DCS系统的直流供电系统的设计.doc

DCS系统的直流供电系统的设计金如虹 吕永杰浙江中控技术股份有限公司，310052摘要：在直流供电系统中，开关电源的使用无疑是重要的一环，合理地使用开关电源对于直流供电系统的正常使用能提供可靠的保证。本文针对直流供电系统中开关电源的使用问题进行了阐述，对开关电源使用的常用规则以及普遍问题进行了分析总结。关键字：直流供电系统、开关电源、冗余The Design of DC Power Supply System in a distributed control systemJin Ruhong Lv YongjieZhejiang SUPCON Co., Ltd., Hangzhou, Zhejiang, 310052Abstract: The usage of the SMPS(Switched Mode Power Supply) is a very important issue in a DC power supply system, the proper utilization of the SMPS will provides high reliability to the power supply system. This article mainly introduced the usage of SMPS in a DC power supply system, elaborates the common regulations and analysis the common failure mode in the SMPS applicationsKey-Words: DC Power Supply System, SMPS(Switched Mode Power Supply), Redundancy1.引言在上世纪80、90年代DDZ-型仪表普遍使用的是仪表电源及架装配电器实现对于现场两线制变送器的配电，即笨重又占据很大的空间，仪表控制的规模受到限制，甚至采用通道式仪表盘来解决仪表电源和架装配电器的装配问题。 随着DCS控制系统的发展和成熟，很快取代了常规仪表成为主流自动化控制系统，体积小、可靠性高、性价比高的开关电源作为直流供电系统的电源也在DCS控制系统中被广泛应用。由于直流供电在控制系统的关键作用，开关电源的性能和直流配电电路共同构成的高可靠性的直流供电系统成为保障控制系统工作安全的焦点。2.开关电源的基本功能目前使用的主流品牌导轨安装式开关电源除了将交流电源转为直流电源为控制系统及辅助设备提供直流工作电源以外，其丰富的功能性和适用性也是我们选择开关电源的理由。目前的开关电源可接受宽范围的交流输入电压，对于220VAC电源都具备允许176-264VAC宽范围输入电压，可以降低对于输入交流电压品质的要求；输出电压调节范围宽，最大可达28.8V，有20%的可调范围；高转换效率，额定转换效率近90%，开关电源自身功耗仅10%左右。此外开关电源还能在-20至60范围正常使用。部分开关电源还具有均流功能，即两只同型号、规格的开关电源并接冗余使用时，其输出电流基本平均。以上功能使得开关电源的适用性极大地提高。开关电源还具有丰富的安全和保护功能，遇到输出供电回路短路时可以实现电子短路保护，且故障排除后具备自恢复功能，可以避免因供电输出回路短路损坏开关电源；在开关电源负载侧电流大于额定输出电流时，开关电源可以限流保护，通常为额定值的130%，但此时输出电压会大幅跌落；部分开关电源因故障或因输出回路短路保护停止输出时，能通过输出触点报警。此外，开关电源在输入电压失去后可以实现维持20ms的输出，可以防止因输入交流电瞬时电压跌落导致的输出变化。3.开关电源在控制系统中的分类使用开关电源在DCS控制系统中的使用主要是给系统中相应的设备提供直流电源，为了提高可靠性通常按照冗余配置的方式供电，根据设备在的重要性和不同组成方式分层级构成直流供电系统，通常可以理解成以下几个层级：系统控制电源：指的是给系统控制器、通讯设备供电的开关电源，其重要性不言而喻。系统辅助电源：指的是给I/O设备供电的开关电源，包括给输入、输出底板、基座和端子板供电，它与系统联系紧密。辅助电源：指的是给控制系统部件外的其它辅助设备供电，如配用的安全栅、继电器等。对现场的供电：指的是给现场三线制、四线制仪表，通过有源DO给现场电磁阀供电等。以上几个层级的电源在不同的系统和项目中要求各不相同，通常依据对供电的重要性和可靠性要求，结合经济性来选择设计成如何分层分级对控制系统及辅助设备和现场仪表供电。一般情况下系统控制电源设置为独立的冗余电源。系统辅助电源可以有限制地与辅助电源供电交叉使用，根据项目要求设计。辅助设备的供电要求可以稍宽，但安全栅的供电相对要求独立，其它根据重要性选择对应的供电范围，但严格区别于对现场的供电。对现场的供电由于不可控因素多，且采用同一电源对现场设备和控制系统及辅助设备供电会导致相关设备的隔离作用失效或部分失效，所以不宜与其它种类的供电混合，以保证控制系统及辅助设备和现场仪表运行的安全。比如石化行业就严格要求现场仪表的24VDC供电电源与DCS系统的24VDC电源应分开配备。4.开关电源直流供电回路的可靠性设计在对提供直流电源的开关电源做冗余处理，是目前提高直流电源系统供电可靠性的普遍方法，同时对于直流电源如何合理地分配到负载也很重要。首先每组开关电源的负荷要控制在一定范围内，留有必要的余量，这一点对于开关电源长期稳定可靠地工作是有利的。对于直流电源分配，目前通常的做法是电源正端采用刀闸端子或熔断端子分配至负载，负端直接分配至负载，也可以使用空气开关分配。正端采用刀闸端子或熔断端子分配至负载主要作用是可以在发现某负载异常或检修维护时切除该负载的供电回路，不影响到整体供电，空气开关的作用也一样。通常一组直流供电系统的负载多达几十或上百路，当每一路都采用端子分电时会显得繁琐，所以可以根据需要采用分组供电，每组各负载之间采用环形跨接。因为开关电源的电子短路保护作用快于端子熔芯的熔断和空气开关的保护，所以当直流负载中某一回路出现短路时，一组直流供电回路的开关电源将失去输出电压，就是说熔断端子和空气开关不能起到对回路供电的短路保护作用。基于以上特点我们希望在使用开关电源对DCS系统设备及相关辅助设备供电时参照本文第三部分对直流供电系统回路分级分层，根据重要性和故障率有效地控制故障的范围。上述某回路短路后对于供电系统的影响是不是没有办法控制呢？答案是否定的。比如西门子就有相应的电源诊断模块产品，可以用于监控每个回路的短路，当出现短路时切除该回路。问题是一般的开关电源都用于给几十甚至上百个负载供电，任何负载都可能出现问题，每路都用上电源诊断模块的话投资巨大，所以实际应用时几乎不采用这种配置方式。5.开关电源集中安装的合理性在设计和使用中有些用户和设计院喜欢将DCS系统的辅助开关电源集中安装，设置直流电源柜。设置直流电源柜的目的是为了功能划分、安装整齐美观，有些设计甚至将几组冗余的开关电源再并接至直流母排后分配给直流负载。我们认为：由于开关电源工作时发热量大，较高的温度可能会对其正常工作产生影响，当多组开关电源集中在一起时，机柜内的工作温度提高明显，所以应尽量避免采用集中安装开关电源的直流电源柜，而是按实际使用情况将开关电源根据其负载分配分散安装在相应的机柜中，以利于其正常工作。对于将几组冗余的开关电源再并接至直流母排后分配给直流负载更不可取，这种方式下当某一负载回路出现短路时，由于开关电源的电子短路保护作用，整体直流供电回路的开关电源将失去输出电压，扩大了故障影响，大幅降低了整个直流供电系统的可靠性。6更好地选择、使用开关电源开关电源在直流供电系统中合理正确地使用对于保证直流供电系统的有效性是至关重要的。设计直流供电系统使用开关电源时要根据供电的功能性、设备重要性、供电可靠性要求、故障影响范围、设备区域划分、设备耗电容量、经济性等因素来合理地选择开关电源的容量和冗余方式。不同厂家生产的开关电源其指标和辅助性能有一些差异，可以根据需要选择。有些附加功能是我们看重的，比如失效报警，有些附加功能导致开关电源的价格提高，比如均流功能，就不一定选择了。对于DCS控制系统中开关电源的正常使用，检修维护也很重要，尽量不要把机柜间设置在有腐蚀性气体或有粉尘的场所。我们遇到过一些机柜间设置不合理，机柜内部粉尘严重的情况，对于开关电源落上粉尘后会影响其正常散热，存在较大隐患，维护时要定期吹扫。7.结论根据需要合理地选择适用的开关电源和冗余模式，同时根据设备的不同供电要求分层级设置来构成DCS系统的直流供电系统，对于提高DCS系统的直流供电设计可靠性，规避电源失效的影响范围和风险是非常必要的。以上是作者结合多年工作经验对于直流供电系统中开关电源分层分级设计使用的心得，希望对同行在今后工作中用好开关电源和选择合适的方式构成合理的直流电源供电系统，提高直流供电系统应用的可靠性能提供一些借鉴。也希望广大读者对其中不到之处给予指正！参考文献1 胡德成 开关电源供电构架的发展. 电源世界 2005-92 陈义龙 应用于通信系统的分布式电源设计要求. 电源世界 2007-103 朱雄世 通信电源系统的可靠性.通信电源技术 1997-114siemens SITOP电源说明书及相关资料作者简介：金如虹，1961年出生，男，浙江杭州人，1983年毕业于浙江大学化工系化工自动化专业，学士学位，工程师，从事自动化及仪表工程技术工作。通信地址：浙江省杭州市滨江区长河街