不間斷電源UPS在化工DCS系統(tǒng)上的應用及改造小結

謝路國，孔維華

（湖南化工醫(yī)藥設計院，湖南長沙410007）

1 UPS化工應用概述

UPS是英語Uninterruptiable Power Supply的縮寫，譯為不間斷電源。由20世紀60年代的旋轉發(fā)電機發(fā)展到目前的具有一定智能化程度的靜止式全電子電路，它也是隨著電子技術特別是功率器件和自動控制技術的飛速發(fā)展而日趨成熟的。近年來，我國化工行業(yè)也得到快速發(fā)展，一方面給我們的社會經(jīng)濟和人民生活水平起到了巨大的提高和促進作用，另一方面也給人民群眾的生命財產(chǎn)安全構成了極大的威脅。因為化工企業(yè)向大型化、連續(xù)化、自動化的方向發(fā)展，易燃、易爆、高溫、高壓、劇毒、腐蝕等特點相當突出，生產(chǎn)過程中稍有失誤將會釀成災難性事故，造成生產(chǎn)、設備、人員等多方面不可挽回的重大損失。像魯南化工公司的氣化工段，將空分工段來的氧氣和氣化高壓煤漿泵送來的濃度63.5%的煤漿在一定的安全聯(lián)鎖條件下（由程序自動控制），通過特制的燒嘴混合后噴入氣化爐內，進行迅速氧化和部分氧化反應。正常生產(chǎn)條件下，爐溫1 300～1 450℃、壓力2.7MPa，生成的水煤氣經(jīng)洗滌塔洗滌后送往后續(xù)變換工段，制取合成氣。氣流床反應器中物料停留時間較短（僅數(shù)秒鐘），且氧氣直接參與氧化和部分氧化反應，氧煤比是氣流床氣化反應中極重要的工藝條件之一，如果控制不好氧煤比，就可能發(fā)生爆炸等事故，造成巨大損失。公司有相對獨立的6～35kV企業(yè)配電網(wǎng)，其供配電系統(tǒng)網(wǎng)絡復雜、電力負荷密度大、供電可靠性要求高、設備絕緣水平參差不齊、使用環(huán)境由于污染腐蝕而較為惡劣。由于這些特點的存在，配電系統(tǒng)較易遭受雷擊、絕緣破壞、操作事故、大容量負荷合閘沖擊等的影響，發(fā)生電網(wǎng)電源的波動、脈沖干擾和瞬時中斷等現(xiàn)象，致使生產(chǎn)過程紊亂、產(chǎn)品質量波動甚至生產(chǎn)裝置停車，由此造成設備損壞、環(huán)境污染甚至人身傷亡事故，對企業(yè)的生產(chǎn)和安全構成嚴重威脅。UPS作為電網(wǎng)與用電設備的接口，能有效地消除以上各種電源擾動和短時停電，逐漸成為化工生產(chǎn)裝置中過程控制、現(xiàn)場儀表、消防、通訊設備的標準電源，作為不可或缺的電力保障和電源凈化設備，正發(fā)揮越來越重要的作用。

2 中控生產(chǎn)裝置DCS的UPS的應用情況

氣化生產(chǎn)裝置控制系統(tǒng)隨著魯化的不斷技術改進，自動化控制水平有了很大提高。采用霍尼韋爾的DCS（分布式控制系統(tǒng)）控制系統(tǒng)和GE的三重冗余的ESD（緊急停車）系統(tǒng)。對于化工企業(yè)而言，DCS和ESD控制系統(tǒng)能否連續(xù)穩(wěn)定運行，既關系到企業(yè)生產(chǎn)運行的安全可靠，也關系到企業(yè)產(chǎn)品的質量、企業(yè)社會責任問題。不同的DCS控制系統(tǒng)，其工作的軟硬件不盡相同，但都需要一個安全穩(wěn)定的工作電源。由于DCS和ESD是24h連續(xù)工作，依靠單臺UPS提供保護明顯不足，一旦發(fā)生UPS故障，將導致DCS和ESD出錯、斷電等情況發(fā)生，迫使生產(chǎn)裝置強制停車，甚至造成嚴重后果。由于化工廠對DCS可靠性的要求，魯化公司采用的UPS是40kVA容量的MGE GALAXY 5000在線式并聯(lián)雙回路冗余供電系統(tǒng)。

在線式UPS一直使其逆變器處于工作狀態(tài)，它首先通過電路將外部交流電轉變?yōu)橹绷麟?，再通過高質量的逆變器將直流電轉換為高質量的正弦波交流電輸出給計算機。在線式UPS在供電狀況下的主要功能是穩(wěn)壓及防止電波干擾；在停電時則使用備用直流電源（蓄電池組）給逆變器供電。其工作原理如圖1。由于逆變器一直在工作，因此不存在切換時間問題，適用于對電源有嚴格要求的場合。在線式UPS不同于后備式的一大優(yōu)點是供電持續(xù)時間長。

圖1 在線式UPS工作原理示意

但是，UPS在使用期間多次出現(xiàn)問題，具體如下。

2010年5月2日，中央控制室UPS2發(fā)生故障，UPS2切換至自動旁路，系統(tǒng)提示逆變器故障，查看系統(tǒng)報警記錄（如圖2），發(fā)現(xiàn)UPS報 “逆變器”故障。結合UPS出現(xiàn)的類似故障，基本確定為UPS電源板和主控板故障。對更換的UPS工作板進行仔細檢查，查看電路板是否存在腐蝕現(xiàn)象，排查UPS損壞的根本原因，做好預防措施以延長UPS的運行周期。

圖2 2010－05－02UPS故障

2010年6月6日，氣化爐UPS1發(fā)生故障，系統(tǒng)提示內部CAN總線通訊故障，人機界面上的輕微故障LED指示燈亮黃色，故障現(xiàn)象及報警信息見圖3。通過系統(tǒng) “測量”功能檢查，發(fā)現(xiàn)人機界面與UPS主機通訊出現(xiàn)故障，人機界面系統(tǒng)狀態(tài)LED指示燈不能實時顯示UPS系統(tǒng)狀態(tài)；通過對UPS1主回路和旁路的電流檢測，發(fā)現(xiàn)UPS1工作電源已經(jīng)由主回路切換至靜態(tài)旁路。通過咨詢廠家，初步判定為UPS1系統(tǒng)板卡故障，導致系統(tǒng)通訊丟失，UPS1工作電源發(fā)生切換。

圖3 2010－06－06UPS故障

3 延長UPS無故障運行時間的改造

針對中央控制室UPS故障頻繁出現(xiàn)的狀況，車間專門成立了攻關小組，并請來廠家人員進行指導，對影響UPS的各種因素進行查找，并實施改造。最終主要總結了以下幾點。

首先，UPS系統(tǒng)軟件版本低。自2006年以來，中央控制室采用了MGE銀河系列GALAXY 5000／40kVA UPS兩臺，至今UPS軟硬件均沒有升級，軟件硬件版本均較低，易導致UPS

圖4 面板死機

第三，UPS并機通訊不穩(wěn)定。兩臺UPS運行方式為冗余并機，該運行方式要求輸出頻率、電壓、電流必須一致。當1臺UPS出現(xiàn)故障時，由于不能完全隔離，導致出現(xiàn)故障的UPS無法檢修。而且該運行方式存在瓶頸，當2臺UPS面板死機（如圖4），主控板通訊故障，事件記錄經(jīng)常丟失。雖然該因素不影響系統(tǒng)的正常輸出，但是通過查看UPS系統(tǒng)軟件當前版本，并作比較分析，維護人員無法對UPS的運行狀況進行監(jiān)控，說明UPS系統(tǒng)軟件版本不符合實際需要。公司聯(lián)系MGE工程師，對UPS系統(tǒng)軟件進行升級（如圖5），并升級UPS的主控板、通訊板、電源板。

其次，輸入側交流電源存在諧波。我們通過使用Fluke 190示波表對UPS輸入側交流電源的三相電進行測試，得出其工作時的波形，如圖6。

由圖6可見，正常工作時的正弦波形已經(jīng)被別的信號干擾，波峰、波谷處表現(xiàn)十分明顯，說明輸入側交流電源確實存在著諧波。由于UPS主路與旁路電源直接來自電氣配電室，UPS經(jīng)常出現(xiàn)主路電源和旁路電源超出允許范圍，多次導致UPS逆變器故障。我們利用檢修機會，打到手動旁路，對UPS停電，拆掉UPS輸出線，在UPS輸出端加裝兩臺變壓隔離器，分別將UPS1、UPS2的輸出端接到對應隔離變壓器的輸入端，再將隔離變壓器的輸出端接到UPS的負載端，并測試隔離變壓器的功能以及供負載方向的電源特性曲線（如圖6）。通過加裝隔離變壓器，成功地穩(wěn)定了輸入電源的波形，徹底解決了交流輸入電源帶給UPS系統(tǒng)的諧波干擾，這就很好地解決了逆變器故障問題。的并機線發(fā)生故障時，UPS輸出中斷，DCS供電丟失，可能會導致整個控制系統(tǒng)和現(xiàn)場工作的關鍵儀控設備失控，甚至造成現(xiàn)場裝置停車。類似狀況曾經(jīng)在3＃氣化爐UPS供電系統(tǒng)中發(fā)生過，導致整個UPS系統(tǒng)無法正常輸出，只能使用UPS旁路向后系統(tǒng)供電。這種情況下，一旦旁路供電，即普通市電，產(chǎn)生波動或失電，將會造成無法控制的局面。我們利用檢修時間對UPS運行方式改為主從串聯(lián)。改造后，UPS以串聯(lián)方式運行，若UPS1出現(xiàn)故障，可以完全隔離進行在線檢修，同時撤銷同步電纜。改造前后如圖7、8。

圖5 升級軟件

最后，MGE銀河系列GALAXY 5000／40kVA UPS的防腐性能不適用于化工企業(yè)。通過咨詢廠家和查詢資料我們發(fā)現(xiàn)，MGE銀河系列GALAXY 5000／40kVA UPS一般用于銀行商場等無腐蝕性介質的場所。通過對電路主板進行實驗室分析，發(fā)現(xiàn)在所有印刷電路板上都存在硫腐蝕；對損壞的主控板進行光譜分析（見圖9），確認所測試的焊點與通孔上的黑色物質是硫化銀（Ag2S）與硫化銅（CuS／Cu2S）的沉積物。此外，故障主控卡拿到200～500倍放大的顯微鏡下進行觀察，同樣觀察HAI區(qū)域，HAI處焊點間存在微粒（見圖10），進而導致腐蝕現(xiàn)象。我們在電路板表面噴涂了三防漆（噴涂前后見圖11），可有效防止電路主板長期暴露于腐蝕性氣體中。

圖6 UPS加隔離器的輸出波形以及測試工具

圖8 UPS串聯(lián)電路圖（改造后）

圖9 光譜分析含（Ag2S）／（CuS／Cu2S）

圖10 在顯微鏡下看到的焊點微粒

圖11 卡件噴涂三防漆前后的對比

4 結 語

通過技術攻關，魯化公司很好地解決了中央控制室UPS無故障運行周期較短的問題，為氣化、甲醇兩大DCS系統(tǒng)長周期運行打下了堅實的基礎。