Najważniejsze systemy sterowania w przemyśle wymagają zastosowania zasilaczy bezprzerwowych (UPS). Zapobiegają one nieprawidłowemu funkcjonowaniu sterowników i kontrolerów, które może być wynikiem nawet krótkotrwałych przerw w zasilaniu z sieci. W artykule podajemy wskazówki na temat prawidłowego doboru zasilaczy UPS do aplikacji w przemyśle.
Technologia Przemysłowego Internetu Rzeczy (IIoT) jest uzależniona od szybkiej i dokładnej komunikacji sieciowej. Podstawowe systemy sterowania w przemyśle nie mogą być pozbawione zasilania nawet na chwilę, ponieważ taka sytuacja może spowodować nieprawidłowe działanie (ang. crash) przemysłowych komputerów PC oraz sterowników/kontrolerów. Dlatego też wykorzystanie zasilaczy bezprzerwowych (UPS) może zwiększyć niezawodność systemów w zakładach. Zapoznanie się z podanymi w artykule podstawowymi informacjami na temat zasilaczy UPS pomoże w doborze takiego urządzenia do aplikacji.
1. Zdefiniowanie wymagań aplikacji do zasilacza UPS
Pierwszą kwestią jest tu napięcie zasilające odbiorniki – zmienne (AC) czy stałe (DC). Starsze systemy pracują przeważnie z zasilaniem AC, dlatego też ich modernizacja prawdopodobnie będzie wymagała również zastosowania zasilaczy UPS AC. W ciągu ostatnich 20 lat rozwój rynku przemysłowych komputerów PC (IPC) spowodował przejście na zasilanie DC. W związku z tym należy przeanalizować wymagania dla UPS, dotyczące rodzaju napięcia zasilającego, mocy zasilacza oraz czasu podtrzymania zasilania. Należy w tym celu wykonać obliczenia oraz ustalić realne oczekiwania dla zasilacza UPS, który ma być zakupiony i zainstalowany.
Jeśli nastąpi awaria zasilania podstawowego, UPS zapewnia zapisanie danych oraz bezpieczne i prawidłowe zamknięcie systemu operacyjnego platformy automatyki, co pozwala na uniknięcie utraty danych i zawieszania się lub nieprawidłowego działania tego systemu sterowania. Przy projektowaniu układu zasilania bezprzerwowego należy dobrać UPS o takiej pojemności akumulatora, aby umożliwić przemysłowym komputerom PC działanie jeszcze przez jakiś czas, zanim zostanie im wydane polecenie zamknięcia systemu operacyjnego. Przy doborze czasu podtrzymania zasilania przez UPS należy uwzględnić, że zasilanie podstawowe może zostać przywrócone w stosunkowo krótkim czasie. Akumulatory o zbyt dużej pojemności mogą wymagać długiego czasu do naładowania. Większość producentów zasilaczy UPS wykorzystuje kilka standaryzowanych typów akumulatorów przemysłowych. Niektórzy oferują tylko akumulatory wyprodukowane według jednej technologii, na przykład VRLA (żelowe akumulatory kwasowe). Inni oferują różne typy akumulatorów: VRLA standardowe, VRLA o szerokim zakresie temperatur pracy oraz litowo-jonowe (Li-ion). Różne typy akumulatorów różnią się pod względem działania oraz rzeczywistej żywotności.
W idealnym przypadku zasilacz UPS może wysyłać wiele informacji na temat stanu swojego akumulatora, tak więc operatorzy systemu mogą podjąć działania zapobiegawcze, zanim akumulator ten ulegnie zużyciu. Należy się przyjrzeć, w jaki sposób zasilacz sygnalizuje swoje działanie. Większość wykorzystuje do tego celu diody LED, zaś kilka typów ma wyjścia ze stykami bezpotencjałowymi z ustalonym progiem przełączania. Nowsze systemy UPS mają takie wyjścia, umożliwiając wysyłanie danych z zasilaczy do platformy systemu sterowania w zakładzie, wykorzystując przemysłowe protokoły komunikacyjne Ethernet.
2. Zdecentralizowane technologie zasilaczy UPS AC
W systemach sterowania wykorzystujących napięcie zmienne zasilacz UPS AC będzie najlepszym wyborem. Układy elektryczne zasilaczy UPS typu offline są niedrogie i najbardziej popularne w zasilaczach UPS AC. W warunkach normalnych zasilacz UPS typu offline znajduje się w trybie oczekiwania (standby) – przesyła energię z sieci zasilającej bezpośrednio ze swojego wejścia do wyjścia, jednocześnie zaś ładuje się jego akumulator poprzez obwód podłączony równolegle do sieci. Jeśli wystąpi awaria zasilania podstawowego z sieci, UPS przełącza zasilanie wyjścia na akumulatorowe za pośrednictwem inwertera DC/AC. Czas pomiędzy zanikiem zasilania podstawowego a rozpoczęciem zasilania przez UPS z akumulatora nie może przekroczyć 10 milisekund. Czas przełączania 10 ms zwykle nie ma wpływu na urządzenia zasilane przez UPS, ale chroni systemy wrażliwe na wahania napięcia.
Ze względu na kształt napięcia wyjściowego zasilacze UPS AC dzielą się na dwa typy: urządzenia z modyfikowaną (przybliżoną, aproksymowaną) sinusoidą oraz urządzenia z czystą sinusoidą.
Zasilacze z modyfikowaną sinusoidą to prostsze konstrukcje, które przekształcają napięcie stałe z baterii akumulatorów na napięcie zmienne o kształcie mającym przypominać sinusoidę (niektóre wersje generują nawet prostokątne). Co prawda tego typu zasilacze UPS są stosunkowo tanie, jednak mają pewne wady. Napięcie zasilające o kształcie znacznie odbiegającym od sinusoidy może uszkodzić obwody wejściowe niektórych urządzeń podłączonych do UPS. To może doprowadzić do przedwczesnej awarii małych komputerów PC oraz zasilaczy sterowników PLC.
Zasilacze UPS z czystą sinusoidą generują napięcie wyjściowe sinusoidalne o takim kształcie, który odtwarza przebiegi napięcia sieciowego 120/230 V AC. Zasilacz z czystą sinusoidą jest lepszym wyborem dla systemu zawierającego wrażliwy sprzęt automatyki, taki jak programowalne sterowniki logiczne PLC, sprzęt rozproszonych systemów sterowania (DCS) oraz przemysłowe komputery PC (IPC). Zasilacze te mają bardziej skomplikowane układy elektryczne, jednak podłączone do nich urządzenia automatyki przemysłowej uzyskują dłuższą żywotność, co obniża całkowity koszt posiadania (TCO).
Najważniejsze dla zakładu przemysłowego aplikacje wymagają bardziej zaawansowanych zasilaczy UPS. Są to zasilacze UPS o podwójnej konwersji albo UPS online. W takim zasilaczu obwód baterii akumulatorów jest aktywnie podłączony do zasilanego systemu. Jeśli wystąpi awaria zasilania podstawowego z sieci, na wyjściu UPS nie wystąpi żadna przerwa w zasilaniu czy zapad napięcia, co powoduje w wyniku bezproblemowe działanie zasilanych urządzeń. Zasilacz UPS online ma wbudowane filtry i regulatory. Podczas normalnej pracy przekształca napięcie sieciowe AC na napięcie DC, a to z kolei z powrotem na AC za pomocą inwertera (falownika). Takie odizolowanie wyjścia od wejścia chroni odbiorniki podłączone do UPS przed wahaniami napięcia oraz drobniejszymi zakłóceniami w sieci zasilania podstawowego. Jednak tego typu zasilacze są droższe i większe gabarytowo.
3. Rozproszone układy zasilania UPS DC
Wadą zasilaczy UPS AC jest to, że wszystkie odbiorniki podłączone do nich muszą posiadać zasilanie AC i są uzależnione od tych UPS. A na przykład szafa sterownicza, do której jest podłączonych wiele urządzeń, może wymagać bardzo dużego zasilacza UPS. Jeśli nastąpi awaria tego UPS, to wszystkie odbiorniki zasilane z tej szafy przestaną działać. W tej sytuacji lepszy może się okazać system rozproszonych zasilaczy UPS DC, który może przynieść oszczędności kosztów i przestrzeni. Większość szaf sterowniczych wykorzystuje napięcie DC jako podstawowe. Natomiast UPS AC realizuje podtrzymanie zasilania wszystkich odbiorników do niego podłączonych. Przy zastosowaniu UPS DC podtrzymanie zasilania ma miejsce za zasilaczem AC/DC.
Obciążenia można podzielić na buforowane i niebuforowane. Obciążenia niebuforowane to odbiorniki energii, które w przypadku awarii zasilania z sieci nie powodują awarii systemu. Tego typu obciążenia mogą być bezpośrednio podłączone do zasilaczy sieciowych AC/DC. Natomiast urządzenia buforowane pełnią podstawowe funkcje w systemach i powinny być zasilane z UPS DC. Podłączenie do zasilacza UPS DC tylko urządzeń buforowanych może znacznie zredukować jego obciążenie. Mniejszy pobór prądu oznacza, że wystarczy zasilacz UPS DC o mniejszych wymiarach i pojemności baterii.
Technologia zastosowana w zasilaczach UPS DC jest prostsza niż ta w UPS AC. Zasilacze DC nie wymagają przetworników AC/DC oraz inwerterów DC/AC. Wszystkie napięcia w takim zasilaczu UPS pozostają na poziomie 24 V DC, czyli należą do kategorii bezpieczeństwa SELV (napięcie bardzo niskie, odseparowane od sieci). Jest to bardzo efektywne dla zasilacza i baterii akumulatorów. Wykorzystanie dodatkowych przetwornic DC/DC powoduje zwiększenie poboru prądu i staje się pasożytnicze dla systemu. W systemach UPS wyższej klasy jedyna konwersja napięcia DC występuje w obwodzie ładowania baterii. System UPS DC pozwala na priorytetyzację obciążeń. Polega to na tym, że urządzenia zasilane z UPS mają różne priorytety. Gdy UPS zasila obciążenie w trybie zasilania z sieci i ładuje swoją baterię akumulatorów, to jednocześnie monitoruje prąd obciążenia. Jeśli prąd obciążenia i prąd ładowania razem przekroczą dopuszczalny prąd obciążenia głównego zasilacza AC/DC, to UPS automatycznie zmniejsza prąd ładowania, zapobiegając przeciążeniu. UPS DC jest często fizycznie mniejszy od UPS AC ze względu na mniejszą ilość obwodów elektrycznych.
Niektóre modułowe systemy UPS DC posiadają wbudowaną diagnostykę. Informacje uzyskiwane w czasie rzeczywistym pozwalają na wymianę akumulatora przed jego awarią, eliminując zgadywanie.
4. Akumulatory do przemysłowych zasilaczy UPS
Akumulatory są podstawą systemu UPS. Gdy zanika zasilanie podstawowe z sieci, akumulatory umożliwiają podtrzymanie zasilania podłączonych do UPS urządzeń. Dlatego należy zapewnić, że akumulator nie będzie słabym punktem zasilacza, który zamierzamy zakupić. Popularnymi typami akumulatorów do zastosowań w przemysłowych zasilaczach UPS są VRLA, WTR-VRLA (wide-temperature range; o rozszerzonym zakresie temperatur) oraz litowo-jonowe (Li-ion).
Akumulatory typu VRLA są najpopularniejsze. Są tanie, oferują dobry stosunek pojemności do ceny, jednak nie są zbyt trwałe. Ich wersje standardowe mają znamionowy zakres temperatur pracy od 0 do 40°C. Najlepiej funkcjonują w pomieszczeniach o stałej temperaturze, wynoszącej około 27°C. Co prawda są popularne w klimatyzowanych środowiskach pracy, jednak w przypadku wielu aplikacji w przemyśle temperatura zmienia się w granicach od -40 do +70°C. Takie ekstremalne wartości temperatur skracają żywotność akumulatorów VRLA.
Akumulatory WTR-VRLA mogą pracować w zakresie temperatur od -25 do +60°C. Mają nieco dłuższy czas eksploatacji niż standardowe VRLA. Te wersje o rozszerzonym zakresie temperatur często są wykorzystywane na zewnątrz budynków. Pod względem chemicznym różnią się od wersji standardowych, są zwykle większe i droższe. Akumulatory VRLA i WTR-VRLA mogą wytrzymać około 250–300 cykli ładowania-rozładowania przed całkowitym zużyciem, dlatego też wersja standardowa może być eksploatowana przez sześć miesięcy, zaś wersja WTR przez półtora roku – dwa lata. Żywotność i zakres temperatur pracy akumulatorów litowo-jonowych są podobne do WTR-VRLA. Baterie litowe wytrzymują nawet do 7000 cykli ładowania-rozładowania, czyli mają znacznie większą żywotność. Baterie te mogą kosztować trzy razy więcej od WTR-VRLA, ale oferują lepszą wydajność.
5. Przesyłanie danych z UPS w sieci
W erze IIoT świat przemysłowy jest coraz bardziej usieciowiony i pracuje w nim coraz więcej inteligentnych urządzeń. Dzięki połączeniom sieciowym dane dotyczące funkcjonowania zasilaczy UPS są dostępne za pomocą przemysłowych sieci Ethernet. Dzięki temu użytkownicy końcowi mają wgląd w funkcjonowanie akumulatorów tych zasilaczy.
Ken Allwine, współpracujący menedżer marketingu produktu w firmie Phoenix Contact. Zajmuje się zasilaczami przemysłowymi.
