儀表及控制系統電源設計及可靠性探討

杜海亭

（兗州煤業榆林能化有限公司，陜西 榆林 719000）

儀表及控制系統隨著電子、計算機和通訊等技術的進步，其自身硬件已相當成熟和可靠，自身故障率較之前有大幅度降低。相反，外部因素影響儀表及控制系統的長周期運行比例凸顯，如電源故障、機柜間長期溫濕度不達標、粉塵和氣體腐蝕等，其中電源故障影響面最大，往往會導致裝置的非計劃停車。現從電源現狀、交流電源設計、直流電源設計及管理措施等4個方面予以闡述。

1 電源問題現狀

電源系統作為儀表及控制系統的動力系統，其故障往往影響面大，不但降低了控制系統的可靠性，甚至是造成安全實施失效，如某煤化工企業2017年因外網晃電造成甲醇、PVA、醋酸等裝置機泵大面積跳停，同時由于UPS故障造成部分DCS控制站、工程師站和操作站等設備失電，又如2019年因24V開關電源故障造成可燃、有毒氣體報警儀失效等，據初步統計某煤化工企業2013～2019年共發生典型電源故障9起，典型故障統計情況見表1。

表1 2013～2019電源故障統計Table 1 Power failure statistics 2013 to 2019

在認真分析這9起電源故障原因中，以外部電網異常、UPS故障、供電結構不合理等原因居多，主要存在如下問題：

1）外部電網異常，諸如外網晃電、電源浪涌等這種因素，作為用電企業一般難以有效解決，對于儀表及控制系統設備而言，一方面是盡可能增加UPS的續航能力，最好能保證2h及以上，同時故障出現時盡可能減少用電負荷，如關閉不必要的操作站等。另外，采用GPS供電的儀表及控制系統需配置穩壓裝置，否則容易導致電源模塊燒壞，如2013～2015年期間因GPS出現電源浪涌燒毀Tricon系統5塊8312電源模塊。

2）UPS故障，主要逆變器板卡故障，電池組未定期充放電，運行環境惡劣，粉塵未及時清理，未定期維護和開展切換試驗，UPS輸入端電源由電氣同一段供電等。

3）電源冗余結構不合理，空開容量上下級不匹配，保險大小配置不合理，電源結構不合理等。

2 交流電源設計

交流電源設計主要包括電氣專業的UPS或GPS設計和儀表專業220V電源設計，電氣側電源設計一般配置一路UPS和一路GPS，但從近年來的實際運行情況看還是應配置兩路UPS更為可靠，兩路UPS可以獨立供電，也可以并機供電，如圖1所示。兩種供電模式的選擇，具體應根據負載系統分配，如傳統DCS、SIS系統可接收兩路電源宜采用獨立模式，如S7-300PLC只能接收單路電源宜采用并機模式。

圖1 UPS供電模式Fig.1 UPS Power supply mode

儀表及控制系統內部電源設計主要指儀表配電柜的設計，則根據儀表情況即單路供電和雙路供電兩類配置：

1）雙路電源供電：主要指DCS、SIS、PLC等控制系統，其中DCS、SIS系統可接雙路電源，PLC系統一般只接單路電源，冗余情況下可接雙路電源，如圖2所示。

圖2 雙路電源供電Fig.2 Two-way power supply

2）單路電源供電：主要指電磁流量計、質量流量計、小型分析儀表、電磁閥等，這類儀表本身只能接收單路電源，當采用兩路獨立模式的UPS供電且設計冗余的情況下，儀表配電柜內宜按圖2所示設計；當采用兩路獨立模式的UPS供電且儀表配置不冗余時宜采用STS切換模式，如圖3所示，該模式需要加同步器防止出現電源浪涌[1]。

事實上現場儀表特別是聯鎖儀表為兼顧可靠性和可用性，往往會設置3臺儀表如氣化爐測量煤漿流量采用了3臺電磁流量計，采取2oo3方式參與聯鎖，這時候儀表供電就需要合理配置，如果電源由同一段UPS供電則風險較高，宜采取圖2和圖3結合的方式，3臺表分別由A段、B段和C段供電。

另外中央控制室的操作站，一般會配置兩套UPS或者一路UPS和一路GPS，電源的設計則相對靈活。首先，操作站一般都冗余配置，同一工段各操作站之間可以相互監控和操作，出現故障時對工藝影響較小，此時操作站可采用兩種方式供電：一是將冗余操作站整體分成兩部分采用圖2方式供電；二是對于具有唯一性的操作站可采用圖3方式供電。

圖3 單路電源供電Fig.3 Single-way power supply

3 直流電源設計

直流電源是目前儀表及控制系統使用最多的一類電源，特別是基于本安設計的系統，其電磁閥、安全柵等都廣泛采用24V電源。24V電源設計最好系統內和系統外獨立設置，系統內指的是控制系統控制器、卡件等自身供電，系統外主要指第三方配件包括安全柵、電磁閥、繼電器等，如圖4所示。24V電源系統的搭建應注意的問題[2]：

1）每個直流穩壓電源模塊單元應具有輸出自動均流功能，最好使用同一型號產品。

2）每個直流穩壓電源模塊單元必須內置解耦二極管，并且有負載均流線，保證同一組冗余安裝的每個電源模塊的輸出電流相同。

3）確保每個供電單元分擔負載電流，其中一個故障時，另一個能承擔100%的負荷。

圖4 24V供電結構圖Fig.4 24V Power supply structure diagram

4 電源可靠性分析及管理措施

儀表及控制系統供電主要有單路電源和冗余電源，單路電源在可靠性工程中相當于串聯系統，冗余電源相當于并聯系統，以下從可靠性角度分析、計算兩者的不同。

設系統由兩個獨立的部件A1和A2組成，若該系統中至少有一個部件失效時，系統功能就全部失效，其系統可靠度的表達式為：

其可靠性概率函數：

式中， R1——部件A1的可靠度（0＜R1＜1），R2——部件A2的可靠度（0＜R2＜1），λ——失效率，t——工作時間。

設系統由兩個獨立部件A1和A2組成，若該系統中兩個獨立部件全部都失效后，系統的功能方能失效，則稱該系統為并聯系統，其系統的可靠度的表達式為：

圖5 串聯系統可靠性框圖Fig.5 Reliability block diagram of the series system

圖6 并聯系統可靠性框圖Fig.6 Parallel system reliability block

可靠性概率函數：R并（t）=1-（1-λe-λ1t）（1-λe-λ2t）（4）

式中，R1——部件A1的可靠度（0＜R1＜1），R2——部件A2的可靠度（0＜R2＜1），λ——失效率，t——工作時間。

例如，假設某電源失效概率是0.00005/h，在1000h時間內，共因失效β因子估計為 0.05[3]，根據系統可靠性概率函數計算：單電源供電可靠性為0.95123，雙電源可靠性為0.99762，在考慮圖3中的共因失效時電源可靠度為0.99536。從以上計算可知提高電源可靠性設計可以采用兩路電源冗余且獨立的原則，盡量避免共因失效。除了采取必要的技術措施，實際應用中還應從選型、報警、巡回檢查等方面加強管理。

1）應盡可能地選擇冗余UPS供電，UPS盡管投資成本和后期維護成本較高，但不可否認對于儀表及控制系統的長周期穩定運行有重要作用，UPS采用單相輸出。

2）做好儀表選型，重要場合首先選擇具備冗余供電的儀表，系統盡量配置成冗余系統，要突出風險分散的原則，如安全柵選擇，有底板供電和獨立供電之分，建議選擇獨立供電的。

3）合理配置空開、保險。空開的設置必須遵循逐級遞減原則，24V端子保險絲容量不易過大，當短路時會拉低母線電壓，引起開關量信號誤動[4]，24VDC電源設置空開的話要選擇直流空開。

4）完善報警監視功能，把UPS、24V電源的報警信號引至DCS等后臺監控。

5）加強電源系統的日常巡檢和維護，現場也經歷過24V空開斷開，冗余開關電源中有故障但未及時發現的情況，同時對UPS應加強日常維護和定期試驗工作。

5 結束語

隨著裝置長周期運行的需要，對儀表及控制系統的要求也越來越高，而電源系統作為儀表及控制系統的公共單元其重要性不言而喻，電源可靠性的提高是技術和管理的一個綜合結果，技術要求冗余和獨立并減少共因，盡量分散風險，投用后更要注重日常的管理，才能確保電源系統的真正可靠。