如何给PLC/HMI/工业PC等24V直流设备配套UPS电源？
B.B.
为工业自动化系统中24V直流设备（如PLC、HMI、工业PC等）配置UPS电源，需综合考虑电源质量、系统稳定性及工业环境特殊性。以下是专业级实施方案：
一、系统需求分析
- 负载特性评估
- 精确测算总功耗：使用钳形表实测运行电流（典型值：PLC约0.5-2A，工业PC 2-5A，HMI 0.3-1.5A）
- 建立动态负载曲线：记录设备启停、通信峰值时的电流波动（建议采样率≥100Hz）
-
纹波容忍度：确认设备允许的最大纹波系数（通常要求<5%）
-
电源质量标准
- EN 61000-4-29 Class 3抗扰度标准
- IEC 61000-4-11电压暂降抗扰度（需承受>20ms断电）
- 过电压类别（OVC）Ⅱ级防护
二、拓扑架构设计
推荐方案：双转换在线式DC-UPS系统
市电输入 → EMI滤波器 → 整流/PFC → 智能充电模块
│
├→ 锂电池组（LiFePO4）
│
└→ 双向DC/DC → 24V输出
拓扑优势：
- 零切换时间（<1ms）
- 输入输出完全隔离
- 支持并网/离网无缝切换
- 电池组浮充寿命＞5000次循环
三、关键组件选型
- 功率模块
- 额定功率：P = 1.25×(Σ设备额定功率) + 20%冗余
- 转换效率：＞94%（满载时）
-
动态响应：＜100μs（负载0-100%阶跃）
-
储能系统
- 电池类型：磷酸铁锂电池（-20℃~60℃工作）
-
容量计算：
C = (P × T × 1.1) / (η × V × DOD)（P:总功率(W), T:备电时间(h), η:效率, V:24V, DOD:放电深度取80%） -
智能管理系统
- 具备CAN/Modbus RTU通信接口
- 实时监控参数：单体电压（±5mV精度）、温度（±1℃）、SOH估算
- 主动均衡电路（均衡电流≥200mA）
四、电磁兼容设计
- 输入端配置：
- CLC滤波网络（差模衰减40dB@100kHz）
- TVS管（600W/24V）
- 输出端处理：
- π型滤波器（截止频率10kHz）
- 共模扼流圈（100μH）
- 接地系统：
- 独立接地桩（＜4Ω）
- 等电位连接（铜排截面积≥16mm²）
五、安装规范
- 环境要求：
- 温度补偿充电（β系数：-3mV/℃/cell）
- IP54防护等级箱体
- 线缆选型：
- 正极：橙色耐油电缆（截面积≥2.5mm²/A）
- 负极：独立回路（避免串联接地）
- 安全间距：
- 电池组间≥15mm通风间隙
- 功率器件散热间距≥30mm
六、验证测试流程
- 动态负载测试：
- 模拟0-100%阶跃负载（上升时间<10μs）
- 验证输出电压波动（±2%）
- 切换试验：
- 市电中断模拟（相位随机切断）
- 记录切换瞬态（示波器采样率≥1GS/s）
- 耐久性测试：
- 连续72小时满载运行
- 循环充放电100次（DOD 80%）
七、典型配置示例
设备清单： - 西门子S7-1500 PLC ×2（峰值50W） - 倍福CX8190 IPC ×1（峰值80W） - 西门子TP1200 HMI ×2（峰值40W） - 总功耗：170W（含20%冗余）
UPS配置： - 额定功率：300W DC-DC模块 - 电池组：48V 20Ah LiFePO4（4串16并） - 备电时间：120分钟（@80%负载） - 机箱尺寸：400×300×200mm（带强制风冷）
该方案符合IEC 62040-3 Class VFI-SS-111标准，适用于汽车制造、半导体生产线等严苛工业场景，MTBF＞100,000小时。建议每6个月进行容量校准测试，每3年更换电解电容等老化件。
