PLC系統不間斷電源改造實例

摘 要：公司一泵站PLC控制系統近期發生因應急電源切換造成的供水事故，暴露出EPS應急電源系統用于PLC系統配電的缺陷，因此將EPS改造為UPS。文章分析了EPS和UPS的優缺點，提出了PLC控制系統配電優選UPS的觀點。

關鍵詞：PLC配電；EPS；UPS

我公司一泵站PLC控制系統原采用國內某公司SP系列EPS應急電源配電，因EPS應急電源切換時間較長，引起PLC掉電停機，造成大面停水事故，不能適應城市供水高可靠性要求。經論證評估，確定用UPS不間斷電源替代EPS應急電源的改造方案，實施后效果明顯。

1 EPS（emergency power supply）簡介

1.1 EPS的原理

如圖1所示，EPS應急電源采用單體逆變技術， 集充電器、蓄電池、逆變器及控制器于一體，內部設計了電池檢測、分路檢測回路。當市電正常時，由市電經過互投裝置給負載供電，同時進行市電檢測及蓄電池充電管理。當市電供電中斷或市電電壓超限時，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載供電。當市電電壓恢復正常工作時，EPS的控制中心發出信號對逆變器執行自動關機操作，同時還通過它的轉換開關執行從逆變器供電向交流旁路供電的切換操作。EPS在供電回路切換過程中會產生幾十毫秒至幾百毫秒的斷電間隙，目前市場主流產品給出的切換斷電時間指標為100-200mS。

1.2 EPS的缺點

EPS應急電源的原理決定了其切換過程中存在斷電時間，這對消防、應急照明等供電未必是缺點，但對PLC供電則是不容忽視的缺點。PLC使用的電源模塊其內部整流部分有儲能電容，當瞬間供電電壓跌落時，儲能電容釋放能量，短時間內可能不導致PLC停機，這個容許時間因所帶負載而不同，一般在100mS以內，EPS的切換時間難以滿足PLC的容許時間。EPS如果發生切換，多數情況會導致PLC掉電停機。因此，EPS不適合作為PLC或DCS系統的應急供電設備。

2 UPS（uninterrupted power supply）簡介

2.1 UPS的原理

UPS主要分為兩大類三種形式：后備式、在線式、在線互動式，因后備式和在線互動式兩種形式的UPS電源都不能回避切換時間的問題，本次改造未予考慮。在線式UPS的原理如圖2所示，主要由整流器、逆變器、靜態轉換開關和后備電池組成.。市電供電正常時，市電經過整流器整流為直流后，一路經逆變器逆變為交流電輸出至負載，另一路經充電回路向蓄電池組充電。當市電中斷，蓄電池組輸出直流電經逆變器逆變為交流電輸出給負載，直至電池組能量耗盡。在市電中斷向電池組供電切換過程中，無切換時間，可實現不間斷供電。在UPS主機故障時，由靜態開關將逆變器供電轉換為旁路市電供電，靜態開關的切換時間為2-4mS。

2.2 UPS的優缺點

在線式UPS在市電中斷向電池組供電切換過程中，無切換時間，可實現不間斷供電，即便是UPS本機故障向旁路切換，其2-4mS的切換時間也遠小于PLC容許的斷電時間，從這一性能的角度看，在線式UPS作為PLC系統的應急電源配置具有較好的適用性，但從使用的可靠性看，UPS單機故障率明顯高于EPS，在對供電質量要求較高的場合使用UPS，需要可慮冗余配置。

3 改造方案

在詳細比較論證的基礎上確定如下改造原則：

（1）原EPS電源繼續使用，用于應急水泵和閥組的應急供電；（2）PLC系統的供電用UPS替代EPS，UPS采用工頻在線式；（3）UPS采用雙機并聯冗余方式；（4）采用進線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，配置兩臺同規格的山特城堡系列10千伏安的工頻UPS不間斷電源，分別由引自低壓配電系統兩段母線的兩路220伏市電作為兩臺UPS的輸入電源，UPS輸入端配置隔離變壓器，用于抑制電網尖峰電壓，提高UPS整流部分抗電網過壓沖擊能力。兩臺UPS的輸出接到一臺SU系列STS雙路靜態轉換開關，STS的輸出給PLC供電。兩臺UPS均正常工作時，其輸出由STS靜態轉換開關根據設定自動選擇，當被選擇的UPS出現故障時，STS靜態轉換開關自動切換到另一UPS的輸出，切換時間2-4mS。因雙機并聯具有較高的可靠性，UPS不再配置旁路，盡量保持電路簡潔。

方案2如圖4所示，其輸入部分與方案1相同，配置兩臺同規格的山特6千伏安的工頻UPS不間斷電源，兩臺UPS各配置一塊并機卡，兩臺UPS的輸出部分直接并聯，因使用了并機卡保證兩臺UPS輸出同相，不需使用STS切換。兩臺UPS正常運行時，共同承擔外部負荷，當其中一臺UPS故障時，故障機自動關機退出運行，無故障的機器繼續向負載供電。如需檢修，可斷開相應輸入、輸出斷路器，將其中一臺UPS從回路中切除。

3.2 方案比較

兩套方案均能滿足PLC系統供電需求。方案1采用STS雙路靜態轉換開關作為兩臺UPS輸出的接口，需要考慮兩臺UPS輸出的相位差問題，從安全角度考慮，需要配備鑒相器，保證兩路電源順利切換。查閱文獻也有不使用鑒相器的實例，但從電工學理論看，具有相位差的兩路電源直接并聯或直接切換（特別是帶有感性負載時）是有風險的。STS和鑒相器的使用勢必增加電路的復雜性和故障點，這是這一方案的不利因素之一。另外，由于切換裝置的采用，在同一時刻只能有一臺UPS為負載供電，另一臺UPS處于熱備狀態，單臺UPS的容量必須滿足全部負載的要求，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，造成了設備和投資的浪費。

方案2采用并機卡選裝件，實現了兩臺UPS內部逆變器協調工作，同相位輸出，兩路輸出直接并聯，無需使用STS和鑒相器，并機卡選裝件為設備同系列產品，具有良好的兼容性。同時，兩臺UPS共同承擔外部負載，單臺UPS的容量可以適當減小，選用6千伏安即可以滿足要求。

比較可見，方案2比方案1降低了電路的復雜性和設備投資，具有明顯的優勢，確定選用方案2進行實施。

4 實施效果

2015年4月改造實施完畢，在電網多次出現故障的情況下，UPS均工作正常，PLC系統供電穩定可靠。

5 結束語

綜上所述，可以得到如下幾條：（1）PLC系統的供電建議優先考慮UPS；（2）UPS采用雙機并聯冗余方式時，使用并機卡實現直接并聯具有一定的優勢；（3）工程應用中，EPS可用于消防及應急照明，UPS用于通訊、控制等設備等供電電源，使用側重點不同。

參考文獻

[1]山特電子（深圳）有限公司.城堡系列C6-10KVA使用手冊[Z].2013.

[2]素利奧電源有限公司.STS靜態電源切換裝置產品說明書[M].2014.

[3]王蔚.淺談EPS應急電源裝置的應用[J].中國水運（下半月），2008（6）.

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