UPS在化工控制系統中的應用

柯文耀（福建省雄偉安全技術咨詢有限責任公司，福建 泉州362012）

1 UPS工作原理

UPS系統包含蓄電池、靜態開關、整流器、逆變器設備。隨著電子技術不斷發展，尤其是自動控制技術與功率器發展，UPS技術也愈發成熟。UPS主要是輸入的市電交流電源轉變為穩壓直流電源，以為逆變器與蓄電池供電，再使用逆變器將頻率波動、電壓波動、諧波失真等干擾消除，確保輸入電壓成為高質量、穩定交流電源。

機器有電運行時，UPS則整流市電交流電，存儲在自身電源之中，停止供電后，可為設備提供電源，讓設備在一段時間內維持正常工作，做好應急處理措施。保持時間通常是半小時或10min，以蓄電池容量決定延長的供電時間。

而UPS不間斷特點主要是電源“同步切換”，控制系統會對市電同步范圍適當檢測，市電若是不超限，則逆變器則會“先通后斷”進行供電，以確保化工控制系統在供電方面能夠“無間斷切換”。

2 UPS在化工控制系統中的應用

2.1 供電特點

UPS電源主要是對計算機等電子設備進行不間斷供電，而在化工系統中，此類設備主要包含自動控制及儀表、PLC設備、計算機、信息化系統監測儀表、服務器、網絡交換設備等。上述設備供電主要有以下特點：

（1）一般使用220VAV 進行單相供電，或是利用開關電源，將單相220VAV電源向24VDC或48VDC供電轉換。

（2）自控設備通常屬于電子設備，對于供電電源質量具有較高要求，供電系統尖峰脈沖可能影響設備運行穩定性。

（3）自控系統中，各種設備均利用數據傳輸聯系，部分設備若是失電，對于整體系統運行可能會造成影響。

（4）自控設備特點是以計算機設備及PLC 為主，利用運行程序以達到控制目的，對于電源連續可靠性具有要求，短時失電，即50ms可能會重啟狀態丟失程序。

2.2 UPS供電需求

依據化工自控設備特點，與化工控制運行管理常見工況相結合，UPS在自控系統中設置主要是為解決幾點問題：

（1）電源質量不佳。在化工廠中，由于設備眾多，且存在變頻設備、高壓設備等，電磁環境較為復雜，各種設備在頻繁啟停及運行變頻器等情況下，對于自控系統進線電源質量可能會造成一定影響，產生尖峰毛刺或電壓不穩的問題。而UPS中有濾波裝置，可有效改進化工控制系統的電源質量[1]。

（2）全廠失電。化工廠生產運行具有連續性特點，若是全廠或單體失電，在無法繼續為化工生產設備供電的同時，還可能造成設備損壞、生產事故等問題。所以，在自控系統中設置UPS，可保證全廠或單體失電情況下，系統仍能獲得電量，通過預設失電故障流程處理部分設備，以達到應急自動控制目的，減少安全損失。

（3）系統失電。化工自控系統也有可能產生失電情況，UPS可保證此情況下為系統提供電量，直到修復電源。

2.3 參數選擇

以UPS 供電原理劃分，UPS 可分為三類，即在線互動式、后備式與純在線式。其中，在線互動式具有穩壓電路效果，電源治理效果更加，但輸入仍然可干擾輸出，但此價格相較于純在線式低，屬于化工廠經濟性選擇（見圖1）；后備式UPS正常市電條件下，缺少穩壓能力，無法提高供電效果，不適合在化工廠工業環境下應用（見圖2）；純在線式UPS 無論是電池供電還是市電供電，均由逆變器進行輸出，可將輸入電源影響完全隔離，對于電源治理具有良好效果。并且，電池供電及市電供電，在進行切換中不需要開關，可做到無憂切換，但價格也較高，化工廠若是經費允許，可使用UPS純在線式（見圖3）。

圖1

圖2

圖3

UPS計算后備時間對于其造價與尺寸具有直接影響，在選擇化工廠UPS 型號時，計算后備時間應當對以下因素進行考慮：（1）UPS后備時間應當滿足廠內停電下工藝流程應急處理用電要求；（2）時間應為自控系統提供商機電管失電至恢復供電的電量；（3）時間應自控系統準備及備份資料供電要求。依據化工廠應用情況，PLC 后備時間通常為2h，主要是考量失電恢復時間。若是中控室等機房，則后備時間應為4h，主要是失電后需為系統提供準備及備份時間。

而UPS 容量，作為應用UPS 的關鍵指標，代表UPS 可輸出負載。UPS 容量以VA 單位的功率，部分UPS 選型會以W 為單位，標注有功功率。選型過程中，需確保視在功率或有功功率，UPS均超過負載。

UPS輸入與輸出選擇中，由于化工廠為三相380VAC，所以UPS 輸入為三相，而輸出則依據負載可選擇三相或單相[2]。輸入電壓范圍盡量放寬，保證不會受到外界電壓波動頻繁切換電路，電壓范圍建議超過75%-125%。輸入頻率也應當提高，以保證上級電源適應性，輸入頻率應為60Hz左右。

化工廠在布置UPS 時，根據UPS 容量10%進行發熱量計算，由于其運行熱量較大。且周圍環境溫度對UPS電池影響較高，運行溫度應控制雜50℃以內。所以，化工廠在布置UPS 系統時，需對環境因素充分考慮，若情況允許，可為其配置空調，以減少運行溫度。并且，化工廠UPS后備時間通常在2-4小時之內，電池組龐大，通常以機柜方式實施集中布置，需房間有較高承重力，尤其是布置二層濾池時，更需要核算UPS 電池組重量。旁路設置對于UPS也十分重要，尤其是在線式UPS，隔離輸入輸出，以規范為依據，UPS出線側需進行重復接地。而UPS運行濾波穩壓電路中，對于漏電檢測線路會造成干擾，禁止UPS電源使用漏電開關，以保證UPS能夠在整體化工控制系統中充分發揮自身作用。

3 UPS應用注意事項

3.1 常見故障

在化工控制系統中，UPS應用十分廣泛，但運行中易發生故障，以下進行簡單闡述：

（1）UPS電源系統中，常見壓敏電阻及電源保險損壞故障，以電源保險而言，由于其位置處于市電接入口，若是市電電壓出現過低或過高情況，則UPS 易產生損壞，壓敏電阻作為電壓敏感期，若兩端電壓大于電阻額定電壓，則易被擊穿，成為首先受損部件，最終燒壞UPS的電源保險。

（2）電瓶過量放電。逆變器若是工作時間較長，則機內電瓶會產生過量放電情況。UPS正常工作時，市電供應較為穩定，電瓶是抗電狀態。但UPS 放電后，實施接通電源操作，無法自動進行充電，而電瓶作為UPS內控電路電源，其缺少電或損壞，均無法讓UPS正常工作。

（3）蓄電池故障。在正常UPS 運行下，穩定運行電池才能充分發揮效果。UPS電池嚴格要求充電電壓，不能過高或過低，電池電壓過高，則內部易產生電解反應，對電池造成損壞。并且，電解反應過程中，會有特定氣體放出，也會造成電池報廢。而電壓若過低，內部活性物質無法將自身作用充分發揮出來，也就不能實現UPS效能。

另外，短期內外部供電系統可能會多次波動，UPS 也會放電，若無法補充電量，長時間下來會減少電池容量。同時，UPS若并未定期進行放電處理，削弱活性流體，則蓄電池無法達到相應狀態。因此，UPS電池使用后，應注意實施放電操作。

3.2 維護管理

（1）維護UPS主機

a機房環境應當保持健康干凈，空氣中避免產生大量粉塵，以免其進入到UPS 主機內部構件之中，腐蝕零件，導致其工作無法正常進行。

b 檢查UPS 輸出電壓范圍及負載水平，以控制單機負載在40%以內。

c檢查UPS顯示功能及告警指示，確保其能夠正常工作，工作人員則在微小參數變化中及時發現安全隱患。

d 定期測試檢查UPS 旁路開關及逆變器，檢查UPS 系統各部件，確保連接設備及變壓器線圈無過熱變色情況。

e 觀察運行的UPS 系統是否有噪音產生，尤其是風扇運轉是否正常。

f若UPS主機已經達到使用壽命，需及時更換。

（2）維護蓄電池

蓄電池維護工作屬于長期工作，工作人員應當每天對其進行規范細致的管理，對UPS 蓄電池溫度進行檢查，若是電池連接十分松散，且有變形、滲漏、腐蝕等情況存在，則需及時處理，以保證設備能夠良好運行[3]。而每隔3-6個月，就需要對蓄電池內阻及電壓檢查，不符合要求應及時更換。每年至少完成一次UPS放電測試，性能不好蓄電池則應當及時更換，以免市電突然中斷后，UPS無法為設備供電。

3 結語

總之，UPS 供電較為穩定可靠，當市電出現波動會斷電情況，可利用UPS 蓄電池為化工廠設備繼續供電，以保證供電能夠維持到恢復供電或設備應急處理后，避免產生其他安全事故。因此，化工廠在應用過程中，應當根據自身日常生產情況，以計算UPS容量、后備時間等，并通過日常維護加強故障管理，保證UPS能夠充分發揮其作用。