Niezawodne zarządzanie zasilaniem w systemach bezpieczeństwa, zabezpieczeń i komunikacji

Na swoim podstawowym poziomie instalacje automatyki w budynkach mieszkalnych, komercyjnych i przemysłowych muszą obejmować szeroką gamę systemów bezpieczeństwa oraz komunikacji na wypadek sytuacji awaryjnych, zgodnych z wymogami firm ubezpieczeniowych i lokalnymi przepisami budowlanymi, co jest także wymogiem, aby otrzymać pozwolenie na użytkowanie. Jednym ze wspólnych czynników dla tych systemów jest to, że wszystkie potrzebują zasilania sieciowego prądu zmiennego do wytwarzania prądu stałego o niższym napięciu i wszystkie potrzebują wysoce niezawodnego bateryjnego układu podtrzymania zasilania.

Jednak zapewnienie tylko podstawowego układu zasilania z przetwornicą prądu zmiennego na stały i zasilania awaryjnego nie wystarczy w przypadku nowoczesnych budynków i standardów. Kompleksowy, spełniający przepisy system wymaga różnych jednoznacznych wskazań alarmowych, dostarczanych poprzez zamykanie przełączników w celu zasygnalizowania określonych wewnętrznych i zewnętrznych stanów usterek. Co więcej, jeśli systemy współczesnych inteligentnych budynków mają zaspokoić potrzeby różnych instalacji, typów baterii i innych zmiennych, muszą obsługiwać różne tryby łączności, a także charakteryzować się elastycznością w montażu fizycznym i trybach pracy.

Możliwe jest połączenie w jedną całość wymaganych podsystemów zasilania z przetwornicami prądu zmiennego na stały i przetwornicami prądu stałego, ładowania baterii i zarządzania nią oraz nadzoru nad systemem i zarządzania nim, a także sterowania alarmami. Pozwala to uzyskać rezultat w postaci w pełni zoptymalizowanego projektu rozwiązania. Ale jakim kosztem? Proces ten jest czasochłonny, kosztowny i odwraca uwagę od głównego zastosowania. Projekt wymaga również certyfikacji przez odpowiednie organy regulacyjne, co zwiększa koszty i wydłuża czas projektowania.

Alternatywą jest zastosowanie zintegrowanego uniwersalnego zasilacza, który spełnia podstawowe wymagania w zakresie parametrów działania, a jednocześnie pozwala uniknąć utrudnień związanych z projektowaniem od podstaw.

W niniejszym artykule omówiono wymagania stawiane systemom zasilania automatyki budynków, a następnie przedstawiono zintegrowane rozwiązania zasilania firmy MEAN WELL. W artykule przyjrzymy się cechom i zastosowaniom tych wyrafinowanych, inteligentnych podsystemów zasilania oraz sposobom bezproblemowej integracji funkcjonalnej, a także zapewnienia elastyczności i programowalności parametrów.

Nowe wymagania w dziedzinie zarządzania budynkami i systemów zasilania bezpieczeństwa

Oczekuje się, że podsystem zasilania komercyjnego biura lub dużego budynku mieszkalnego będzie obsługiwać wiele funkcji, w tym funkcje niezbędne do wydajnego działania, a także funkcje wymagane ze względu na bezpieczeństwo i zabezpieczenia. Wśród funkcji wymagających obsługi szyny zasilającej są:

• Systemy i alarmy przeciwpożarowe
• Urządzenia łączności awaryjnej
• Oświetlenie awaryjne (na wypadek pożaru lub przerwy w dostawie prądu)
• Systemy kontroli dostępu do budynku
• Centralny system sygnalizacji pożarowej i monitoringu zabezpieczeń

W zależności od wielkości budynku, podsystem zasilania musi obsługiwać funkcje krytyczne na kilku piętrach i działać dwukierunkowo, przy czym główna linia zasilania prądem zmiennym (lub stałym) powinna ładować baterię, gdy opcja ta jest dostępna, a bateria powinna obsługiwać różnorodne odbiorniki i podsystemy, gdy linia główna nie jest dostępna (ilustracja 1).

Ilustracja 1: podsystem zasilania w wielu instalacjach musi obsługiwać potrzeby kilku pięter, jednocześnie zarządzając ładowaniem i rozładowywaniem baterii w przypadku awarii zasilania głównego. (Źródło ilustracji: MEAN WELL)

Ważną kwestią jest ładowanie i zarządzanie baterią podtrzymującą, która musi być odpowiednio nadzorowana ze względu na jej krytyczną rolę jako system zasilania awaryjnego (UPS). Nie istnieje jedno najlepsze podejście, ponieważ w powszechnym użyciu występują baterie o różnych pojemnościach i typach, w tym baterie litowe oraz kwasowo-ołowiowe, z których każda ma własne wymagania dotyczące ładowania i rozładowywania.

Co więcej, oprócz konwencjonalnych norm ogólnych dla układów zasilania z przetwornicami prądu zmiennego na stały i prądu stałego, istnieje wiele dodatkowych norm i przepisów budowlanych, które muszą być spełnione. Ze względu na coraz bardziej zaawansowane architektury budynków, wraz z dostrzeżeniem potencjału technologii w inteligentnych budynkach, agencje w Europie, USA i Chinach wdrożyły przepisy bezpieczeństwa dotyczące systemów zabezpieczeń i przeciwpożarowych, m.in.:

• Norma Europejskiego Komitetu Normalizacyjnego (CEN), EN 54-4: systemy wykrywania pożarów i sygnalizacji pożarowej - część 4: urządzenia zasilające (norma brytyjska. BS EN. 54-4).
• Stany Zjednoczone: norma ANSI/CAN/UL UL2524: dla wewnątrzbudynkowych systemów poprawy 2-kierunkowej łączności radiowej.
• Stany Zjednoczone: norma Narodowego Stowarzyszenia Ochrony Przeciwpożarowej NFPA 1221: norma dotycząca instalacji, konserwacji i użytkowania systemów łączności awaryjnej.
• Chiny: GB 17945-2010: oświetlenie awaryjne w razie pożaru i systemy sygnalizacji ewakuacji.

Ponadto istnieją typowe podstawowe wymagania dotyczące bezpieczeństwa zasilania prądem zmiennym, jak i normy emisji elektromagnetycznych (EMC) (przewodzonych, promieniowanych, harmonicznych prądu i migotanie napięcia określone w normach EN55032 (CISPR32) i N61000-3-2, a także normy odporności na zakłócenia elektromagnetyczne (wyładowania elektrostatyczne (ESD), wypromieniowane, szybkie elektryczne stany przejściowe (EFT), przewodzone i pole magnetyczne) zgodnie z normą EN61000-4.

Połączenie wszystkich tych wymagań oznacza, że zasilacz (PSU) jest czymś więcej niż zwykłym źródłem zasilania z przetwornicą prądu zmiennego na stały lub prądu stałego. Musi dostarczać, nadzorować, zarządzać i obsługiwać wiele funkcji o wysokiej niezawodności i parametrach działania (ilustracja 2).

Ilustracja 2: nowoczesny zasilacz spełnia dwie podstawowe role: dostarcza prąd stały o niższym napięciu do różnych odbiorników i jednocześnie zapewnia wydajne zarządzanie baterią. (Źródło ilustracji: MEAN WELL)

Obudowa i sposób montażu także mają znaczenie

Rozmiar fizyczny, zakres temperatur roboczych, chłodzenie i względy montażowe są również ważnymi cechami zasilacza. Urządzenia te są zwykle zlokalizowane w szafie technicznej, często o ograniczonej przestrzeni i możliwości odprowadzania ciepła. Poza zasilaczem i baterią, w takiej szafie może znajdować się również sprzęt informatyczny i telekomunikacyjny przeznaczony na potrzeby budynku, taki jak przełączniki i routery, dlatego też przestrzeń w niej jest na wagę złota, a wygoda montażu w szafie jest atrakcyjną cechą.

Zasilacze zintegrowane spełniają wymagania w zakresie zarządzania energią w budynku

Wychodząc naprzeciw potrzebom projektantów automatyki budynków w zakresie parametrów działania, formy, sposobu montażu i prostoty konstrukcji, firma MEAN WELL opracowała uniwersalny zasilacz DRS-240-12 o napięciu 12V, natężeniu 20A i mocy 240W, a także większą wersję DRS-480-24, czyli zasilacz o napięciu 24V, natężeniu 20A i mocy 480W. Inne jednostki z serii DRS-240 oferują różne kombinacje napięcia i prądu: 24V/10A, 36V/6,6A i 48V/5A. Dla serii DRS-480 dostępne są pary parametrów 36V/13,3A i 48V/10A.

Kwestie rozmieszczenia i montażu zasilaczy DRS-240 i DRS-480 rozwiązano poprzez montaż bezpośrednio na powszechnie stosowanych, standardowych szynach DIN typu TS-35/7,5 lub 15. Upraszcza to proces instalacji, również obok innych systemów i ich obudów. Co więcej, konstrukcja szyny DIN oznacza, że wszystkie połączenia, wskaźniki i punkty odczytów znajdują się z przodu, co eliminuje potrzebę korzystania z tylnego panelu lub nawet uzyskiwania dostępu z boku. Jest to zaleta z punktu widzenia planowania oprzewodowania, instalacji, konfiguracji, testowania i ewentualnej potrzeby zmiany oprzewodowania.

Dostępna przestrzeń we wspomnianych szafach jest na wagę złota, dlatego ważna jest kompaktowość obudów zasilaczy. Zasilacze DRS-240 mają wymiary zaledwie 86 × 125 × 129mm (szerokość × wysokość × głębokość), podczas gdy wymiary zasilaczy DRS-480 wynoszą 110 × 125 × 151mm (ilustracja 3).

Ilustracja 3: zasilacze DRS o mocy 240W (po lewej) i 480W (po prawej) posiadają kompaktowe obudowy i są montowane na standardowej szynie DIN; 480-watowa jednostka jest nieco większa. (Źródło ilustracji: MEAN WELL)

Warunki środowiskowe w omawianych szafkach i szafach również stanowią wyzwanie z perspektywy krótko- i długoterminowych parametrów działania. Wszystkie urządzenia z grupy DRS są przystosowane do pracy w temperaturach od -30 do +70˚C i przy wilgotności względnej (RH) od 20 do 90% bez skraplania z niewymuszonym chłodzeniem konwekcyjnym powietrzem. Niezawodność zasilaczy DRS-240 obliczono na 564,7 tys. godzin (minimum) według normy Telcordia SR-332 (Bellcore) i 73,3 tys. godzin według normy MIL-HDBK-217F (w temp. 25˚C). Analogiczne liczby dla zasilaczy DRS-480 są tylko nieco niższe.

Wejście zasilania liniowego prowadzi do wyjścia prądu stałego i zarządzania baterią

Biorąc pod uwagę różnice w sieciach energetycznych oraz potrzebę wdrożenia ogólnoświatowego i uproszczenia instalacji, ważny jest również zakres parametrów zasilania wejściowego. Omawiane zasilacze są przystosowane do napięć od 90 do 305V~ i napięć od 127 do 431V=. Wiele funkcji w omawianych zasilaczach powiązanych jest z ładowaniem, rozładowywaniem, wskazywaniem statusu i ogólnym zarządzaniu bateriami (ilustracja 4).

Ilustracja 4: schemat blokowy zasilaczy DRS ukazuje ich wewnętrzne zaawansowanie oraz ilość obwodów przeznaczonych do zarządzania bateriami, ładowania i rozładowywania, wskaźników oraz ochrony. (Źródło ilustracji: MEAN WELL)

Istnieje możliwość regulacji dwustopniowej lub trzystopniowej krzywej ładowania oraz ustawienia prądu ładowania (w zakresie 20% - 100%) ręcznie za pomocą przełącznika DIP na przednim panelu. Maksymalny dostępny prąd ładowania baterii jest funkcją maksymalnego natężenia prądu wyjściowego dostępnego dla konkretnego modelu zasilacza DRS. Algorytm ładowania baterii jest zależny od obciążenia, a elastyczność parametrów ładowania pozwala zasilaczom DRS-240/480 optymalnie zarządzać różnymi bateriami kwasowo-ołowiowymi i litowymi.

Ze względu na duże znaczenie funkcji zasilania bateryjnego układ zawiera również wskaźniki niskiego poziomu baterii oraz ochronę przed odwrotnym podłączeniem. Kombinacja tych i innych cech zapewnia wytrzymały, niezawodny podsystem bateryjny, który można ładować z sieci, ale także który może przełączyć się i zacząć dostarczać moc znamionową w ciągu 10ms w przypadku niedostępności zasilania z sieci.

Usterki i problemy są nieuniknione

Niektórych warunków wewnętrznych lub zewnętrznych, które wpłyną na zdolność zasilacza do realizacji wszystkich określonych funkcji, nie da się uniknąć. Z tego powodu zasilacze DRS oprócz wspomnianych już wskaźników niskiego poziomu naładowania baterii i odwrotnego podłączenia zawierają wskaźniki statusu dla warunków, takich jak zwarcia, przeciążenia, nadmierne napięcia i nadmierne temperatury.

Ważne są również fizyczne wskazania kluczowych warunków pracy: usterek zasilania prądem zmiennym, prawidłowości zasilania prądem stałym, niskiego poziomu naładowania baterii, awarii ładowarki, za które odpowiadają diody LED i przekaźniki SPDT (Form C) (ilustracja 5). Przekaźniki typu SPDT (Form C) są wyraźnie oznaczone i zapewniają beznapięciowe zamknięcie styku, które jest stosowane (a w niektórych przypadkach wymagane) z kilku powodów.

Ilustracja 5: użytkownikowi do konfiguracji połączeń zasilania, korzystania ze wskaźników i styków przekaźników wystarcza sam panel przedni. (Źródło ilustracji: MEAN WELL)

Zamknięcia styków są jednoznaczne i oferują szereg korzyści. Od dawna są używane w praktyce, dzięki czemu są kompatybilne i łatwo integrowane zarówno ze starszymi, jak i nowymi systemami i komponentami (nawet podstawowymi, takimi jak zewnętrzne światło migające i dzwonek). Są one wysoce niezawodne i wytrzymałe, a zamknięcie przełącznika jest najbardziej definitywnym wskazaniem, jakie może zapewnić system, zwłaszcza jeśli występują problemy z zasilaniem, które mogą wpływać na działanie interfejsów bardziej „elektronicznych”, takich jak wyjścia otwartego kolektora czy nawet przekaźniki półprzewodnikowe (SSR).

Komunikacja jest również obowiązkowa

Nowoczesny zasilacz musi również oferować łączność sieciową na potrzeby zarządzania wysokiego poziomu, konfiguracji i raportowania. Standardowe grupy zasilaczy DRS obsługują łącza Modbus z opcją magistrali CAN, która może być również używana z dostępnym programatorem inteligentnym. Programator ten jest używany do zewnętrznego ustawiania parametrów związanych z krzywymi i trybami ładowania baterii, takich jak prąd stały (CC), prąd malejący (TC), napięcie stałe (CV) i napięcie pod koniec okresu ładowania (FV), co pozwala obsługiwać wiele różnych typów baterii stosowanych w branży (ilustracja 6).

Ilustracja 6: korzystając z programatora opartego na magistrali Modbus, użytkownik może ustawiać wiele parametrów ładowania baterii, optymalnie dostosowując je do rozmiaru i typu baterii. (Źródło ilustracji: MEAN WELL)

Mimo, że zasilacze DRS oferują mnóstwo funkcji, ich podłączenie w rzeczywistości jest stosunkowo proste. Jest to ważna zaleta i korzyść w praktycznych instalacjach, zwłaszcza że urządzenia te są często eksploatowane przez wiele lat (ilustracja 7).

Ilustracja 7: wewnętrzna złożoność i zaawansowanie zasilaczy z grupy DRS są niewidoczne dla użytkownika, który musi poradzić sobie jedynie z kilkoma połączeniami i wskaźnikami na panelu przednim. (Źródło ilustracji: MEAN WELL)

Podsumowanie

Zasilacze z grup DRS-240 i DRS-480 firmy MEAN WELL zapewniają nie tylko podstawową konwersję prądu zmiennego na stały oraz napięcia prądu stałego. Stanowią one zatwierdzone rozwiązanie zarządzania energią dla systemów ochrony przeciwpożarowej i ochrony budynków, w tym sprzętu łączności awaryjnej. Integrując wszystkie potrzebne funkcje w małej, wydajnej, niezawodnej, łatwej w montażu i podłączaniu obudowie do montażu na szynie DIN, zasilacze DRS upraszczają dokumentację, instalację i obsługę, zapewniając jednocześnie funkcjonalność, cechy i parametry niezbędne do spełnienia szeregu wymagań wynikających z przepisów.

Powiązane treści

1. „Zastosowanie modułowych, wielowyjściowych zasilaczy prądu zmiennego/stałego zapewnia elastyczność i konfigurowalność”
2. „W jaki sposób prosta szyna DIN rozwiązuje problemy modułowości, elastyczności i wygody w systemach przemysłowych”