浅议自控和电气专业在工程设计中的配合

2018-06-28龚咏梅

机电信息 2018年18期

龚咏梅

（上海环境工程设计研究院有限公司，上海200072）

0 引言

在工业自动化生产过程中，需要对生产各阶段的有关工艺参数进行监视和控制，以达到整个生产的稳定高效。它们的实现需要大量的过程检测仪表、执行器和PLC或DCS控制系统等（即仪控系统）来完成。

工程设计中自控专业和电气专业的设计分工在有关规范中已有明确规定，且两者的关系也相当密切。除了在控制回路中有联锁关系外，两者在供电和电磁兼容（EMC）方面也有紧密联系。笔者根据长期从事污水处理工程及化工装置自控设计的实践经验，探讨了自控专业在供电和EMC两方面如何与电气专业相配合的问题。

1 仪表及控制系统供电

除大容量不间断电源（UPS）和电动阀门可能需要交流380 V供电外，仪控系统的工作电源一般为直流24 V和交流220 V。直流24 V由自控专业通过开关电源将交流220 V转换获得，交流220 V和380 V均由电气专业提供。自控专业对电源的要求须作为条件提交给电气专业，如：电源容量、电源类型（工作电源或不间断电源）、电源回路数、电源电压等级、电源质量、UPS供电持续时间及电源切换时间要求等。

1.1 负荷分级

对于供电电源的要求，首先要看电源突然中断时会造成怎样的后果。按照国家标准GB 50052—2009《供配电系统设计规范》提供的负荷分级及供电要求，某些重要的化工生产装置仪控系统中断运行会打乱工艺流程，发生中毒或爆炸事故，此类项目的仪控系统为一级负荷，需要双重电源供电；一般污水处理站，其仪控系统中断运行会引起排放水质不达标而引起环境污染及被罚款等较大经济损失，故属于二级负荷，需由两回线路供电。

1.2 UPS的选用

仪控系统中的PLC、DCS和上位机的允许供电中断时间为毫秒级，某些化工装置的工艺参数（如反应釜温度压力等）变化快，一般由UPS系统来保证供电的连续性。UPS系统主要由整流器、逆变器、旁路/逆变静态开关、输入/输出开关和电池系统等组成。它将交流整流为直流给蓄电池充电，同时又将直流逆变为交流给电子信息设备或其他重要负荷供电。对用电设备来说，由于经过了电流的转换，电源输入端的干扰被隔离，既提高了电源质量，又提供了后备时间。由大规模集成电路组成的PLC和DCS控制系统抗干扰要求高，在可靠性、稳定性和连续运行要求较高的场合，UPS得到了广泛应用。如果仪控系统用的UPS电源由电气专业设计，由自控专业提出设计条件。

常见的UPS有后备式和双变换两种形式。所谓后备式UPS，就是当工作电源正常时，直接向负载输出工作电源，逆变器不工作；当工作电源失电，逆变器工作并向负载输出电源。市电与电池之间转换时间一般为10 ms，输出电压稳定性差，输出波形为交流方波，如图1所示。双变换UPS由于始终由逆变器提供输出电源，不存在转换时间问题，且电压输出稳定，精度高，如图2所示。按照仪表和控制系统对UPS交流电源的要求，有以下几项技术指标：交流电压（220±11）V，频率（50±0.5）Hz，正弦波失真率小于5%，且要求电压瞬间扰动小于10%。为了保证控制系统的稳定可靠运行，提高输入电源质量，所以应优先考虑使用双变换UPS。

图1 后备式UPS

图2 双变换UPS

为了确保污水处理和化工生产装置的PLC或DCS控制系统工作的连续性，应采用带旁路功能的UPS供电。当UPS整流器/逆变器故障、负载电流瞬变或尖峰负载时，转换开关将逆变器输出切换到工作旁路输出。转换开关采用静态开关，转换时间达微秒级，保证了供电的连续性。如果要求检修UPS时不停电，还可以在工作旁路基础上增加维修旁路功能，如图3所示。该系统结合了后备式和双变换的优点，同时也保证了检修时UPS能持续供电。

图3 带旁路功能的双变换UPS

UPS的主电源和旁路电源宜由不同母线供电，以保证供电的可靠性。

因污水处理的工艺参数变化比较缓慢，污水处理的现场检测仪表对电源切换时间要求不高，秒级完全能满足要求，故利用普通电源切换开关即可，该两回路电源来自不同变压器的低压母线段，如图4所示。

图4 普通双电源切换

1.3 电源容量计算

电源容量应按仪表及控制系统的负荷性质分别统计。如被定性为二级负荷的污水处理站，仪控系统负荷按供电切换时间主要分为两大类，PLC或DCS与上位机组成的计算机监控系统由UPS供电，执行器、现场检测仪表由普通双电源供电。普通双电源容量应按计算负荷的1.2～1.5倍选取；UPS容量除应满足负载总容量，还应考虑可靠系数及功率因数。

S＞K×∑P/cos φ

式中，S为UPS的容量（kVA）；∑P为UPS全部负荷（kW）；cos φ为负载的功率因数；K为UPS带载率，一般取1.2～1.6。

1.4 应急供电持续时间选择

HG/T 20509—2014《仪表供电设计规范》要求后备电池供电时间不小于30 min。DL/T 5226—2013《发电厂电力网络计算机监控系统设计技术规程》也规定蓄电池备用时间不小于30 min。以上述规范为参考，UPS持续供电时间确定的依据是能确保安全停工及处理事故，不致造成人身伤害和重大经济损失，设为30 min。对于三级负荷，采用UPS供电只是为了保证电源质量，应急供电持续时间可以低于30 min，也可以不考虑后备时间。

为了保证仪表及控制系统供电，向电气专业提资时，须根据负荷的性质决定切换时间和电能质量，如带蓄电池要交待持续供电时间；对电力系统主进线提出要求，使仪控系统供电能得到稳定可靠的保证。

2 仪表及控制系统的电磁兼容

污水处理及化工装置的仪控系统不时会发生误动作或者模块损坏的情况，它们大多是由电气设备的开关操作、雷击放电或接地混乱造成的。由于仪控系统往往采用超大规模的集成电路，防电磁干扰的能力很弱，这就涉及到EMC的问题。

2.1 EMC含义

EMC包含两方面的内容：一是指设备在电磁环境中能够正常工作，二是设备本身产生的电磁源不会影响周围设备的正常运行。这是个系统工程，一方面要求设备制造商提高产品的抗干扰能力，另一方面也要求在工程设计和安装施工等过程中采取措施。

2.2 干扰源及抑制措施

干扰源主要通过辐射和线路传导引入。仪表和控制系统的辐射电磁干扰主要由闪电和电力系统产生，线路传导干扰主要是由电源线、信号线和接地系统混乱产生的。除了自控专业本身需要采用隔离、电涌保护、双绞线、屏蔽及接地等抗干扰措施外，还须重视与电气专业的配合。两专业在EMC方面的配合主要体现在屏蔽、等电位和接地。

随着电子信息系统的广泛使用，GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》增加了对电子设备的防电磁脉冲的要求，并提出了具体的指导意见：屏蔽、接地、等电位。雷电电磁脉冲与电气设备操作产生的电磁脉冲相比，除了强度较大外，其他方面包括入侵途径都大同小异。故该标准提出的防雷电电磁脉冲措施也适用于抑制操作电气设备产生的电磁脉冲效应。

2.2.1 屏蔽

（1）防雷区划分：按照国家标准GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》提供的思路，按雷击电磁场强度衰减程度的不同来划分防雷区，如LPZ1、LPZ2、…、LPZn等，数字越大，电磁场衰减效果越好，LPZ0区定义为电磁场强度未衰减区。对于处在室外的仪表设备，设备厂家会解决EMC问题。而控制室都设在室内，且控制室与现场仪表之间的电缆连接往往通过封闭金属线槽或保护钢管全程相连，仪表和控制系统不可能处于直接雷击场合，故LPZ0区不作考虑。

（2）屏蔽效果计算：对控制室所在的建筑物来说，电气专业会尽量利用建筑物的金属框架、混凝土中的钢筋、金属墙面等自然金属部件与防雷装置连接，构成格栅型大空间作为屏蔽。自控专业要校验其能否满足机房内控制系统的电磁环境要求，如果不满足，通过加密格栅来解决。格栅的间距由自控专业提给电气专业。以格栅间距为5 m为例进行校验，控制室内的天花板、墙、楼板、防静电地板等所用的钢筋或钢支架至少每隔5 m与接地系统焊接。网格的屏蔽效果可以通过GB 50057—2010提供的公式进行校检：

式中，H0和H1分别为屏蔽前后的磁场强度（A/m）；SF为屏蔽系数；ω为格栅形屏蔽网格宽度（m）。

我们不难算出格栅网格宽度为5 m的SF值为4.6 dB，这意味着，通过5 m间距组成的格栅型网格，可使电磁场减小到原来的0.59倍。假设室外的电磁场强度为2 kA/m，则按5 m间距的格栅型网格可以使室外电磁场强度减少为1.18 kA/m，不符合有关规范要求。参考GB/T 17626.9－2011《电磁兼容试验和测量技术脉冲磁场抗扰度试验》的试验等级要求，等级为3的脉冲磁场强度值为100 A/m。由于PLC或DCS控制系统都安装在金属结构的控制柜内，一般控制室磁场强度可要求不超过300 A/m。如室外电磁强度为2 kA/m，可按式（1）、式（2）计算出屏蔽网格宽度为1 m能满足要求。

2.2.2 等电位和接地

一般控制室所在的建筑物，电气专业采用的接地型式是共用接地系统，则控制室内做等电位时，在其机房四周设置等电位连接带，该等电位连接带利用机房内墙的结构柱主钢筋或自设接地引上线等与接地系统在不同方向至少两处相连。但要注意，不得直接与防雷引下线相连。同时，控制室内预留一个或多个接地端子板与等电位带相连，方便机房内的控制系统根据实际需要接成S型、M型或它们的组合等电位结构。进出控制室时，仪表电缆屏蔽层、金属管道、金属桥架应作等电位连接，同时工作芯线通过浪涌保护器与该等电位带或等电位端子相连。对于现场仪表等设备，在仪表集中处预留接地端子板，方便对其进行接地。

仪表工程要做好屏蔽、等电位和接地，以达到EMC要求。控制室的EMC措施如图5所示，以上措施都离不开与电气专业的密切配合。因为防雷接地设计由电气专业进行整体考虑，自控专业有必要提出对控制室和现场仪表的接地端子位置、等电位带的设置、屏蔽格栅的宽度等要求给电气专业，方便仪表工程施工时采取措施，实现EMC的目标。