化工控制中心儀表供電系統(tǒng)改造

李洪麗 曹 巍 張 尊

（中國(guó)石油獨(dú)山子石化公司信息網(wǎng)絡(luò)公司）

化工裝置的生產(chǎn)特點(diǎn)要求其控制系統(tǒng)具有較高的可靠性與穩(wěn)定性，為實(shí)現(xiàn)這一要求，在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，不僅要在硬件配置上有針對(duì)性地采用雙重化冗余配置、三重化冗余配置及軟件程序上的容錯(cuò)糾錯(cuò)等技術(shù)手段，還必須重視其供電系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性設(shè)計(jì)［1］，否則如果由于供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)缺陷或硬件故障發(fā)生晃電甚至停電事故，就會(huì)直接影響控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行，輕則導(dǎo)致裝置生產(chǎn)波動(dòng)重則導(dǎo)致裝置停車，造成財(cái)產(chǎn)損失、設(shè)備損毀甚至人身傷害事故。

某化工裝置的儀表控制系統(tǒng)采用現(xiàn)場(chǎng)儀表機(jī)柜室與中心控制室模式，供電方式為雙UPS 并聯(lián)配置。 自開(kāi)工至今，多數(shù)控制室供電系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，但個(gè)別控制室也出現(xiàn)了由于供電系統(tǒng)故障導(dǎo)致裝置停車的重大生產(chǎn)事故，給整個(gè)企業(yè)的生產(chǎn)帶來(lái)很大的影響。 為了消除這一潛在隱患，對(duì)中心控制室儀表供電系統(tǒng)進(jìn)行臨時(shí)性改造，確保供電系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行到下個(gè)大修期。

1 中心控制室儀表供電系統(tǒng)的組成

1.1 控制室儀表用電設(shè)備

某化工裝置中心控制室主要儀表用電設(shè)備包括DCS 系統(tǒng)操作站 （HIS）、SIS 系統(tǒng)遠(yuǎn)程I/O站、DCS 服務(wù)器、OPC 服務(wù)器、 工廠級(jí)交換機(jī)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、對(duì)講系統(tǒng)及視頻監(jiān)控系統(tǒng)等。 具體用電設(shè)備配置與需求如下：

a. DCS 系統(tǒng)操作站采用橫河CS3000 HIS站，是DCS 系統(tǒng)和操作員間的人機(jī)接口界面。 操作站采用上、下雙屏顯示器，但主機(jī)（工業(yè)PC 機(jī)）為單電源配置， 無(wú)法實(shí)現(xiàn)HIS 站的冗余電源配置，因此設(shè)計(jì)時(shí)將裝置所屬多臺(tái)操作站分成A、B兩組，每組配置不同路UPS 電源。

b. SIS 系統(tǒng)遠(yuǎn)程I/O 站采用TRINEX 遠(yuǎn)程機(jī)架，用于控制室輔操臺(tái)上的各種按鈕、開(kāi)關(guān)及指示燈等信號(hào)的接入。 機(jī)架配置3 路220V（AC）供電空開(kāi)，前兩路為UPS 供電，分別向兩個(gè)機(jī)架電源卡和兩個(gè)電源轉(zhuǎn)換模塊 （220V （AC） 轉(zhuǎn)24V（DC））提供UPS 電源；第3 路空開(kāi)為市電，為機(jī)柜內(nèi)照明和風(fēng)扇供電。

c. 服務(wù)器與交換機(jī)類供電。 DCS 服務(wù)器、OPC 服務(wù)器采用DELL 工業(yè)用服務(wù)器，配置雙電源。 工廠級(jí)交換機(jī)采用Catalyst 4503 企業(yè)級(jí)交換機(jī)，也是雙電源配置。 上述雙電源分別接入不同路UPS 電源。

d. 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、對(duì)講系統(tǒng)及視頻監(jiān)控系統(tǒng)等輔助系統(tǒng)均采用市電供電。

1.2 中心控制室儀表現(xiàn)有供電方案

中心控制室儀表供電系統(tǒng)采用雙UPS 并聯(lián)供電方式，如圖1 所示，每臺(tái)UPS 承載一半輸出電流，在控制室PDP001 柜內(nèi)并聯(lián)，并從PDP001并聯(lián)母排上引出分支電纜到PDP002～005 柜4 個(gè)下游UPS 配電柜的正（F）、反（R）面，然后再到各 儀表用電設(shè)備。

圖1 中心控制室供電簡(jiǎn)圖

1.3 現(xiàn)有供電系統(tǒng)存在的安全隱患

雙路并聯(lián)的UPS 供電系統(tǒng)在前期運(yùn)行過(guò)程中一路UPS 出現(xiàn)故障， 該路UPS 逆變器靜態(tài)開(kāi)關(guān)自動(dòng)斷開(kāi)，整個(gè)系統(tǒng)供電由另一路UPS 單獨(dú)承擔(dān)，供電系統(tǒng)處于不安全狀態(tài)。 電修人員配合廠家技術(shù)人員對(duì)故障UPS 進(jìn)行檢修，檢修完成后恢復(fù)雙路UPS 電源并聯(lián)供電方式時(shí)操作失敗，并引起另一路UPS 的逆變器靜態(tài)開(kāi)關(guān)跳閘，整個(gè)UPS供電系統(tǒng)停電。 事故導(dǎo)致控制中心所有裝置停車，整個(gè)石化公司生產(chǎn)處于應(yīng)急狀態(tài)。 為快速恢復(fù)生產(chǎn)，檢修人員不得不將故障UPS 從系統(tǒng)內(nèi)切除，重新投用另一路UPS，供電系統(tǒng)恢復(fù)，各裝置重新開(kāi)車。

裝置恢復(fù)生產(chǎn)后，重新檢查故障UPS，但投用風(fēng)險(xiǎn)太大，無(wú)法保證投用過(guò)程中不會(huì)再次出現(xiàn)整個(gè)UPS 供電系統(tǒng)斷電的情況，因此控制中心儀表系統(tǒng)一直處于單UPS 供電的不安全狀態(tài)下。

2 供電系統(tǒng)臨時(shí)改造方案

2.1 改造方案總體思路

為了消減控制中心儀表供電系統(tǒng)的單UPS供電風(fēng)險(xiǎn)，經(jīng)過(guò)與廠家技術(shù)人員的討論，在風(fēng)險(xiǎn)最小化原則下， 對(duì)現(xiàn)有供電系統(tǒng)進(jìn)行臨時(shí)改造，即不投用已檢修過(guò)的UPS 電源，而是將原接UPS電源的一路空開(kāi)與UPS 供電系統(tǒng)斷開(kāi)，引入一路市電，確保所引入的市電與原UPS 供電無(wú)任何并聯(lián)環(huán)節(jié)， 各自接入下游用電設(shè)備的冗余配備電源。

2.2 改造方案的可行性分析

此改造方案的最大問(wèn)題是一路UPS、一路市電的供電方式是否會(huì)對(duì)用電設(shè)備造成損壞或引起設(shè)備停機(jī)。 兩路UPS 并聯(lián)，已經(jīng)在UPS 系統(tǒng)內(nèi)部對(duì)其頻率、 相位和電壓幅值進(jìn)行了同步調(diào)整，因此并聯(lián)后其內(nèi)部產(chǎn)生的環(huán)流非常小。 如果引入的市電在某個(gè)環(huán)節(jié)與UPS 存在并聯(lián)情況，由于市電與UPS 電源存在頻率、 相位和電壓幅值差異，回路中會(huì)產(chǎn)生很大的環(huán)流，造成設(shè)備損壞或停機(jī)［2］。為防止出現(xiàn)此種情況，對(duì)所有儀表用電設(shè)備進(jìn)行分析。

SIS 系 統(tǒng) 遠(yuǎn) 程I/O 站。 SIS 系 統(tǒng) 遠(yuǎn) 程I/O 站的電源配置上面已有介紹， 原配置中機(jī)架兩個(gè)電源卡和兩個(gè)電源轉(zhuǎn)換模塊均接入U(xiǎn)PS 電源，現(xiàn)將其一路空開(kāi)與UPS 斷開(kāi)， 然后接入市電。經(jīng)與廠家技術(shù)人員溝通，TRICONEX 電源模塊對(duì)其冗余電源卡的供電方式無(wú)特殊要求。 用戶配置的8312 模塊為220V（AC）供電，每個(gè)電源模塊均可獨(dú)自承擔(dān)整個(gè)機(jī)架的全部供電負(fù)荷，兩路交流電在各自電源模塊內(nèi)部完成交流-直流轉(zhuǎn)換后接入機(jī)架兩路供電母排， 并共享接地母排。 TRICONEX 電源模塊如圖2 所示，可以看出，整個(gè)電路在交流部分沒(méi)有并聯(lián)之處，直流部分也是在隔離二極管之后才進(jìn)行并聯(lián)。 因此，SIS 機(jī)架的兩個(gè)冗余電源是可以按上述方案進(jìn)行改造的， 而且這種供電方式在其他裝置也有成功應(yīng)用的案例。

圖2 TRICONEX 電源模塊

HIS 操作站。 由于所有裝置的HIS 操作站都按供電不同分成兩組， 一組接UPS1， 另一組接UPS2。 改造方案中將接入U(xiǎn)PS1 的操作站改接市電，不會(huì)對(duì)HIS 的正常運(yùn)行造成影響。

服務(wù)器與交換機(jī)供電。 DELL 工業(yè)用服務(wù)器的雙電源配置及Catalyst 4503 交換機(jī)雙電源配置均對(duì)其接入電源無(wú)特殊要求，一路UPS、一路市電的供電方式不影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。

2.3 改造方案實(shí)施

SIS 機(jī)柜供電改造。 由于SIS 系統(tǒng)的重要性，為防止在電源改造過(guò)程中出現(xiàn)異常，在作業(yè)前首先對(duì)SIS 遠(yuǎn)程機(jī)架所涉及到的信號(hào)進(jìn)行甄別，所有狀態(tài)為“1”的信號(hào)為防止其掉電反轉(zhuǎn)，在系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行強(qiáng)制，待作業(yè)完成，確認(rèn)系統(tǒng)運(yùn)行正常后再行解除。強(qiáng)制完成后，斷開(kāi)SIS 遠(yuǎn)程機(jī)柜一路UPS 供電， 從空開(kāi)輸入端拆除原UPS 供電電纜，接入市電電纜，接入前需注意確認(rèn)火線和零線。

其他系統(tǒng)供電改造。 由于所有用電系統(tǒng)都由PDP 柜內(nèi)接出，因此僅需在PDP 柜內(nèi)將一路UPS供電改為市電即可。 經(jīng)過(guò)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，選擇對(duì)所有PDP 柜的正面供電進(jìn)行改造。 改造前， 將所有PDP 柜正面空開(kāi)供電的HIS 站全部關(guān)閉，DCS 操作短時(shí)間切換至背面空開(kāi)所帶的HIS 站上，部分單電源網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)提前關(guān)機(jī)。

2.4 改造后的效果

整個(gè)改造共涉及到4 面PDP 電源柜、7 面SIS 遠(yuǎn)程機(jī)柜。 改造完成后市電空開(kāi)投用，SIS 系統(tǒng)、DCS 系統(tǒng)及整個(gè)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)等都運(yùn)行平穩(wěn)，從源頭上消除了單UPS 運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)，保障了化工控制室的用電安全。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有UPS 供電系統(tǒng)的改造，消除了儀表系統(tǒng)單UPS 供電模式的不安全狀態(tài)， 但對(duì)于SIS 系統(tǒng)、DCS 系統(tǒng)等，按照石油化工儀表供電設(shè)計(jì)規(guī)范，供電系統(tǒng)均應(yīng)采用UPS 供電，本改造方案僅作為無(wú)法停工檢修UPS 電源情況下的一個(gè)臨時(shí)措施，在大檢修期間，供電系統(tǒng)最終還將采用雙UPS 供電方式。