控制系统高可靠冗余电源设计

控制系统高可靠冗余电源设计

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摘要院分析工业控制应用对阅悦杂渊集散控制系统冤冗余电源的关键需求袁提出了一种新的智能型电源冗余技术方案遥新方案在确保低损耗尧高效易用和故障保护之外袁增强了智能化和数字化设计袁能够提升电源系统的可靠性和可用性遥

关键词院电源冗余曰诊断容错曰均流控制

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流程工业中因其生产工艺复杂尧易燃易爆尧耦合严重等特点袁要求控制系统具有绝对安全的可靠性袁以确保长周期的连续运行遥高可靠的控制系统必然需要高可靠的电源供应袁而冗余电源是其中的关键部分袁在高可用系统中起着重要作用遥员行业规范对控制系统的电源冗余要求

流程工业中袁阅悦杂控制系统的相关标准和技术规范都要求做到全系统冗余袁所谓全系统冗余一般包括院控制器尧各级网络通信部件尧数据服务器和重要联锁陨韵点及电源系统咱员暂遥

特别针对电源系统袁要求做到院

员冤系统必须保证在任意员路电源故障的情况下能正常运行曰圆冤应提供员押员冗余的稳压电源袁每对电源负荷不大于缘园豫渊降额要求冤曰

猿冤系统供电和现场仪表供电相互独立曰

源冤开关电源应有故障报警输出接点袁故障时有相应的报警和保护遥冗余供电系统架构如图员所示遥

图圆二级管冗余和酝韵杂云耘栽冗余

图员控制系统典型冗余供电系统架构

圆直流电源冗余设计

直流电源冗余一般采用二级管和酝韵杂云耘栽组成或门结构袁使得电源输出对电源输入故障解耦袁如图圆所示遥

为保护系统免受输入源故障影响袁冗余架构中加入或门二极管是最简单的方法遥当输入电源短路时袁或门二级管可以确保把故障从冗余母线隔离袁确保系统继续工作遥使用二极管的传统方案电路简单袁但有固有缺点院功耗大尧发热严重尧需加装散热片尧体积大遥由于电路中通常为大电流袁二极管自身压降产生的

功耗不容忽视袁一般肖特基二极管也有园援源缘灾袁在大电流时要特别处理散热问题咱圆暂遥

随着电路技术的进步袁越来越多的冗余电源采用大功率的酝韵杂云耘栽管来代替传统电路中的二极管遥酝韵杂云耘栽的导通内阻小于员园皂赘袁大幅降低压降损耗遥在大功率应用中袁实现了效率更高的解决方案袁减少了电路板面积袁同时也减少了设备的散热要求遥

基于酝韵杂云耘栽的有源或门方案是整合了酝韵杂云耘栽和控制芯片遥酝韵杂云耘栽的关键控制要求为院圆路输入电源的电压接近时渊员园园皂灾内冤袁控制芯片控制圆个酝韵杂云耘栽同时导通袁使圆路输入同时给负荷提供电流曰控制电路一直监视输入与输出之间的电压差袁当输出高于输入猿园皂灾时袁芯片立即控制该路酝韵杂云耘栽关断袁防止输出向输入倒灌电流尧输出总线电压波动遥猿电源冗余和容错技术发展

随着技术进步袁电源系统在可靠性和可用性方面不断提升袁诸如低损耗尧省空间尧高效易用尧短路输出保护和极性反转的输入保护等袁这些功能特点已经逐渐成为电源系统的标配遥电源系统加强智能化数字化袁更是近些年工业电源方面的热点袁比如院冗余电源均衡电流尧电源潜在缺陷诊断和故障信息数字化等咱猿原缘暂遥猿援员均流调节技术咱远暂

实际应用中由于电源输出电压存在高低差异袁普通冗余方式容易出现一个电源负荷大一个电源负荷小的状况袁酝韵杂云耘栽冗余方式比二极管冗余方式更突出遥要避免某台电源长期过载袁达到延长电源寿命的目标袁需要设计均流控制功能遥

均流控制袁即对两路电源增加电流检测和电压调节功能袁使得模块输出电压一致袁电流大的将电压调低袁电流小的将电压调高袁以实现负荷电流的平衡分配遥

均流控制策略一般有下述几种院

叶工业控制计算机曳圆园员怨年第猿圆卷第员园期员冤输出阻抗法院输出电流越大袁模块输出电压会越低袁这样两个模块并联在一起袁原来输出电压高的模块袁由于输出电流的增加袁模块输出电压降低袁自然就无法输出更多的电流袁那么电流就由其余模块提供了遥

圆冤主从设置法院人为设置一个主模块袁所有模块以该模块为参考袁输出电流遥它实际上是由电压环渊外环冤和电流环渊内环冤构成电流控制型的双环控制袁或说成是电压控制的电流源遥

猿冤平均电流法院首先要得到一个平均电流袁也就是总负载电流除以模块总数得到的电流值袁各模块电流与该平均电流比较袁如果模块电流大于平均电流就调低模块输出电压袁反之调高模块输出电压袁从而实现各模块输出电流一致遥

源冤峰值电流法院就是在所有并联模块中袁模块自动产生一位主模块袁其余所有模块电流向

表员典型单点失效模式

该模块靠拢袁以达到主模块的电流遥

猿援圆全面冗余诊断

冗余的电源结构能够允许大多数单点故障渊故障容错冤袁而及时全面的故障诊断可以给出维修提示袁避免单点故障扩散为系统故障遥如表员和图猿所示遥

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图源表圆

集成诊断的智能冗余模块构成智能冗余模块的诊断报警设计

缘结束语

流程工业对控制系统电源的可靠性和可用性的挑战越来越大袁电源实时监测尧故障预警和快速定位逐步得到广泛的重视和应用遥本文介绍的新一代智能型冗余模块袁正是中控应对上述挑战的思考和实践遥我们认为袁高可靠电源系统的发展袁在低损耗尧省空间尧高效易用和故障保护之外袁也要进一步加强智能化和数字化的设计遥

参考文献

咱员暂夏莹袁张利斌援阅悦杂控制系统模件冗余电源的实现咱允暂援科技风袁圆园员苑

图猿

冗余供电系统中的单点失效

源新一代智能型冗余模块设计

在传统冗余模块基础上袁增加均流控制尧直流电压电流检测及记录趋势等袁形成冗余电源负荷均衡性尧电源输出质量等多种检测预警袁提升事故追溯能力是下一代智能型冗余方案的设计方向遥

中控的新一代智能型冗余模块基于酝韵杂云耘栽低功耗冗余技术袁实现双路均流控制袁能对两路输入电压和电流尧负荷电流和环境温度进行全面实时监测和报警遥如图源所示遥

该冗余模块既支持直观的指示灯报警袁也支持酝燥凿遭怎泽通信渊详细的状态信息和报警信息冤袁可以胜任对传统电源系统数字化改造升级遥如表圆所示遥

咱圆暂张晓健袁李志新援几种实用的低电压冗余电源方案设计咱允暂援单片机与咱猿暂刘清华援冗余技术在阅悦杂系统中的应用咱允暂援自动化信息袁圆园员猿渊员冤院咱源暂钟志国袁周春桃袁万金良援冗余技术在维持阅悦杂系统稳定运行中的作咱缘暂张敏援化工行业阅悦杂冗余技术探讨咱允暂援科技风袁圆园员源渊员源冤院缘愿原缘愿

用咱允暂援自动化应用袁圆园员圆渊远冤院源原源

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嵌入式系统应用袁圆园园怨袁怨渊员员冤院愿原员员

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栽陨杯圆园员怨年全国大学生电子设计竞赛总测评在上海举行

栽陨杯圆园员怨年全国大学生电子设计竞赛总测评日前在上海同济大学举办袁猿远苑支来自本科和高职高专的参赛队伍共聚上海袁进行圆园员怨年电赛的最终角逐遥经过全国竞赛专家组的评审和全国竞赛组委会的批准袁本届电赛共有圆怨远个参赛队伍获得全国一等奖袁愿源苑个参赛队伍获得全国二等奖袁竞赛的最高荣誉野栽陨杯冶被大连理工大学阅题参赛队囊括袁高职高专组野栽陨杯冶则花落湖南工业职业技术学院陨题参赛队遥

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