DIN-рейка плюс электросеть: источники электропитания для промышленной автоматики и систем безопасности

Как выбрать необходимое в обширной номенклатуре AC/DC-модулей, предлагаемых компанией КОМПЭЛ для организации электропитания промавтоматики и систем безопасности? Рассмотрим продукцию трех производителей – MEAN WELL, TDK-Lambda и Chinfa, предлагающих как дорогую продукцию для ответственных применений, так и бюджетные линейки для более простых систем.

К устройствам промышленной автоматики принято относить разнообразное электрическое, механическое, гидравлическое, пневматическое и электронное оборудование, применяемое для автоматизации технологических процессов производства, хранения и транспортировки. Нарушение нормального течения производственных технологических процессов, как правило, влечет весьма значительные потери, вплоть до категорически неприемлемых. Это определяет высокие требования к надежности оборудования, обеспечиваемые как соответствующими структурными решениями, так и повышенным качеством применяемых комплектующих. В тоже время по сравнению с техникой военного или аэрокосмического назначения стоимость устройств промышленной автоматики значительно ниже – это обеспечивает приемлемую рентабельность соответствующих технологических процессов, что важно вследствие рыночной конкуренции между производителями. Очень важную роль в достижении упомянутых характеристик играют международные и национальные стандарты, классифицирующие и регламентирующие требования к устройствам промышленной автоматики. Поскольку соответствующая аппаратура часто функционирует вне помещений или в не отапливаемых помещениях (шкафах), существует градация условий применения по температуре окружающей среды:

• для применения в отапливаемых помещениях рабочая температура окружающей среды принимается от 0 до 55°С;
• расширенный температурный диапазон: -20…75°С;
• широкий температурный диапазон: -40…85°С;
• температурный диапазон для специальной техники: -55…110°С.

Как правило, устройства промышленной автоматики должны иметь повышенную стойкость и устойчивость к механическим вибрациям и ударам. Нередко им приходится работать в условиях сильной запыленности, влажности, электромагнитных помех, иногда – при воздействии паров или брызг химически активных (агрессивных) веществ. Для обеспечения высокой надежности и продолжительного срока службы и уменьшения затрат на обслуживание предпочтительно полностью статическое исполнение этого оборудования, в т.ч. без использования вентиляторов.

Необходимой составляющей аппаратуры промышленной автоматики являются источники электропитания. В качестве первичного источника энергии в большинстве случаев используются сети переменного тока: одно- или трехфазные с номинальным напряжением 110/220/380 В и частотой 50/60 Гц. Потребителям электроэнергии чаще всего требуется постоянное напряжение соответствующего качества. Система электропитания, как правило, имеет распределенную, многоуровневую структуру. Только сравнительно простое, маломощное оборудование с компактным расположением и невысокими требованиями к качеству потребляемой электроэнергии может использовать централизованную структуру организации электропитания, когда один преобразователь обеспечивает весь набор необходимых напряжений. Для построения систем электропитания устройств промышленной автоматики с требуемыми высокими характеристиками на рынке имеется исключительно широкий выбор моделей источников питания (преобразователей). Они в той или иной мере учитывают вышеперечисленные особенности применения этого оборудования, соответствуют требованиям стандартов и директив, распространяющихся на него, предоставляя системному интегратору различные сочетания функциональных параметров, конструктивного исполнения, надежности и стоимости. По назначению различают преобразователи переменного напряжения в постоянное (AC/DC), преобразователи постоянного напряжения (DC/DC), зарядные устройства аккумуляторных батарей и источники бесперебойного электропитания (UPS), модули для резервирования источников постоянного напряжения, инверторы (DC/AC). Наиболее характерные варианты конструктивного исполнения:

• для монтажа на DIN-рейку (в специальных шкафах для размещения устройств промышленной автоматики);
• для монтажа в 19-дюймовые стойки;
• модули открытого исполнения или в легких перфорированных корпусах для монтажа на шасси питаемого оборудования;
• модули для установки на печатные платы.

Некоторые производители модульных источников питания в перфорированном кожухе (MeanWell, TDK-Lambda), предназначенных для монтажа на шасси, выпускают наборы аксессуаров, которые позволяют устанавливать эти источники на DIN-рейку [1]. Возможное конструктивное исполнение в значительной мере определяется параметрами источника питания и требованиями потребителей электроэнергии. В общем случае, чем больше ток нагрузки и жестче требования к стабильности напряжения, тем ближе друг к другу должны быть расположены источник питания и его нагрузка.

Высокая надежность систем электропитания промышленной автоматики достигается в первую очередь соответствующими структурными решениями, учитывающими особенности конкретного применения и эффективно использующими многоуровневое резервирование. При этом необходимым условием является достаточно высокая надежность модульных источников питания, из которых строится система. В противном случае она получится крайне громоздкой и дорогой. Источники электропитания, позиционируемые для использования в устройствах промышленной автоматики, изначально разрабатываются и изготавливаются как высоконадежные изделия. Однако стоимостные ограничения и временные рамки на проведение НИОКР и постановку на производство не позволяют выполнять их по стандартам и методологии, принятым для военной и аэрокосмической техники. В частности, невозможно организовать полномасштабное тестирование надежности продукции с экспериментальной проверкой таких параметров как интенсивность отказов, среднее время наработки на отказ (MTBF), эффективный срок службы в зависимости от условий эксплуатации. В лучшем случае речь может идти об ускоренных испытаниях, а чаще приходится ограничиваться расчетной величиной MTBF (обычно, согласно методологии руководства MIL-HDBK-217). Однако подробные и достоверные исходные данные по надежности комплектующих, особенно новых, необходимые для подобных расчетов, как правило, отсутствуют. В результате реальная величина MTBF может сильно отличаться от расчетных значений. Более информативной является величина гарантийного срока, которую изготовитель устанавливает на ту или иную модель источника питания. Можно обоснованно надеяться, что в течение этого срока интенсивность отказов аппаратура останется устойчиво-низкой. Ведь изготовитель – не враг себе, чтобы нести большие затраты по гарантийному ремонту ненадежной продукции! Особенный интерес представляют модели источников питания, на которые их производители дают пожизненную гарантию [1].

Проблематике источников питания для аппаратуры промышленной автоматики посвящено значительное количество публикаций в журнале «Новости электроники» [3…6] – как обзорных, так и рассматривающих особенности применения отдельных серий источников, поставляемых компанией КОМПЭЛ. Общее количество моделей поистине необъятно, поэтому в данной публикации сосредоточимся на наиболее характерной группе источников питания промышленной автоматики – AC/DC-преобразователях для монтажа на DIN-рейку. Из большого количества производителей таких источников рассматриваются модели производства MeanWell, Chinfa и TDK-Lambda, подходящие как для бюджетных решений, так и для высоконадежных систем. Они обеспечивают оптимальное соотношение цена/качество и предлагают очень широкий ассортимент с разнообразными функциональными возможностями (можно выбрать подходящую модель источника питания для большинства возможных задач). Важнейшие характеристики AC/DC-преобразователей в исполнении для монтажа на DIN-рейку представлены в таблице 1. Основными тенденциями развития являются повышение КПД во всем диапазоне нагрузок и уменьшение удельной стоимости источников питания. Показательными примерами этого являются серии DRF и DRB, которые компания TDK-Lambda начинает поставлять в 2014 году. Особо следует отметить разнообразие вариантов реализации функции защиты от перегрузки выхода источника питания по току и К.З. Дело в том, что в зависимости от особенностей построения системы электропитания и решаемых ею задач целесообразны различные алгоритмы реакции на перегрузку.

Для большинства решений небольшой мощности и ограниченной стоимости обычно реализуется мгновенное отключение выхода источника питания при перегрузке (снятие напряжения с нагрузки), достаточно продолжительная выдержка времени в выключенном состоянии с последующими автоматическими попытками рестарта. Если причины, вызвавшие перегрузку, исчезли – источник питания и нагрузка возвращаются в штатный режим работы. В противном случае описанные выше процессы повторяются (так называемое «икание»). Достоинства этого алгоритма защиты заключаются в обеспечении безопасных тепловых режимов для силовых, тепловыделяющих компонентов как источника питания, так и нагрузки, а также – в высокой живучести системы при невысокой стоимости (допустима сравнительно низкая точность работы компаратора перегрузки). Однако источники питания с такой организацией защиты по току практически непригодны для параллельной работы (по выходу) и проблематичны для нагрузок с большой кратковременной потребляемой мощностью. В упрощенном варианте временные параметры «икания» определяются естественными процессами в цепи питания микросхемы контроллера источника питания и поэтому имеют значительную неопределенность. Более совершенные модели источников формируют длительности этих интервалов специальными таймерами.

Альтернативный алгоритм реакции на перегрузку выхода источника питания – переход в режим ограничения тока (с соответствующим снижением выходного напряжения). При этом возможны варианты зависимости величины токоограничения от выходного напряжения (условно постоянный ток, увеличение или уменьшение уставки токоограничения с напряжением, работа во всем диапазоне изменения выходного напряжения от нуля до номинала или только в верхней его части с отключением в условиях, близким к К.З.), варианты соотношения уровня токоограничения и длительно-допустимого (номинального) тока, варианты продолжительности работы в режиме токоограничения. Источники питания, представленные в таблице 1, предоставляют пользователям самые разные варианты этих характеристик.

Источники питания, переходящие в режим ограничения тока при перегрузке без ограничений по времени, пригодны для параллельной работы на общую нагрузку. Для улучшения равномерности токораспределения в некоторых источниках питания предусмотрена возможность переключения на работу с увеличенным выходным сопротивлением (примерно в пять раз по сравнению с обычной величиной). В наиболее мощных моделях организуется дополнительный канал обмена информацией между параллельно работающими модулями, позволяющий обеспечить приблизительно равномерную токовую нагрузку на них.

В современном мире все большее значение приобретают системы безопасности. К ним относятся:

• видеонаблюдение и видеорегистрация, в т.ч. беспроводные, IP- и HD-видеонаблюдение;
• охранно-пожарная сигнализация, в т.ч. радио- и GSM-сигнализация;
• аварийное освещение;
• системы оповещения;
• замки, доводчики;
• домофоны;
• ворота, шлагбаумы и их приводы;
• системы контроля доступа на объект и охраны периметра;
• системы авторегистрации;
• системы учета рабочего времени.

Характерными особенностями применения этой аппаратуры является ее частичное размещение на значительном удалении от первичной сети электропитания, слабая защищенность от воздействия атмосферных факторов, необходимость стойкости против преднамеренной порчи оборудования и возможности продолжительной автономной работы (до нескольких суток) при потере штатного питания. Журнал «Новости электроники» многократно рассматривал проблемы организации электропитания аппаратуры систем безопасности [7…10]. Модели источников питания (AC/DC на DIN-рейку) представленные в таблице 1, в значительной мере соответствуют требованиям организации электропитания этого оборудования. Возможность настроить выход источника питания на повышенное по сравнению с номинальным напряжение позволяет компенсировать падение напряжения на длинных шлейфах питания выносного оборудования систем безопасности. Организация недорогих систем бесперебойного электропитания с буферным режимом работы свинцово-кислотных аккумуляторных батарей подробно рассмотрена в [7; 9].

Рис. 1. Резервирование дублированием источников питания	Рис. 2. Дублирование источников питания и модулей резервирования (снижение нагрузки модулей резервирования увеличивает их надежность)
Рис. 3. Резервирование источников питания по схеме N+1

 

Для построения систем электропитания с повышенными требованиями к надежности невозможно обойтись без резервирования. В простейшем случае повышение надежности можно обеспечить параллельной работой нескольких модулей питания на общую нагрузку по схеме (N+1) или (N+2), где N – минимально-достаточное количество модулей для обеспечения потребностей нагрузки. При этом, однако, остается опасность отказов в выходных цепях источников, что не позволяет получить высокую надежность (несколько «девяток» на большом сроке службы). При таких требованиях источники питания объединяются по выходу через развязывающие диоды (рисунки 1…3). Соответствующие модули резервирования на токи 10 и 20 А в исполнении на DIN-рейку выпускаются компаниями MeanWell и Chinfa.

Заключение

В ассортименте источников питания, поставляемых КОМПЭЛ, можно найти модели под любые задачи, решаемые при организации электропитания устройств промышленной автоматики и аппаратуры систем безопасности.

 

Литература

1. Миронов С. «Источники питания для промышленной автоматики»//Новости электроники №3/2013.
2. Small Ch. H. «Distributed Power Takes Center Stage»//EDN,28.04.1994.
3. Кривандин С. «Нужен источник питания? – обращайтесь в КОМПЭЛ!»//Новости электроники №1/2011.
4. Кривандин С. «Новые источники питания для промышленной и домашней автоматизации»//Новости электроники №13/2008.
5. Плюснин М. «MEAN WELL: шире вход для промышленной автоматизации!»//Новости электроники №1/2011.
6. Звонарев Е., Кривандин С. «Новые источники питания MEAN WELL для оборудования электропривода»//Новости электроники №13/2009.
7. Кривандин С. «Обзор источников питания Chinfa на DIN-рейку»//Новости электроники №1/2008.
8. Звонарев Е., Кривандин С. «Модули питания для приборов систем безопасности и контроля доступа»//Новости электроники №8/2009.
9. Кривандин С. «Источники резервного питания Chinfa для монтажа на DIN-рейку»//Новости электроники №18/2007.
10. Конопельченко А., Кривандин С. «Задействовать резервы: источники питания для систем безопасности»//Новости электроники№1/2011.

Наши информационные каналы