源出现故障时，UPS后备蓄电池能保证系统供电15～30min。

2 单UPS供电系统在DCS中的应用

采用UPS给DCS系统供电有几种方式，如单机、热冗余，N＋1并机冗余、双母线等；除了单机，其他供电方式最少需要两台UPS，增加投资，但单纯的单机供电，如图2，UPS输出直接接负载，可靠性相对较低：

1）当市电停电后，电池耗尽，负载将停机；

2）UPS故障，负载由不可靠的旁路供电；

3）UPS输出与负载之间的供电线路出现故障，负载将停机。

根据美国的大型数据中心的统计资料，在UPS输出供电系统的故障中，各种故障出现的几率：79%来源于UPS输出与负载之间的供电线路上的故障，11%来源于UPS和电池组，其他故障占10%。

为实现DCS系统供电的连续、可靠，又节约投资，我们公司DCS系统仍采用单台UPS的供电模式，但采用两路市电输入，一路市电直接给DCS供电，另一路通过UPS给DCS供电，在DCS机柜内部再把两路220V交流电通过直流电源转换成DCS系统需要的直流24V及5V，供电系统示意图如图3。

图3 单UPS给DCS系统供电电路示意图

该供电系统特点：

1）采用两路AC供电，其中一路通过UPS对DCS系统供电，任何一路交流电失效时，系统仍能正常工作，即使两路都失效，UPS将后备蓄电池组的电能通过逆变器转换成220VAC继续向系统供电，保证系统正常运行。

2）采用两个互为冗余的直流电源对DCS控制站机笼供电，直流电源将外部供DCS使用的220V交流电源转换成相应的直流电源24V和5V保证机笼内安装的主控卡、数据转发卡、I／O卡件等设备正常运行。如果一个直流电源因本身原因或外部供电原因导致其不能正常工作，另一个直流电源仍能保证机笼供电正常。

两个冗余的直流电源可以供电的机笼数量根据电源容量及机笼配置情况来定。

3）220VAC、24VDC、5VDC都冗余设计，其中任何一部分出现故障都能报警。

4）在保证供电可靠性的情况下，只采用一台UPS，投资少，且可随时对UPS进行维护、维修，是比较经济的方案。

3 UPS的使用和维护

我们公司UPS在运行过程中出现多次故障，主要是主板故障，究其原因是我们生产过程有腐蚀、有粉尘，夏季空气湿度大导致的，后来通过改善UPS的工作环境，加强对UPS的定期检测与维护，大大降低了UPS的故障率，延长了UPS蓄电池的使用时间。

1）保持UPS主机的工作环境卫生清洁，防止灰尘进入机箱损害元器件。

2）保持UPS主机工作的环境温度和湿度，有条件的安装空调，温度保持在20～25℃，湿度控制在50%左右。

3）UPS主机内部元器件利用生产装置大、中、小修，进行卫生清洁。

4）UPS三至六个月做一次充、放电测试。

5）经常检查电池外观有否变形或漏液、电池正负极是否氧化、接线端子是否松动、散热风扇运转是否正常、电池端充电电压是否在规定范围内。

6）注意UPS的开机与关机顺序，关机的时候，应先关掉负载，开机则相反。

4 结 语

通过UPS提高DCS控制系统供电可靠性已是共识，但通过UPS的供电方案有多种选择，我们结合企业自身装置特点，从可靠性、经济性等方面考虑采用了单UPS、冗余电源的供电设计，当某一路电源出现故障，其他路电源能及时投入工作，经过几年运行，效果良好。虽然通过电路设计提高了DCS系统的供电可靠性，也不是万无一失的，所以为了保持UPS时刻处于良好的备用状态，正确的使用与维护UPS也是非常必要的。

［1］ 张颖超.UPS原理与维修［M］.北京：化学工业出版社，2011

［2］ 曹保国.UPS应用技术［M］.北京：化学工业出版社，2007