西門子SITOP 直流電源簡化冗余及電壓監控實踐

孟 濤，韓曉東

（一汽大眾汽車有限公司，吉林長春 130011）

0 引言

西門子SITOP 直流電源在工業領域有著廣泛應用，特別是老一代直流電源產品6EP14373BA00（40 A）仍然大量使用在工業生產中。2014 年，6EP14373BA00（40 A）直流電源已經正式宣布淘汰。很多仍在裝機服役的6EP14373BA00 電源因現場溫度、環境和電流沖擊等因素，造成電源內部原件出現不同程度老化，隨時會損壞。尤其是給可編程序控制器和安全控制器供電的直流電源，一旦損壞將會造成不可預估的停臺和備件成本的損失。

目前，沖壓車間4 條自動化生產線共裝機使用132 個西門子40 A 直流電源，其中，6EP14373BA00（40 A）裝機量為90個，42 個6EP14373BA10（40 A）是近3 年損壞更換的替代產品，該電源也在2021 年3 月宣布淘汰，電源老化情況嚴重，故障較多。電源損壞的主要原因有：①電源損壞短路后保護開關脫開，造成負載電器斷電。②電壓異常升高或降低，升高的電壓燒毀負載電器。采取并聯供電冗余和電壓監控相結合的方式，可以有效應對以上突發故障。本文介紹西門子SITOP 直流電源在國內某大型汽車制造廠沖壓車間沖壓自動化生產線的簡化冗余實踐情況。

1 西門子SITOP 電源（40 A）系列產品介紹

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，各項能力逐步增強，功能逐步增加的特點。6EP14373BA00（40 A）外殼寬度240 mm，無13、14 電壓信號常開觸點，無15、16 遠程關斷觸點。6EP14373BA10（40 A）外殼寬度150 mm，有13、14 電壓信號常開觸點，無15、16 遠程關斷觸點。6EP3437-8SB00-0AY0（40 A）外殼寬度135 mm，有13、14 電壓信號常開觸點，有15、16遠程關斷觸點。體積減小可有效節約電柜內部空間，13、14 電壓信號常開觸點可對輸出電壓超出范圍進行反應，15、16 遠程關斷功能通過短接（＜8 kΩ）即可實現遠程關閉。三代產品都具有撥碼開關A 和B，用于控制輸出特性曲線。并聯使用時，撥碼開關A撥到ON 位置，相當于增加了二極管，自帶去耦功能，防止電源并聯使用時，另一個電源損壞后形成負載，拉低正在工作的電源的輸出電壓。撥碼開關B 具有鎖定關斷功能，控制輸出電流在超載狀態下的恒定狀態，如圖1 所示。

圖1 開關A/B

2 西門子SITOP 電源（40 A）冗余功能介紹

冗余功能是指2 個電源并聯供電，當一個電源故障停止輸出電流后，另一個電源持續保持供電，不對工作中的負載設備產生斷電影響。西門子SITOP 電源（40 A）的標準冗余方案需要添加冗余模塊，訂貨號6EP1961-3BA21（40 A）。冗余模塊的功能是對2 臺同型號的電源進行解耦操作，用于電源系統擴容或冗余，并且可以監控顯示模塊輸出狀態，附帶OK 觸點可接入控制系統。2 個額定電流在10～20 A 的SITOP 電源進行冗余配置時，只需要增加一個額定電流40 A 的冗余模塊用于冗余組網配置；2 個額定電流20 A 以上的SITOP 電源進行冗余配置時，必須使用2 個額定電流為40 A 的冗余模塊才可以進行冗余組網配置（圖2）。

圖2 冗余配置40 A

使用冗余模塊配置實現冗余存在2 個問題：①在成型的電柜布局內，沒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。鑒于這些問題，需要設計簡化冗余模式。不使用冗余模塊配置的并聯需要滿足以下5個要求。

（1）只有訂貨號完全相同的西門子SITOP 電源才可以直接并聯使用。

（2）從每個西門子SITOP 電源的輸出端子L+和M 連接到負載電流輸出節點的導線長度和橫截面積要盡量相等。

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

（4）西門子SITOP 電源并聯時，需要2 個電源的輸出端L+同時接到負載的正極，同理，2 個M 點需要同時接到負載的負極（圖3）。

圖3 并聯接線

（5）在新型的西門子SITOP 電源中，有一個撥碼開關A，并聯使用時，需要將A 撥到ON 位置，此時電源會改變輸出特性，自動在2 個電源間分配負載電流。

3 IV-U3 直流電壓檢測控制延時繼電器的參數設置

6EP14373BA00（40 A）未裝配13、14 電壓信號常開觸點，為應對電源電壓在工作中的異常升高或降低對負載電器產生的影響，需要使用電壓監控模塊對電壓進行監控。在電壓超出設定范圍時，通過有效動作終止故障電源供電，保護電路負載電器。經過選型，IV-U3 直流電壓檢測控制延時繼電器具備要求的功能，可通過設定的電壓監控觸發自帶繼電器動作，通過繼電器的動作信號關斷電源供電接觸器，實現終止故障電源的錯誤電壓輸出，如圖4 所示。IV-U3 直流電壓檢測控制延時繼電器有4 組參數設置。

圖4 IV-U3 接線

（1）P1 參數組功能為延時設定，即設定繼電器吸合延時時間。

（2）P2 參數組功能為電壓檢測控制，即設定檢測電壓的區間，用于控制繼電器動作，初始狀態為釋放狀態。

（3）P3 參數組功能為電壓檢測控制，即設定檢測電壓的區間，用于控制繼電器動作，初始狀態為吸合狀態。

（4）P4 參數組功能為過壓欠壓控制，即設定兩個上下限值電壓值，超過上限電壓值或者低于下限電壓值后，繼電器產生動作（圖5）。

圖5 P4 參數設定

在沖壓車間的電壓監控應用中使用P1 和P4 參數配置模塊。P1 參數設置延時時間，P4 參數對6EP14373BA00（40 A）輸出的直流電壓進行壓力監控范圍設定。根據現場設備實際用電需求情況，通過電位器調整電源的工作電壓在24.5～26 V，設定檢測電壓范圍為23.5～27 V。

4 帶電壓監控的6EP14373BA00（40 A）電源的簡化冗余控制

4.1 冗余簡圖（圖6）

圖6 簡化冗余簡圖

（1）總開關負責保證2 個電源同時上電和失電。

（2）分開關，實現對電源供電的單獨過載保護，保護設定電流根據負載電器的滿負荷值為基準值設定。額定輸入電流2.6 A，技術手冊要求保護電流3.0 A。

（3）繼電器，在設備優先級滿足條件下吸合供電，可通過電壓監控模塊的常閉點控制關斷。

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

（5）電源電壓檢測接線，由電源輸出端引出接入檢測模塊檢測端子。

（6）電壓檢測模塊的常閉觸點，檢測電壓超出設定正常范圍后，繼電器動作，常閉觸點斷開，繼電器釋放，切斷電源模塊供電。

（7）電壓檢測模塊，檢測電壓精度0.1 V，帶延時功能的繼電器控制，繼電器帶一個常開和一個常閉觸點。

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

（9）電壓檢測模塊負極接線，由2 個直流電源的負極輸出端并聯后引出模塊負極。

（10）散熱二極管（50 A），隔離檢測電壓，防止一個故障電源的電壓升高，對另一個并聯電源的電壓檢測造成影響。二極管ZP50A.58，封裝M220.58，散熱器HS1040。

4.2 電路功能實現過程

（1）短路故障。2 個電源并聯均衡分配負載需要的電源，對負載供電，當直流電源1 發生短路故障時，Q2 脫開，直流電源1電源停止供電。同時，直流電源2 的輸出電流在4～10 ms 內由負載所需電流的50%提升至負載所需電流的100%，保證負載穩定運行。同時散熱二極管1 防止損壞的電源形成負載，拉低直流電源2 的輸出電壓。

（2）電壓異常。2 個電源均衡并聯分配負載需要的電源，對負載供電，當直流電源1 調節電壓故障，輸出電壓異常升高超出27 V 時，通過電壓檢測模塊的常閉觸點1 檢測電壓接線，電壓檢測模塊1 繼電器吸合，常閉觸點斷開，KC1 失電釋放，切斷直流電源1 供電。同時，直流電源2 的輸出電流在4～10 ms 內由負載所需電流的50%提升至負載所需電流的100%，保證負載穩定運行。同時散熱二極管1 發揮隔離作用，阻斷升高的電壓通過并聯電路，對電壓檢測模塊的常閉觸點2 的檢測電壓產生影響。3BA00 并聯輸出特性曲線如圖7 所示。

圖7 3BA00 并聯輸出特性曲線

5 結束語

西門子SITOP 直流電源簡化冗余和電壓監控適用于為重要的用電設備供電的電源（如CPU 等重要用電設備），已經產生供電電源器件老化，進而有可能導致發生嚴重停機故障，或者造成負載電器損毀的控制電路中，有效提高用電安全性。對于升級的電源模塊，6EP14373BA10（40 A），可通過自帶的13、14 電壓信號常開觸點代替電壓監控模塊，實現上述功能。6EP3437-8SB00-0AY0（40 A）自帶13、14電壓信號常開觸點和15、16 遠程關斷功能，可減少電壓監控模塊，以及根據實際需要，自行選擇加裝并控制繼電器，控制執行電源模塊的關斷或使用遠程關斷功能關閉電源。