仪表及控制系统电源设计及可靠性探讨

杜海亭

（兖州煤业榆林能化有限公司，陕西 榆林 719000）

仪表及控制系统随着电子、计算机和通讯等技术的进步，其自身硬件已相当成熟和可靠，自身故障率较之前有大幅度降低。相反，外部因素影响仪表及控制系统的长周期运行比例凸显，如电源故障、机柜间长期温湿度不达标、粉尘和气体腐蚀等，其中电源故障影响面最大，往往会导致装置的非计划停车。现从电源现状、交流电源设计、直流电源设计及管理措施等4个方面予以阐述。

1 电源问题现状

电源系统作为仪表及控制系统的动力系统，其故障往往影响面大，不但降低了控制系统的可靠性，甚至是造成安全实施失效，如某煤化工企业2017年因外网晃电造成甲醇、PVA、醋酸等装置机泵大面积跳停，同时由于UPS故障造成部分DCS控制站、工程师站和操作站等设备失电，又如2019年因24V开关电源故障造成可燃、有毒气体报警仪失效等，据初步统计某煤化工企业2013～2019年共发生典型电源故障9起，典型故障统计情况见表1。

表1 2013～2019电源故障统计Table 1 Power failure statistics 2013 to 2019

在认真分析这9起电源故障原因中，以外部电网异常、UPS故障、供电结构不合理等原因居多，主要存在如下问题：

1）外部电网异常，诸如外网晃电、电源浪涌等这种因素，作为用电企业一般难以有效解决，对于仪表及控制系统设备而言，一方面是尽可能增加UPS的续航能力，最好能保证2h及以上，同时故障出现时尽可能减少用电负荷，如关闭不必要的操作站等。另外，采用GPS供电的仪表及控制系统需配置稳压装置，否则容易导致电源模块烧坏，如2013～2015年期间因GPS出现电源浪涌烧毁Tricon系统5块8312电源模块。

2）UPS故障，主要逆变器板卡故障，电池组未定期充放电，运行环境恶劣，粉尘未及时清理，未定期维护和开展切换试验，UPS输入端电源由电气同一段供电等。

3）电源冗余结构不合理，空开容量上下级不匹配，保险大小配置不合理，电源结构不合理等。

2 交流电源设计

交流电源设计主要包括电气专业的UPS或GPS设计和仪表专业220V电源设计，电气侧电源设计一般配置一路UPS和一路GPS，但从近年来的实际运行情况看还是应配置两路UPS更为可靠，两路UPS可以独立供电，也可以并机供电，如图1所示。两种供电模式的选择，具体应根据负载系统分配，如传统DCS、SIS系统可接收两路电源宜采用独立模式，如S7-300PLC只能接收单路电源宜采用并机模式。

图1 UPS供电模式Fig.1 UPS Power supply mode

仪表及控制系统内部电源设计主要指仪表配电柜的设计，则根据仪表情况即单路供电和双路供电两类配置：

1）双路电源供电：主要指DCS、SIS、PLC等控制系统，其中DCS、SIS系统可接双路电源，PLC系统一般只接单路电源，冗余情况下可接双路电源，如图2所示。

图2 双路电源供电Fig.2 Two-way power supply

2）单路电源供电：主要指电磁流量计、质量流量计、小型分析仪表、电磁阀等，这类仪表本身只能接收单路电源，当采用两路独立模式的UPS供电且设计冗余的情况下，仪表配电柜内宜按图2所示设计；当采用两路独立模式的UPS供电且仪表配置不冗余时宜采用STS切换模式，如图3所示，该模式需要加同步器防止出现电源浪涌[1]。

事实上现场仪表特别是联锁仪表为兼顾可靠性和可用性，往往会设置3台仪表如气化炉测量煤浆流量采用了3台电磁流量计，采取2oo3方式参与联锁，这时候仪表供电就需要合理配置，如果电源由同一段UPS供电则风险较高，宜采取图2和图3结合的方式，3台表分别由A段、B段和C段供电。

另外中央控制室的操作站，一般会配置两套UPS或者一路UPS和一路GPS，电源的设计则相对灵活。首先，操作站一般都冗余配置，同一工段各操作站之间可以相互监控和操作，出现故障时对工艺影响较小，此时操作站可采用两种方式供电：一是将冗余操作站整体分成两部分采用图2方式供电；二是对于具有唯一性的操作站可采用图3方式供电。

图3 单路电源供电Fig.3 Single-way power supply

3 直流电源设计

直流电源是目前仪表及控制系统使用最多的一类电源，特别是基于本安设计的系统，其电磁阀、安全栅等都广泛采用24V电源。24V电源设计最好系统内和系统外独立设置，系统内指的是控制系统控制器、卡件等自身供电，系统外主要指第三方配件包括安全栅、电磁阀、继电器等，如图4所示。24V电源系统的搭建应注意的问题[2]：

1）每个直流稳压电源模块单元应具有输出自动均流功能，最好使用同一型号产品。

2）每个直流稳压电源模块单元必须内置解耦二极管，并且有负载均流线，保证同一组冗余安装的每个电源模块的输出电流相同。

3）确保每个供电单元分担负载电流，其中一个故障时，另一个能承担100%的负荷。

图4 24V供电结构图Fig.4 24V Power supply structure diagram

4 电源可靠性分析及管理措施

仪表及控制系统供电主要有单路电源和冗余电源，单路电源在可靠性工程中相当于串联系统，冗余电源相当于并联系统，以下从可靠性角度分析、计算两者的不同。

设系统由两个独立的部件A1和A2组成，若该系统中至少有一个部件失效时，系统功能就全部失效，其系统可靠度的表达式为：

其可靠性概率函数：

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——工作时间。

设系统由两个独立部件A1和A2组成，若该系统中两个独立部件全部都失效后，系统的功能方能失效，则称该系统为并联系统，其系统的可靠度的表达式为：

图5 串联系统可靠性框图Fig.5 Reliability block diagram of the series system

图6 并联系统可靠性框图Fig.6 Parallel system reliability block

可靠性概率函数：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——工作时间。

例如，假设某电源失效概率是0.00005/h，在1000h时间内，共因失效β因子估计为 0.05[3]，根据系统可靠性概率函数计算：单电源供电可靠性为0.95123，双电源可靠性为0.99762，在考虑图3中的共因失效时电源可靠度为0.99536。从以上计算可知提高电源可靠性设计可以采用两路电源冗余且独立的原则，尽量避免共因失效。除了采取必要的技术措施，实际应用中还应从选型、报警、巡回检查等方面加强管理。

1）应尽可能地选择冗余UPS供电，UPS尽管投资成本和后期维护成本较高，但不可否认对于仪表及控制系统的长周期稳定运行有重要作用，UPS采用单相输出。

2）做好仪表选型，重要场合首先选择具备冗余供电的仪表，系统尽量配置成冗余系统，要突出风险分散的原则，如安全栅选择，有底板供电和独立供电之分，建议选择独立供电的。

3）合理配置空开、保险。空开的设置必须遵循逐级递减原则，24V端子保险丝容量不易过大，当短路时会拉低母线电压，引起开关量信号误动[4]，24VDC电源设置空开的话要选择直流空开。

4）完善报警监视功能，把UPS、24V电源的报警信号引至DCS等后台监控。

5）加强电源系统的日常巡检和维护，现场也经历过24V空开断开，冗余开关电源中有故障但未及时发现的情况，同时对UPS应加强日常维护和定期试验工作。

5 结束语

随着装置长周期运行的需要，对仪表及控制系统的要求也越来越高，而电源系统作为仪表及控制系统的公共单元其重要性不言而喻，电源可靠性的提高是技术和管理的一个综合结果，技术要求冗余和独立并减少共因，尽量分散风险，投用后更要注重日常的管理，才能确保电源系统的真正可靠。