化工控制中心仪表供电系统改造

2020-08-18李洪丽

化工自动化及仪表 2020年4期

李洪丽曹巍张尊

（中国石油独山子石化公司信息网络公司）

化工装置的生产特点要求其控制系统具有较高的可靠性与稳定性，为实现这一要求，在设计控制系统时，不仅要在硬件配置上有针对性地采用双重化冗余配置、三重化冗余配置及软件程序上的容错纠错等技术手段，还必须重视其供电系统的可靠性和稳定性设计［1］，否则如果由于供电系统设计缺陷或硬件故障发生晃电甚至停电事故，就会直接影响控制系统的正常运行，轻则导致装置生产波动重则导致装置停车，造成财产损失、设备损毁甚至人身伤害事故。

某化工装置的仪表控制系统采用现场仪表机柜室与中心控制室模式，供电方式为双UPS 并联配置。自开工至今，多数控制室供电系统运行平稳，但个别控制室也出现了由于供电系统故障导致装置停车的重大生产事故，给整个企业的生产带来很大的影响。为了消除这一潜在隐患，对中心控制室仪表供电系统进行临时性改造，确保供电系统平稳运行到下个大修期。

1 中心控制室仪表供电系统的组成

1.1 控制室仪表用电设备

某化工装置中心控制室主要仪表用电设备包括DCS 系统操作站（HIS）、SIS 系统远程I/O站、DCS 服务器、OPC 服务器、工厂级交换机、火灾报警系统、对讲系统及视频监控系统等。具体用电设备配置与需求如下：

a. DCS 系统操作站采用横河CS3000 HIS站，是DCS 系统和操作员间的人机接口界面。操作站采用上、下双屏显示器，但主机（工业PC 机）为单电源配置，无法实现HIS 站的冗余电源配置，因此设计时将装置所属多台操作站分成A、B两组，每组配置不同路UPS 电源。

b. SIS 系统远程I/O 站采用TRINEX 远程机架，用于控制室辅操台上的各种按钮、开关及指示灯等信号的接入。机架配置3 路220V（AC）供电空开，前两路为UPS 供电，分别向两个机架电源卡和两个电源转换模块（220V （AC）转24V（DC））提供UPS 电源；第3 路空开为市电，为机柜内照明和风扇供电。

c. 服务器与交换机类供电。 DCS 服务器、OPC 服务器采用DELL 工业用服务器，配置双电源。工厂级交换机采用Catalyst 4503 企业级交换机，也是双电源配置。上述双电源分别接入不同路UPS 电源。

d. 火灾报警系统、对讲系统及视频监控系统等辅助系统均采用市电供电。

1.2 中心控制室仪表现有供电方案

中心控制室仪表供电系统采用双UPS 并联供电方式，如图1 所示，每台UPS 承载一半输出电流，在控制室PDP001 柜内并联，并从PDP001并联母排上引出分支电缆到PDP002～005 柜4 个下游UPS 配电柜的正（F）、反（R）面，然后再到各仪表用电设备。

图1 中心控制室供电简图

1.3 现有供电系统存在的安全隐患

双路并联的UPS 供电系统在前期运行过程中一路UPS 出现故障，该路UPS 逆变器静态开关自动断开，整个系统供电由另一路UPS 单独承担，供电系统处于不安全状态。电修人员配合厂家技术人员对故障UPS 进行检修，检修完成后恢复双路UPS 电源并联供电方式时操作失败，并引起另一路UPS 的逆变器静态开关跳闸，整个UPS供电系统停电。事故导致控制中心所有装置停车，整个石化公司生产处于应急状态。为快速恢复生产，检修人员不得不将故障UPS 从系统内切除，重新投用另一路UPS，供电系统恢复，各装置重新开车。

装置恢复生产后，重新检查故障UPS，但投用风险太大，无法保证投用过程中不会再次出现整个UPS 供电系统断电的情况，因此控制中心仪表系统一直处于单UPS 供电的不安全状态下。

2 供电系统临时改造方案

2.1 改造方案总体思路

为了消减控制中心仪表供电系统的单UPS供电风险，经过与厂家技术人员的讨论，在风险最小化原则下，对现有供电系统进行临时改造，即不投用已检修过的UPS 电源，而是将原接UPS电源的一路空开与UPS 供电系统断开，引入一路市电，确保所引入的市电与原UPS 供电无任何并联环节，各自接入下游用电设备的冗余配备电源。

2.2 改造方案的可行性分析

此改造方案的最大问题是一路UPS、一路市电的供电方式是否会对用电设备造成损坏或引起设备停机。两路UPS 并联，已经在UPS 系统内部对其频率、相位和电压幅值进行了同步调整，因此并联后其内部产生的环流非常小。如果引入的市电在某个环节与UPS 存在并联情况，由于市电与UPS 电源存在频率、相位和电压幅值差异，回路中会产生很大的环流，造成设备损坏或停机［2］。为防止出现此种情况，对所有仪表用电设备进行分析。

SIS 系统远程I/O 站。 SIS 系统远程I/O 站的电源配置上面已有介绍，原配置中机架两个电源卡和两个电源转换模块均接入UPS 电源，现将其一路空开与UPS 断开，然后接入市电。经与厂家技术人员沟通，TRICONEX 电源模块对其冗余电源卡的供电方式无特殊要求。用户配置的8312 模块为220V（AC）供电，每个电源模块均可独自承担整个机架的全部供电负荷，两路交流电在各自电源模块内部完成交流-直流转换后接入机架两路供电母排，并共享接地母排。 TRICONEX 电源模块如图2 所示，可以看出，整个电路在交流部分没有并联之处，直流部分也是在隔离二极管之后才进行并联。因此，SIS 机架的两个冗余电源是可以按上述方案进行改造的，而且这种供电方式在其他装置也有成功应用的案例。

图2 TRICONEX 电源模块

HIS 操作站。由于所有装置的HIS 操作站都按供电不同分成两组，一组接UPS1，另一组接UPS2。改造方案中将接入UPS1 的操作站改接市电，不会对HIS 的正常运行造成影响。

服务器与交换机供电。 DELL 工业用服务器的双电源配置及Catalyst 4503 交换机双电源配置均对其接入电源无特殊要求，一路UPS、一路市电的供电方式不影响系统正常运行。

2.3 改造方案实施

SIS 机柜供电改造。由于SIS 系统的重要性，为防止在电源改造过程中出现异常，在作业前首先对SIS 远程机架所涉及到的信号进行甄别，所有状态为“1”的信号为防止其掉电反转，在系统内部进行强制，待作业完成，确认系统运行正常后再行解除。强制完成后，断开SIS 远程机柜一路UPS 供电，从空开输入端拆除原UPS 供电电缆，接入市电电缆，接入前需注意确认火线和零线。

其他系统供电改造。由于所有用电系统都由PDP 柜内接出，因此仅需在PDP 柜内将一路UPS供电改为市电即可。经过风险评估，选择对所有PDP 柜的正面供电进行改造。改造前，将所有PDP 柜正面空开供电的HIS 站全部关闭，DCS 操作短时间切换至背面空开所带的HIS 站上，部分单电源网络交换机提前关机。