UPS不间断电源在工厂DCS（分散式控制系统）/ESD（紧急停车系统）的应用分析

关键词：DCS ESD UPS 石油 石化 天然气 冶金 电厂 采矿 制药 半导体 安全生产 生产控制 

1简述

     据IDC互联网数据中心(Internet Data Center)统计,在中国,大城市停电的几率平均为0.5次/月,中等城市为2次/月，小城市或村镇为4次/月.电网存在至少9种问题:断电、雷击尖峰、浪涌、频率震荡、电压突变、电压波动、频率漂移、电压跌落、脉冲干扰。保证任何情况下的正常供电,是石化行业的重要基础。

   目前大型化工企业的化工操作、监视、控制都采用DCS(DistributedControl System)系统DCS作为工艺生产监控的重要组成部分决定着整个生产的稳定与安全，一旦DCS 系统出现故障,轻则造成工艺波动影响产品产质量重则全线停产.因此DCS系统对保证生产的连续性，全性等方面是极其重要的ESD(EmergencyShut downDevice)即紧急停车系统是对石油化工生产装置可能发生的危险或不采取措施将继续恶化的状态进行及时响应和保护,使生产装置进入一个预定义的安全停车工况，从而使危险降低到可以接受的最低程度，以保证人员、设备、生产和装置的安全.由于DCS和ESD系统的重要性和复杂性其电源故障就好象后院起火一样处理起来十分困难，电源是DCS/ESD能否正常工作的重要环节，为尽量避免因电源故障引起系统失灵各控制制造厂家对硬件的配电部分都十分重视,因此保证DCS/ESD供电电源的质量和安全就显得特别重要。为此，除工业电网正常供电外还需配备UPS(Uninterruptible PowerSystem)供电系统，UPS系统由整流模块充电模块、蓄电池、逆变模块、自动旁路开关、手动维修旁路开关等组成，UPS可以向DCS/ESD提供高质量、安全可靠的电源保证化工生产的安全、稳定、可靠。

2 UPS电源的工作原理及工作过程

2.1组成及工作原理

     UPS 主要用于给集散控制系统DCS，安全保护系统ESD,控制执行元件、电磁阀、电气转换器等重要负载提供不间断的电力供应 。使负载维持正常工作并保护负载软、硬件不受损坏。虽然各企业选择UPS供电系统型号及系统容量有所不同,但其原理和主要功能基本相同。从基本应用原理上讲，UPS是一种含有储能装置,以逆变器为主要元件,稳压稳频输出的电源保护设备。要由整流器、蓄电池、逆变器和静态开关等几部分组成.UPS系统的工作原理:将供电质量较差的厂用电源首先经整流装置变换成直流电源,一路经充电模块向蓄电池充电另一路采用高频脉宽调制(SPWM)法在逆变装置内重新将直流电源变成纯正的高质量的正弦波电源向负载供电。当交流工作电源消失或整流装置等元器件故障时，由蓄电池组经电池开关向逆变装置供电。当逆变装置故障输出电压异常或过载时，则切换到自动旁路开关由厂用电直接向负载供电。

2.2 UPS电源工作过程

      当市电正常时，直流主回路有直流电压，供给DC-AC交流逆变器，输出稳定的220Vac 交流电压,同时市电对电流充电。当任何时候市电欠压或突然掉电，则由电池组通过隔离二极管开关向直流回路馈送电能 。从电网供电到电池供电没有切换时间。当电池能量即将耗尽时，不间断电源发出声光报警，并在电池放电下限点停止逆变器工作，长鸣告警 。不间断电源还有过载保护功能，当发生超载(150%负载)时,跳到旁路状态，并在负载 正常时自动 返回 。当发生严重超载(超过200%额定负载)时，不间断电源立即停止逆变器输出并跳到旁路状态，此时前面空气开关也可能跳闸 。消除故障后，只要合上开关，重新开机即开始恢复工作。

3 DCS/ESD系统UPS的选用

3.1 DCS/ESD对其供电要求

     DCS/ESD对其供电要求是极其严格的它不仅需要高质量、高稳定性的供电电源,当电网系统突然停电时,要有供电电源保持一定时间的供电以便对DCS系统的数据做保护性处理并使现场仪表及调节阀处于安全位置,同时还要确保工艺做紧急处理,防止故障发生。作为DCS/ESD等控制设备的不间断电源UPS应具有以下功能：

(1)无论在市电模式还是在电池模式:均可输出失真皮任、稳定度高的正弦波电源为DCS是最佳的电源保障。

(2)当市电停电或复电时，UPS市电模式与电池模式之间的切换是无转换时间的，有效保证了负载运行的高可靠性。

(3)具有旁路供电功能，同时在用户对电源具有特殊要求时，UPS可提供旁路供电过压保护使 DCS 免于高压危险。

(4)对于供电要求高的DCS系统除了要有冗余的供电外，同时要有UPS的冗余。确保DCS 供电的稳定性。

3.2 UPS为两种形式

一类是后备式，另一类是在线式，还有一种介于两者之间的在线互动式 ，在线式UPS具有以下优点:

(1)纯正的正弦波输出。无论在市电模式还是在电池模式，均可输出失真度低、稳定度高的正弦波电源,为DCS和ESD供最佳的电源保障，

(2)零切换时间。当市电停电或变电时。UPS 在市电模式与电池模式之间的切换是无转换时间的，有效保证了负载运行的高可靠性。

(3)智能化通过数据通讯接口，可实现一台UPS连接多台计算机系统的功能，配有电源监控软件，可以直接在计算机屏上监控电源与 UPS 运行状况，有支持异常电力信息报警 、关闭及保存用户的应用程序等功能，以简化网络管理工作，并提高计算机系统的可靠性。

(4)旁路保护功能。旁路供电功能使UPS 应急处理能力大为提 高，同时在用户对电源具有特殊要求时,在线式UPS可提供旁路供电过压保护,使DCS 和ESD免于高压危险。

   出于供电频率稍有变化和波形的时变,将会严重干扰 DCS/ESD 正常运行因此要求选用高质量 、高稳定度且切换时间短的 UPS 系统。在线式UPS电源系统具有供电的零时间切换等诸多优点 ，因此在UPS电源选型上石化企业都选择在线式UPS作为DCS和 ESD供电系统。

3.3 在线式UPS工作原理

     在线式UPS在市电正常时，由市电进行整流提供直流电压给逆变器工作，由逆变器向负载提供交流电，在市电异常时，逆变器由电池提供能量，逆变器始终处于工作状态，保证无间断输出。其特点是，有极宽的输入电压范围，无切换时间且输出电压稳定精度高，特别适合对电源要求较高的场合。

3.4 另外UPS的选用还应考虑UPS蓄电池容量全负荷下使用30分钟以上，减负荷下保障供电4个小时以上，紧急停电可以事故停车,停电检修时候可以保障重要控制系统不失电);UPS容量应根据DCS系统的电量来选择,一般DCS耗电量为UPS额定电功率的60%-70%为宜。

4 UPS的运行维护及事故处置

4.1 日常维护

(1)UPS 应放在无有害气体、无剧烈振动、无强磁作用、环境温度为-10℃~+ 40℃ 、相对湿度小于85%及进风良好的室内;

(2)UPS定期清洁保养,勿沾染灰尘，确保机器寿命:清洁时，要用软布擦拭，切勿使用磨砂作为清洁剂;

(3)UPS应避免频繁开机，最好在长时间开机状态。

(4)如工厂用电一直正常，UPS电池组没有工作的机会，其电池在长期浮充状态有可能损坏，应定期对 UPS 进行充放电，这样不仅可以活化电池.也可检验UPS 是否状态正常。

(5)UPS使用后应立即进行充电，使电池恢复到正常浮充状态。

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