Do Projektu iAutomatyka dołączyli:

https://iautomatyka.pl/wp-content/uploads/2024/01/Weidmuller-zasilanie-DC-iAutomatyka-000.jpg

Czy dobry zasilacz 24VDC wystarczy? ABC systemów zasilania od Weidmüller


Układy i systemy automatyki pracują w oparciu o różnego rodzaju energie. Energia ta może pochodzić ze sprężonego powietrza czy szerzej ciśnienia płynów. Może przybierać postać mechanicznej energii potencjalnej lub kinetycznej, napędzającej poszczególne elementy maszyn. Może to być również przemiana chemiczna spalania paliw wytwarzających energię cieplną. Lecz niezależnie od tych przeróżnych rodzajów energii, nieodzownym elementem maszyn jest energia elektryczna stanowiąca źródło „napędu” dla wszelkich urządzeń sterujących, czujników wielkości fizycznych, niejednokrotnie zastępując też różne napędy ich elektrycznymi odpowiednikami.

Tak samo jak odpowiednio przygotowane musi zostać sprężone powietrze zanim dostarczymy je do siłownika, tak przygotowane musi być również napięcie zasilające dla naszych urządzeń elektrycznych. Projektując proste układy automatyki dbamy jedynie o dobór odpowiedniego zasilacza zazwyczaj wytwarzającego napięcie zasilające 24V prądu stałego. A tymczasem zaawansowane lub inteligentne systemy mają znacznie większe wymagania co do kontroli i zarządzania napięciem zasilającym. Stąd rola zasilacza może być niewystarczająca i pojawia się szereg innych urządzeń, którym poświęcimy ten artykuł. We współpracy z Weidmüller, oprócz zasilaczy przedstawimy szereg urządzeń i ich rolę w układach zasilających. Zatem będzie mowa o:

  • bezprzerwowych zasilaczach impulsowych,
  • modułach komunikacyjnych dla zasilaczy,
  • elektronicznym monitorowaniu obciążenia,
  • przetwornicach DC/DC,
  • modułach diodowych i redundantnych,
  • jednostkach ładowania wstępnego.

Mam nadzieję, że po lekturze w postaci tego artykułu, szerzej spoglądać będziecie na układy zasilające w szafach sterowniczych i zbuduje on w Was większą świadomość roli poszczególnych urządzeń tam zastosowanych.

Zasilacze impulsowe

Podstawą bezpiecznego funkcjonowania systemów sterowania jest prawidłowa, nieprzerwana praca urządzeń sterujących i komunikacyjnych jak sterowniki PLC,  wyspy IO, switche, panele HMI czy modemy łączności przewodowej lub bezprzewodowej. Przerwa w ich pracy wiąże się z zatrzymaniem całego układu. Zatem warto zadbać by takich sytuacji było jak najmniej. A do tego potrzeba stabilnego zasilania najczęściej w postaci prądu stałego, którego dostarczeniem zajmują się zasilacze przetwarzające prąd sieciowy. Obecnie takie zasilacze zbudowane są najczęściej w technologii impulsowej, zapewniającej znacznie wyższą sprawność, która ma znaczenie zarówno ekologiczne jak i ekonomiczne.

Weidmüller ma bogatą ofertę jeśli chodzi o zasilacze impulsowe. Na szczególną uwagę zasługują zasilacze z serii PROtop o napieciach wyjściowych 12, 24, i 48V prądu stałego, mocach od 72W do 960W dla wariantów jednofazowych i już od 120W do 960W przy modelach trójfazowych. Ale to nie dostępne warianty mocy są w tych zasilaczach interesujące i wyróżniające na tle konkurencji. Zasilacze z serii PROtop to najwyższa półka jakościowa zapewniająca dużą niezawodność i interwały wymian. Posiadają też zintegrowaną technologię ORing MOSFET umożliwiającą redundantne połączenia zasilaczy bez konieczności stosowania modułów diodowych. Z kolei kryjąca się za skrótem DCL technologia odpowiada za dopuszczalne nawet w sposób ciągły przeciążenie 20% i krótkotrwałe nawet 600% (15ms), 300% (100ms), 150% (5s), co wymagane jest chociażby do wyzwalania wyłączników nadmiarowo-prądowych czy rozruchu dużych silników.

Na szczególną uwagę zasługują warianty przystosowane do pracy w ciężkich warunkach środowiskowych. Dostępne są wykonania z lakierowanymi płytkami PCB chroniącymi przed korozją, certyfikacją ATEX do pracy w strefach zagrożonych wybuchem czy warianty o rozszerzonym zakresie temperatur. Łącząc tą ostatnią cechę z systemem, o którym zaraz powiem, zasilacze z serii PROtop możemy montować niemal wszędzie!

W dobie coraz szerszego wykorzystywania systemów rozproszonych wykorzystujących urządzenia o stopniu ochrony IP65 jak chociażby wyspy sterowania pneumatyką czy sygnałowe w sieci IO-Link, pojawia się kwestia zasilania tych urządzeń nierzadko oddalonych od szaf sterowniczych. Komunikacja na odległości 100m nie stanowi problemów, ale doprowadzenie zasilania 24V DC już może. Czemu więc nie zastosować lokalnie umieszczonego zasilacza z IP65? Ponieważ na rynku naprawdę niewiele takich zasilaczy można znaleźć. Rozwiązaniem może być zastosowanie systemu Field Power, czyli obudów do zasilaczy z serii PROtop. Dzięki czemu łączymy wszystkie ich zalety z ochroną IP65.  Tak w ogóle o systemie FieldPower możecie szerzej dowiedzieć się z innego naszego artykułu i filmu, który znajdziecie tutaj: FIELDPOWER.

Przeskok technologiczny i przewagę nad konkurencją stanowi w tym przypadku także możliwość skomunikowania sieciowego zasilaczy w celu stałego monitoringu kondycji naszego układu zasilającego. Zasilacze możemy wzbogacić o moduły komunikacyjne dla sieci CAN Open oraz IO-Link. Jeśli nie wymagana jest komunikacja, a mimo to chcemy monitorować nasze zasilacze możemy zastosować moduł z wyświetlaczem do lokalnej wizji systemu.

W jakim celu może być nam przydatne monitorowanie lokalne? Przede wszystkim diagnostyka w przypadku jakiejkolwiek awarii. Pierwszą czynnością jaką wykonuje utrzymanie ruchu, jest sprawdzenie stanu zasilania. Podstawowo wyświetlane są wartości bieżące napięcia i prądu wyjściowego oraz największego piku prądowego. Zagłębiając się nieco bardziej w ustawienia, zyskujemy możliwości monitoringu szeregu parametrów oraz zmian progów wyzwolenia alarmów, zmian nastaw napięcia wyjściowego czy trybu pracy pojedynczej lub równoległej kilku zasilaczy.

Oprócz serii topowej PROtop Weidmüller w swojej ofercie ma też szereg innych serii zasilaczy. Od profesjonalnych zasilaczy PROmax charakteryzujących się również dużymi możliwościami przeciążeniowymi, przez PRObas uznane za wysoką wydajność i kompaktową konstrukcję z wieloma wariantami napięć wyjściowych, z międzynarodowymi aprobatami, po ekonomiczne zasilacze PROeco jako uniwersalne rozwiązanie do standardowych aplikacji systemów automatyki i nie tylko.

W aplikacjach gdzie wykorzystywane są rozdzielnice w zabudowie modułowej przydatne będą natomiast zasilacze z serii INSTA POWER (PRO INSTA) a do zabudowy naściennej lub bezpośrednio w urządzeniach sprawdzą się zasilacze PRO PM. Pamiętajcie tylko, że nadal mówimy tu o jakości reprezentowanej przez Weidmüller, która nawet w tak prostych zastosowaniach będzie z pewnością znacznie wyższa niż często spotykane na rynku produkty.

Bezprzerwowe zasilanie

Na czym polega zasilanie bezprzerwowe? Tutaj sądzę, że sama nazwa już zdradziła cel zastosowania. W aplikacjach, gdzie znaczną rolę odgrywa bezpieczeństwo, nie można dopuścić lub należy znacznie ograniczyć ryzyko utraty zasilania. Taka utrata może być spowodowana wieloma czynnikami:

  • awarią sprzętu zasilającego
  • odłączeniem zasilania na skutek zadziałania zabezpieczeń
  • przerwa w dostawie od operatora sieci
  • zapady napięcia spowodowanie operacjami w sieci lub włączeniem dużego obciążenia
  • itd.

Stąd stosuje się bufory lub moduły do zasilania bezprzerwowego wyposażone w awaryjne źródło energii najczęściej pod postacią baterii czy akumulatorów.  Przypomina to nieco rozwiązanie znane ze standardowych stacji UPS dla komputerów, z tą różnicą, że operujemy napięciem 24VDC, a baterie są zazwyczaj oddzielnym, niezabudowanym elementem układu.

W układach, gdzie przewiduje się długie przerwy w dostawie prądu sięgające nawet kilkunastu godzin, warto pochylić się nad drugim ze wspomnianych rozwiązań, bazujących na pojemnych akumulatorach.  W przypadku rozwiązań Weidmüller możemy liczyć nawet na 30 godzin zasilania awaryjnego przy obciążeniu 1A. W jakiej aplikacji można coś takiego wykorzystać? Chociażby w instalacjach telemechaniki w energetyce czy zdalnym monitoringu poziomu w rozproszonych stacjach wodno-kanalizacyjnych, gdzie przerwy w dostawie zasilania z pewnością się zdarzają. Układ zasilania przybiera wtedy następującą postać:

Korzyści jakie możemy wyciągnąć z powyższego schematu pokazują możliwość podziału obwodów zasilających na te zabezpieczone zasilaniem awaryjnym i z niego wyłączone. W ten sposób zabezpieczymy tylko wymagane urządzenia, wydłużając ich czas operacyjny lub oszczędzając na mocy zainstalowanych urządzeń.

Głównym elementem jest oczywiście moduł DC UPS, który zapewnia odpowiednie ładowanie baterii/akumulatorów uwzględniając ich temperaturę oraz zabezpieczając przed głębokim rozładowaniem, co bezpośrednio przekłada się na ich żywotność. Dzięki wyjściom sygnalizacyjnym stan modułu może być stale monitorowany w samym systemie sterującym. Moduł zasilany jest napięciem 24VDC z zewnętrznego źródła. W ofercie znajdziemy dwa warianty modułów o mocy 10/20A oraz 40A. Do każdego z nich możemy podłączyć baterie o różnej pojemności, która oczywiście przekłada się na dany czas pracy w oparciu o energię w nich zgromadzoną.

Dobrym wyborem będzie zastosowanie dedykowanych akumulatorów DURAeco dostępnych w 5 wariantach pojemności od 1,2Ah do 17Ah. Najpojemniejszy wariant jest w stanie zapewnić awaryjne zasilanie prądem 40A przez 30min lub 1A przez nawet 30 godzin (przy połączeniu równoległym dwóch akumulatorów 17Ah). Urządzenia wyposażone są w czujniki temperatury dzięki którym moduły ładujące mogą zoptymalizować charakterystykę ładowania, co wpływa na żywotność baterii. Producent deklaruje ją na poziomie nawet 7 lat.

Innym rozwiązaniem dostarczającym zasilania awaryjnego są bufory DC, które w Weidmüller zawierają się w rodzinie maxSHIELD. Ich zasada działania i rola w układzie jest nieco inna niż układów UPS. Bufory DC stosowane są w sytuacjach, gdy niedopuszczalne lub spotykane są w zakładach sytuacje krótkotrwałych zaników napięcia zasilającego. Przyczyny takich sytuacji mogą leżeć w operacjach łączeniowych po stronie sieci lub samego zakładu w przypadku uruchomienia obciążenia o dużej mocy. Wtedy układ bufora DC dostarczy energii zasilającej do urządzeń przez na przykład 100ms, zapobiegając restartowi sterowników i przerwie w realizacji algorytmów sterujących. Takie bufory skonstruowane są w oparciu o kondensatory, gdyż to dzięki nim możliwe jest natychmiastowe dostarczenie prądu wyjściowego nawet 20A. Jeśli okaże się to niewystarczające pod względem mocy lub czasu zasilania awaryjnego, zawsze możemy połączyć kilka takich buforów równolegle.

Przetwornice DC/DC

Nie tylko zaniki napięcia zasilającego mogą powodować przerwy w pracy systemów zasilanych napięciem 24VDC. Równie ważne są także wahania i spadki napięć, które mogą doprowadzić do przerw w działaniu urządzeń. A takie spadki są spotykane w przypadku dużych obciążeń lub długich linii zasilających, które często występują chociażby na statkach. Przetwornice DC/DC oprócz ustabilizowania napięcia i przywrócenia jego odpowiedniego poziomu, zapewniają separację galwaniczną obwodów. Przetwornice DC/DC Weidmüller mogą współpracować z różnymi zasilaczami czy modułami UPS, modułami zasilania redundantnego oraz modułami diodowymi, o których jeszcze opowiem. Dostępne są w wariantach 10A i 20A ale z możliwością długotrwałego przeciążenia 120%, a w piku nawet 600%. Stan pracy jak w przypadku innych urządzeń może być monitorowany zdalnie przy wykorzystaniu styków, a lokalnie na podstawie informacyjnych diod LED. Urządzenia z rodziny PRO TOPDC, podobnie jak zasilacze PROtop mogą być także monitorowane z wykorzystaniem modułów komunikacyjnych.

Moduły diodowe i redundantne

Po raz kolejny walczymy z problemami jakie mogą powstać w układach zasilania napięciem 24VDC. Zdarzają się sytuacje, w których uszkodzeniu może ulec sam zasilacz lub korzystając z dwóch różnych źródeł napięcia zasilającego chcemy osiągnąć redundancję przetworzonego napięcia zasilającego 24VDC. Być może potrzebujemy dodatkowej ochrony przed zwarciami lub do zapewnienia funkcjonalnej separacji zasilaczy. Moduły diodowe i redundantne umożliwiają połączenie nieprzystosowanych do odseparowanej pracy równoległej dwóch zasilaczy. A może zależy nam na możliwości wyzwalania wyłączników nadmiarowo-prądowych. W tym rodzaju aplikacji sprawdzi się moduł pojemnościowy, zapewniający rezerwy energii do selektywnego wyzwalania wyłączników.

W ofercie Weidmüller-a oczywiście znajdziemy zarówno moduły diodowe jak i redundantne oparte o tą samą technologię wykorzystującą MOSFET-y, która zastosowana została w zasilaczach PROtop. Redundancyjne moduły connectPower dostępne są w wariantach 10, 20 i 40A. Lecz należy zwrócić uwagę w jakim zakresie temperatur będziemy je wykorzystywać, gdyż maksymalny prąd wyjściowy zależy właśnie od niej. Analogiczne właściwości charakteryzują moduły diodowe, przy czym dostępne są warianty 10 i 20A.

Zabezpieczenia elektroniczne

W kontekście dostarczenia stabilnego i niezawodnego zasilania DC konieczne jest uwzględnienie monitoringu obciążeń, które chcemy zasilić. A jeśli monitoring to połączony najlepiej od razu z funkcjami zabezpieczeniowymi. Co prawda popularne zabezpieczenia w postaci bezpieczników topikowych czy wyłączników nadmiarowo prądowych mają się dobrze i jeszcze długo będą gościć w układach automatyki, to warto zastanowić się nad ich zamianą na elektroniczne odpowiedniki. Czym takie zabezpieczenia się charakteryzują? Zobaczmy na przykładzie topGUARD i maxGUARD od Weidmüller.Zabezpieczenia tradycyjne stosowane są jako niezależne, zabezpieczające pojedynczy obwód. Na etapie prefabrykacji układu musimy przewidzieć odpowiednią ilość miejsca na zabezpieczenia oraz złączki szeregowe do rozdziału potencjałów i czasu na ich okablowanie oraz uwzględnić ewentualny monitoring ich stanu w systemie. Każdorazowa zmiana i tak wymagać będzie całkiem dużego nakładu pracy.  Dodatkowo należy pamiętać o mniej precyzyjnej charakterystyce wyzwalania zabezpieczeń.

Alternatywę stanowią elektroniczne systemy zabezpieczeń jak topGUARD czy macGUARD. To systemy łączące w sobie dwie funkcjonalności: zabezpieczanie i rozdział napięcia. Oba są systemami modułowymi, które w każdej chwili mogą zostać w łatwy sposób rozbudowane o dodatkowe obwody. Konieczność dodatkowego okablowania występuje wtedy wyłącznie po stronie zabezpieczanego obwodu. Zabezpieczenia elektroniczne stale i precyzyjnie monitorują stan zasilania, nie tylko informując o zadziałaniu po przekroczeniu limitu obciążenia, ale także w momencie, gdy zbliży się ono do tej granicy. Daje to możliwość podjęcia reakcji jeszcze przez jego zadziałaniem, dzięki czemu ograniczane są oczywiście kosztowne przestoje. I wcale nie musimy kontrolować ciągle stanu urządzenia na podstawie diod led, znajdując się w bezpośrednim otoczeniu. Modele topGUARD wyposażone są w interfejs IO-Link dzięki czemu możemy zintegrować je z naszym systemem sterującym. Mając do dyspozycji informacje o stanie zasilania, nasze algorytmy sterujące mogą uwzględniać znacznie więcej sytuacji awaryjnych i każdorazowo, precyzyjnie informować o nich operatorów oraz działy utrzymania ruchu. Tego rodzaju zabezpieczenia stanowią idealne połączenie z również umożliwiającymi komunikację sieciową zasilaczami PROtop.

Jednostki ładowania wstępnego

Mikrosieci DC – pod tym pojęciem kryją się wewnątrz zakładowe sieci DC. Zamiast stosować dziesiątki czy setki pojedynczych zasilaczy, infrastruktura zakłada dostarczenie do urządzeń, układów czy szaf sterowniczych odpowiedniego zasilania DC, analogicznie jak zazwyczaj dostarczane jest napięcie przemienne 230V lub 400V. Przynosi to szereg korzyści w postaci wydajnego i stabilnego zasilania oraz ułatwioną integrację w odnawialnymi źródłami energii i systemami jej magazynowania.

Mimo wielu zalet należy również pamiętać o pewnych zasadach użytkowania takiej instalacji i zadbać odpowiednie załączanie obciążeń. Do tego celu służą właśnie jednostki ładowania wstępnego, które umożliwiają kontrolowane, sekwencyjne uruchamianie kolejnych gałęzi mikrosieci DC. Dzięki nim obciążenia takie jak napędy, silniki czy skomplikowane obwody prądu obciążenia mogą być uruchamiane jeden po drugim, unikając tym samym obciążeń szczytowych.

Skoro mowa o „sieciach” DC to i dostępne warianty mocy powinny być odpowiednio duże. Dlatego Weidmüller jest już w fazie rozwoju nowych urządzeń do swojej oferty. Najmniejszy wariant będzie mieć moc 40A, a największy aż 500A. Mowa o urządzeniach z rodziny topPCU z konfigurowanym opóźnieniem włączenia i trybem pracy bezpośrednio na urządzeniu. Dalsze ustawienia i opcje diagnostyczne dostępne będą z poziomu interfejsu komunikacyjnego, który wpisuje się w ideologię trendu smart aplikacji. Prostszym wariantem tego typu urządzenia będzie maxPCU dla sektorów DC do 40A. Jak wspomniałem nie ma ich jeszcze w sprzedaży, ale warto śledzić ofertę, bo ta zmienia się cały czas. Warto być na czasie!

Podsumowanie

Powszechny w przemyśle standard zasilania 24VDC to jak widać nie są wyłącznie zasilacze. To cały szereg urządzeń stanowiących źródło i zwiększających stabilność oraz niezawodność zasilania do pracy wielu urządzeń, najczęściej tych sterujących. Od nich zależy praca całego układu automatyki maszyny czy zespołu maszyn. Stąd wartą zastanowienia kwestią jest obecne spojrzenie na stosowane rozwiązania i być może ich rozbudowanie lub rekonfiguracja.

Spośród wymienionych urządzeń, ciekawe wydają się być jednostki ładowania wstępnego i cała ideologia integracji i wykorzystania odnawialnych źródeł energii z pominięciem konwersji typów napięć. Z pewnością ograniczy to znacznie straty energii na konwersji, lecz jej wykorzystanie wymaga odpowiedniego zaplanowania instalacji.

Jeśli chodzi o pozostałe urządzenia, pragnę tylko zauważyć, że stosując wymienione w pierwszej kolejności zasilacze PROtop, nie musimy stosować już modułów redundancji, które niejako wbudowane są w sam zasilacz. Chyba nie muszę mówić jak wiele zalet to niesie. Analogicznie chyba nie muszę wspominać, ale oczywiście wszystkie z wymienionych urządzeń posiadają szeroki wachlarz certyfikatów, poświadczających przystosowanie do wszelkich norm prawnych i warunków trwałej i niezawodnej pracy.

Zachęcam więc do kontaktu z przedstawicielami Weidmüller, którzy z pewnością pomogą i odpowiedzą na Wasze pytania. Więcej informacji i danych technicznych o produktach znajdziecie pod linkiem poniżej:

Zasilanie z Weidmüller



Utworzono: / Kategoria: ,
  • Autor: Pawel Zadroga • iAutomatyka.pl
  • Redaktor w iAutomatyka.pl Jestem absolwentem kierunku Automatyki i Robotyki na Wydziale Mechanicznym Politechniki Białostockiej. Głównym obszarem moich zainteresowań była mechanika, dopóki nie odkryłem ile radości dają urządzenia automatyki! Głównie styczność mam z Mitsubishi Electric, EATON, Siemens, WAGO, Webhmi i kilka innych.
  • Profil Autora
  • http://www.iautomatyka.pl/

Reklama

Newsletter

Zapisz się i jako pierwszy otrzymuj nowości!



PRZECZYTAJ RÓWNIEŻ



NAJNOWSZE PUBLIKACJE OD UŻYTKOWNIKÓW I FIRM

Reklama



POLECANE FIRMY I PRODUKTY