張?zhí)旌健钣钇妗≈煲啊≮w東升

【摘 要】與繼電器控制系統(tǒng)相比，DCS在可靠性、可擴(kuò)展性、人機(jī)接口等方面存在明顯優(yōu)勢。論文介紹了繼電器控制系統(tǒng)DCS改造前后采用的電源類型，給出了基于IO類型和規(guī)模的DCS初步配電設(shè)計(jì)及電源需求分析，作為DCS上游配電系統(tǒng)適應(yīng)性改造的依據(jù)。

【Abstract】Compared with relay control system， DCS has obvious advantage in reliability， scalability， man-machine interface and so on. This paper introduces the types of power supply used before and after the DCS modification of relay control system， and gives the preliminary power distribution design and power demand analysis of DCS based on IO type and scale， which can be used as the basis for the adaptive transformation of the DCS upstream distribution system.

【關(guān)鍵詞】繼電器;DCS;改造;電源

【Keywords】relay; DCS; modification; power supply

【中圖分類號】TM623? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號】1673-1069（2019）09-0181-03

1 引言

對于某些早期建成的大型工廠，限于當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)階段的控制技術(shù)水平，某些工藝系統(tǒng)的控制功能采用繼電器控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。繼電器控制系統(tǒng)通過搭接多個(gè)繼電器觸點(diǎn)的串聯(lián)和并聯(lián)電路來實(shí)現(xiàn)控制邏輯，當(dāng)要實(shí)現(xiàn)的控制邏輯涉及多個(gè)輸入信號及多種狀態(tài)組合的復(fù)雜邏輯運(yùn)算時(shí)，繼電器控制系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)就會很龐大和復(fù)雜，且任何一個(gè)繼電器中的一對觸點(diǎn)接觸不良，都可能影響整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行[1]。隨著計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)的不斷發(fā)展，分散控制系統(tǒng)（DCS）技術(shù)越來越成熟，已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)中。與早期的繼電器控制系統(tǒng)相比，DCS在可靠性、可擴(kuò)展性、人機(jī)接口等方面存在明顯優(yōu)勢。

2 改造前繼電器控制系統(tǒng)電源

改造前繼電器控制系統(tǒng)電源有三種類型，各類型電源的用途及負(fù)荷如下：

①125VDC電源，用于繼電器線圈驅(qū)動(dòng)電源、接口設(shè)備驅(qū)動(dòng)電源，aW。

②48VDC電源，用于繼電器線圈驅(qū)動(dòng)電源、接口設(shè)備驅(qū)動(dòng)電源，bW。

③220VAC電源，用于機(jī)柜內(nèi)照明及風(fēng)扇電源，cW。

3 改造后DCS電源設(shè)計(jì)

改造后DCS系統(tǒng)外部電源的類型及用途如下：

①220VAC雙冗余電源，其中一路為自帶UPS的不間斷電源，用于DCS設(shè)備的工作電源，用途包括：

第一，由DCS配電柜的電源模塊將220VAC轉(zhuǎn)成24VDC，主要用于向DCS一層設(shè)備（包括CPU模塊、IO模塊、機(jī)籠電源模塊）、機(jī)柜風(fēng)扇提供工作電源;

第二，由DCS配電柜的電源模塊將220VAC轉(zhuǎn)成48VDC，主要用于向DCS接口設(shè)備提供查詢電源、驅(qū)動(dòng)電源;

第三，由DCS配電柜進(jìn)行分配后向DCS的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)設(shè)備供電;

第四，由DCS配電柜進(jìn)行分配后向DCS的二層設(shè)備（包括操作員站、服務(wù)器等）供電。

注：本文對DCS的220VAC電源需求的分析和評估是基于DCS二層設(shè)備與一層及接口設(shè)備使用相同外部220VAC電源的前提;如果工程應(yīng)用中DCS二層設(shè)備與一層及接口設(shè)備使用不同外部220VAC電源，則應(yīng)分別評估二層設(shè)備的220VAC電源需求和一層及接口設(shè)備的220VAC電源需求。

②125VDC電源，由DCS配電柜進(jìn)行分配后向DCS接口設(shè)備提供驅(qū)動(dòng)電源。

改造后DCS的配電設(shè)計(jì)示意圖如圖1所示（此圖僅為示意圖，不代表實(shí)際設(shè)備數(shù)量）。

4 改造后DCS電源需求

改造后DCS電源需求可分為DCS自身設(shè)備和DCS接口設(shè)備的電源需求，如表1所示，下面分別對各類型電源需求進(jìn)行評估。

4.1 DCS自身設(shè)備的電源需求

DCS自身設(shè)備包括CPU模塊、IO模塊、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、機(jī)柜風(fēng)扇等?？筛鶕?jù)納入DCS的IO點(diǎn)的類型和規(guī)模確定DCS自身設(shè)備的類型和數(shù)量，進(jìn)而評估DCS自身設(shè)備的電源需求。

根據(jù)改造后IO點(diǎn)的類型和規(guī)模（見表2），從控制站內(nèi)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、IO板卡類型、端子排和繼電器的需求量等方面綜合評估改造后DCS自身設(shè)備的類型和數(shù)量，為保證電源需求評估結(jié)果具有一定的裕量，所采用的IO規(guī)模數(shù)據(jù)應(yīng)具有一定的裕量。

①IO點(diǎn)數(shù)量：

第一，DI點(diǎn)：j;

第二，DO點(diǎn)：（k+L+m）。

②IO模塊數(shù)量（假設(shè)DI模塊和DO模塊均為n通道）：

第一，DI模塊數(shù)量p= j/n;

第二，DO模塊數(shù)量q=（k+L+m）/n。

③最少控制站數(shù)量（假設(shè)單個(gè)控制站平均最多容納r個(gè)IO模塊）：（p+q）/r個(gè)。注：本文中的所有計(jì)算結(jié)果如帶小數(shù)部分，均采用向上取整后的數(shù)值為最終結(jié)果。另外，如下端子排、繼電器以及斷路器的空間需要在評估最少控制站數(shù)量時(shí)考慮在內(nèi)。

第一，控制站內(nèi)需要布置端子排，用于部分特殊情況下的就地信號串接、DO觸點(diǎn)串接等。

第二，控制站內(nèi)需要布置隔離繼電器以及斷路器，用于在外部回路電壓/電流高于DI/DO模塊耐受等級的情況下在DCS模塊與外部回路之間進(jìn)行電氣隔離。

④CPU模塊數(shù)量：為保證DCS控制功能的可靠性，DCS控制站采用雙冗余CPU模塊，所以CPU模塊數(shù)量為控制站數(shù)量的2倍，即2×（p+q）/r。

⑤網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)數(shù)量可根據(jù)如下因素進(jìn)行評估：

第一，DCS系統(tǒng)所采用的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu);

第二，網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的選型（端口設(shè)置）。

⑥機(jī)柜風(fēng)扇數(shù)量可根據(jù)改造后DCS機(jī)柜數(shù)量以及每個(gè)機(jī)柜設(shè)置的風(fēng)扇個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

⑦機(jī)籠電源模塊數(shù)量評估：IO模塊、CPU模塊安裝在DCS過程控制站的機(jī)籠上，24VDC工作電源經(jīng)過DCS過程控制站機(jī)籠電源模塊轉(zhuǎn)換為5VDC，通過機(jī)籠背板為IO模塊、CPU模塊供電;可先根據(jù)IO模塊數(shù)量、CPU模塊數(shù)量、機(jī)籠的槽位數(shù)量評估得出機(jī)籠數(shù)量，再根據(jù)每個(gè)機(jī)籠的雙冗余電源模塊配置評估得出電源模塊數(shù)量。

⑧操作員站數(shù)量可根據(jù)如下因素進(jìn)行評估：

第一，控制室的操作員數(shù)量;

第二，操作員的工作負(fù)荷;

第三，為提高系統(tǒng)可靠性對設(shè)備的冗余要求。

⑨服務(wù)器數(shù)量可根據(jù)如下因素進(jìn)行評估：

第一，IO規(guī)模;

第二，操作和監(jiān)視功能的具體要求及實(shí)現(xiàn)方式;

第三，為提高系統(tǒng)可靠性對設(shè)備的冗余要求。

4.1.1 24VDC工作電源

24VDC工作電源的總負(fù)荷約為所有CPU模塊功率、DI模塊功率（不包括查詢電源功率）、DO模塊功率（不包括驅(qū)動(dòng)電源功率）、機(jī)籠電源模塊自身功率損耗和機(jī)柜風(fēng)扇功率的總和?？蓪⑶笆鲈u估得出的各類設(shè)備的數(shù)量與各類設(shè)備的功率參數(shù)對應(yīng)相乘后求和得出24VDC工作電源的總負(fù)荷為sW。

4.1.2 220VAC工作電源

220VAC工作電源的總負(fù)荷約為所有網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)功率、操作員站功率、服務(wù)器功率的總和?？蓪⑶笆鲈u估得出的各類設(shè)備的數(shù)量與各類設(shè)備的功率參數(shù)對應(yīng)相乘后求和計(jì)算得出220VAC工作電源的總負(fù)荷為t W。

4.2 DCS接口設(shè)備的電源需求

DCS接口設(shè)備電源需求包括查詢電源、接口設(shè)備驅(qū)動(dòng)電源、隔離繼電器驅(qū)動(dòng)電源。DCS接口設(shè)備的電源需求可根據(jù)DCS接口設(shè)備的電氣特性和數(shù)量進(jìn)行評估。

4.2.1 48VDC查詢電源

48VDC查詢電源的總負(fù)荷為所有DI通道查詢電源負(fù)荷的總和。可將前述DI點(diǎn)的數(shù)量j與DI模塊的單通道查詢電流參數(shù)相乘得出48VDC查詢電源的總負(fù)荷為u W。

4.2.2 48VDC驅(qū)動(dòng)電源

48VDC驅(qū)動(dòng)電源用于驅(qū)動(dòng)DCS外部負(fù)載（就地設(shè)備）以及驅(qū)動(dòng)隔離繼電器。

對于DCS外部負(fù)載所需的48VDC驅(qū)動(dòng)電源負(fù)荷，準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)可根據(jù)DCS外部負(fù)載具體數(shù)量和設(shè)備信息進(jìn)行計(jì)算得出。如DCS外部負(fù)載的具體數(shù)量和設(shè)備信息數(shù)據(jù)不完整，則可以采用如下保守方法進(jìn)行估算：一方面，改造前繼電器控制系統(tǒng)的48VDC電源除了用于外部負(fù)載的驅(qū)動(dòng)之外，還用于自身繼電器線圈的驅(qū)動(dòng);另一方面，改造后DCS的48VDC外部負(fù)載與改造前繼電器控制系統(tǒng)的48VDC外部負(fù)載相比會有所減少，因?yàn)楦脑旌蟛僮骱蛨?bào)警顯示功能將通過DCS畫面實(shí)現(xiàn)，改造前控制室的硬操作按鈕、硬報(bào)警處理設(shè)備在改造后將不再需要，所以改造后DCS外部負(fù)載所需的48VDC驅(qū)動(dòng)電源負(fù)荷小于改造前繼電器控制系統(tǒng)48VDC電源負(fù)荷，即小于bW。

對于隔離繼電器驅(qū)動(dòng)所需的48VDC驅(qū)動(dòng)電源負(fù)荷，可采用如下方法進(jìn)行估算：隔離繼電器需要在DO模塊的觸點(diǎn)容量無法滿足控制回路中的電壓和電流要求的情況下使用：一是DO（有源，DCS供電125VDC）的情況，如前面所述，此種情況的點(diǎn)數(shù)為k;二是DO（無源，外部供電）所在的控制回路電壓高于DCS的DO模塊的觸點(diǎn)容量的情況，此種情況的點(diǎn)數(shù)為u。如果一個(gè)隔離繼電器線圈的額定功率為v W，則這些隔離繼電器負(fù)載為（k+u）×vW。

根據(jù)上述方法可評估得出48VDC驅(qū)動(dòng)電源的總負(fù)荷為xW。

4.3 配電柜電源模塊功率損耗

配電柜電源模塊為DCS自身設(shè)備和DCS接口設(shè)備提供24VDC和48VDC電源。

根據(jù)電源模塊的輸出額定電流參數(shù)、電源模塊負(fù)荷裕量要求以及為保證單個(gè)電源模塊故障不會影響DCS系統(tǒng)正常供電，電源模塊采用“N+1”冗余配置的要求，可評估得出單路外部220VAC電源下游的：

①24VDC工作電源所需的電源模塊數(shù)量;

②24VDC驅(qū)動(dòng)電源所需的電源模塊數(shù)量;

③48VDC DI查詢電源和DO驅(qū)動(dòng)電源所需的電源模塊數(shù)量。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)可以得出，單路外部220VAC電源下游的配電柜24VDC電源模塊總數(shù)以及48VDC電源模塊總數(shù)，進(jìn)而通過將電源模塊的自身功率損耗與對應(yīng)的電源模塊的數(shù)量對應(yīng)相乘后求和可得出單路外部220VAC電源下游的配電柜電源模塊總功率損耗為yW。

4.4 單路外部220VAC電源的最大總負(fù)荷需求

在外部220VAC雙冗余電源中僅有單路電源可用的情況下，可用的單路外部220VAC電源的負(fù)荷達(dá)到最大，為（s+t+u+x+y）W，則此時(shí)單路外部220VAC電源的電流為z=[（s+u+x+y）/（?×220） +t/220] A（注：?為電源模塊的功率因數(shù)）。

4.5 單路外部220VAC電源啟動(dòng)電流的要求

對于單路外部220VAC電源的啟動(dòng)電流要求，考慮DCS采用逐級上電，即同一時(shí)刻僅給一個(gè)電源模塊上電，所以僅需考慮上電過程中閉合最后一個(gè)開關(guān)電源上游斷路器時(shí)的電流，此時(shí)電流不會超過zA與單個(gè)電源模塊的啟動(dòng)電流之和。

4.6 外部125VDC電源需求

DCS改造后，外部125VDC電源僅用于接口設(shè)備的驅(qū)動(dòng)電源，而DCS改造前，外部125VDC電源除了用于接口設(shè)備的驅(qū)動(dòng)電源外，還用于繼電器控制系統(tǒng)自身的繼電器線圈的驅(qū)動(dòng)。所以與DCS改造前相比，改造后對外部125VDC電源需求會降低。

5 結(jié)語

本文給出了基于IO類型和規(guī)模的DCS初步配電設(shè)計(jì)及電源需求，作為上游電源系統(tǒng)的適應(yīng)性改造的設(shè)計(jì)依據(jù)，為DCS工程改造涉及的供電分析提供參考。

【參考文獻(xiàn)】

【1】張惠生.PLC在傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)改造中的應(yīng)用研究[J].北京建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，27（02）：56-60.