連續生產線開關電源供電的可靠性分析
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摘 要：為了提高連續生產線的設備可靠性，預防突發性故障。文章針對現場設備開關電源的供電穩定性方面進行了研究，介紹了使用冗余模塊、直接并聯、二極管防電源環流等三種解決方案，并依次進行了探討。能有效地防止開關電源故障引起供電電路崩潰，確保連續生產線設備運行安全。
關鍵詞：連續生產線;開關電源;冗余;并聯
中圖分類號：TH862 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）15-0074-02
Abstract： In order to improve the equipment reliability of continuous production line and prevent sudden failure. In this paper， the power supply stability of switching power supply for field equipment is studied. This paper introduces three solutions， such as using redundant module， direct parallel connection and diode anti-power circulation， and discusses them in turn. The utility model can effectively prevent the power supply circuit from collapsing caused by the failure of the switching power supply and ensure the safe operation of the equipment of the continuous production line.
Keywords： continuous production line; switching power supply; redundancy; parallel connection
1 概述
連續生產線是指生產過程中不可隨意停機的產線，由于生產工藝限制，一旦出現故障停機，就會帶來較大的損失。例如冶金行業中的連續退火生產線，產品以高檔家電板和汽車板為主。在生產過程中，爐子不封口，鋼帶以平均每分鐘120～350米的高速通過爐區，進行工藝退火。如果發生設備故障突然停止生產線運行。退火爐的高溫會迅速使滯留在爐內的帶鋼變形、瓢曲，極易引起刮邊、斷帶等設備事故。因此，連續生產線的設備維護過程中，電氣系統的可靠性和故障防范顯得極其重要。
開關電源是生產線中常用的電氣設備，具有體積小、重量輕、功耗小、效率高的特點。在連續生產線中，其主要用于PLC模塊、遠程I/O站、PROFIBUS網絡、儀器儀表、變頻器控制電路等重要部位。一旦開關電源出現故障，對連續生產線的傷害是致命的。大多數都會造成機組故障停機損失。為此，設計者通常會在PLC主控制室，增加UPS不間斷電源保護系統。因為UPS系統費用昂貴，體積較大，不可能大范圍應用。現場電氣控制柜大量開關電源的健康狀態與管理便成為了需要關注的重點。
2 增加冗余模塊保障電路安全
按照連續生產線的設備特性，確保直流電路供電安全最好的方法是做冗余。以西門子SITOP電源為例，可以加裝冗余模塊，連續監控線路饋電單元。在電源發生故障時自動切換，確保線路安全可靠。冗余模塊與兩個開關電源組合使用，接線方式見圖1。兩個開關電源并非直接并聯，而是通過冗余模塊解耦控制后再并聯。
依靠冗余模塊，可讓兩個電源實時供電互為備用。在冗余模塊的作用下，兩個電源會智能實現負載均衡和電流分配。一旦某個電源發生故障，另一個電源可以迅速帶起全部負載，同時切斷故障電源，確保設備供電不受影響。此時冗余模塊的LED會變成紅色，并能通過信號觸點發送診斷信息，提示設備人員及時檢查，給故障處理提供了方便。
冗余模塊的交流輸入最好使用兩路不同的交流線路供電，實現完全冗余。這樣即使有一路輸入端掉電，也能保證線路安全。需要注意的是：冗余直流開關電源中任何一只電源，它的輸出電流必須大于系統的最大工作電流。
所有電氣柜都使用冗余模塊，同樣增加較大成本。一條連續生產線機組必須增加與原設計相同數量的SITOP電源和冗余模塊才能滿足現場需要，并且改造需要大量的停機時間。如果供電電路所需輸出電流大于20A，還需要再增加一個冗余模塊。即兩個電源模塊加上兩個冗余模塊的組建方式，花費更大成本（圖2）。
3 兩個開關電源直接并聯實現部分冗余功能
為了節約成本，也可以省去冗余模塊，直接采用兩個開關電源直接并聯使用的方式。電源并聯使用可以擴大系統負載，實現一定的冗余功能。但開關電源并聯使用的要求很高，并不是所有的開關電源都適合直接并聯使用，必須謹慎！開關電源并聯使用最大的問題會產生電源環流，環流會引起電源溫升過快，甚至導致電源燒毀。
開關電源進行直接并聯，要確保兩電源的訂貨號一致。能夠并聯運行的開關電源通常具有功能撥碼開關，以SITOP為例：可將撥碼開關A撥至“ON”狀態，打開SITOP電源的并聯運行功能（連接冗余模塊也必須打開此開關）。此時電源輸出特性會改變，自動在兩電源之間實現均流，并以限流方式進行負載分配。
兩個SITOP電源直接并聯，還要遵循以下原則：首先要測量兩個并聯電源的空載輸出電壓，其最大偏差不應超過50mV。其次，兩個電源必須并聯在一個發送端點，不允許直接并聯在裝置的接線端子上（圖3）。直接并聯在裝置端子上會使兩個設備的公共短路電流在接線端發生過載，可能導致電源設備崩潰。第三，要盡量確保兩電源到并聯發送點的線阻相等。最后，兩個并聯電源輸入端必須共用一個斷路器，確保同時送電和斷電。
兩個開關電源直接并聯使用可以應對單個電源損壞的大多數情況，保證電路供電安全。但如果其中一個電源輸出端出現內部短路而電源模塊的自保護不及時，仍有可能導致整個電路跳閘。另外，兩個電源直接并聯并非完全冗余，不能應對輸入端斷電的情況。
4 利用二極管進行防環流保護
如果兩個電源有差異，不利用冗余模塊，也可以并聯連接使用。前提是利用大功率二極管組建一個箝位電路進行保護（圖4）。
同理可證，當E1<E2時，D1不導通。也就是說，兩個并聯的電源，誰的電勢高，誰串聯的二極管就導通。這時，電路中其實只有一個電源在工作。而每當工作電源損壞的時候，另一個電源會自動投入。嚴格地說，這種方式不應該叫做電源并聯，只能稱為并列，屬于一用一備的情況。這種方式也能實現開關電源的冗余功能，保障電路有效供電。
5 結束語
對于類似連續退火生產線這樣的連續機組，開關電源事故的預先防范非常重要，故障的事后分析和補救措施則意義不大。利用冗余模塊、直接并聯或者建立箝位電路保護的方式，讓兩個開關電源實現自動切換，才能確保供電線路安全，提高系統的可靠性，避免停機損失。
參考文獻：
[1]王喆，呂建萍.直流穩壓電源冗余接線方式的分析[J].化工自動化及儀表，2018（11）：899-902.
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