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自动化仪表系统供电方案的改进

2014/11/13 22:46:44  来源:计测网通讯员 
字号: 13号字 16号字

    摘要:针对自动化仪表系统供电中断造成装置、机组停运而严重影响石油化工生产安全运行的现状,以中国石化股份有限公司茂名分公司自动化仪表系统供电存在的问题及解决措施为例,讨论如何实现自动化仪表系统可靠的供电。分析了传统自动化仪表系统供电方案的缺陷,提出了解决办法,取得了良好效果。

    1 引 言

    中国石化股份有限公司茂名分公司的自动化仪表系统供电主要有220 V AC,110 V AC和24 VDC三种。原自动化仪表系统的220 V AC供电由单UPS(不间断电源)提供,分别经过变压器、AC/DC变换器产生110 V AC和24 V DC供电。自从1996年300 kt/a乙烯建成投产后,仪表供电系统问题较多,给生产造成很大影响。

    空分装置UPS原设计,无自动旁路功能,因市电及蓄电池出故障造成装置停产;橡胶装置的UPS主电源、旁路电源的开关带漏电保护,漏电保护误动,导致电池放完电后,造成DCS断电,装置停产;锅炉装置UPS电源的零线直接作为UPS输出的零线,自动化仪表系统将零线接地,应用中线路上又出现了一点接地,造成短路,装置停产;苯乙烯装置联锁用的电磁阀电源由UPS提供,电力系统电压波动,使电磁阀动作,造成装置停产;裂解装置的直流稳压电源有远程遥测端(S),S接到冗余电源的二极管之后,造成单电源工作,电源有故障也诊断不出来,直至两个电源都损坏,导致机组停车;乙二醇装置直流稳压电源采取并联冗余,电源冗余方案中缺少输出隔离二极管,当一个稳压电源存在短路或输出电阻变小的情况,就影响到另一个电源的工作也不正常,造成装置生产事故;丁二烯、全密度装置、橡胶装置曾分别因由UPS供电的机柜照明、风扇系统、打印机短路造成装置停产。因此,解决自动化仪表系统安全、可靠的供电问题,要从“源头”入手,即从设计、方案入手,要充分考虑各种影响因素,在冗余、容错方面多下功夫,隔离可能的隐患源,才能从根本上减少或杜绝事故的发生。

    2 仪表供电系统缺陷分析

    原自动化仪表系统供电原理如图1所示。

    图1中所示的原理是石油化工厂的传统设计方式。这种方式的缺点在于没有充分考虑DCS、PLC、ESD系统电源冗余结构的本质特点,而将主电源和冗余电源合并在一起,采用一路电源供电的方式,此方式对供电回路各环节上存在的风险没有予以足够的重视,该方式下的主要问题: UPS系统可能发生的故障;AC/DC转换器可能发生的故障;变压器可能发生的故障;辅助设备(机柜风扇、照明、打印机、插座等)可能发生的短路故障;主控开关及电缆故障存在的风险。一旦上述环节中的任何一个发生故障都将导致系统停车。

    3 自动化仪表系统供电的改进方案

    3.1 双路供电仪表系统的电源配置

    由于DCS,PLC,ESD系统是生产装置仪表控制的核心,可靠性要求高。而控制站是DCS、PLC、ESD系统最重要的部分,正常情况下,只要控制站部分运行正常,其他部分即使短时间失电也不会给装置生产造成大的影响,因此,保证控制站的供电基本上就保证装置不会出现重大事故。由于控制站的重要性,设计时其所有关键部分都采取了冗余和容错方式。控制站本身配置了双路供电的冗余电源系统,如果冗余电源系统的供电来自两个独立的电源,任何时候只要有一个回路的供电正常,系统就能够正常工作,如图2所示。

    3.2 直流供电的仪表电源配置

    直流电源主要给24 V DC的仪表供电。为了保障供电的可靠性,采用2台24 V DC稳压电源并联供电,在每个电源输出端正极上外加大功率解耦二极管将两电源隔离,2台24 V DC稳压电源的输入来自两路独立的220 V AC电源,这就实现了直流供电的冗余,如图3所示。


    该方案简单、经济地解决了直流电源冗余问题,提高了直流供电的可靠性。但也存在缺点:第一很难判断二极管好坏。如果二极管短路,电源系统仍然工作正常,通过测量二极管的压降来判断二极管的好坏是不可能的,二极管正常工作时,压降很小,二极管短路后仍然有固定的电阻,会产生电压降。第二负载稳定度差。因AC/DC 1和AC/DC 2很难做到输出电压总是完全相同,当电压有一定差别时,整个电源系统只有单台AC/DC电源有输出电流,另一个几乎没有电流输出,只有当输出电压高的1台AC/DC电源损坏、输出电压下降或消失时,另1台才会有电流输出。因此,该方案一般应用于停电对生产影响不大、大修周期短、用电功率小的场合。

    对于连续供电要求很高、长周期生产、供电功率大的场合,除了需要提高负载的稳定度外,还要考虑电源本身具备容错的设计,即有故障检测报警、故障隔离、在线更换(热插拔)、冗余等功能。该公司橡胶装置对连续供电要求很高,选用了Astec公司的HPS系列产品。该产品采用电源模块并联结构,每个模块中都有完善的诊断功能,而且模块在线更换方便(可以热插拔),单个模块故障不会影响到其他模块,每个模块内设计了自动均流电路,负载稳定度较好。

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