UPS不間斷電源在工廠DCS（分散式控制系統(tǒng)）/ESD（緊急停車系統(tǒng)）的應用分析

關鍵詞：DCS ESD UPS 石油 石化 天然氣 冶金 電廠 采礦 制藥 半導體 安全生產 生產控制 

1簡述

     據(jù)IDC互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心(Internet Data Center)統(tǒng)計,在中國,大城市停電的幾率平均為0.5次/月,中等城市為2次/月，小城市或村鎮(zhèn)為4次/月.電網(wǎng)存在至少9種問題:斷電、雷擊尖峰、浪涌、頻率震蕩、電壓突變、電壓波動、頻率漂移、電壓跌落、脈沖干擾。保證任何情況下的正常供電,是石化行業(yè)的重要基礎。

   目前大型化工企業(yè)的化工操作、監(jiān)視、控制都采用DCS(DistributedControl System)系統(tǒng)DCS作為工藝生產監(jiān)控的重要組成部分決定著整個生產的穩(wěn)定與安全，一旦DCS 系統(tǒng)出現(xiàn)故障,輕則造成工藝波動影響產品產質量重則全線停產.因此DCS系統(tǒng)對保證生產的連續(xù)性，全性等方面是極其重要的ESD(EmergencyShut downDevice)即緊急停車系統(tǒng)是對石油化工生產裝置可能發(fā)生的危險或不采取措施將繼續(xù)惡化的狀態(tài)進行及時響應和保護,使生產裝置進入一個預定義的安全停車工況，從而使危險降低到可以接受的最低程度，以保證人員、設備、生產和裝置的安全.由于DCS和ESD系統(tǒng)的重要性和復雜性其電源故障就好象后院起火一樣處理起來十分困難，電源是DCS/ESD能否正常工作的重要環(huán)節(jié)，為盡量避免因電源故障引起系統(tǒng)失靈各控制制造廠家對硬件的配電部分都十分重視,因此保證DCS/ESD供電電源的質量和安全就顯得特別重要。為此，除工業(yè)電網(wǎng)正常供電外還需配備UPS(Uninterruptible PowerSystem)供電系統(tǒng)，UPS系統(tǒng)由整流模塊充電模塊、蓄電池、逆變模塊、自動旁路開關、手動維修旁路開關等組成，UPS可以向DCS/ESD提供高質量、安全可靠的電源保證化工生產的安全、穩(wěn)定、可靠。

2 UPS電源的工作原理及工作過程

2.1組成及工作原理

     UPS 主要用于給集散控制系統(tǒng)DCS，安全保護系統(tǒng)ESD,控制執(zhí)行元件、電磁閥、電氣轉換器等重要負載提供不間斷的電力供應 。使負載維持正常工作并保護負載軟、硬件不受損壞。雖然各企業(yè)選擇UPS供電系統(tǒng)型號及系統(tǒng)容量有所不同,但其原理和主要功能基本相同。從基本應用原理上講，UPS是一種含有儲能裝置,以逆變器為主要元件,穩(wěn)壓穩(wěn)頻輸出的電源保護設備。要由整流器、蓄電池、逆變器和靜態(tài)開關等幾部分組成.UPS系統(tǒng)的工作原理:將供電質量較差的廠用電源首先經(jīng)整流裝置變換成直流電源,一路經(jīng)充電模塊向蓄電池充電另一路采用高頻脈寬調制(SPWM)法在逆變裝置內重新將直流電源變成純正的高質量的正弦波電源向負載供電。當交流工作電源消失或整流裝置等元器件故障時，由蓄電池組經(jīng)電池開關向逆變裝置供電。當逆變裝置故障輸出電壓異?；蜻^載時，則切換到自動旁路開關由廠用電直接向負載供電。

2.2 UPS電源工作過程

      當市電正常時，直流主回路有直流電壓，供給DC-AC交流逆變器，輸出穩(wěn)定的220Vac 交流電壓,同時市電對電流充電。當任何時候市電欠壓或突然掉電，則由電池組通過隔離二極管開關向直流回路饋送電能 。從電網(wǎng)供電到電池供電沒有切換時間。當電池能量即將耗盡時，不間斷電源發(fā)出聲光報警，并在電池放電下限點停止逆變器工作，長鳴告警 。不間斷電源還有過載保護功能，當發(fā)生超載(150%負載)時,跳到旁路狀態(tài)，并在負載 正常時自動 返回 。當發(fā)生嚴重超載(超過200%額定負載)時，不間斷電源立即停止逆變器輸出并跳到旁路狀態(tài)，此時前面空氣開關也可能跳閘 。消除故障后，只要合上開關，重新開機即開始恢復工作。

3 DCS/ESD系統(tǒng)UPS的選用

3.1 DCS/ESD對其供電要求

     DCS/ESD對其供電要求是極其嚴格的它不僅需要高質量、高穩(wěn)定性的供電電源,當電網(wǎng)系統(tǒng)突然停電時,要有供電電源保持一定時間的供電以便對DCS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)做保護性處理并使現(xiàn)場儀表及調節(jié)閥處于安全位置,同時還要確保工藝做緊急處理,防止故障發(fā)生。作為DCS/ESD等控制設備的不間斷電源UPS應具有以下功能：

(1)無論在市電模式還是在電池模式:均可輸出失真皮任、穩(wěn)定度高的正弦波電源為DCS是最佳的電源保障。

(2)當市電停電或復電時，UPS市電模式與電池模式之間的切換是無轉換時間的，有效保證了負載運行的高可靠性。

(3)具有旁路供電功能，同時在用戶對電源具有特殊要求時，UPS可提供旁路供電過壓保護使 DCS 免于高壓危險。

(4)對于供電要求高的DCS系統(tǒng)除了要有冗余的供電外，同時要有UPS的冗余。確保DCS 供電的穩(wěn)定性。

3.2 UPS為兩種形式

一類是后備式，另一類是在線式，還有一種介于兩者之間的在線互動式 ，在線式UPS具有以下優(yōu)點:

(1)純正的正弦波輸出。無論在市電模式還是在電池模式，均可輸出失真度低、穩(wěn)定度高的正弦波電源,為DCS和ESD供最佳的電源保障，

(2)零切換時間。當市電停電或變電時。UPS 在市電模式與電池模式之間的切換是無轉換時間的，有效保證了負載運行的高可靠性。

(3)智能化通過數(shù)據(jù)通訊接口，可實現(xiàn)一臺UPS連接多臺計算機系統(tǒng)的功能，配有電源監(jiān)控軟件，可以直接在計算機屏上監(jiān)控電源與 UPS 運行狀況，有支持異常電力信息報警 、關閉及保存用戶的應用程序等功能，以簡化網(wǎng)絡管理工作，并提高計算機系統(tǒng)的可靠性。

(4)旁路保護功能。旁路供電功能使UPS 應急處理能力大為提 高，同時在用戶對電源具有特殊要求時,在線式UPS可提供旁路供電過壓保護,使DCS 和ESD免于高壓危險。

   出于供電頻率稍有變化和波形的時變,將會嚴重干擾 DCS/ESD 正常運行因此要求選用高質量 、高穩(wěn)定度且切換時間短的 UPS 系統(tǒng)。在線式UPS電源系統(tǒng)具有供電的零時間切換等諸多優(yōu)點 ，因此在UPS電源選型上石化企業(yè)都選擇在線式UPS作為DCS和 ESD供電系統(tǒng)。

3.3 在線式UPS工作原理

     在線式UPS在市電正常時，由市電進行整流提供直流電壓給逆變器工作，由逆變器向負載提供交流電，在市電異常時，逆變器由電池提供能量，逆變器始終處于工作狀態(tài)，保證無間斷輸出。其特點是，有極寬的輸入電壓范圍，無切換時間且輸出電壓穩(wěn)定精度高，特別適合對電源要求較高的場合。

3.4 另外UPS的選用還應考慮UPS蓄電池容量全負荷下使用30分鐘以上，減負荷下保障供電4個小時以上，緊急停電可以事故停車,停電檢修時候可以保障重要控制系統(tǒng)不失電);UPS容量應根據(jù)DCS系統(tǒng)的電量來選擇,一般DCS耗電量為UPS額定電功率的60%-70%為宜。

4 UPS的運行維護及事故處置

4.1 日常維護

(1)UPS 應放在無有害氣體、無劇烈振動、無強磁作用、環(huán)境溫度為-10℃~+ 40℃ 、相對濕度小于85%及進風良好的室內;

(2)UPS定期清潔保養(yǎng),勿沾染灰塵，確保機器壽命:清潔時，要用軟布擦拭，切勿使用磨砂作為清潔劑;

(3)UPS應避免頻繁開機，最好在長時間開機狀態(tài)。

(4)如工廠用電一直正常，UPS電池組沒有工作的機會，其電池在長期浮充狀態(tài)有可能損壞，應定期對 UPS 進行充放電，這樣不僅可以活化電池.也可檢驗UPS 是否狀態(tài)正常。

(5)UPS使用后應立即進行充電，使電池恢復到正常浮充狀態(tài)。

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