№3 / 2013 / статья 2

Источники питания для промышленной автоматики

Сергей Миронов (КОМПЭЛ)

Термин «промышленная автоматика» используется для обозначения широкого класса устройств, применяемых для автоматизации технологических процессов и производств — объектов энергетики, промышленных зданий, а также транспортных средств и транспортной инфраструктуры.

Системы промышленной автоматики проектируются таким образом, чтобы обеспечить высокую надежность и безопасность их эксплуатации, иметь достаточно продолжительное время непрерывной работы и максимально возможное значение времени наработки на отказ (MTBF). Важное замечание: MTBF не определяет время работы до первого отказа.

В отличие от бытовой техники, устройства промышленной автоматики должны работать в более широком температурном диапазоне, иметь повышенную устойчивость к вибрации и, в ряде случаев, обладать определенной радиационной стойкостью.

Все перечисленные требования относятся и к источнику питания, как к составной части устройства промышленной автоматики.

Конструктивно устройства промышленной автоматики выполняются в специальных шкафах с широким использованием DIN-реек для установки различного оборудования, поэтому источники питания, применяемые в устройствах промышленной автоматики, в основном, выполняются в корпусах, предназначенных для установки на DIN-рейку. Кроме того, некоторые производители, например MW, выпускают для источников, выполненных в так называемом перфорированном кожухе, целый набор аксессуаров которые позволяют устанавливать эти источники на DIN-рейку.

 

Особенности источников питания устройств промышленной автоматики

Можно выделить следующие типы источников питания, применяемых в устройствах промышленной автоматики:

  • AC/DC-преобразователи. Предназначены для использования в качестве основного источника питания. Могут работать от сети одно- или трехфазного переменного тока, а также от источника постоянного тока с соответствующим диапазоном напряжения (120…370В).
  • Модули резервирования источников питания. Предназначены для параллельного подключения нескольких источников питания к одной шине с целью повышения общей надежности и увеличения времени непрерывной работы системы. Обеспечивают функцию «горячей» замены вышедших из строя блоков питания.
  • Источники питания с функцией UPS, схемой мониторинга состояния и заряда аккумуляторной батареи. Как правило, подключаются параллельно выходной шине основного источника питания и обеспечивают подержание необходимого напряжения на шине в случае отключения сетевого напряжения или выхода из строя основного источника питания, а также обеспечивают заряд аккумулятора.
  • Изолированные DC/DС-пре­образователи. Предназначены для изменения уровня напряжения постоянного тока внутри функциональных модулей или шкафов.

В качестве основных требований к источникам питания для устройств промышленной автоматики выступают: стабильность параметров в широком диапазоне условий эксплуатации, высокая надежность и,в обязательном порядке, электромагнитная совместимость (ЭМС).

В устройствах промышленной автоматики используется широкий класс различных электронных узлов и блоков, которые требуют и различного напряжения питания, как правило, из стандартного ряда. Чтобы не устанавливать несколько источников питания на различные напряжения, ухудшая тем самым общую электромагнитную обстановку системы, выпускаются многоканальные источники на различные выходные напряжения, в том числе и на биполярное напряжение. Кроме того, выпускаются управляемые источники питания. Управляемые источники требуются там, где, например, по сигналу с некоторого датчика технологического процесса необходимо произвести включение или выключение какого-либо узла или блока. Управление источником осуществляется подачей аналогового напряжения или напряжения логического уровня на соответствующий вход.

Рассматриваемая в данной статье продукция трех основных производителей источников питания (MW, Chinfa, TDK-Lambda) перекрывает практически все возможные секторы в сегменте промышленной автоматики и удовлетворяет перечисленным выше требованиям по надежности, безопасности и ЭМС.

 

AC/DC-преобразователи

Изолированные AC/DC-преобразователи являются самым обширным и распространенным классом источников питания, применяемых в устройствах промышленной автоматики, и это понятно, ведь первичная сеть электропитания — AC 220 В/50 Гц. Указанный класс изделий имеется у всех производителей источников питания и характеризуется достаточно большим разнообразием по электрическим и конструктивным параметрам. Основные серии и технические параметры AC/DC-источников питания рассматриваемых производителей приведены в таблице 1 (представлена только часть продукции; полный список смотрите на официальном сайте производителя), а внешний вид — на рисунке 1.

Таблица 1. Источники питания AC/DC   

Наименование Произ-водитель Корпус Мощ-ность, Вт Диапазон входного напря-жения, В Выходное
напря-жение, В
Диа-пазон темпе-ратуры, °C Контроль
выхода
MTBF,
тыс. час.
Прим.
DLP75/100/120/ 180/240   TDK-Lambda   DIN-рейка   75; 100; 120; 180; 240   85…264   24   -10…60   —   485   —  
DPP-xx 15; 25; 30; 50; 100   85…264   5; 12; 15; 24; 48   -10…71   —   540   парал-лельное вкл.  
DPP-xx-1 120; 240; 480   90…264   12; 24; 48   -25…71   + (DPP240 /480) 440   парал-лельное вкл; ККМ DPP480  
DPP-xx-3 120; 240; 480; 960   340…575   12; 24; 48   -25…71   +   480   парал-лельное вкл. (240/480);
3 фазы  
DSP 10; 30; 60; 100   90…264   5; 12; 15; 24   -25…71   —   580   низкий профиль  
HWS Кожух   300; 600; 1000; 1500   85…265   3,3; 5; 6; 7,5; 12; 15; 24; 36; 48; 60   -10…70   +   170   пожиз-ненная гарантия; ККМ  
HWS/HD 30; 50; 100; 150; 300; 600; 1000; 1500 85…265   3,3; 5; 6; 7,5; 12; 15; 24; 36; 48; 60   -10…71   + >300 Вт 180   пожиз-ненная гарантия; запуск от -40°C; ККМ  
LS25/35/50/75/ 100/150/200   25; 35; 50; 75; 100; 150; 200   88…264   3,3; 5; 12; 15; 24; 36; 48   -25…70   —   900   низкая стоимость  
ZWS/BAF Открытый   50; 75; 100; 150; 300   85…265   3,3; 5; 12; 15; 24; 48   -10…70   —   220   гарантия 10 лет; ККМ  
ZWS/BP 150; 240   85…265   24; 36; 48   -10…70   —   220   гарантия 10 лет; ККМ; импульсная мощность до 200%  
DR MW   DIN-рейка   45; 75; 120   88…264   12; 24; 48   -10…60   —   136   —  
DRP 240; 480   88…264   24; 48   -10…70   —   289   ККМ  
MDR 10; 20; 40; 60; 100   85…264   12; 24; 48   -10…60   +   289   ККМ MDR100  
SDR 120; 240; 480; 960   88…264   12; 24; 48   -25…70   +   289   ККМ; парал-лельное вкл.
(индекс P)  
WDR 120; 240; 480   180…550   12; 24; 48   -25…70   +   268   низкий профиль; ККМ; 1/3 фазы  
DRT-240/480/960   240; 480; 960   340…550   24; 48   -20…70   —   114   3 фазы  
TDR-960   960   340…550   24; 48   -30…70   +   59   ККМ; 3 фазы; низкий профиль  
DRA5/10/ 18 Chinfa   DIN-рейка   5; 10; 18   90…264   5; 12; 15; 24   -20…70   —   800    
DRA100 100   90…264   12; 24; 48   -35…71   —   450    
DRA240/300/480   240; 300; 480   90…264   24; 48   -40…71   —   400   ККМ; парал-лельное вкл.  
DRAN30/ 60 30; 60   85…264   5; 12; 24; 48   -40…71   +   550    
DRAN120 120   90…264   12; 24; 48   -35…71   +   450   ККМ; парал-лельное вкл.  
WRA 240; 480; 960   340…575   24; 48   -40…71   —   500   парал-лельное вкл. 3 фазы  

 

 

Рис. 1. Внешний вид источников питания для устройств промышленной автоматики

Из таблицы 1 видно, что наибольшим количеством серий источников питания представлен производитель TDK-Lambda, и это на самом деле так. Данный производитель специализируется именно на источниках для промышленного применения, причем очень качественных и надежных. О надежности говорит тот факт, что на часть своей продукции производитель дает либо 10 лет гарантии (серия ZWS), либо пожизненную гарантию (серия HWS). Дополнительной особенностью серии HWS является то, что нагрузку можно подключать по четырехпроводной схеме с компенсацией падения напряжения на проводах; имеется вход удаленного включения/выключения (гальванически изолированный от выхода модуля), а также возможность подстройки выходного напряжения.

Из указанных в таблице серий следует особенно выделить серию ZWS/BP, которая способна выдержать двукратные пиковые перегрузки в течение нескольких секунд. Данная серия наилучшим образом подходит для питания различных электродвигателей и выдерживает любую нагрузку, кратковременно потребляющую повышенную мощность. Такой тип нагрузки достаточно широко используется в системах автоматизации. При использовании данных источников питания можно сэкономить на их стоимости. Например, требуется обеспечить питанием двигатель, который продолжительное время работает на мощности не выше 50% от максимального значения, и иногда при свершении какого-либо действия от него требуется полная мощность. Если эту задачу решать стандартным методом, то потребуется источник питания с выходной мощностью, равной полной мощности двигателя, который длительное время будет использоваться только наполовину, но заплатить придется за всю его мощность. Если же использовать серию ZWS/BP, то можно выбрать источник мощностью в два раза ниже, а, соответственно, и меньшей стоимости.

Серия LS характеризуется максимально низкой стоимостью (среди источников в кожухе производства компании TDK-Lambda), хорошим качеством, надежностью и самым высоким значением MTBF. Гарантийный срок на данную серию составляет три года.

Интересный нюанс. Источники с 10-летней и пожизненной гарантией обладают относительно невысоким значением MTBF. Это еще раз подтверждает, что MTBF — очень условная расчетная величина, и ориентироваться только на нее при определении срока службы изделия не следует. С другой стороны, читатель может заметить, что гарантия и срок службы — это не одно и то же, тем не менее, на ненадежный источник производитель не будет указывать очень длительный и, тем более, пожизненный срок гарантии.

Изделия производителей MW и Chinfa представлены в основном источниками в корпусе для крепления на DIN-рейку. Особенностью продукции Chinfa по сравнению с продукцией MW является наличие выходных напряжений 5 и 15 В и расширенный диапазон рабочей температуры в области отрицательных значений (до -40°C). По остальным параметрам изделия этих двух производителей очень схожи и находятся в одном ценовом диапазоне.

Все источники, представленные в таблице 1, имеют так называемый универсальный диапазон входного напряжения 90/85…264 В (источник работоспособен во всех существующих электросетях). Имеются источники, — это, как правило, источники повышенной мощности, — для работы только в трехфазных сетях (серии DRT, TDR, WRA, DPP-xx-3), а также для работы в трехфазной или однофазной сети (серия WDR). Большинство серий ИП имеет активную схему коррекции коэффициента мощности (ККМ). Практически все источники имеют световую индикацию наличия выходного напряжения, а часть источников, в основном — для установки на DIN-рейку, дополнительно имеет так называемый «сухой контакт» для сигнализации о состоянии выходного напряжения. Практически все источники имеют возможность ручной подстройки выходного напряжения в диапазоне -10/0…+15/20% от номинального значения.

При проектировании устройств промышленной автоматики может возникнуть ситуация, когда требуется обеспечить питанием достаточно мощную нагрузку, а источник питания в виде единого блока на требуемую мощность отсутствует. В таком случае можно использовать параллельное соединение нескольких отдельных источников питания. ИП, позволяющие это сделать, имеют соответствующий переключатель или дополнительные контакты, которые требуется определенным образом соединить между собой (рисунок 2, контакты P+/P- разъема CN205). В этом случае один из источников ставится в режим ведущего, а другие — в режим ведомых. При параллельном соединении имеющийся на источнике переключатель или дополнительные контакты позволяют видоизменить цепь обратной связи.

 

Параллельное соединение нескольких источников на примере серии TDR-960

 

Рис. 2. Параллельное соединение нескольких источников на примере серии TDR-960

Важно различать параллельное соединение источников питания с целью увеличения выходного тока (увеличения мощности) и с целью резервирования (повышение надежности системы без увеличения мощности). Данное различие в возможности параллельного соединения является принципиальным. В одном случае действительно увеличивается общая выходная мощность (выходные токи источников питания суммируются), а в другом случае нагрузка всегда питается только от одного источника питания и лишь в случае его выхода из строя автоматически получает питание от другого параллельно подключенного источника. Во втором случае цепь обратной связи в источнике не изменяется, а на выходе источников устанавливаются обычные диоды, которые просто «развязывают» изделия друг от друга при параллельном подключении и позволяют произвести «горячую» замену.

 

Модули резервирования источников питания

Для параллельного подключения источников питания, не имеющих встроенных диодов, с целью резервирования (повышения надежности системы) производители выпускают специальные модули резервирования, как правило, в корпусе с креплением на DIN-рейку (таблица 2). Внешний вид модулей приведен на рисунке 3.

Таблица 2. Модули резервирования источников питания   

Наиме-нование Кол-во
входов
Входное напря-жение, В Входной ток, А (на канал) Обратное напря-жение, В Релейный контроль Инди-кация Произ-водитель Темпе-ратурный диа-пазон, °C
DR-RDN20 2   21…28   20   30   есть   есть   MW   -40…70  
DLP-PU/E 2   21…28   20   35   есть   есть   TDK-Lambda   -10…70  
DRP10 2   9…35   10   35   нет   нет   Chinfa   -40…71  
DRP20 2   21…28   20   30   есть   есть   -40…71  

Внешний вид модулей резервирования источников питания  Внешний вид модулей резервирования источников питания

Рис. 3. Внешний вид модулей резервирования источников питания

Модули резервирования необходимы в устройствах или системах, которые должны непрерывно и бесперебойно работать длительное время. В таких системах возможный выход из строя источника питания приводит к существенным потерям, нарушению технологического цикла или просто недопустим.

Самый простой модуль резервирования содержит внутри себя выпрямительные диоды на соответствующий ток и напряжение, соединенные катодами, к анодам которых подключаются резервируемые источники питания (рисунок 4).

 

Схема резервирования источников питания

 

Рис. 4. Схема резервирования источников питания

 

В этом случае получается, что диоды, которые могли бы быть установлены внутри источника, вынесены наружу. В такой схеме нагрузка питается от того источника, выходное напряжение которого будет выше, чем у другого источника (из-за разброса значений выходного напряжения) при условии, что падение напряжения на обоих диодах строго одинаковое. Если падение напряжения на диодах различное, то нагрузка будет питаться от того источника, который сможет открыть диод; другой диод, соответственно, будет закрыт. У читателя может возникнуть вопрос: почему диоды не поставить во все источники питания и тем самым обеспечить возможность их параллельного подключения без каких-либо условий и дополнительных модулей, ведь стоимость диода невысока? Ответ заключается в том, что в этом случае не только при параллельном подключении, а постоянно через диод будет протекать ток, а учитывая падение напряжения на диоде (0,5…0,8 В) и достаточно большие токи (до десятков ампер) мы получим существенные потери мощности, которые приведут к значительному снижению КПД источника. Поэтому диоды лучше ставить тогда, когда это действительно необходимо.

В случае выхода из строя по какой-либо причине одного из источников, нагрузка автоматически получит питание от другого источника (открытый и закрытый диод поменяются местами); при работе данные источники питания не оказывают влияния друг на друга, так как «развязаны» диодами. В подобных системах в момент выхода источника питания из строя необходимо сформировать и подать сигнал на контролирующее устройство для того, чтобы оператор смог отследить выход из строя блока и сообщить в сервис-центр о необходимости замены. Замена источника в этом случае производится без отключения системы («горячая» замена). Для того, чтобы сформировать сигнал о выходе источника питания из строя, необходимо, чтобы сам источник питания или модуль резервирования содержали в своем составе схему контроля наличия на выходе/входе напряжения и исполнительное устройство. В качестве исполнительного устройства обычно выступает реле с контактной группой (так называемый «сухой контакт» или электронная схема, формирующая напряжение определенного уровня).

Из таблицы 2 видно, что, если система питается напряжением 24 В, (наиболее распространенное значение напряжения для устройств промышленной автоматики), то без труда можно подобрать резервирующий модуль с необходимым релейным контролем каждого канала и использовать наиболее простые и самые распространенные источники без контроля состояния выходного напряжения. При использовании питающего напряжения значением 12 В резервирующий модуль (из таблицы 2) не обладает контролем состояния напряжения, и при выборе источников питания это следует учесть. Нужно будет выбрать источники, которые уже имеют подобный встроенный контроль. Такие источники можно выбрать, например, среди серии MDR40/60/100 (таблица 1). Необходимо учесть, что мощность источника в этом случае не должна превышать 120 Вт (10 А/12 В).

 

Источники питания с функцией UPS,
схемой мониторинга состояния
и заряда аккумуляторной батареи

В промышленной автоматике часто встречаются приложения, в которых какое-либо устройство должно быть обеспечено питанием даже в случае отключения первичной электросети 220 В/50 Гц. В этом случае система должна иметь автономный источник энергии, в качестве которого, как правило, выступает аккумулятор на соответствующую емкость и напряжение. Особенностью аккумулятора является то, что за его состоянием необходимо следить, причем — в автоматическом режиме (без участия оператора). Аккумулятор необходимо всегда поддерживать в заряженном состоянии, не допуская перезаряда, при отключении первичной сети автоматически подключить аккумулятор к нагрузке, обеспечить сигнализацию при его разряде и не допустить его переразряда. Все эти функции возлагаются на отдельный контроллер состояния аккумулятора или на источник питания, совмещающий в себе функцию источника бесперебойного питания. Подобные устройства имеются у производителей MEAN WELL и Chinfa (таблица 3). Внешний вид изделий приведен на рисунке 5.

Таблица 3. Контроллеры для систем бесперебойного питания   

Наиме-нование Напря-жение шины, В Ток нагрузки, А Емкость акку-мулятора, А.ч «Сухой контакт»
DC ok
«Сухой
контакт»
Bat Fail
«Сухой
контакт»
Bat. Discharge
Произ-водитель Темпе-ратурный диапазон °C
DR-UPS40 24   20   4/7/12   +   +   +   MW   -20…70  
DRU30-12 12   30   4/7/12   +   +   +   Chinfa   -40…71  
DRU30-24 24   30   4/7/12   +   +   +   -40…71  

Внешний вид контроллеров для систем бесперебойного питания  Внешний вид контроллеров для систем бесперебойного питания

Рис. 5. Внешний вид контроллеров для систем бесперебойного питания

 

Схема бесперебойного питания устройства с использованием автономного источника энергии приведена на рисунке 6.

 

Схема бесперебойного питания с использованием внешнего аккумулятора

 

Рис. 6. Схема бесперебойного питания с использованием внешнего аккумулятора

Из таблицы 3 видно, что продукция двух рассматриваемых производителей рассчитана на одинаковые по емкости аккумуляторы 4…12 А.ч, но Chinfa выпускает изделия, работоспособные в более широком температурном диапазоне и на два значения напряжения: 12 В и 24 В. Кроме того, контроллеры указанного производителя имеют переключатель, позволяющий установить оптимальное значение зарядного тока в зависимости от емкости используемого аккумулятора (0,5/1/2,5 А). Контроллер производителя MW (DR-UPS40) заряжает аккумулятор только током одного значения 2 А, но при этом стоимость данного изделия существенно ниже, чем стоимость контроллера DRU30.

 

Изолированные DC/DC-преобразователи

В системах промышленной автоматики используется разнообразное оборудование, требующее различного напряжения питания постоянного тока. Если в шкафу уже установлен AC/DC-преобразователь, подключаемый к сети 220 В/50 Гц, то нет острой необходимости устанавливать второй подобный преобразователь на другое выходное напряжение. В подобной ситуации можно обойтись DC/DC-преобразователем напряжения, имеющим, как правило, меньшую стоимость.

Поскольку в промышленной автоматике используются в основном изделия, устанавливаемые на DIN-рейку, рассмотрим DC/DC-преобразователи именно в этом форм-факторе. Оказывается, такие изделия представлены только у производителя TDK-Lambda, и это единственная серия DPX, состоящая из одно-, двух- и трехканальных DC/DC-преобразователей мощностью 15…60 Вт с однополярным и биполярным выходом (рисунок 7).

 

Внешний вид DC/DC-преобразователя DPX

 

Рис. 7. Внешний вид DC/DC-преобразователя DPX

Модули защищены от подачи входного напряжения обратной полярности, от превышения допустимого значения пускового тока, а также — от перегрузок по мощности и напряжению и от коротких замыканий.

На передней панели расположен светодиод индикации нормального значения выходного напряжения (DC good). Модули допускают удаленное управление включением/выключением.

Отличительные характеристики и особенности модулей DPX приведены в таблице 4.

Таблица 4. Основные характеристики и особенности модулей DPX   

Параметр DPX15W DPX20W DPX40W DPX40W-3 DPX60
Uвх, В
(рабочий диапазон)  
24 (9,5…36) 48 (18…75) 24 (9,5…36) 48 (18…75) 24 (9,5…36) 48 (18…75) 12 (9,5…18) 24 (18…36) 48 (36…75) 24 (9,5…36) 48 (18…75)
Uвых, В   3,3; 5; 5,1; 12; 15; ±5; ±12; ±15   3,3; 5; 12; 15; ±5; ±12; ±15   3,3; 5; 12; 15; ±12; ±15   3,3; ±12; 5; ±12; 3,3; ±15; 5; ±15   3,3; 5, 12; 15  
Подстройка Uвых, %   —   ±10   ±10   заводская установка   ±10  
Pвых, Вт   15   20   40   40   60  
Tраб., °C   -40…95   -40…91   -40…87   -40…90   -40…85  
MTBF, тыс. час   147   139,3   968,8   1184   957  
Количество каналов   1, 2   1, 2   1, 2   3   1  
Индикация DC-OK   —   +   +   +   +  

 

Заключение

Используя продукцию рассмотренных производителей — MeanWell, Chinfa и TDK-Lambda — можно обеспечить необходимым напряжением питания подавляющее большинство устройств промышленной автоматики. Продукция перекрывает большой диапазон мощностей (до 1,5 кВт) и позволяет наращивать выходную мощность сверх указанной посредством параллельного соединения источников питания. Для увеличения времени безотказной работы системы имеются специальные модули резервирования источников питания с контролем напряжения и необходимой сигнализацией, а также имеются модули для обеспечения устройств бесперебойным питанием в случае отсутствия напряжения первичной сети.

Качество и надежность продукции рассматриваемых производителей подтверждены соответствующими сертификатами и испытаниями. Продукция компании TDK-Lambda выделяется повышенной надежностью и предназначена в основном для тех приложений, где требуется бескомпромиссное качество в жестких условиях эксплуатации (газовая, нефтяная отрасли, энергетика и др.). Продукция производителей MW и Chinfa характеризуется оптимальным соотношением цена/качество и подходит для всех приложений с умеренными требованиями по надежности.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail: ac-dc-ac.vesti@compel.ru

 

 

Наши информационные каналы

Теги:
Рубрики:

О компании TDK-Lambda

TDK-Lambda – один из крупнейших мировых лидеров в проектировании и производстве высоконадежных источников питания различного назначения: для измерительного и испытательного оборудования, промышленной автоматики, телекоммуникаций, обработки данных и т.д. Компания выпускает: AC/DC-преобразователи мощностью от 5 Вт до 5 кВт DC/DC-преобразователи для монтажа на печатную плату и на шасси мощностью от 1.5 Вт до 1 кВт Программируемые источники питания мощностью от 200 Вт до 90 кВт Высо ...читать далее