Почему импульсные источники питания являются основой автоматизации зданий

Каждый контроллер DDC, каждая панель управления доступом, каждая группа датчиков, разбросанных по всему коммерческому зданию, — все они питаются от низковольтного источника постоянного тока. Устройство, преобразующее входящее переменное напряжение сети в чистый, стабилизированный постоянный ток, — это импульсный источник питания. Его легко упустить из виду. Металлический ящик в углу шкафа управления. То, что выбирают в последнюю минуту.

Это было бы ошибкой. Блок питания является единственной точкой отказа для каждой подсистемы, которую он питает. Выберите неподходящий вариант — и вам придётся решать не просто проблему с питанием. Вам придётся сталкиваться с контроллерами, которые произвольно перезагружаются, датчиками, выдающими ложные показания, и заказчиком, утратившим доверие ко всей установке. В этой статье рассмотрены все аспекты выбора импульсного источника питания для систем автоматизации зданий — от напряжения до сертификатов, — чтобы вы с первого раза приняли правильное решение.

Выбор напряжения — 12 В, 24 В или 48 В для вашей системы BAS?

Выбор блока питания начинается с напряжения. При этом именно этому аспекту зачастую уделяется наименьшее внимание. Правило простое: напряжение должно соответствовать вашим устройствам, а не наоборот. Однако “мои устройства” редко представляют собой оборудование одного типа. Типичный шкаф управления системой автоматизации здания (BAS) одновременно питает контроллеры, датчики, исполнительные механизмы, коммуникационные шлюзы и периферийные устройства безопасности — и не все они работают при одном и том же напряжении. Вот как разобраться в каждом варианте.

12 В постоянного тока — когда его использовать для устройств контроля доступа и безопасности

Напряжение 12 вольт — это традиционный «рабочий конь» в сфере безопасности и электроники с низким энергопотреблением. Считыватели для систем контроля доступа, электромагнитные замки, камеры видеонаблюдения, датчики присутствия на основе ПИР — эти устройства уже несколько десятилетий назад сформировали свои экосистемы на основе 12 В, и в цепочке поставок это напряжение по-прежнему является стандартом. Если в вашем проекте широко используются системы контроля доступа, 12 В станет естественным выбором.

Компромисс заключается в длине кабеля. При напряжении 12 В падение напряжения на нагрузке 10 А, подключенной к медной жиле 1,5 мм², составляет примерно 0,7 В на 15-метровом отрезке в обе стороны. При длине кабеля 20 метров падение напряжения на дальнем конце становится настолько значительным, что дверной замок может начать дребезжать, а камера — переходить в режим пониженного напряжения при переключении в инфракрасный ночной режим. Если ваши кабельные трассы короткие, а нагрузки предсказуемы, напряжение 12 В подойдет отлично. Если нет, читайте дальше.

24 В постоянного тока — отраслевой стандарт для контроллеров и датчиков в строительстве

Напряжение 24 В — это основа автоматизации зданий. Контроллеры DDC всех крупных производителей — Johnson Controls, Honeywell, Siemens — работают от постоянного тока 24 В. То же самое касается полевых датчиков (температуры, влажности, CO₂, давления), приводов заслонок и клапанов, релейных модулей и шлюзов BACnet/IP. В распределительном шкафу одного коммерческого этажа среднего размера может находиться от двух до четырёх источников питания на 24 В для монтажа на DIN-рейку, каждый из которых питает отдельную зону или подсистему.

Причина выбора 24 В очевидна. Это напряжение укладывается в пределы SELV (безопасное сверхнизкое напряжение), определенные стандартом IEC 60364-4-41, что исключает опасность поражения электрическим током при техническом обслуживании. Кроме того, при одинаковом процентном падении напряжения по тому же медном проводу 24 В передают примерно в два раза больше мощности, чем 12 В. При токе 10 ампер в проводе сечением 1,5 мм² в цепи 24 В падение напряжения достигает значения 5% примерно на расстоянии 40–50 метров — это вдвое больше, чем у 12 В. Для напольного шкафа управления, питающего устройства по всему крылу длиной 30 метров, напряжение 24 В позволяет справиться с задачей без промежуточных подсилювателей.

Если вам нужно выбрать одно напряжение, пока не известен полный список устройств, выбирайте 24 В. Экосистема достаточно обширна, поэтому вы почти наверняка найдете совместимое оборудование.

48 В постоянного тока — линии большой протяженности и инфраструктура PoE

Напряжение 48 В реже встречается в традиционных системах управления зданием (BAS), но его использование быстро растет благодаря технологии Power over Ethernet (PoE). В соответствии со стандартом 802.3bt (PoE Type 4) один кабель Cat6A может передавать до 100 Вт при напряжении 48 В. Этого достаточно для питания небольшого контроллера, сенсорной панели и нескольких датчиков через один разъем RJ45. В новых зданиях, где подрядчик по информационно-коммуникационным технологиям (ИКТ) уже прокладывает структурированный кабель, системы BAS на базе PoE позволяют полностью отказаться от отдельной электропроводки.

Помимо PoE, напряжение 48 В также целесообразно для очень длинных линий распределения постоянного тока. Представьте себе центральное оборудовательное помещение, питающее устройства на территории склада протяженностью 200 метров или в высотном здании, где падение напряжения может вывести из строя систему на 24 В. Компромиссом здесь является совместимость устройств. Экосистема BAS на 48 В по-прежнему не так развита, как на 24 В, а имеющееся оборудование стоит дороже. Если PoE или распределение на большие расстояния не являются обязательным требованием, 24 В остаются более безопасным вариантом по умолчанию.

Расчет мощности — как определить нагрузку и избежать ловушки “недостаточной мощности блока питания”

Расчет мощности может показаться простой арифметикой: сложить мощности всех устройств, выбрать ближайший по мощности блок питания — и дело сделано. На практике же три фактора регулярно ставят в тупик даже опытных инженеров. Их учет на начальном этапе — это то, что отличает распределительный шкаф, который прослужит десять лет, от того, который вызывает ежемесячные выезды сервисной службы.

Шаг 1 — Подсчитайте фактическую нагрузку по каждому устройству

Начните с составления графика нагрузки. Для каждого устройства, подключенного к блоку питания, запишите его номинальную потребляемую мощность, а затем подсчитайте общую сумму. Ниже приведены реалистичные диапазоны значений для типового оборудования системы автоматизации зданий (BAS) на основе доступных в настоящее время линеек продуктов среднего ценового сегмента:

Проблема заключается в количестве датчиков. Пять датчиков по 2 Вт каждый — это 10 Вт, что не представляет проблемы. Двести датчиков на территории кампуса — это 400 Вт, и эта цифра часто становится известна только после того, как блок питания уже установлен. Составьте график нагрузки заранее и обновляйте его по мере пополнения списка устройств.

Шаг 2 — Добавьте запас по 20–30% (и знайте, когда нужно добавить ещё)

Согласно стандартному правилу, общую нагрузку следует умножить на 1,2–1,3 и выбрать блок питания с мощностью, равной этому значению или превышающей его. Общая нагрузка 168 Вт (7 А при 24 В) предполагает выбор блока питания мощностью 240 Вт (10 А), а не 200 Вт (8,3 А).

Существуют три сценария, при которых этот мультипликатор увеличивается:

Пусковой ток двигателя и соленоида. Электрический замок или привод с пружинным возвратом в течение первых 100–200 миллисекунд может потреблять ток, в два-три раза превышающий рабочий. Если во время срабатывания системы пожарной сигнализации одновременно включаются несколько приводов, мгновенный скачок нагрузки может привести к срабатыванию защиты блока питания от перегрузки по току — и все контроллеры на этой шине перезагрузятся прямо во время события.

Высокотемпературные шкафы. Для большинства блоков питания с креплением на DIN-рейку публикуются кривые снижения номинальной мощности. Типичный блок, например из серии Mean Well NDR-240, обеспечивает номинальную мощность 100% при температуре окружающей среды 40 °C, при 50 °C мощность снижается примерно до 80%, а при 60 °C — до 60%. Внутри герметичного корпуса NEMA, установленного на крыше, подверженной воздействию солнечных лучей, летом температура может легко достигать 50 °C. Если ваша нагрузка составляет 180 Вт, а номинальная мощность блока питания — 240 Вт при 25 °C, вы можете подумать, что у вас есть запас мощности в 25%. При температуре 50 °C внутри шкафа реальный запас мощности близок к нулю.

Будущее расширение. Системы автоматизации зданий со временем расширяются. В ходе ремонта этажа добавляется ещё 30 контроллеров VAV. В ходе модернизации системы безопасности устанавливаются дополнительные камеры. Если вы рассчитаете мощность точно под текущую нагрузку, вам придётся заменять источники питания уже через три–пять лет. Затраты на замену блока на DIN-рейке в работающем шкафу обойдутся гораздо дороже, чем дополнительная мощность модели 30%, которую вы могли бы приобрести сразу.

Шаг 3 — Отделение критических нагрузок от нагрузок, создающих помехи

Вот типичная неисправность, которая приводит к большему количеству обращений в службу технической поддержки, чем любой блок питания недостаточной мощности: контроллер двери перезагружается каждый раз, когда срабатывает электромагнитный замок. Причина заключается не в программной ошибке и не в неисправности замка. Это провал напряжения, вызванный подключением индуктивной нагрузки с высоким пусковым током к той же шине блока питания, что и чувствительная электроника.

Когда катушка реле или соленоид обесточиваются, спадающее магнитное поле генерирует импульс обратного напряжения, который может достигать 10–20 номинальных значений напряжения катушки. Без обратноходового диода этот импульс попадает непосредственно на шину постоянного тока в виде проводимых электромагнитных помех — этого достаточно, чтобы вызвать падение напряжения или сброс DDC на базе микроконтроллера.

Решение этой проблемы простое и практически не требует затрат на этапе проектирования. Выделите один блок питания для устройств управления и связи (DDC, датчики, шлюзы, дисплеи). Подключите коммутационные нагрузки (замки, реле, электромагнитные клапаны) к отдельному блоку питания. Третий блок питания для вспомогательных нагрузок, таких как светодиодные индикаторы, освещение шкафа и розетки общего назначения, не является обязательным, но упрощает поиск неисправностей. Пометьте выход каждого блока питания с указанием выполняемой им функции. Техник, который откроет этот шкаф в 2 часа ночи, будет вам благодарен.

Монтаж на DIN-рейку, на панель или в корпусе? Выбор форм-фактора в соответствии с условиями установки

К этому моменту вы уже выбрали напряжение и рассчитали необходимую мощность. Теперь возникает вопрос технического характера: как выглядит блок питания и где он размещается?

Для шкафов управления в системах автоматизации зданий монтаж на DIN-рейку — а именно на профиль TS35/7,5 — является стандартным решением и оптимальным вариантом в большинстве случаев. Блок питания для монтажа на DIN-рейку защелкивается на той же рейке, что и автоматические выключатели, реле и клеммные колодки, что обеспечивает аккуратную и модульную компоновку шкафа. При выходе устройства из строя — а рано или поздно каждый блок питания выходит из строя — его замена занимает 30 секунд. Отвинтите две клеммы, отсоедините зажим DIN-рейки, защелкните новый блок питания и заново подключите клеммы. Никакого сверления, никаких кронштейнов, никаких простоев, кроме перезапуска питания.

Блоки питания для монтажа на панели или в шасси имеют большие размеры, как правило, мощностью 200 Вт и выше, и крепятся болтами непосредственно к задней панели шкафа. Их использование целесообразно, когда требуется высокая удельная мощность в одном устройстве — например, блок питания мощностью 480 Вт, питающий контроллеры всего этажа, — или при создании нестандартного корпуса, в котором вообще отсутствует DIN-рейка. Компромиссом здесь является удобство обслуживания. Замена блока питания для монтажа на панели требует инструментов, времени и, возможно, отключения соседнего оборудования, чтобы получить доступ к крепежным винтам.

Блоки питания в корпусах или с защитой по стандарту IP предназначены для мест, где решающим фактором при выборе является не нагрузка, а условия окружающей среды. Распределительная коробка на потолке коридора. Аппаратная комната в парковочном гараже. Наружный вентиляционно-кондиционерный агрегат. Выбирайте модели с классом защиты IP65 или выше, имеющие герметичный кабельный ввод и печатные платы с конформным покрытием. Будьте готовы заплатить в два-три раза больше, чем за аналогичный блок питания на DIN-рейке. Заложите эти расходы в бюджет заранее, поскольку последующая установка корпусов обходится дорого.

Эффективность, тепловые характеристики и что на самом деле означает термин “промышленного класса”

Показатели эффективности в техническом паспорте блока питания — 89%, 91%, 93% — кажутся незначительными различиями, и для отдельного устройства это действительно так. Однако при масштабировании разница становится заметной. В здании, где круглосуточно работают 50 блоков питания на DIN-рейке, каждый из которых из-за разницы в эффективности модели 3% рассеивает на 10 Вт тепла больше, в год дополнительно расходуется 4 380 кВт·ч. Этого достаточно, чтобы существенно повлиять как на счета за электроэнергию, так и на нагрузку на систему охлаждения. За 10-летний срок службы оборудования эта разница может покрыть значительную часть самого бюджета на блоки питания.

Тепловая конструкция имеет большее значение, чем заявленный показатель эффективности. Блоки питания с вентиляторным охлаждением обеспечивают более высокую удельную мощность в компактном корпусе, но вентиляторы имеют подшипники, а подшипники изнашиваются. В герметичном шкафу управления системой автоматизации зданий (BAS), дверцу которого никто не открывает в течение пяти лет, выход из строя вентилятора означает, что блок питания перегреется и выйдет из строя без какого-либо звукового предупреждения. Конструкции с конвекционным охлаждением без вентиляторов стоят немного дороже в пересчете на ватт, но устраняют самую распространённую точку механического отказа. Для систем автоматизации зданий, где надёжность превосходит плотность, безнаветрильные конструкции являются правильным выбором по умолчанию.

Именно в качестве компонентов и кроется истинная разница — разрыв между блоком питания, рассчитанным на коммерческое использование, и блоком, изготовленным по промышленным стандартам. Наиболее наглядным показателем является номинальная температура электролитического конденсатора. Конденсаторы являются компонентом, ограничивающим срок службы любого импульсного блока питания. Их электролит со временем высыхает, а тепло ускоряет этот процесс в геометрической прогрессии. Конденсатор с номинальной температурой 105 °C, работающий при внутренней температуре окружающей среды 40 °C, может прослужить в три-четыре раза дольше конденсатора с номинальной температурой 85 °C в соответствии с законом Аррениуса, описывающим скорость разложения электролита. Производители, которые указывают в спецификациях конденсаторы японских брендов — серии Rubycon ZLH, Chemi-Con KZE, Nichicon PW — делают выбор в спецификации, который напрямую продлевает срок службы оборудования в эксплуатации. Ищите информацию о бренде конденсатора и номинальной температуре в техническом паспорте. Если ни то, ни другое не указано, спросите.

Функции защиты и сертификаты — на что следует обратить внимание в технических характеристиках

Защитные функции — это первая линия защиты блока питания. Сертификаты — это подтверждение доверия со стороны независимых экспертов. И то, и другое должно фигурировать в вашем контрольном списке. Блок питания с отличными техническими характеристиками, но без результатов независимых испытаний на безопасность, представляет собой потенциальную угрозу, которую рано или поздно обнаружит инспектор.

Пять основных функций защиты, которыми должен обладать каждый блок питания BAS

Каждый блок питания на DIN-рейке, предназначенный для промышленного использования, будет иметь в описании указание на наличие защитных функций. Важно то, что происходит при их срабатывании — в частности, восстанавливается ли устройство автоматически или остается отключенным.

Особое внимание следует уделить поведению системы SCP при восстановлении работоспособности. Блок питания с функцией блокировки, отключающийся из-за кратковременного короткого замыкания в проводке, будет оставаться неработоспособным до тех пор, пока кто-нибудь физически не перезапустит его. В запертом шкафу системы управления зданием (BAS), расположенном в удаленном техническом помещении, это может затянуться на несколько дней. Автоматическое восстановление с повторными попытками в режиме «hiccup» — когда блок питания пытается перезапуститься каждые несколько секунд до устранения короткого замыкания — является единственным приемлемым вариантом поведения для систем зданий, работающих в автоматическом режиме.

UL 508, UL 1310, EN 62368, CE — как разобраться в аббревиатурах сертификатов

Сертификаты — это своего рода язык, и в большинстве технических спецификаций предполагается, что вы им владеете. Ниже приведена таблица переводов обозначений, которые действительно имеют значение при закупках в сфере автоматизации зданий:

Для экспортных проектов наиболее надежным сочетанием является CE + UL. UL можно заменить на ETL или CSA — все три знака являются признанными OSHA знаками NRTL в США. Если ваш проект предусматривает помещения с пленумным пространством или заземленные исторические здания, соответствие стандарту UL 1310 класса 2 — это требование, которое позволит избежать замечаний со стороны инспектора по электробезопасности в отношении вашей установки.

Как убедиться в подлинности сертификатов (а не просто в наличии логотипов на веб-странице)

Мошенничество с сертификатами настолько распространено на рынке промышленных источников питания, что пятиминутная проверка оправдывает затраченные усилия. Сертификаты UL можно проверить в базе данных UL Product iQ по адресу productiq.ul.com. Введите название производителя или номер дела UL и убедитесь, что сертификат действителен и распространяется на конкретную модель, которую вы приобретаете. Что касается маркировки CE, запросите документ «Декларация о соответствии ЕС» (EU Declaration of Conformity, DoC). В подлинной декларации о соответствии перечислены конкретные гармонизированные стандарты, по которым был испытан продукт — например, EN 55032:2015 + A1:2020 для электромагнитных помех. Логотип CE без сопроводительной декларации о соответствии не является действительной маркировкой CE. Надежные поставщики предоставляют эти документы по запросу. Нежелание предоставить их — тревожный сигнал.

Разделение нагрузок и прокладка кабелей — простые меры, позволяющие предотвратить отказы в эксплуатации

Большинство руководств по выбору блоков питания заканчиваются после таблицы технических характеристик. Однако даже идеально подобранный блок питания, установленный ненадлежащим образом, станет причиной такого же количества обращений в службу поддержки, как и неправильно выбранный. Две реальные ситуации демонстрируют, почему вопросы монтажа необходимо учитывать при выборе.

Сценарий 1: перезапуск контроллера в 14:00. Новая система контроля доступа на этаже коммерческого офисного здания работает безупречно — за исключением каждого рабочего дня примерно в 14:00, когда все четыре контроллера дверей в восточном крыле одновременно перезагружаются. После трёх выездов на объект и двух замен контроллеров выявлена первопричина. Все контроллеры используют один блок питания совместно с электромагнитными замками. А в 14:00 уборщики, приходящие на работу после обеда, проходят через погрузочную платформу по своим пропускам, что приводит к быстрому последовательному срабатыванию всех четырёх электромагнитных замков. Индуктивный отклик каждого замка снижает напряжение на шине постоянного тока настолько, что микроконтроллеры контроллеров переходят в режим «brownout».

Схема 2: датчик присутствия. Группа датчиков CO₂ в системе с переменным объемом воздуха (VAV) ежедневно во второй половине дня показывает отклонения в показаниях на 200–300 ppm, которые затем восстанавливаются в течение ночи. Датчики заменяли дважды. Причина заключается не в датчиках, а в пульсациях на выходе блока питания, которые усиливаются по мере повышения температуры в шкафу в течение дня. Осциллограф, подключенный к шине 24 В, показывает пульсации 300 мВ в 16:00 по сравнению с 80 мВ в 8:00 утра. Аналоговый преобразователь датчика не способен подавить этот шум.

Три правила позволяют предотвратить большинство таких сбоев без каких-либо дополнительных затрат на оборудование:

• Разделение систем управления и коммутации нагрузок. Контроллеры DDC, датчики, шлюзы и коммуникационные модули подключены к одному блоку питания. Электрозамки, электромагнитные клапаны, катушки реле и моторизованные приводы подключены к другому блоку питания. Эти две шины электрически независимы друг от друга. Ни одно отдельное событие коммутации не может повлиять на работу управляющей электроники.
• Рассчитайте падение напряжения для каждого кабельного отрезка длиной более 30 метров. При напряжении 24 В и токе 10 А в медном кабеле сечением 1,5 мм² падение напряжения на участке длиной 60 метров в обе стороны составляет примерно 7 В — почти 30% от номинального напряжения, что достаточно для выхода из строя конечных устройств. Необходимо либо увеличить сечение кабеля (при том же длине кабеля сечением 2,5 мм² падение напряжения уменьшится вдвое), либо установить локальный блок питания на дальнем конце.
• Промаркируйте каждый выход блока питания. Кусочек термоусадочной трубки или защелкивающийся маркер для кабеля с надписью “DDC-Zone-3” или “Lock-PSU-East” сэкономит следующему техническому специалисту 80% времени на поиск неисправности. В шкафу с четырьмя одинаковыми на вид блоками питания на DIN-рейке непомеченные выходы превращают 10-минутную замену в двухчасовую операцию по поиску неисправности.

Контрольный список для покупателя — основа для объективного сравнения импульсных источников питания

Вы уже рассмотрели такие параметры, как напряжение, мощность, форм-фактор, КПД, средства защиты, сертификаты и рекомендации по установке. В приведенной ниже таблице все эти параметры объединены в единый контрольный список. Распечатайте его, храните вместе с техническим заданием проекта и проверяйте по нему каждый вариант блока питания перед заказом.

Выбор оборудования — это не разовое решение. Списки оборудования меняются в ходе ввода в эксплуатацию. Заказчик добавляет новый этаж. Консультант по безопасности указывает необходимость установки дополнительных камер. Блок питания, расчёт мощности которого вы выполнили на этапе разработки проекта, к моменту окончательной приёмки может оказаться недостаточным. Заложите достаточный запас мощности, чтобы позднее дополнение не вынудило вас заново заказывать оборудование. Когда вам понадобится приобрести блоки питания, отвечающие всем требованиям из этого списка, ищите поставщиков, которые публично предоставляют свои сертификаты и кривые снижения номинальной мощности, а не скрывают их за формой обратной связи с отделом продаж. Прозрачность технических характеристик в спецификации является разумным показателем прозрачности самого продукта.

Для проектов, в которых требуются импульсные источники питания на DIN-рейке мощностью от 15 Вт до 480 Вт — с сертификатами CE, RoHS и ISO 9001, а также 38-летним опытом производства — в сети доступен полный каталог импульсных источников питания компании OMCH, включающий функции помощи в подборе продукции для соответствия техническим характеристикам требованиям проекта.

Ссылки

1. Стандарты и взаимодействие с UL. “UL 1310 — Стандарт для силовых агрегатов класса 2”.” https://standardscatalog.ul.com/ProductDetail.aspx?productId=UL1310
2. IEC. “IEC 61000-4-5: Электромагнитная совместимость (ЭМС) — Часть 4-5: Методы испытаний и измерений — Испытание на устойчивость к импульсным перенапряжениям”.” https://webstore.iec.ch/publication/4264
3. Mean Well. “Серия NDR-240 — Технические характеристики промышленного источника питания на DIN-рейке мощностью 240 Вт”.” https://www.meanwell.com/productPdf.aspx?i=28
4. IEEE. “802.3bt-2018 — Стандарт IEEE для Ethernet, поправка 2: Питание по Ethernet через 4 пары”.” https://standards.ieee.org/standard/802_3bt-2018.html
5. OMCH. “Импульсные источники питания — серии для монтажа на DIN-рейку и в корпусе”.” https://www.omch.com/switch-mode-power-supply/
6. OMCH. “OMCH — производитель компонентов для промышленной автоматизации”.” https://www.omch.com/