PLC系统不间断电源改造实例

摘 要：公司一泵站PLC控制系统近期发生因应急电源切换造成的供水事故，暴露出EPS应急电源系统用于PLC系统配电的缺陷，因此将EPS改造为UPS。文章分析了EPS和UPS的优缺点，提出了PLC控制系统配电优选UPS的观点。

关键词：PLC配电；EPS；UPS

我公司一泵站PLC控制系统原采用国内某公司SP系列EPS应急电源配电，因EPS应急电源切换时间较长，引起PLC掉电停机，造成大面停水事故，不能适应城市供水高可靠性要求。经论证评估，确定用UPS不间断电源替代EPS应急电源的改造方案，实施后效果明显。

1 EPS（emergency power supply）簡介

1.1 EPS的原理

如图1所示，EPS应急电源采用单体逆变技术， 集充电器、蓄电池、逆变器及控制器于一体，内部设计了电池检测、分路检测回路。当市电正常时，由市电经过互投装置给负载供电，同时进行市电检测及蓄电池充电管理。当市电供电中断或市电电压超限时，互投装置将立即投切至逆变器供电，在电池组所提供的直流能源的支持下向负载供电。当市电电压恢复正常工作时，EPS的控制中心发出信号对逆变器执行自动关机操作，同时还通过它的转换开关执行从逆变器供电向交流旁路供电的切换操作。EPS在供电回路切换过程中会产生几十毫秒至几百毫秒的断电间隙，目前市场主流产品给出的切换断电时间指标为100-200mS。

1.2 EPS的缺点

EPS应急电源的原理决定了其切换过程中存在断电时间，这对消防、应急照明等供电未必是缺点，但对PLC供电则是不容忽视的缺点。PLC使用的电源模块其内部整流部分有储能电容，当瞬间供电电压跌落时，储能电容释放能量，短时间内可能不导致PLC停机，这个容许时间因所带负载而不同，一般在100mS以内，EPS的切换时间难以满足PLC的容许时间。EPS如果发生切换，多数情况会导致PLC掉电停机。因此，EPS不适合作为PLC或DCS系统的应急供电设备。

2 UPS（uninterrupted power supply）简介

2.1 UPS的原理

UPS主要分为两大类三种形式：后备式、在线式、在线互动式，因后备式和在线互动式两种形式的UPS电源都不能回避切换时间的问题，本次改造未予考虑。在线式UPS的原理如图2所示，主要由整流器、逆变器、静态转换开关和后备电池组成.。市电供电正常时，市电经过整流器整流为直流后，一路经逆变器逆变为交流电输出至负载，另一路经充电回路向蓄电池组充电。当市电中断，蓄电池组输出直流电经逆变器逆变为交流电输出给负载，直至电池组能量耗尽。在市电中断向电池组供电切换过程中，无切换时间，可实现不间断供电。在UPS主机故障时，由静态开关将逆变器供电转换为旁路市电供电，静态开关的切换时间为2-4mS。

2.2 UPS的优缺点

在线式UPS在市电中断向电池组供电切换过程中，无切换时间，可实现不间断供电，即便是UPS本机故障向旁路切换，其2-4mS的切换时间也远小于PLC容许的断电时间，从这一性能的角度看，在线式UPS作为PLC系统的应急电源配置具有较好的适用性，但从使用的可靠性看，UPS单机故障率明显高于EPS，在对供电质量要求较高的场合使用UPS，需要可虑冗余配置。

3 改造方案

在详细比较论证的基础上确定如下改造原则：

（1）原EPS电源继续使用，用于应急水泵和阀组的应急供电；（2）PLC系统的供电用UPS替代EPS，UPS采用工频在线式；（3）UPS采用双机并联冗余方式；（4）采用进线端加隔离变压器的两路市电输入方式。

3.1 改造方案描述

根据上述原则，制定了两套改造方案，方案1如图3所示，配置两台同规格的山特城堡系列10千伏安的工频UPS不间断电源，分别由引自低压配电系统两段母线的两路220伏市电作为两台UPS的输入电源，UPS输入端配置隔离变压器，用于抑制电网尖峰电压，提高UPS整流部分抗电网过压冲击能力。两台UPS的输出接到一台SU系列STS双路静态转换开关，STS的输出给PLC供电。两台UPS均正常工作时，其输出由STS静态转换开关根据设定自动选择，当被选择的UPS出现故障时，STS静态转换开关自动切换到另一UPS的输出，切换时间2-4mS。因双机并联具有较高的可靠性，UPS不再配置旁路，尽量保持电路简洁。

方案2如图4所示，其输入部分与方案1相同，配置两台同规格的山特6千伏安的工频UPS不间断电源，两台UPS各配置一块并机卡，两台UPS的输出部分直接并联，因使用了并机卡保证两台UPS输出同相，不需使用STS切换。两台UPS正常运行时，共同承担外部负荷，当其中一台UPS故障时，故障机自动关机退出运行，无故障的机器继续向负载供电。如需检修，可断开相应输入、输出断路器，将其中一台UPS从回路中切除。

3.2 方案比较

两套方案均能满足PLC系统供电需求。方案1采用STS双路静态转换开关作为两台UPS输出的接口，需要考虑两台UPS输出的相位差问题，从安全角度考虑，需要配备鉴相器，保证两路电源顺利切换。查阅文献也有不使用鉴相器的实例，但从电工学理论看，具有相位差的两路电源直接并联或直接切换（特别是带有感性负载时）是有风险的。STS和鉴相器的使用势必增加电路的复杂性和故障点，这是这一方案的不利因素之一。另外，由于切换装置的采用，在同一时刻只能有一台UPS为负载供电，另一台UPS处于热备状态，单台UPS的容量必须满足全部负载的要求，这是方案1选用10千伏安UPS，方案2选用6千伏安UPS的原因，造成了设备和投资的浪费。

方案2采用并机卡选装件，实现了两台UPS内部逆变器协调工作，同相位输出，两路输出直接并联，无需使用STS和鉴相器，并机卡选装件为设备同系列产品，具有良好的兼容性。同时，两台UPS共同承担外部负载，单台UPS的容量可以适当减小，选用6千伏安即可以满足要求。

比较可见，方案2比方案1降低了电路的复杂性和设备投资，具有明显的优势，确定选用方案2进行实施。

4 实施效果

2015年4月改造实施完毕，在电网多次出现故障的情况下，UPS均工作正常，PLC系统供电稳定可靠。

5 结束语

综上所述，可以得到如下几条：（1）PLC系统的供电建议优先考虑UPS；（2）UPS采用双机并联冗余方式时，使用并机卡实现直接并联具有一定的优势；（3）工程应用中，EPS可用于消防及应急照明，UPS用于通讯、控制等设备等供电电源，使用侧重点不同。

参考文献

[1]山特电子（深圳）有限公司.城堡系列C6-10KVA使用手册[Z].2013.

[2]素利奥电源有限公司.STS静态电源切换装置产品说明书[M].2014.

[3]王蔚.浅谈EPS应急电源装置的应用[J].中国水运（下半月），2008（6）.

作者简介：梁友辉（1973-），男，工程师，主要从事自动化仪器仪表方面的研究，工作单位：山东省龙口市自来水有限公司。