西門子SITOP 直流電源簡(jiǎn)化冗余及電壓監(jiān)控實(shí)踐

孟 濤，韓曉東

（一汽大眾汽車有限公司，吉林長(zhǎng)春 130011）

0 引言

西門子SITOP 直流電源在工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，特別是老一代直流電源產(chǎn)品6EP14373BA00（40 A）仍然大量使用在工業(yè)生產(chǎn)中。2014 年，6EP14373BA00（40 A）直流電源已經(jīng)正式宣布淘汰。很多仍在裝機(jī)服役的6EP14373BA00 電源因現(xiàn)場(chǎng)溫度、環(huán)境和電流沖擊等因素，造成電源內(nèi)部原件出現(xiàn)不同程度老化，隨時(shí)會(huì)損壞。尤其是給可編程序控制器和安全控制器供電的直流電源，一旦損壞將會(huì)造成不可預(yù)估的停臺(tái)和備件成本的損失。

目前，沖壓車間4 條自動(dòng)化生產(chǎn)線共裝機(jī)使用132 個(gè)西門子40 A 直流電源，其中，6EP14373BA00（40 A）裝機(jī)量為90個(gè)，42 個(gè)6EP14373BA10（40 A）是近3 年損壞更換的替代產(chǎn)品，該電源也在2021 年3 月宣布淘汰，電源老化情況嚴(yán)重，故障較多。電源損壞的主要原因有：①電源損壞短路后保護(hù)開關(guān)脫開，造成負(fù)載電器斷電。②電壓異常升高或降低，升高的電壓燒毀負(fù)載電器。采取并聯(lián)供電冗余和電壓監(jiān)控相結(jié)合的方式，可以有效應(yīng)對(duì)以上突發(fā)故障。本文介紹西門子SITOP 直流電源在國(guó)內(nèi)某大型汽車制造廠沖壓車間沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)線的簡(jiǎn)化冗余實(shí)踐情況。

1 西門子SITOP 電源（40 A）系列產(chǎn)品介紹

西門子SITOP 直流電源（40 A）目前有6EP14373BA00（40 A）、6EP14373BA10（40 A）、6EP3437-8SB00-0AY0（40 A）等三代產(chǎn)品。按照排列順序，3 種直流24 V 電源具有體積逐漸減小，各項(xiàng)能力逐步增強(qiáng)，功能逐步增加的特點(diǎn)。6EP14373BA00（40 A）外殼寬度240 mm，無(wú)13、14 電壓信號(hào)常開觸點(diǎn)，無(wú)15、16 遠(yuǎn)程關(guān)斷觸點(diǎn)。6EP14373BA10（40 A）外殼寬度150 mm，有13、14 電壓信號(hào)常開觸點(diǎn)，無(wú)15、16 遠(yuǎn)程關(guān)斷觸點(diǎn)。6EP3437-8SB00-0AY0（40 A）外殼寬度135 mm，有13、14 電壓信號(hào)常開觸點(diǎn)，有15、16遠(yuǎn)程關(guān)斷觸點(diǎn)。體積減小可有效節(jié)約電柜內(nèi)部空間，13、14 電壓信號(hào)常開觸點(diǎn)可對(duì)輸出電壓超出范圍進(jìn)行反應(yīng)，15、16 遠(yuǎn)程關(guān)斷功能通過(guò)短接（＜8 kΩ）即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程關(guān)閉。三代產(chǎn)品都具有撥碼開關(guān)A 和B，用于控制輸出特性曲線。并聯(lián)使用時(shí)，撥碼開關(guān)A撥到ON 位置，相當(dāng)于增加了二極管，自帶去耦功能，防止電源并聯(lián)使用時(shí)，另一個(gè)電源損壞后形成負(fù)載，拉低正在工作的電源的輸出電壓。撥碼開關(guān)B 具有鎖定關(guān)斷功能，控制輸出電流在超載狀態(tài)下的恒定狀態(tài)，如圖1 所示。

圖1 開關(guān)A/B

2 西門子SITOP 電源（40 A）冗余功能介紹

冗余功能是指2 個(gè)電源并聯(lián)供電，當(dāng)一個(gè)電源故障停止輸出電流后，另一個(gè)電源持續(xù)保持供電，不對(duì)工作中的負(fù)載設(shè)備產(chǎn)生斷電影響。西門子SITOP 電源（40 A）的標(biāo)準(zhǔn)冗余方案需要添加冗余模塊，訂貨號(hào)6EP1961-3BA21（40 A）。冗余模塊的功能是對(duì)2 臺(tái)同型號(hào)的電源進(jìn)行解耦操作，用于電源系統(tǒng)擴(kuò)容或冗余，并且可以監(jiān)控顯示模塊輸出狀態(tài)，附帶OK 觸點(diǎn)可接入控制系統(tǒng)。2 個(gè)額定電流在10～20 A 的SITOP 電源進(jìn)行冗余配置時(shí)，只需要增加一個(gè)額定電流40 A 的冗余模塊用于冗余組網(wǎng)配置；2 個(gè)額定電流20 A 以上的SITOP 電源進(jìn)行冗余配置時(shí)，必須使用2 個(gè)額定電流為40 A 的冗余模塊才可以進(jìn)行冗余組網(wǎng)配置（圖2）。

圖2 冗余配置40 A

使用冗余模塊配置實(shí)現(xiàn)冗余存在2 個(gè)問(wèn)題：①在成型的電柜布局內(nèi)，沒(méi)有冗余模塊的安裝空間。②全部添加冗余模塊配置，需要較高的安裝成本。鑒于這些問(wèn)題，需要設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化冗余模式。不使用冗余模塊配置的并聯(lián)需要滿足以下5個(gè)要求。

（1）只有訂貨號(hào)完全相同的西門子SITOP 電源才可以直接并聯(lián)使用。

（2）從每個(gè)西門子SITOP 電源的輸出端子L+和M 連接到負(fù)載電流輸出節(jié)點(diǎn)的導(dǎo)線長(zhǎng)度和橫截面積要盡量相等。

（3）西門子SITOP 電源并聯(lián)時(shí)，禁止將2 個(gè)西門子SITOP電源的輸出端L+和M 分別短接在一起。

（4）西門子SITOP 電源并聯(lián)時(shí)，需要2 個(gè)電源的輸出端L+同時(shí)接到負(fù)載的正極，同理，2 個(gè)M 點(diǎn)需要同時(shí)接到負(fù)載的負(fù)極（圖3）。

圖3 并聯(lián)接線

（5）在新型的西門子SITOP 電源中，有一個(gè)撥碼開關(guān)A，并聯(lián)使用時(shí)，需要將A 撥到ON 位置，此時(shí)電源會(huì)改變輸出特性，自動(dòng)在2 個(gè)電源間分配負(fù)載電流。

3 IV-U3 直流電壓檢測(cè)控制延時(shí)繼電器的參數(shù)設(shè)置

6EP14373BA00（40 A）未裝配13、14 電壓信號(hào)常開觸點(diǎn)，為應(yīng)對(duì)電源電壓在工作中的異常升高或降低對(duì)負(fù)載電器產(chǎn)生的影響，需要使用電壓監(jiān)控模塊對(duì)電壓進(jìn)行監(jiān)控。在電壓超出設(shè)定范圍時(shí)，通過(guò)有效動(dòng)作終止故障電源供電，保護(hù)電路負(fù)載電器。經(jīng)過(guò)選型，IV-U3 直流電壓檢測(cè)控制延時(shí)繼電器具備要求的功能，可通過(guò)設(shè)定的電壓監(jiān)控觸發(fā)自帶繼電器動(dòng)作，通過(guò)繼電器的動(dòng)作信號(hào)關(guān)斷電源供電接觸器，實(shí)現(xiàn)終止故障電源的錯(cuò)誤電壓輸出，如圖4 所示。IV-U3 直流電壓檢測(cè)控制延時(shí)繼電器有4 組參數(shù)設(shè)置。

圖4 IV-U3 接線

（1）P1 參數(shù)組功能為延時(shí)設(shè)定，即設(shè)定繼電器吸合延時(shí)時(shí)間。

（2）P2 參數(shù)組功能為電壓檢測(cè)控制，即設(shè)定檢測(cè)電壓的區(qū)間，用于控制繼電器動(dòng)作，初始狀態(tài)為釋放狀態(tài)。

（3）P3 參數(shù)組功能為電壓檢測(cè)控制，即設(shè)定檢測(cè)電壓的區(qū)間，用于控制繼電器動(dòng)作，初始狀態(tài)為吸合狀態(tài)。

（4）P4 參數(shù)組功能為過(guò)壓欠壓控制，即設(shè)定兩個(gè)上下限值電壓值，超過(guò)上限電壓值或者低于下限電壓值后，繼電器產(chǎn)生動(dòng)作（圖5）。

圖5 P4 參數(shù)設(shè)定

在沖壓車間的電壓監(jiān)控應(yīng)用中使用P1 和P4 參數(shù)配置模塊。P1 參數(shù)設(shè)置延時(shí)時(shí)間，P4 參數(shù)對(duì)6EP14373BA00（40 A）輸出的直流電壓進(jìn)行壓力監(jiān)控范圍設(shè)定。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)際用電需求情況，通過(guò)電位器調(diào)整電源的工作電壓在24.5～26 V，設(shè)定檢測(cè)電壓范圍為23.5～27 V。

4 帶電壓監(jiān)控的6EP14373BA00（40 A）電源的簡(jiǎn)化冗余控制

4.1 冗余簡(jiǎn)圖（圖6）

圖6 簡(jiǎn)化冗余簡(jiǎn)圖

（1）總開關(guān)負(fù)責(zé)保證2 個(gè)電源同時(shí)上電和失電。

（2）分開關(guān)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電源供電的單獨(dú)過(guò)載保護(hù)，保護(hù)設(shè)定電流根據(jù)負(fù)載電器的滿負(fù)荷值為基準(zhǔn)值設(shè)定。額定輸入電流2.6 A，技術(shù)手冊(cè)要求保護(hù)電流3.0 A。

（3）繼電器，在設(shè)備優(yōu)先級(jí)滿足條件下吸合供電，可通過(guò)電壓監(jiān)控模塊的常閉點(diǎn)控制關(guān)斷。

（4）西門子電源，6EP14373BA00（40 A）無(wú)13、14 電壓信號(hào)常開觸點(diǎn)。

（5）電源電壓檢測(cè)接線，由電源輸出端引出接入檢測(cè)模塊檢測(cè)端子。

（6）電壓檢測(cè)模塊的常閉觸點(diǎn)，檢測(cè)電壓超出設(shè)定正常范圍后，繼電器動(dòng)作，常閉觸點(diǎn)斷開，繼電器釋放，切斷電源模塊供電。

（7）電壓檢測(cè)模塊，檢測(cè)電壓精度0.1 V，帶延時(shí)功能的繼電器控制，繼電器帶一個(gè)常開和一個(gè)常閉觸點(diǎn)。

（8）電壓檢測(cè)模塊供電接線，由2 個(gè)直流電源的正極輸出端并聯(lián)后引出模塊供電，模塊可接受的電壓范圍是DC 8～35 V。

（9）電壓檢測(cè)模塊負(fù)極接線，由2 個(gè)直流電源的負(fù)極輸出端并聯(lián)后引出模塊負(fù)極。

（10）散熱二極管（50 A），隔離檢測(cè)電壓，防止一個(gè)故障電源的電壓升高，對(duì)另一個(gè)并聯(lián)電源的電壓檢測(cè)造成影響。二極管ZP50A.58，封裝M220.58，散熱器HS1040。

4.2 電路功能實(shí)現(xiàn)過(guò)程

（1）短路故障。2 個(gè)電源并聯(lián)均衡分配負(fù)載需要的電源，對(duì)負(fù)載供電，當(dāng)直流電源1 發(fā)生短路故障時(shí)，Q2 脫開，直流電源1電源停止供電。同時(shí)，直流電源2 的輸出電流在4～10 ms 內(nèi)由負(fù)載所需電流的50%提升至負(fù)載所需電流的100%，保證負(fù)載穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)散熱二極管1 防止損壞的電源形成負(fù)載，拉低直流電源2 的輸出電壓。

（2）電壓異常。2 個(gè)電源均衡并聯(lián)分配負(fù)載需要的電源，對(duì)負(fù)載供電，當(dāng)直流電源1 調(diào)節(jié)電壓故障，輸出電壓異常升高超出27 V 時(shí)，通過(guò)電壓檢測(cè)模塊的常閉觸點(diǎn)1 檢測(cè)電壓接線，電壓檢測(cè)模塊1 繼電器吸合，常閉觸點(diǎn)斷開，KC1 失電釋放，切斷直流電源1 供電。同時(shí)，直流電源2 的輸出電流在4～10 ms 內(nèi)由負(fù)載所需電流的50%提升至負(fù)載所需電流的100%，保證負(fù)載穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)散熱二極管1 發(fā)揮隔離作用，阻斷升高的電壓通過(guò)并聯(lián)電路，對(duì)電壓檢測(cè)模塊的常閉觸點(diǎn)2 的檢測(cè)電壓產(chǎn)生影響。3BA00 并聯(lián)輸出特性曲線如圖7 所示。

圖7 3BA00 并聯(lián)輸出特性曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

西門子SITOP 直流電源簡(jiǎn)化冗余和電壓監(jiān)控適用于為重要的用電設(shè)備供電的電源（如CPU 等重要用電設(shè)備），已經(jīng)產(chǎn)生供電電源器件老化，進(jìn)而有可能導(dǎo)致發(fā)生嚴(yán)重停機(jī)故障，或者造成負(fù)載電器損毀的控制電路中，有效提高用電安全性。對(duì)于升級(jí)的電源模塊，6EP14373BA10（40 A），可通過(guò)自帶的13、14 電壓信號(hào)常開觸點(diǎn)代替電壓監(jiān)控模塊，實(shí)現(xiàn)上述功能。6EP3437-8SB00-0AY0（40 A）自帶13、14電壓信號(hào)常開觸點(diǎn)和15、16 遠(yuǎn)程關(guān)斷功能，可減少電壓監(jiān)控模塊，以及根據(jù)實(shí)際需要，自行選擇加裝并控制繼電器，控制執(zhí)行電源模塊的關(guān)斷或使用遠(yuǎn)程關(guān)斷功能關(guān)閉電源。