儀表及控制系統(tǒng)電源設(shè)計及可靠性探討

王婧

摘要：儀表及控制系統(tǒng)隨著電子、計算機和通訊等技術(shù)的進步，其自身硬件已相當(dāng)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(tǒng)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(dǎo)致裝置的非計劃停車?，F(xiàn)從電源現(xiàn)狀、交流電源設(shè)計、直流電源設(shè)計及管理措施等4個方面予以闡述。

關(guān)鍵詞：儀表及控制系統(tǒng);電源設(shè)計;可靠性

1 電源問題現(xiàn)狀

電源系統(tǒng)作為儀表及控制系統(tǒng)的動力系統(tǒng)，其故障往往影響面大，不但降低了控制系統(tǒng)的可靠性，甚至是造成安全實施失效，如某煤化工企業(yè)2017年因外網(wǎng)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(shè)備失電，又如2019年因24V開關(guān)電源故障造成可燃、有毒氣體報警儀失效等，據(jù)初步統(tǒng)計某煤化工企業(yè)2013～2019年共發(fā)生典型電源故障9起，典型故障統(tǒng)計情況見表1。

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

1）外部電網(wǎng)異常，諸如外網(wǎng)晃電、電源浪涌等這種因素，作為用電企業(yè)一般難以有效解決，對于儀表及控制系統(tǒng)設(shè)備而言，一方面是盡可能增加UPS的續(xù)航能力，最好能保證2h及以上，同時故障出現(xiàn)時盡可能減少用電負荷，如關(guān)閉不必要的操作站等。另外，采用GPS供電的儀表及控制系統(tǒng)需配置穩(wěn)壓裝置，否則容易導(dǎo)致電源模塊燒壞，如2013～2015年期間因GPS出現(xiàn)電源浪涌燒毀Tricon系統(tǒng)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(huán)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)不合理等。

2 交流電源設(shè)計

交流電源設(shè)計主要包括電氣專業(yè)的UPS或GPS設(shè)計和儀表專業(yè)220V電源設(shè)計，電氣側(cè)電源設(shè)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(yīng)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。兩種供電模式的選擇，具體應(yīng)根據(jù)負載系統(tǒng)分配，如傳統(tǒng)DCS、SIS系統(tǒng)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。

儀表及控制系統(tǒng)內(nèi)部電源設(shè)計主要指儀表配電柜的設(shè)計，則根據(jù)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(tǒng)，其中DCS、SIS系統(tǒng)可接雙路電源，PLC系統(tǒng)一般只接單路電源，冗余情況下可接雙路電源。

2）單路電源供電：主要指電磁流量計、質(zhì)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(dāng)采用兩路獨立模式的UPS供電且設(shè)計冗余的情況下，儀表配電柜內(nèi);當(dāng)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，該模式需要加同步器防止出現(xiàn)電源浪涌。

事實上現(xiàn)場儀表特別是聯(lián)鎖儀表為兼顧可靠性和可用性，往往會設(shè)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(lián)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(fēng)險較高，3臺表分別由A段、B段和C段供電。

3 直流電源設(shè)計

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

1）每個直流穩(wěn)壓電源模塊單元應(yīng)具有輸出自動均流功能，最好使用同一型號產(chǎn)品。

2）每個直流穩(wěn)壓電源模塊單元必須內(nèi)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(dān)負載電流，其中一個故障時，另一個能承擔(dān)100%的負荷。

4 電源可靠性分析及管理措施

儀表及控制系統(tǒng)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(dāng)于串聯(lián)系統(tǒng)，冗余電源相當(dāng)于并聯(lián)系統(tǒng)，以下從可靠性角度分析、計算兩者的不同。

設(shè)系統(tǒng)由兩個獨立的部件A1和A2組成，若該系統(tǒng)中至少有一個部件失效時，系統(tǒng)功能就全部失效，其系統(tǒng)可靠度的表達式為：

其可靠性概率函數(shù)：

式中，R1——部件A1的可靠度（0

設(shè)系統(tǒng)由兩個獨立部件A1和A2組成，若該系統(tǒng)中兩個獨立部件全部都失效后，系統(tǒng)的功能方能失效，則稱該系統(tǒng)為并聯(lián)系統(tǒng)，其系統(tǒng)的可靠度的表達式為：

式中，R1——部件A1的可靠度（0

例如，假設(shè)某電源失效概率是0.00005/h，在1000h時間內(nèi)，共因失效β因子估計為0.05[3]，根據(jù)系統(tǒng)可靠性概率函數(shù)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(shè)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(shù)措施，實際應(yīng)用中還應(yīng)從選型、報警、巡回檢查等方面加強管理。

1）應(yīng)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(tǒng)的長周期穩(wěn)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(tǒng)盡量配置成冗余系統(tǒng)，要突出風(fēng)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?？臻_的設(shè)置必須遵循逐級遞減原則，24V端子保險絲容量不易過大，當(dāng)短路時會拉低母線電壓，引起開關(guān)量信號誤動[4]，24VDC電源設(shè)置空開的話要選擇直流空開。

4）完善報警監(jiān)視功能，把UPS、24V電源的報警信號引至DCS等后臺監(jiān)控。

5）加強電源系統(tǒng)的日常巡檢和維護，現(xiàn)場也經(jīng)歷過24V空開斷開，冗余開關(guān)電源中有故障但未及時發(fā)現(xiàn)的情況，同時對UPS應(yīng)加強日常維護和定期試驗工作。

5 結(jié)束語

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

參考文獻

[1]李楨.自動化儀表系統(tǒng)供電方案的改進[J].石油化工自動化，2008（06）：72-74.

[2]林興華.石油化工大型裝置儀表電源系統(tǒng)設(shè)計[J].自動化與信息工程，2009（2）.

[3]朱春麗.基于共因失效的系統(tǒng)可靠性分析[J].石油化工自動化，2016（04）：10-12.