PLC系統(tǒng)不間斷電源改造實(shí)例

摘 要：公司一泵站PLC控制系統(tǒng)近期發(fā)生因應(yīng)急電源切換造成的供水事故，暴露出EPS應(yīng)急電源系統(tǒng)用于PLC系統(tǒng)配電的缺陷，因此將EPS改造為UPS。文章分析了EPS和UPS的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了PLC控制系統(tǒng)配電優(yōu)選UPS的觀點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：PLC配電；EPS；UPS

我公司一泵站PLC控制系統(tǒng)原采用國(guó)內(nèi)某公司SP系列EPS應(yīng)急電源配電，因EPS應(yīng)急電源切換時(shí)間較長(zhǎng)，引起PLC掉電停機(jī)，造成大面停水事故，不能適應(yīng)城市供水高可靠性要求。經(jīng)論證評(píng)估，確定用UPS不間斷電源替代EPS應(yīng)急電源的改造方案，實(shí)施后效果明顯。

1 EPS（emergency power supply）簡(jiǎn)介

1.1 EPS的原理

如圖1所示，EPS應(yīng)急電源采用單體逆變技術(shù)， 集充電器、蓄電池、逆變器及控制器于一體，內(nèi)部設(shè)計(jì)了電池檢測(cè)、分路檢測(cè)回路。當(dāng)市電正常時(shí)，由市電經(jīng)過(guò)互投裝置給負(fù)載供電，同時(shí)進(jìn)行市電檢測(cè)及蓄電池充電管理。當(dāng)市電供電中斷或市電電壓超限時(shí)，互投裝置將立即投切至逆變器供電，在電池組所提供的直流能源的支持下向負(fù)載供電。當(dāng)市電電壓恢復(fù)正常工作時(shí)，EPS的控制中心發(fā)出信號(hào)對(duì)逆變器執(zhí)行自動(dòng)關(guān)機(jī)操作，同時(shí)還通過(guò)它的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)執(zhí)行從逆變器供電向交流旁路供電的切換操作。EPS在供電回路切換過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生幾十毫秒至幾百毫秒的斷電間隙，目前市場(chǎng)主流產(chǎn)品給出的切換斷電時(shí)間指標(biāo)為100-200mS。

1.2 EPS的缺點(diǎn)

EPS應(yīng)急電源的原理決定了其切換過(guò)程中存在斷電時(shí)間，這對(duì)消防、應(yīng)急照明等供電未必是缺點(diǎn)，但對(duì)PLC供電則是不容忽視的缺點(diǎn)。PLC使用的電源模塊其內(nèi)部整流部分有儲(chǔ)能電容，當(dāng)瞬間供電電壓跌落時(shí)，儲(chǔ)能電容釋放能量，短時(shí)間內(nèi)可能不導(dǎo)致PLC停機(jī)，這個(gè)容許時(shí)間因所帶負(fù)載而不同，一般在100mS以?xún)?nèi)，EPS的切換時(shí)間難以滿(mǎn)足PLC的容許時(shí)間。EPS如果發(fā)生切換，多數(shù)情況會(huì)導(dǎo)致PLC掉電停機(jī)。因此，EPS不適合作為PLC或DCS系統(tǒng)的應(yīng)急供電設(shè)備。

2 UPS（uninterrupted power supply）簡(jiǎn)介

2.1 UPS的原理

UPS主要分為兩大類(lèi)三種形式：后備式、在線(xiàn)式、在線(xiàn)互動(dòng)式，因后備式和在線(xiàn)互動(dòng)式兩種形式的UPS電源都不能回避切換時(shí)間的問(wèn)題，本次改造未予考慮。在線(xiàn)式UPS的原理如圖2所示，主要由整流器、逆變器、靜態(tài)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)和后備電池組成.。市電供電正常時(shí)，市電經(jīng)過(guò)整流器整流為直流后，一路經(jīng)逆變器逆變?yōu)榻涣麟娸敵鲋霖?fù)載，另一路經(jīng)充電回路向蓄電池組充電。當(dāng)市電中斷，蓄電池組輸出直流電經(jīng)逆變器逆變?yōu)榻涣麟娸敵鼋o負(fù)載，直至電池組能量耗盡。在市電中斷向電池組供電切換過(guò)程中，無(wú)切換時(shí)間，可實(shí)現(xiàn)不間斷供電。在UPS主機(jī)故障時(shí)，由靜態(tài)開(kāi)關(guān)將逆變器供電轉(zhuǎn)換為旁路市電供電，靜態(tài)開(kāi)關(guān)的切換時(shí)間為2-4mS。

2.2 UPS的優(yōu)缺點(diǎn)

在線(xiàn)式UPS在市電中斷向電池組供電切換過(guò)程中，無(wú)切換時(shí)間，可實(shí)現(xiàn)不間斷供電，即便是UPS本機(jī)故障向旁路切換，其2-4mS的切換時(shí)間也遠(yuǎn)小于PLC容許的斷電時(shí)間，從這一性能的角度看，在線(xiàn)式UPS作為PLC系統(tǒng)的應(yīng)急電源配置具有較好的適用性，但從使用的可靠性看，UPS單機(jī)故障率明顯高于EPS，在對(duì)供電質(zhì)量要求較高的場(chǎng)合使用UPS，需要可慮冗余配置。

3 改造方案

在詳細(xì)比較論證的基礎(chǔ)上確定如下改造原則：

（1）原EPS電源繼續(xù)使用，用于應(yīng)急水泵和閥組的應(yīng)急供電；（2）PLC系統(tǒng)的供電用UPS替代EPS，UPS采用工頻在線(xiàn)式；（3）UPS采用雙機(jī)并聯(lián)冗余方式；（4）采用進(jìn)線(xiàn)端加隔離變壓器的兩路市電輸入方式。

3.1 改造方案描述

根據(jù)上述原則，制定了兩套改造方案，方案1如圖3所示，配置兩臺(tái)同規(guī)格的山特城堡系列10千伏安的工頻UPS不間斷電源，分別由引自低壓配電系統(tǒng)兩段母線(xiàn)的兩路220伏市電作為兩臺(tái)UPS的輸入電源，UPS輸入端配置隔離變壓器，用于抑制電網(wǎng)尖峰電壓，提高UPS整流部分抗電網(wǎng)過(guò)壓沖擊能力。兩臺(tái)UPS的輸出接到一臺(tái)SU系列STS雙路靜態(tài)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，STS的輸出給PLC供電。兩臺(tái)UPS均正常工作時(shí)，其輸出由STS靜態(tài)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)根據(jù)設(shè)定自動(dòng)選擇，當(dāng)被選擇的UPS出現(xiàn)故障時(shí)，STS靜態(tài)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)自動(dòng)切換到另一UPS的輸出，切換時(shí)間2-4mS。因雙機(jī)并聯(lián)具有較高的可靠性，UPS不再配置旁路，盡量保持電路簡(jiǎn)潔。

方案2如圖4所示，其輸入部分與方案1相同，配置兩臺(tái)同規(guī)格的山特6千伏安的工頻UPS不間斷電源，兩臺(tái)UPS各配置一塊并機(jī)卡，兩臺(tái)UPS的輸出部分直接并聯(lián)，因使用了并機(jī)卡保證兩臺(tái)UPS輸出同相，不需使用STS切換。兩臺(tái)UPS正常運(yùn)行時(shí)，共同承擔(dān)外部負(fù)荷，當(dāng)其中一臺(tái)UPS故障時(shí)，故障機(jī)自動(dòng)關(guān)機(jī)退出運(yùn)行，無(wú)故障的機(jī)器繼續(xù)向負(fù)載供電。如需檢修，可斷開(kāi)相應(yīng)輸入、輸出斷路器，將其中一臺(tái)UPS從回路中切除。

3.2 方案比較

兩套方案均能滿(mǎn)足PLC系統(tǒng)供電需求。方案1采用STS雙路靜態(tài)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)作為兩臺(tái)UPS輸出的接口，需要考慮兩臺(tái)UPS輸出的相位差問(wèn)題，從安全角度考慮，需要配備鑒相器，保證兩路電源順利切換。查閱文獻(xiàn)也有不使用鑒相器的實(shí)例，但從電工學(xué)理論看，具有相位差的兩路電源直接并聯(lián)或直接切換（特別是帶有感性負(fù)載時(shí)）是有風(fēng)險(xiǎn)的。STS和鑒相器的使用勢(shì)必增加電路的復(fù)雜性和故障點(diǎn)，這是這一方案的不利因素之一。另外，由于切換裝置的采用，在同一時(shí)刻只能有一臺(tái)UPS為負(fù)載供電，另一臺(tái)UPS處于熱備狀態(tài)，單臺(tái)UPS的容量必須滿(mǎn)足全部負(fù)載的要求，這是方案1選用10千伏安UPS，方案2選用6千伏安UPS的原因，造成了設(shè)備和投資的浪費(fèi)。

方案2采用并機(jī)卡選裝件，實(shí)現(xiàn)了兩臺(tái)UPS內(nèi)部逆變器協(xié)調(diào)工作，同相位輸出，兩路輸出直接并聯(lián)，無(wú)需使用STS和鑒相器，并機(jī)卡選裝件為設(shè)備同系列產(chǎn)品，具有良好的兼容性。同時(shí)，兩臺(tái)UPS共同承擔(dān)外部負(fù)載，單臺(tái)UPS的容量可以適當(dāng)減小，選用6千伏安即可以滿(mǎn)足要求。

比較可見(jiàn)，方案2比方案1降低了電路的復(fù)雜性和設(shè)備投資，具有明顯的優(yōu)勢(shì)，確定選用方案2進(jìn)行實(shí)施。

4 實(shí)施效果

2015年4月改造實(shí)施完畢，在電網(wǎng)多次出現(xiàn)故障的情況下，UPS均工作正常，PLC系統(tǒng)供電穩(wěn)定可靠。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，可以得到如下幾條：（1）PLC系統(tǒng)的供電建議優(yōu)先考慮UPS；（2）UPS采用雙機(jī)并聯(lián)冗余方式時(shí)，使用并機(jī)卡實(shí)現(xiàn)直接并聯(lián)具有一定的優(yōu)勢(shì)；（3）工程應(yīng)用中，EPS可用于消防及應(yīng)急照明，UPS用于通訊、控制等設(shè)備等供電電源，使用側(cè)重點(diǎn)不同。

參考文獻(xiàn)

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[3]王蔚.淺談EPS應(yīng)急電源裝置的應(yīng)用[J].中國(guó)水運(yùn)（下半月），2008（6）.

作者簡(jiǎn)介：梁友輝（1973-），男，工程師，主要從事自動(dòng)化儀器儀表方面的研究，工作單位：山東省龍口市自來(lái)水有限公司。