不間斷電源UPS在化工DCS系統上的應用及改造小結

謝路國，孔維華

（湖南化工醫藥設計院，湖南長沙410007）

1 UPS化工應用概述

UPS是英語Uninterruptiable Power Supply的縮寫，譯為不間斷電源。由20世紀60年代的旋轉發電機發展到目前的具有一定智能化程度的靜止式全電子電路，它也是隨著電子技術特別是功率器件和自動控制技術的飛速發展而日趨成熟的。近年來，我國化工行業也得到快速發展，一方面給我們的社會經濟和人民生活水平起到了巨大的提高和促進作用，另一方面也給人民群眾的生命財產安全構成了極大的威脅。因為化工企業向大型化、連續化、自動化的方向發展，易燃、易爆、高溫、高壓、劇毒、腐蝕等特點相當突出，生產過程中稍有失誤將會釀成災難性事故，造成生產、設備、人員等多方面不可挽回的重大損失。像魯南化工公司的氣化工段，將空分工段來的氧氣和氣化高壓煤漿泵送來的濃度63.5%的煤漿在一定的安全聯鎖條件下（由程序自動控制），通過特制的燒嘴混合后噴入氣化爐內，進行迅速氧化和部分氧化反應。正常生產條件下，爐溫1 300～1 450℃、壓力2.7MPa，生成的水煤氣經洗滌塔洗滌后送往后續變換工段，制取合成氣。氣流床反應器中物料停留時間較短（僅數秒鐘），且氧氣直接參與氧化和部分氧化反應，氧煤比是氣流床氣化反應中極重要的工藝條件之一，如果控制不好氧煤比，就可能發生爆炸等事故，造成巨大損失。公司有相對獨立的6～35kV企業配電網，其供配電系統網絡復雜、電力負荷密度大、供電可靠性要求高、設備絕緣水平參差不齊、使用環境由于污染腐蝕而較為惡劣。由于這些特點的存在，配電系統較易遭受雷擊、絕緣破壞、操作事故、大容量負荷合閘沖擊等的影響，發生電網電源的波動、脈沖干擾和瞬時中斷等現象，致使生產過程紊亂、產品質量波動甚至生產裝置停車，由此造成設備損壞、環境污染甚至人身傷亡事故，對企業的生產和安全構成嚴重威脅。UPS作為電網與用電設備的接口，能有效地消除以上各種電源擾動和短時停電，逐漸成為化工生產裝置中過程控制、現場儀表、消防、通訊設備的標準電源，作為不可或缺的電力保障和電源凈化設備，正發揮越來越重要的作用。

2 中控生產裝置DCS的UPS的應用情況

氣化生產裝置控制系統隨著魯化的不斷技術改進，自動化控制水平有了很大提高。采用霍尼韋爾的DCS（分布式控制系統）控制系統和GE的三重冗余的ESD（緊急停車）系統。對于化工企業而言，DCS和ESD控制系統能否連續穩定運行，既關系到企業生產運行的安全可靠，也關系到企業產品的質量、企業社會責任問題。不同的DCS控制系統，其工作的軟硬件不盡相同，但都需要一個安全穩定的工作電源。由于DCS和ESD是24h連續工作，依靠單臺UPS提供保護明顯不足，一旦發生UPS故障，將導致DCS和ESD出錯、斷電等情況發生，迫使生產裝置強制停車，甚至造成嚴重后果。由于化工廠對DCS可靠性的要求，魯化公司采用的UPS是40kVA容量的MGE GALAXY 5000在線式并聯雙回路冗余供電系統。

在線式UPS一直使其逆變器處于工作狀態，它首先通過電路將外部交流電轉變為直流電，再通過高質量的逆變器將直流電轉換為高質量的正弦波交流電輸出給計算機。在線式UPS在供電狀況下的主要功能是穩壓及防止電波干擾；在停電時則使用備用直流電源（蓄電池組）給逆變器供電。其工作原理如圖1。由于逆變器一直在工作，因此不存在切換時間問題，適用于對電源有嚴格要求的場合。在線式UPS不同于后備式的一大優點是供電持續時間長。

圖1 在線式UPS工作原理示意

但是，UPS在使用期間多次出現問題，具體如下。

2010年5月2日，中央控制室UPS2發生故障，UPS2切換至自動旁路，系統提示逆變器故障，查看系統報警記錄（如圖2），發現UPS報 “逆變器”故障。結合UPS出現的類似故障，基本確定為UPS電源板和主控板故障。對更換的UPS工作板進行仔細檢查，查看電路板是否存在腐蝕現象，排查UPS損壞的根本原因，做好預防措施以延長UPS的運行周期。

圖2 2010－05－02UPS故障

2010年6月6日，氣化爐UPS1發生故障，系統提示內部CAN總線通訊故障，人機界面上的輕微故障LED指示燈亮黃色，故障現象及報警信息見圖3。通過系統 “測量”功能檢查，發現人機界面與UPS主機通訊出現故障，人機界面系統狀態LED指示燈不能實時顯示UPS系統狀態；通過對UPS1主回路和旁路的電流檢測，發現UPS1工作電源已經由主回路切換至靜態旁路。通過咨詢廠家，初步判定為UPS1系統板卡故障，導致系統通訊丟失，UPS1工作電源發生切換。

圖3 2010－06－06UPS故障

3 延長UPS無故障運行時間的改造

針對中央控制室UPS故障頻繁出現的狀況，車間專門成立了攻關小組，并請來廠家人員進行指導，對影響UPS的各種因素進行查找，并實施改造。最終主要總結了以下幾點。

首先，UPS系統軟件版本低。自2006年以來，中央控制室采用了MGE銀河系列GALAXY 5000／40kVA UPS兩臺，至今UPS軟硬件均沒有升級，軟件硬件版本均較低，易導致UPS

圖4 面板死機

第三，UPS并機通訊不穩定。兩臺UPS運行方式為冗余并機，該運行方式要求輸出頻率、電壓、電流必須一致。當1臺UPS出現故障時，由于不能完全隔離，導致出現故障的UPS無法檢修。而且該運行方式存在瓶頸，當2臺UPS面板死機（如圖4），主控板通訊故障，事件記錄經常丟失。雖然該因素不影響系統的正常輸出，但是通過查看UPS系統軟件當前版本，并作比較分析，維護人員無法對UPS的運行狀況進行監控，說明UPS系統軟件版本不符合實際需要。公司聯系MGE工程師，對UPS系統軟件進行升級（如圖5），并升級UPS的主控板、通訊板、電源板。

其次，輸入側交流電源存在諧波。我們通過使用Fluke 190示波表對UPS輸入側交流電源的三相電進行測試，得出其工作時的波形，如圖6。

由圖6可見，正常工作時的正弦波形已經被別的信號干擾，波峰、波谷處表現十分明顯，說明輸入側交流電源確實存在著諧波。由于UPS主路與旁路電源直接來自電氣配電室，UPS經常出現主路電源和旁路電源超出允許范圍，多次導致UPS逆變器故障。我們利用檢修機會，打到手動旁路，對UPS停電，拆掉UPS輸出線，在UPS輸出端加裝兩臺變壓隔離器，分別將UPS1、UPS2的輸出端接到對應隔離變壓器的輸入端，再將隔離變壓器的輸出端接到UPS的負載端，并測試隔離變壓器的功能以及供負載方向的電源特性曲線（如圖6）。通過加裝隔離變壓器，成功地穩定了輸入電源的波形，徹底解決了交流輸入電源帶給UPS系統的諧波干擾，這就很好地解決了逆變器故障問題。的并機線發生故障時，UPS輸出中斷，DCS供電丟失，可能會導致整個控制系統和現場工作的關鍵儀控設備失控，甚至造成現場裝置停車。類似狀況曾經在3＃氣化爐UPS供電系統中發生過，導致整個UPS系統無法正常輸出，只能使用UPS旁路向后系統供電。這種情況下，一旦旁路供電，即普通市電，產生波動或失電，將會造成無法控制的局面。我們利用檢修時間對UPS運行方式改為主從串聯。改造后，UPS以串聯方式運行，若UPS1出現故障，可以完全隔離進行在線檢修，同時撤銷同步電纜。改造前后如圖7、8。

圖5 升級軟件

最后，MGE銀河系列GALAXY 5000／40kVA UPS的防腐性能不適用于化工企業。通過咨詢廠家和查詢資料我們發現，MGE銀河系列GALAXY 5000／40kVA UPS一般用于銀行商場等無腐蝕性介質的場所。通過對電路主板進行實驗室分析，發現在所有印刷電路板上都存在硫腐蝕；對損壞的主控板進行光譜分析（見圖9），確認所測試的焊點與通孔上的黑色物質是硫化銀（Ag2S）與硫化銅（CuS／Cu2S）的沉積物。此外，故障主控卡拿到200～500倍放大的顯微鏡下進行觀察，同樣觀察HAI區域，HAI處焊點間存在微粒（見圖10），進而導致腐蝕現象。我們在電路板表面噴涂了三防漆（噴涂前后見圖11），可有效防止電路主板長期暴露于腐蝕性氣體中。

圖6 UPS加隔離器的輸出波形以及測試工具

圖8 UPS串聯電路圖（改造后）

圖9 光譜分析含（Ag2S）／（CuS／Cu2S）

圖10 在顯微鏡下看到的焊點微粒

圖11 卡件噴涂三防漆前后的對比

4 結 語

通過技術攻關，魯化公司很好地解決了中央控制室UPS無故障運行周期較短的問題，為氣化、甲醇兩大DCS系統長周期運行打下了堅實的基礎。