连续生产线开关电源供电的可靠性分析
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摘 要：为了提高连续生产線的设备可靠性，预防突发性故障。文章针对现场设备开关电源的供电稳定性方面进行了研究，介绍了使用冗余模块、直接并联、二极管防电源环流等三种解决方案，并依次进行了探讨。能有效地防止开关电源故障引起供电电路崩溃，确保连续生产线设备运行安全。
关键词：连续生产线;开关电源;冗余;并联
中图分类号：TH862 文献标志码：A 文章编号：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
连续生产线是指生产过程中不可随意停机的产线，由于生产工艺限制，一旦出现故障停机，就会带来较大的损失。例如冶金行业中的连续退火生产线，产品以高档家电板和汽车板为主。在生产过程中，炉子不封口，钢带以平均每分钟120～350米的高速通过炉区，进行工艺退火。如果发生设备故障突然停止生产线运行。退火炉的高温会迅速使滞留在炉内的带钢变形、瓢曲，极易引起刮边、断带等设备事故。因此，连续生产线的设备维护过程中，电气系统的可靠性和故障防范显得极其重要。
开关电源是生产线中常用的电气设备，具有体积小、重量轻、功耗小、效率高的特点。在连续生产线中，其主要用于PLC模块、远程I/O站、PROFIBUS网络、仪器仪表、变频器控制电路等重要部位。一旦开关电源出现故障，对连续生产线的伤害是致命的。大多数都会造成机组故障停机损失。为此，设计者通常会在PLC主控制室，增加UPS不间断电源保护系统。因为UPS系统费用昂贵，体积较大，不可能大范围应用。现场电气控制柜大量开关电源的健康状态与管理便成为了需要关注的重点。
2 增加冗余模块保障电路安全
按照连续生产线的设备特性，确保直流电路供电安全最好的方法是做冗余。以西门子SITOP电源为例，可以加装冗余模块，连续监控线路馈电单元。在电源发生故障时自动切换，确保线路安全可靠。冗余模块与两个开关电源组合使用，接线方式见图1。两个开关电源并非直接并联，而是通过冗余模块解耦控制后再并联。
依靠冗余模块，可让两个电源实时供电互为备用。在冗余模块的作用下，两个电源会智能实现负载均衡和电流分配。一旦某个电源发生故障，另一个电源可以迅速带起全部负载，同时切断故障电源，确保设备供电不受影响。此时冗余模块的LED会变成红色，并能通过信号触点发送诊断信息，提示设备人员及时检查，给故障处理提供了方便。
冗余模块的交流输入最好使用两路不同的交流线路供电，实现完全冗余。这样即使有一路输入端掉电，也能保证线路安全。需要注意的是：冗余直流开关电源中任何一只电源，它的输出电流必须大于系统的最大工作电流。
所有电气柜都使用冗余模块，同样增加较大成本。一条连续生产线机组必须增加与原设计相同数量的SITOP电源和冗余模块才能满足现场需要，并且改造需要大量的停机时间。如果供电电路所需输出电流大于20A，还需要再增加一个冗余模块。即两个电源模块加上两个冗余模块的组建方式，花费更大成本（图2）。
3 两个开关电源直接并联实现部分冗余功能
为了节约成本，也可以省去冗余模块，直接采用两个开关电源直接并联使用的方式。电源并联使用可以扩大系统负载，实现一定的冗余功能。但开关电源并联使用的要求很高，并不是所有的开关电源都适合直接并联使用，必须谨慎！开关电源并联使用最大的问题会产生电源环流，环流会引起电源温升过快，甚至导致电源烧毁。
开关电源进行直接并联，要确保两电源的订货号一致。能够并联运行的开关电源通常具有功能拨码开关，以SITOP为例：可将拨码开关A拨至“ON”状态，打开SITOP电源的并联运行功能（连接冗余模块也必须打开此开关）。此时电源输出特性会改变，自动在两电源之间实现均流，并以限流方式进行负载分配。
两个SITOP电源直接并联，还要遵循以下原则：首先要测量两个并联电源的空载输出电压，其最大偏差不应超过50mV。其次，两个电源必须并联在一个发送端点，不允许直接并联在装置的接线端子上（图3）。直接并联在装置端子上会使两个设备的公共短路电流在接线端发生过载，可能导致电源设备崩溃。第三，要尽量确保两电源到并联发送点的线阻相等。最后，两个并联电源输入端必须共用一个断路器，确保同时送电和断电。
两个开关电源直接并联使用可以应对单个电源损坏的大多数情况，保证电路供电安全。但如果其中一个电源输出端出现内部短路而电源模块的自保护不及时，仍有可能导致整个电路跳闸。另外，两个电源直接并联并非完全冗余，不能应对输入端断电的情况。
4 利用二极管进行防环流保护
如果两个电源有差异，不利用冗余模块，也可以并联连接使用。前提是利用大功率二极管组建一个箝位电路进行保护（图4）。
同理可证，当E1<E2时，D1不导通。也就是说，两个并联的电源，谁的电势高，谁串联的二极管就导通。这时，电路中其实只有一个电源在工作。而每当工作电源损坏的时候，另一个电源会自动投入。严格地说，这种方式不应该叫做电源并联，只能称为并列，属于一用一备的情况。这种方式也能实现开关电源的冗余功能，保障电路有效供电。
5 结束语
对于类似连续退火生产线这样的连续机组，开关电源事故的预先防范非常重要，故障的事后分析和补救措施则意义不大。利用冗余模块、直接并联或者建立箝位电路保护的方式，让两个开关电源实现自动切换，才能确保供电线路安全，提高系统的可靠性，避免停机损失。
参考文献：
[1]王喆，吕建萍.直流稳压电源冗余接线方式的分析[J].化工自动化及仪表，2018（11）：899-902.
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