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简述分析继电器控制系统DCS改造电源需求的必要性

2020-02-13 425 上传者：管理员

摘要：DCS与继电器控制系统相比，具有可靠性、可扩展性、人机接口等方面的优势。论文首先对继电器控制系统DCS改造前后采用的电源类型进行了描述，并给出了基于IO类型和规模的DCS初步配电设计及电源需求分析，作为DCS上游配电系统适应性改造的依据。

关键词：
DCS
改造
电源
继电器
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1、引言

对于某些早期建成的大型工厂，限于当时设计阶段的控制技术水平，某些工艺系统的控制功能采用继电器控制系统实现。继电器控制系统通过搭接多个继电器触点的串联和并联电路来实现控制逻辑，当要实现的控制逻辑涉及多个输入信号及多种状态组合的复杂逻辑运算时，继电器控制系统的电路设计就会很庞大和复杂，且任何一个继电器中的一对触点接触不良，都可能影响整个系统的正常运行[1]。随着计算机和通信技术的不断发展，分散控制系统（DCS）技术越来越成熟，已被广泛应用于工业控制系统中。与早期的继电器控制系统相比，DCS在可靠性、可扩展性、人机接口等方面存在明显优势。

2、改造前继电器控制系统电源

改造前继电器控制系统电源有三种类型，各类型电源的用途及负荷如下：①125VDC电源，用于继电器线圈驱动电源、接口设备驱动电源，aW。②48VDC电源，用于继电器线圈驱动电源、接口设备驱动电源，bW。③220VAC电源，用于机柜内照明及风扇电源，cW。

3、改造后DCS电源设计

改造后DCS系统外部电源的类型及用途如下：

①220VAC双冗余电源，其中一路为自带UPS的不间断电源，用于DCS设备的工作电源，用途包括：第一，由DCS配电柜的电源模块将220VAC转成24VDC，主要用于向DCS一层设备（包括CPU模块、IO模块、机笼电源模块）、机柜风扇提供工作电源；第二，由DCS配电柜的电源模块将220VAC转成48VDC，主要用于向DCS接口设备提供查询电源、驱动电源；第三，由DCS配电柜进行分配后向DCS的网络交换机设备供电；第四，由DCS配电柜进行分配后向DCS的二层设备（包括操作员站、服务器等）供电。注：本文对DCS的220VAC电源需求的分析和评估是基于DCS二层设备与一层及接口设备使用相同外部220VAC电源的前提；如果工程应用中DCS二层设备与一层及接口设备使用不同外部220VAC电源，则应分别评估二层设备的220VAC电源需求和一层及接口设备的220VAC电源需求。②125VDC电源，由DCS配电柜进行分配后向DCS接口设备提供驱动电源。

改造后DCS的配电设计示意图如图1所示（此图仅为示意图，不代表实际设备数量）。

图1 DCS配电设计示意图

4、改造后DCS电源需求

改造后DCS电源需求可分为DCS自身设备和DCS接口设备的电源需求，如表1所示，下面分别对各类型电源需求进行评估。

表1 DCS电源需求

4.1 DCS自身设备的电源需求

DCS自身设备包括CPU模块、IO模块、网络交换机、机柜风扇等。可根据纳入DCS的IO点的类型和规模确定DCS自身设备的类型和数量，进而评估DCS自身设备的电源需求。根据改造后IO点的类型和规模（见表2），从控制站内的结构设计、IO板卡类型、端子排和继电器的需求量等方面综合评估改造后DCS自身设备的类型和数量，为保证电源需求评估结果具有一定的裕量，所采用的IO规模数据应具有一定的裕量。

表2 继电器控制系统改造后IO规模

①IO点数量：第一，DI点：j；第二，DO点：（k+L+m）。

②IO模块数量（假设DI模块和DO模块均为n通道）：第一，DI模块数量p=j/n；第二，DO模块数量q=（k+L+m）/n。

③最少控制站数量（假设单个控制站平均最多容纳r个IO模块）：（p+q）/r个。注：本文中的所有计算结果如带小数部分，均采用向上取整后的数值为最终结果。另外，如下端子排、继电器以及断路器的空间需要在评估最少控制站数量时考虑在内。第一，控制站内需要布置端子排，用于部分特殊情况下的就地信号串接、DO触点串接等。第二，控制站内需要布置隔离继电器以及断路器，用于在外部回路电压/电流高于DI/DO模块耐受等级的情况下在DCS模块与外部回路之间进行电气隔离。

④CPU模块数量：为保证DCS控制功能的可靠性，DCS控制站采用双冗余CPU模块，所以CPU模块数量为控制站数量的2倍，即2×（p+q）/r。

⑤网络交换机数量可根据如下因素进行评估：第一，DCS系统所采用的网络架构；第二，网络交换机的选型（端口设置）。

⑥机柜风扇数量可根据改造后DCS机柜数量以及每个机柜设置的风扇个数进行计算。

⑦机笼电源模块数量评估：IO模块、CPU模块安装在DCS过程控制站的机笼上，24VDC工作电源经过DCS过程控制站机笼电源模块转换为5VDC，通过机笼背板为IO模块、CPU模块供电；可先根据IO模块数量、CPU模块数量、机笼的槽位数量评估得出机笼数量，再根据每个机笼的双冗余电源模块配置评估得出电源模块数量。

⑧操作员站数量可根据如下因素进行评估：第一，控制室的操作员数量；第二，操作员的工作负荷；第三，为提高系统可靠性对设备的冗余要求。

⑨服务器数量可根据如下因素进行评估：第一，IO规模；第二，操作和监视功能的具体要求及实现方式；第三，为提高系统可靠性对设备的冗余要求。

4.1.1 24VDC工作电源

24VDC工作电源的总负荷约为所有CPU模块功率、DI模块功率（不包括查询电源功率）、DO模块功率（不包括驱动电源功率）、机笼电源模块自身功率损耗和机柜风扇功率的总和。可将前述评估得出的各类设备的数量与各类设备的功率参数对应相乘后求和得出24VDC工作电源的总负荷为sW。

4.1.2 220VAC工作电源

220VAC工作电源的总负荷约为所有网络交换机功率、操作员站功率、服务器功率的总和。可将前述评估得出的各类设备的数量与各类设备的功率参数对应相乘后求和计算得出220VAC工作电源的总负荷为tW。

4.2 DCS接口设备的电源需求

DCS接口设备电源需求包括查询电源、接口设备驱动电源、隔离继电器驱动电源。DCS接口设备的电源需求可根据DCS接口设备的电气特性和数量进行评估。

4.2.1 48VDC查询电源

48VDC查询电源的总负荷为所有DI通道查询电源负荷的总和。可将前述DI点的数量j与DI模块的单通道查询电流参数相乘得出48VDC查询电源的总负荷为uW。

4.2.2 48VDC驱动电源

48VDC驱动电源用于驱动DCS外部负载（就地设备）以及驱动隔离继电器。

对于DCS外部负载所需的48VDC驱动电源负荷，准确的数据可根据DCS外部负载具体数量和设备信息进行计算得出。如DCS外部负载的具体数量和设备信息数据不完整，则可以采用如下保守方法进行估算：一方面，改造前继电器控制系统的48VDC电源除了用于外部负载的驱动之外，还用于自身继电器线圈的驱动；另一方面，改造后DCS的48VDC外部负载与改造前继电器控制系统的48VDC外部负载相比会有所减少，因为改造后操作和报警显示功能将通过DCS画面实现，改造前控制室的硬操作按钮、硬报警处理设备在改造后将不再需要，所以改造后DCS外部负载所需的48VDC驱动电源负荷小于改造前继电器控制系统48VDC电源负荷，即小于bW。

对于隔离继电器驱动所需的48VDC驱动电源负荷，可采用如下方法进行估算：隔离继电器需要在DO模块的触点容量无法满足控制回路中的电压和电流要求的情况下使用：一是DO（有源，DCS供电125VDC）的情况，如前面所述，此种情况的点数为k；二是DO（无源，外部供电）所在的控制回路电压高于DCS的DO模块的触点容量的情况，此种情况的点数为u。如果一个隔离继电器线圈的额定功率为vW，则这些隔离继电器负载为（k+u）×vW。

根据上述方法可评估得出48VDC驱动电源的总负荷为xW。

4.3 配电柜电源模块功率损耗

配电柜电源模块为DCS自身设备和DCS接口设备提供24VDC和48VDC电源。根据电源模块的输出额定电流参数、电源模块负荷裕量要求以及为保证单个电源模块故障不会影响DCS系统正常供电，电源模块采用“N+1”冗余配置的要求，可评估得出单路外部220VAC电源下游的：①24VDC工作电源所需的电源模块数量；②24VDC驱动电源所需的电源模块数量；③48VDCDI查询电源和DO驱动电源所需的电源模块数量。

根据以上数据可以得出，单路外部220VAC电源下游的配电柜24VDC电源模块总数以及48VDC电源模块总数，进而通过将电源模块的自身功率损耗与对应的电源模块的数量对应相乘后求和可得出单路外部220VAC电源下游的配电柜电源模块总功率损耗为yW。

4.4 单路外部220VAC电源的最大总负荷需求

在外部220VAC双冗余电源中仅有单路电源可用的情况下，可用的单路外部220VAC电源的负荷达到最大，为（s+t+u+x+y）W，则此时单路外部220VAC电源的电流为z=（[s+u+x+y）（/φ×220）+t/220]A（注：φ为电源模块的功率因数）。

4.5 单路外部220VAC电源启动电流的要求

对于单路外部220VAC电源的启动电流要求，考虑DCS采用逐级上电，即同一时刻仅给一个电源模块上电，所以仅需考虑上电过程中闭合最后一个开关电源上游断路器时的电流，此时电流不会超过zA与单个电源模块的启动电流之和。

4.6 外部125VDC电源需求

DCS改造后，外部125VDC电源仅用于接口设备的驱动电源，而DCS改造前，外部125VDC电源除了用于接口设备的驱动电源外，还用于继电器控制系统自身的继电器线圈的驱动。所以与DCS改造前相比，改造后对外部125VDC电源需求会降低。

5、结语

本文给出了基于IO类型和规模的DCS初步配电设计及电源需求，作为上游电源系统的适应性改造的设计依据，为DCS工程改造涉及的供电分析提供参考。

参考文献:

[1]张惠生.PLC在传统继电器控制系统改造中的应用研究[J].北京建筑工程学院学报,2011,27(02):56-60.

张天航,杨宇奇,朱野,等.继电器控制系统DCS改造电源需求分析[J].中小企业管理与科技,2019,(26):181-183.