前言：尋找寫作靈感？中文期刊網用心挑選的自控和電氣專業在工程設計中的配合，希望能為您的閱讀和創作帶來靈感，歡迎大家閱讀并分享。

摘要：當前微電子和計算機技術在儀控系統大量應用，而該系統能否穩定可靠工作，主要取決于供電和EMC設計，也包括對電氣專業提資的準確性。鑒于此，針對儀表工程設計中自控和電氣專業在供電和電磁兼容兩方面的配合進行了探討。

關鍵詞：自控；電氣；供電；電磁兼容；不間斷電源；屏蔽；等電位；接地

0引言

在工業自動化生產過程中，需要對生產各階段的有關工藝參數進行監視和控制，以達到整個生產的穩定高效。它們的實現需要大量的過程檢測儀表、執行器和PLC或DCS控制系統等（即儀控系統）來完成。工程設計中自控專業和電氣專業的設計分工在有關規范中已有明確規定，且兩者的關系也相當密切。除了在控制回路中有聯鎖關系外，兩者在供電和電磁兼容（EMC）方面也有緊密聯系。筆者根據長期從事污水處理工程及化工裝置自控設計的實踐經驗，探討了自控專業在供電和EMC兩方面如何與電氣專業相配合的問題。

1儀表及控制系統供電

除大容量不間斷電源（UPS）和電動閥門可能需要交流380V供電外，儀控系統的工作電源一般為直流24V和交流220V。直流24V由自控專業通過開關電源將交流220V轉換獲得，交流220V和380V均由電氣專業提供。自控專業對電源的要求須作為條件提交給電氣專業，如：電源容量、電源類型（工作電源或不間斷電源）、電源回路數、電源電壓等級、電源質量、UPS供電持續時間及電源切換時間要求等。

1.1負荷分級

對于供電電源的要求，首先要看電源突然中斷時會造成怎樣的后果。按照國家標準GB50052—2009《供配電系統設計規范》提供的負荷分級及供電要求，某些重要的化工生產裝置儀控系統中斷運行會打亂工藝流程，發生中毒或爆炸事故，此類項目的儀控系統為一級負荷，需要雙重電源供電；一般污水處理站，其儀控系統中斷運行會引起排放水質不達標而引起環境污染及被罰款等較大經濟損失，故屬于二級負荷，需由兩回線路供電。

1.2UPS的選用

儀控系統中的PLC、DCS和上位機的允許供電中斷時間為毫秒級，某些化工裝置的工藝參數（如反應釜溫度壓力等）變化快，一般由UPS系統來保證供電的連續性。UPS系統主要由整流器、逆變器、旁路/逆變靜態開關、輸入/輸出開關和電池系統等組成。它將交流整流為直流給蓄電池充電，同時又將直流逆變為交流給電子信息設備或其他重要負荷供電。對用電設備來說，由于經過了電流的轉換，電源輸入端的干擾被隔離，既提高了電源質量，又提供了后備時間。由大規模集成電路組成的PLC和DCS控制系統抗干擾要求高，在可靠性、穩定性和連續運行要求較高的場合，UPS得到了廣泛應用。如果儀控系統用的UPS電源由電氣專業設計，由自控專業提出設計條件。常見的UPS有后備式和雙變換兩種形式。所謂后備式UPS，就是當工作電源正常時，直接向負載輸出工作電源，逆變器不工作；當工作電源失電，逆變器工作并向負載輸出電源。市電與電池之間轉換時間一般為10ms，輸出電壓穩定性差，輸出波形為交流方波，如圖1所示。雙變換UPS由于始終由逆變器提供輸出電源，不存在轉換時間問題，且電壓輸出穩定，精度高，如圖2所示。按照儀表和控制系統對UPS交流電源的要求，有以下幾項技術指標：交流電壓（220±11）V，頻率（50±0.5）Hz，正弦波失真率小于5%，且要求電壓瞬間擾動小于10%。為了保證控制系統的穩定可靠運行，提高輸入電源質量，所以應優先考慮使用雙變換UPS。為了確保污水處理和化工生產裝置的PLC或DCS控制系統工作的連續性，應采用帶旁路功能的UPS供電。當UPS整流器/逆變器故障、負載電流瞬變或尖峰負載時，轉換開關將逆變器輸出切換到工作旁路輸出。轉換開關采用靜態開關，轉換時間達微秒級，保證了供電的連續性。如果要求檢修UPS時不停電，還可以在工作旁路基礎上增加維修旁路功能，如圖3所示。該系統結合了后備式和雙變換的優點，同時也保證了檢修時UPS能持續供電。UPS的主電源和旁路電源宜由不同母線供電，以保證供電的可靠性。因污水處理的工藝參數變化比較緩慢，污水處理的現場檢測儀表對電源切換時間要求不高，秒級完全能滿足要求，故利用普通電源切換開關即可，該兩回路電源來自不同變壓器的低壓母線段。

1.3電源容量計算

電源容量應按儀表及控制系統的負荷性質分別統計。如被定性為二級負荷的污水處理站，儀控系統負荷按供電切換時間主要分為兩大類，PLC或DCS與上位機組成的計算機監控系統由UPS供電，執行器、現場檢測儀表由普通雙電源供電。普通雙電源容量應按計算負荷的1.2～1.5倍選取；UPS容量除應滿足負載總容量，還應考慮可靠系數及功率因數。

1.4應急供電持續時間選擇

HG/T20509—2014《儀表供電設計規范》要求后備電池供電時間不小于30min。DL/T5226—2013《發電廠電力網絡計算機監控系統設計技術規程》也規定蓄電池備用時間不小于30min。以上述規范為參考，UPS持續供電時間確定的依據是能確保安全停工及處理事故，不致造成人身傷害和重大經濟損失，設為30min。對于三級負荷，采用UPS供電只是為了保證電源質量，應急供電持續時間可以低于30min，也可以不考慮后備時間。為了保證儀表及控制系統供電，向電氣專業提資時，須根據負荷的性質決定切換時間和電能質量，如帶蓄電池要交待持續供電時間；對電力系統主進線提出要求，使儀控系統供電能得到穩定可靠的保證。

2儀表及控制系統的電磁兼容

污水處理及化工裝置的儀控系統不時會發生誤動作或者模塊損壞的情況，它們大多是由電氣設備的開關操作、雷擊放電或接地混亂造成的。由于儀控系統往往采用超大規模的集成電路，防電磁干擾的能力很弱，這就涉及到EMC的問題。

2.1EMC含義

EMC包含兩方面的內容：一是指設備在電磁環境中能夠正常工作，二是設備本身產生的電磁源不會影響周圍設備的正常運行。這是個系統工程，一方面要求設備制造商提高產品的抗干擾能力，另一方面也要求在工程設計和安裝施工等過程中采取措施。

2.2干擾源及抑制措施

干擾源主要通過輻射和線路傳導引入。儀表和控制系統的輻射電磁干擾主要由閃電和電力系統產生，線路傳導干擾主要是由電源線、信號線和接地系統混亂產生的。除了自控專業本身需要采用隔離、電涌保護、雙絞線、屏蔽及接地等抗干擾措施外，還須重視與電氣專業的配合。兩專業在EMC方面的配合主要體現在屏蔽、等電位和接地。隨著電子信息系統的廣泛使用，GB50057—2010《建筑物防雷設計規范》增加了對電子設備的防電磁脈沖的要求，并提出了具體的指導意見：屏蔽、接地、等電位。雷電電磁脈沖與電氣設備操作產生的電磁脈沖相比，除了強度較大外，其他方面包括入侵途徑都大同小異。故該標準提出的防雷電電磁脈沖措施也適用于抑制操作電氣設備產生的電磁脈沖效應。

2.2.1屏蔽

（1）防雷區劃分：按照國家標準GB50057—2010《建筑物防雷設計規范》提供的思路，按雷擊電磁場強度衰減程度的不同來劃分防雷區，如LPZ1、LPZ2、…、LPZn等，數字越大，電磁場衰減效果越好，LPZ0區定義為電磁場強度未衰減區。對于處在室外的儀表設備，設備廠家會解決EMC問題。而控制室都設在室內，且控制室與現場儀表之間的電纜連接往往通過封閉金屬線槽或保護鋼管全程相連，儀表和控制系統不可能處于直接雷擊場合，故LPZ0區不作考慮。（2）屏蔽效果計算：對控制室所在的建筑物來說，電氣專業會盡量利用建筑物的金屬框架、混凝土中的鋼筋、金屬墻面等自然金屬部件與防雷裝置連接，構成格柵型大空間作為屏蔽。自控專業要校驗其能否滿足機房內控制系統的電磁環境要求，如果不滿足，通過加密格柵來解決。格柵的間距由自控專業提給電氣專業。以格柵間距為5m為例進行校驗，控制室內的天花板、墻、樓板、防靜電地板等所用的鋼筋或鋼支架至少每隔5m與接地系統焊接。網格的屏蔽效果可以通過GB50057—2010提供的公式進行校檢：我們不難算出格柵網格寬度為5m的SF值為4.6dB，這意味著，通過5m間距組成的格柵型網格，可使電磁場減小到原來的0.59倍。假設室外的電磁場強度為2kA/m，則按5m間距的格柵型網格可以使室外電磁場強度減少為1.18kA/m，不符合有關規范要求。參考GB/T17626.9－2011《電磁兼容試驗和測量技術脈沖磁場抗擾度試驗》的試驗等級要求，等級為3的脈沖磁場強度值為100A/m。由于PLC或DCS控制系統都安裝在金屬結構的控制柜內，一般控制室磁場強度可要求不超過300A/m。如室外電磁強度為2kA/m，可按式（1）、式（2）計算出屏蔽網格寬度為1m能滿足要求。

2.2.2等電位和接地

一般控制室所在的建筑物，電氣專業采用的接地型式是共用接地系統，則控制室內做等電位時，在其機房四周設置等電位連接帶，該等電位連接帶利用機房內墻的結構柱主鋼筋或自設接地引上線等與接地系統在不同方向至少兩處相連。但要注意，不得直接與防雷引下線相連。同時，控制室內預留一個或多個接地端子板與等電位帶相連，方便機房內的控制系統根據實際需要接成S型、M型或它們的組合等電位結構。進出控制室時，儀表電纜屏蔽層、金屬管道、金屬橋架應作等電位連接，同時工作芯線通過浪涌保護器與該等電位帶或等電位端子相連。對于現場儀表等設備，在儀表集中處預留接地端子板，方便對其進行接地。儀表工程要做好屏蔽、等電位和接地，以達到EMC要求。控制室的EMC措施如圖5所示，以上措施都離不開與電氣專業的密切配合。因為防雷接地設計由電氣專業進行整體考慮，自控專業有必要提出對控制室和現場儀表的接地端子位置、等電位帶的設置、屏蔽格柵的寬度等要求給電氣專業，方便儀表工程施工時采取措施，實現EMC的目標。

3結語

當前微電子和計算機技術在儀控系統大量應用，而該系統能否穩定可靠工作，主要取決于供電和EMC設計，也包括對電氣專業提資的準確性。本文對自控和電氣專業在此兩方面的配合進行了探討，拋磚引玉，可供儀表工程設計者參考，如有不當之處，敬請指正。

［參考文獻］

[1]儀表供電設計規范：HG/T20509—2014[S].

[2]UPS與EPS電源裝置的設計與安裝：15D202-3[Z].

[3]陸德民.石油化工自動控制設計手冊[M].3版.北京：化學工業出版社，2000.

[4]建筑物防雷設計規范：GB50057—2010[S].

作者:龔詠梅 單位:上海環境工程設計研究院有限公司