Zasilanie awaryjne systemów sterowania

Zastosowanie UPS-ów AC

Rys. 1. Podtrzymanie zasilania przez UPS AC

Wykorzystanie UPS-ów z wejściem i wyjściem 230 V_AC jest praktyką stosowaną przez wielu integratorów systemów automatyki. Pozwala to na zapewnienie podtrzymania zasilania w wypadku zaniku napięcia sieciowego. W takim przypadku zasilacz impulsowy 24 V_DC w szafie sterowniczej jest zasilany napięciem wyjściowym z UPS-a w sposób przedstawiony na rys. 1. Wiąże się to jednak z przetwarzaniem napięcia z AC na DC i ponownie z DC na AC w UPS-ie (w przypadku pracy buforowej), a później z AC na DC w zasilaczu, co powoduje straty energii.

Z omawianymi urządzeniami związanych jest wiele problemów konserwacyjnych, które - chociaż są nieuniknione w przypadku zasilania awaryjnego 230 V_AC, mogą zostać ominięte poprzez zastosowanie UPS-ów DC. Najpoważniejszy z nich dotyczy baterii - większość UPS-ów jest pozbawiona możliwości monitorowania ich stanu, dostępna jest tylko informacja o poziomie naładowania.

Wymusza to konieczność wymiany akumulatorów co określony, ustalony w harmonogramie konserwacji czas, niezależnie od ich rzeczywistego stanu. Wytworzenie napięcia stałego, które może zostać zamienione przez inwerter znajdujący się w UPS-ie na napięcie przemienne 230 V_AC wymusza połączenia w szereg wielu akumulatorów 12 V, co wiąże ze sobą duże koszty ich wymiany oraz powoduje powstanie niebezpiecznego napięcia stałego zagrażającego personelowi zajmującemu się obsługą.

Kolejnym zagadnieniem jest budowa UPS-a. Są to zwykle urządzenia wolnostojące lub przystosowane do montażu w szafach rack 19". Ze względu na rozmiary zastosowanie ich do podtrzymania zasilania systemu sterowania wiąże się często z koniecznością umieszczania ich poza szafą sterowniczą lub w dodatkowej szafie, co skutkuje zwiększaniem gabarytów układu sterowania. Wiele zasilaczy awaryjnych jest wyposażonych we wbudowane akumulatory bez możliwości wymiany na większą pojemność. Użytkownicy są zmuszeni do zakupu większego UPS-a tylko po to, żeby uzyskać dłuższy czas podtrzymania.

Systemy sterowania często instalowane są na świeżym powietrzu lub w trudnym środowisku przemysłowym. UPS umieszczony poza szafą sterowniczą jest narażony na działanie niekorzystnych warunków otoczenia, np. temperatury. Może to powodować skrócenie czasu życia zastosowanych w nim baterii.

Rozwiązaniem problemów występujących w klasycznych UPS-ach AC - jeżeli chcemy je stosować w systemach sterowania - są systemy zasilania awaryjnego stworzone do szaf sterowniczych. Ich celem jest zapewnienie zasilania 24 V_DC urządzeń automatyki nawet w przypadku zaniku napięcia z sieci przy zachowaniu niewielkich gabarytów i możliwości dostosowania do potrzeb użytkownika. Oferta producentów jest bardzo zróżnicowana. Od małych i prostych zasilaczy z funkcją ładowania baterii aż po zaawansowane systemy modułowe do wymagających aplikacji.

Zasilacz UPS w jednej obudowie

Rys. 2. Podtrzymanie zasilania przez zasilacz buforowy

Urządzeniami zapewniającymi podtrzymanie napięcia 24 V_DC są zasilacze impulsowe z wbudowanym modułem UPS. Są one montowane na szynie DIN i dają możliwość podłączenia zewnętrznych baterii (sposób podłączenia odbiorów i baterii przedstawiono na rys. 2). Podczas normalnej pracy (zasilanie z sieci) obciążenie jest zasilane jak ze standardowego zasilacza impulsowego, a baterie są ładowane przez drugie - przeznaczone do tego celu wyjście, o mniejszym prądzie znamionowym. W przypadku zaniku napięcia sieci wykorzystywana jest energia zgromadzona w akumulatorach.

Do zasilacza, jak wspomniano, należy podłączyć zewnętrzne baterie. Można wykorzystać typowe akumulatory 12 V_DC lub skorzystać z gotowych modułów bateryjnych do montażu na szynie DIN. Są one dostępne w różnych pojemnościach i można je dobrać do potrzeb użytkownika. Typy baterii, które mogą zostać zastosowane, są określone przez producenta zasilacza. Najpopularniejsze są akumulatory VRLA (Valve Regulated Lead Acid, akumulatory kwasowo-ołowiowe z zaworami), ale w niektórych zasilaczach obsługiwane są również akumulatory Ni-Cd (niklowo-kadmowe), Li-Ion (litowo-jonowe) i inne.

Zastosowanie typowych akumulatorów 12 V_DC jest związane z koniecznością umieszczenia ich na dole szafy sterowniczej albo poza nią, co może wiązać się z narażeniem ich na działanie temperatur będących poza dopuszczalnym zakresem pracy baterii i wpływać negatywnie na ich czas życia.

Zasilacze takie jak omawiane oferowane są między innymi przez firmę Mean Well. Jest to seria DRC o mocach od 40 do 100 W i napięciu wyjściowym 12/24 V_DC z możliwością niewielkiej regulacji. Są one wyposażone w zabezpieczenia zwarciowe, przeciążeniowe, nadnapięciowe i ochronę przed nadmiernym rozładowaniem baterii. Sygnalizacja obecności napięcia AC i rozładowania baterii jest dostępna w postaci wyjść przekaźnikowych.

Tego typu zasilacza buforowe mogą mieć zastosowanie w przypadku aplikacji gdzie wymagane jest tylko podtrzymanie zasilania napięciem stałym przez pewien czas, a zapewnienie niezawodności systemu podtrzymania ma mniejsze znaczenie niż koszty. Dostępne są również rozwiązania dla użytkowników, którzy mają bardziej rygorystyczne wymagania co do zasilacza UPS DC.

Monitorowanie stanu baterii w zasilaczu UPS

Porównanie wybranych parametrów UPS-ów DC

Dla zapewnienia niezawodnego podtrzymania zasilania wymagane jest monitorowanie stanu baterii. Nie jest to łatwe zadanie, ponieważ objawy zużycia akumulatora nie zawsze są możliwe do stwierdzenia przy użyciu prostych pomiarów, a diagnostyka jest związana z ingerencją człowieka. Pozornie sprawna bateria może ulegać zbyt szybkiemu rozładowaniu pod obciążeniem, co może zagrażać ciągłości zasilania, gdy założony czas podtrzymania nie zostanie osiągnięty.

Kolejny istotny aspekt to parametry ładowania akumulatorów. Dostosowanie parametrów ładowania jest wymagane dla zapewnienia długiego czasu życia baterii. Należy uwzględnić kwestie takie jak typ baterii, pojemność i stan rozładowania. Dostępne są zasilacze buforowe oferujące bogate funkcje diagnostyki i zarządzania bateriami. Przykładowym producentem takich wyrobów jest firma Adelsystem, która dostarcza zasilacze z funkcjami UPS przeznaczone do wymagających zastosowań.

Zasilacze te wyposażone są w dwa wyjścia, co jest typowe dla urządzeń buforowych. Jedno służy do zasilania odbiorów, zaś drugie do ładowania akumulatorów. Nadmiar energii, która nie jest wykorzystywana przez podłączone obciążenie, jest przeznaczany do ładowania baterii. Nie występuje więc zagrożenie, że rozładowane akumulatory, które wymagają dużego prądu ładowania, będą powodować ograniczanie mocy dostępnej na wyjściu przeznaczonym do zasilania odbiorów.

Poprawna praca zasilacza nie jest również zagrożona przez zły stan baterii. Parametry ładowania są dopasowywane do stopnia rozładowania akumulatora, możliwe jest ładowanie nawet głęboko rozładowanych baterii przez zastosowanie ładowania kilkustopniowego w czterech trybach. Nadmierne rozładowywanie akumulatorów skraca ich żywotność, dlatego w trybie pracy bateryjnej, jeśli napięcie spadnie poniżej ustalonego poziomu, urządzenie zostaje wyłączone.

Zasilacze Adelsystem (podobnie jak produkty wielu innych firm na rynku) mogą obsługiwać różne typy akumulatorów kwasowo-ołowiowych, baterie niklowo-kadmowe, niklowo-metalowo-wodorkowe i litowo-jonowe. Stan akumulatorów jest regularnie sprawdzany, a wadliwe funkcjonowanie jest sygnalizowane przez diody na obudowie urządzenia, za pomocą wyjść przekaźnikowych oraz poprzez interfejsy komunikacyjnej.

Nieprawidłowości wykrywane przez testy to między innymi odłączenie lub zamiana polaryzacji baterii, zbyt duża rezystancja połączenia akumulatora z urządzeniem, nieprawidłowa rezystancja wewnętrzna, zwarcie ogniwa wewnątrz baterii. Możliwa jest również kompensacja temperatury i długości kabli po podłączeniu dodatkowych czujników. W ofercie producenta znajdują się moduły bateryjne na szynę DIN o różnych pojemnościach. Komunikacja z systemami automatyki lub oprogramowaniem jest możliwa z wykorzystaniem RS-485 i CAN, a po zastosowaniu konwertera - również przez Ethernet.

Moduły UPS

Rys. 3. Podtrzymanie zasilania przez moduł UPS DC

Skalowalność rozwiązań zasilania awaryjnego 24 V_DC można posunąć jeszcze dalej. W ofercie producentów takich jak Siemens czy Phoenix Contact można znaleźć moduły UPS zasilane napięciem 24 V_DC. W sytuacji gdy wymagane jest podtrzymanie zasilania tylko części odbiorów zasilanych napięciem stałym, można zastosować zasilacz impulsowy o mocy dostosowanej do potrzeb całego układu sterowania, a do kluczowych elementów wymagających podtrzymania zasilania w przypadku awarii sieci dobrać moduł UPS odpowiedniej mocy, jak to zostało przedstawione na rysunku 3.

Na rynku są dostępne kompleksowe rozwiązania o konstrukcji modułowej. Zbudowane są z trzech elementów: zasilacza impulsowego, modułu UPS i zewnętrznego modułu bateryjnego dostosowanego do obciążenia i czasu podtrzymania. W zależności od wymagań integratora można wybrać kompletny system zasilania awaryjnego od jednego producenta lub dobrać elementy składowe oddzielnie.

Moduły UPS mają zaawansowane funkcje ładowania baterii, kontroli ich stanu i zarządzania przełączaniem zasilania obciążenia w przypadku zaniku napięcia sieciowego. Są one wyposażone w funkcje monitoringu nie tylko stanu naładowania akumulatorów, ale również ich żywotności, co umożliwia zaplanowanie wymiany na nowe z wyprzedzeniem i to wtedy, kiedy dobiegnie końca czas życia baterii, a nie na podstawie sztywnego harmonogramu. UPS-y tej klasy umożliwiają użytkownikowi ustalenie, jaki stan baterii jest uznany za kwalifikujący ją do wymiany i informują o tym użytkownika za pomocą styku bezpotencjałowego lub wyświetlacza.

W tego typu rozwiązaniach ułatwiono wymianę baterii. Kiedy zachodzi potrzeba wymiany, UPS jest przełączany w tryb serwisowy, w którym ładowanie akumulatorów oraz pobieranie z nich energii jest nieaktywne i można je bezpiecznie odłączyć. Moduł bateryjny można otworzyć, co daje możliwość wyjęcia akumulatorów bez konieczności odłączania zasilacza od sieci i odbiorów.

Najczęściej spotykanymi magazynami energii są akumulatory VRLA. Są one popularne ze względu na dużą gęstość ładunku i niskie koszty. Moduły UPS obsługują również baterie litowo-jonowe i superkondensatory oferujące dłuższy czas podtrzymania, większy prąd lub szerszy zakres temperatury pracy. Istnieją również moduły z wbudowanymi kondensatorami pozwalającymi na kilkuminutowe podtrzymanie zasilania bez dołączonego modułu bateryjnego. Typ baterii jest automatycznie wykrywany przez moduł UPS, a parametry ładowania (prąd, napięcie) dopasowywane do potrzeb.

Dodatkowe funkcje zasilacza UPS

Zaawansowane UPS-y są wyposażone w funkcję inicjalizacji bezpiecznego wyłączenia komputera lub sterownika, które są przez nie zasilane. W trybie pracy bateryjnej, gdy zachodzi ryzyko utraty zasilania, może zostać uruchomione oprogramowanie archiwizujące, co zapobiega utracie danych przed wyłączeniem komputera.

Po powrocie zasilania komputer zasilany przez UPS-a zostaje uruchomiony automatycznie bez konieczności ingerencji operatora. Zaawansowane zasilacze pozwalają na monitorowanie w czasie rzeczywistym stanu zasilacza oraz baterii i zdalną modyfikację ustawień. Udostępniane informacje to między innymi napięcie, prąd, temperatura i wielkość baterii.

W przypadku równoległego połączenia kilku modułów bateryjnych dostępne są informacje o każdym module oddzielnie. Informacje diagnostyczne mogą być zapisywane do pliku po wystąpieniu określonego zdarzenia oaz wysyłane jako wiadomość e-mail, gdy spełnione są odpowiednie warunki. Systemy UPS mogą również komunikować się za pomocą protokołów takich jak Modbus RTU czy EtherNet/IP. Eliminuje to potrzebę wykorzystywania oprogramowania diagnostycznego dla PC i umożliwia konfigurację zasilacza oraz odczytywanie jego parametrów przez sterowniki PLC lub panele HMI.

Jakie rozwiązania wybrać w zakresie zasilaczy buforowych?

Zastosowanie zaawansowanych systemów podtrzymania napięcia w systemach sterowania wymaga poniesienia kosztów, jednak może okazać się sposobem na uniknięcie poważniejszych strat związanych z utratą zasilania. Oferta producentów zasilaczy buforowych jest na tyle zróżnicowana, że możliwe jest dobranie rozwiązania odpowiedniego do projektowanego układu sterowania pod względem mocy, czasu podtrzymania, możliwości diagnostycznych i kosztów.

Jeśli wymagane jest tylko podtrzymanie napięcia, zaś nie jest wymagana diagnostyka baterii i komunikacja z nadrzędnym systemem sterowania, może zostać zastosowany prosty i niedrogi zasilacz buforowy. Im bardziej istotne jest zapewnienie niezawodnego zasilania awaryjnego i wczesne ostrzeganie o możliwym defekcie baterii, tym bardziej powinno się rozważyć zastosowanie zaawansowanych urządzeń UPS.

Piotr Ziółkowski