浅析DCS和PLC控制系统供电安全

唐小雄

（中铝东南铜业有限公司，福建 宁德 352100）

0 前言

据计算机及自动化行业统计，80%以上的硬件故障是由外部电源质量和接地问题引起的，合理的供电方案，可靠的UPS（不间断电源）和冗余电源切换装置，规范的系统接地，是保证DCS 和PLC 控制系统能否持续、稳定运行的前提条件。

1 DCS和PLC控制系统主要的供电方式

1.1 单回路供电

单回路供电就是只有一路电源供电，有单路EVS 供电和单路UPS 供电2 种方式。单回路结构简单，线路和设备供电投资成本小，单回路供电的缺点就是当供电线路或电源出现故障后，整个系统将停止运行。

单路EVS 供电（稳压电源）就是电气送来的380VAC 三相电经过EVS 稳压调节之后，直接输出到负载，一般EVS 都有一个隔离变压器来保证输出稳定的220VAC 交流电。单路UPS 供电就是电气送来的380VAC 直接进入UPS 主机，经过UPS 的整流、逆变、电池的充放电，然后由UPS 输出220VAC到负载。UPS 通过电池储能，当主供电回路由于某种原因掉电，可以通过电池放电供给负载，给操作和系统维护人员处理故障预留时间。

1.2 双回路供电

双回路使用2 个回路的供电系统来供电，可靠性取决于电源切换装置。

1.2.1 UPS、EVS双回路切换供电

由于UPS 具有相对稳定性，具有储能功能，能够为系统提供短时间供电，可作为PLC 和DCS 控制系统的主回路供电，用EVS 作为副回路供电。

1.2.2 双回路EVS供电

两路EVS 电源通过稳压器，经双回路电源切换装置给负载供电。

1.2.3 双路UPS供电

采用双路UPS 供电，由双电源切换装置的输出供给负载。

2 改造前DCS和PLC控制系统的供电状况及存在的问题

中铝东南铜业有限公司主体工艺流程及设备采用了艾默生DeltaV 系列DCS 控制系统，单体成套设备采用西门子PLC 控制系统，通过DP 总线实现和DCS 系统的通信和集中控制，主要设备运行参数全部在线监测，设备自动程度相对较高[1]。

2.1 PLC控制系统采用单回路EVS供电

单体成套设备主要包括冰铜磨、气力输送系统、阳极炉、NGL 炉、圆盘浇筑机、SO2风机、磨机、空压机等300 余套，采用西门子S7-1200，S7-1500 系列PLC 控制系统，均采用单回路EVS 供电，如图1 所示。

图1 PLC 控制系统采用单回路EVS 供电

2.2 DCS控制系统均采用EVS、UPS双回路切换供电

中铝东南铜业有限公司共3 套艾默生DeltaV 系列DCS控制系统，系统机柜分布在21 个低压配电室，共配备17 套UPS，DCS 控制系统均采用EVS、UPS 双回路切换供电，如图2 所示。

2.3 目前DCS和PLC控制系统供电电源存在的问题

在实际运用中，很多大功率成套设备的主电机动力电源采用10 kVA 电源，PLC 控制系统采用380VAC 或者220VAC电源。采用单回路EVS 对PLC 控制系统进行供电存在较大风险，曾出现磨机低压PLC 控制系统电源失电，联锁保护失效，而磨机主电机10 kVA 动力电源未能联锁跳闸，设备远程失控的事故。生产控制中心DCS 主网络柜380VAC 进线电源跳闸后，未及时发现处理，造成UPS 电池深度放电直至DCS主网络柜失电，DCS 通信中断，跨区域联锁设备大面积跳停事故。出现进线电源断电后，因UPS 逆变器故障，DCS 系统失电设备跳停事故。

图2 DCS 系统采用EVS 稳压器和UPS 双回路供电

3 DCS和PLC控制系统电源优化改造方案

结合发生的PLC 和DCS 系统供电电源事故，梳理成套控制设备PLC 控制系统和高压动力电源的配置情况，为消除因PLC 和DCS 控制系统失电可能造成的设备失控隐患，对控制系统电源进行优化改造。

3.1 PLC控制系统由单回路改为EVS和UPS双回路切换供 电

PLC 控制系统从由单回路EVS 供电改为由1 路EVS 稳压器电源与1 路UPS 电源经冗余电源模块双回路供电，稳压器电源进线电源和UPS 进线电源分别从不同变压器母线取电。高压断路联锁信号和高压断路器电源采用UPS 电源，确保紧急情况下，PLC 控制系统联锁保护有效，能远程紧急停车和联锁断开设备高压动力电源[2]。

3.2 核心机柜由EVS、UPS双回路改为双回路UPS冗余供电

综合每个机柜控制器、I/O 模块、通信模块、上位机数量进行功率核算，确保单个UPS 输出功率大于所有接入设备额定功率1.5 倍，2 个UPS 进线电源分别从不同变压器母线取电。根据配备的UPS 输出功率和电池容量，可通过更换大功率UPS 和增加电池容量，实现核心DCS 机柜、主网络机柜、服务器站和工程师站双回路UPS 冗余电源供电，如图3所示。

3.3 增加DCS、PLC系统和UPS电源监控和报警信息

将稳压器进线电源、UPS 进线电源通过继电器接入DCS或者PLC 数字量DI 模块，并做报警组态。当稳压器进线电源、UPS 进线电源失电时，系统触发报警，使操作人员和系统维护人员及时响应，避免因控制系统失电，UPS 电池深度放电造成事故。

3.4 改双回路供电的几个需要注意的问题

改双回路供电之前要先设计好接线图，严格按照接线图进行接线，并按功率大小选择合适的配线。要选用质量好、容量足够大的冗余电源切换开关。在日常运行维护中要加强检查，严格监控各设备的运行状态，及时发现并排除故障。进线电源空气开关严禁断开，防止UPS 电池过度放电，影响电池的使用寿命。

双回路切换供电，可以避免单路供电的缺点，但是对双回路供电中的电源切换装置要求比较高，电源切换装置决定了整个控制系统的安全性，不同品牌的DCS 系统硬件所能承受的切换时间差不同，因此厂家基本都有自己的配套电源切换装置。电源切换装置是供电故障发生时，DCS 系统电源自动切换的关键，必须选择可靠性高、安全性大的电源切换装置。

4 系统接地

图3 双回路UPS 冗余供电

DCS 和PLC 控制系统接地问题也是系统可靠、稳定运行的关键因素，控制系统的接地分为2 个部分，一部分为安全接地（交流地），另一部分为系统公共地（直流地），安全地是指控制设备机壳接地，系统公共地是指系统中的各站（机柜）通过公共点接地。无论是安全接地还是公共地都是以大地作为零基准参考电压点。DCS 控制系统一般应独立使用一个地极，这个地极与建筑地极或其它地极要有大于5 m 的距离，距离避雷针地极要大于10 m，地极周围不要有大型电力设备的地极，连接要牢固，保证高可靠导电性能，保证其他接地地极与所选接地地极间的电阻小于1 Ω，用地阻测定器测量地电极与地电阻应要小于4 Ω。

5 UPS和电池维护保养

UPS 一般和DCS 机柜放在同一配电室，配电室必须清洁干燥，空气流通良好或安装空调能充分冷却设备。不要在UPS 上接电动机、大功率变压器等电感性负载，电感性负载的启动电流一般会达到额定电流的3 ～4 倍，会引起UPS 的瞬时超载过流，影响UPS 和电池的寿命。需按照UPS 的额定输出功率的70%～80%来考虑负载的接入情况，过高或过轻都会影响UPS 寿命。

每个月要对UPS 电池进行一次浅放电处理，每3 个月要进行一次中度放电，每9 个月要进行一次深度放电。电池例行保养的目的是为了保持电池活性，可以有效避免电池极板酸化，使电池极板一直处于良好工作状态。电池使用3 ～5年以后活性和充放电容量会逐步降低，一般情况下要对电池组整体进行更换。

6 结语

对于DCS 和PLC 控制系统供电，无论采用单回路还是双回路，风险都是存在的，稳定可靠的供电系统才能保证DCS和PLC 控制系统的安全运行。单路EVS 供电只能用来为非关键设备PLC 控制系统供电，单路UPS 只能用来为非核心DCS机柜和网络柜供电。我们通过对供电设备的合理选型和供电方案的优化改造来降低风险，平时还需做好UPS 系统和电池组维护，最大限度地保障DCS 和PLC 控制系统的供电安全。