Miten taata turvajärjestelmien, turvallisuus- ja viestintäjärjestelmien virransyöttö luotettavasti?

Perustason asuin-, liike- ja teollisuusautomaatiokompleksien on tarjottava monenlaisia turva-, turvallisuus- ja hätäviestintäjärjestelmiä vakuutusvaatimusten ja paikallisten rakennusmääräysten vuoksi sekä käyttöönottotodistuksen saamiseksi. Yhteistä näille järjestelmille on se, että ne kaikki tarvitsevat virtalähteen tuottamaan vaihtovirtaverkosta pienjännitteistä tasavirtaa, ja ne kaikki tarvitsevat erittäin luotettavan akkupohjaisen varavirtajärjestelmän.

Pelkkä perustason AC-DC-virran ja varavoiman tarjoaminen ei kuitenkaan riitä nykyaikaisissa rakennuksissa ja standardeissa. Kokonaisvaltainen ja koodihyväksytty järjestelmä tarvitsee erilaisia yksiselitteisiä hälytysilmoituksia, jotka välitetään sulkemalla kytkimiä tiettyjen sisäisten ja ulkoisten vikatilanteiden ilmoittamiseksi. Lisäksi nykypäivän älykkäiden rakennusjärjestelmien on tuettava erilaisia tietoliikenneteknologiota sekä joustavuutta fyysisen asennuksen ja käyttötilojen suhteen, jotta ne vastaisivat erilaisiin asennus-, akkutyyppi- ja muihin muuttuviin tarpeisiin.

AC-DC- tai DC-DC-jännitteen, akkujen latauksen ja hallinnan sekä järjestelmän valvonnan, hallinnan ja hälytysohjauksen tarpeet on mahdollista täyttää käyttämällä erillisiä osajärjestelmiä. Tuloksena voi olla kyseiseen sovellukseen täysin optimoitu ratkaisu. Mutta millä hinnalla? Tämä prosessi on vie aikaa, se on kallis ja se vie huomion pois itse pääsovelluksesta. Ratkaisu on myös sertifioitava asianmukaisilla säädäntöviranomaisilla, mikä lisää kustannuksia ja vaatii aikaa.

Vaihtoehtona on käyttää integroitua all-in-one-virtalähdettä, joka täyttää keskeiset suorituskykyvaatimukset eikä suunnittelua tarvitse aloittaa nollasta.

Tässä artikkelissa käsitellään rakennusautomaation tehojärjestelmien vaatimuksia ennen integroitujen MEAN WELL -virransyöttöratkaisujen esittelyä. Artikkelissa tarkastellaan näiden sofistikoituneiden ja älykkäiden sähköjärjestelmien ominaisuuksia ja sovelluksia sekä sitä, miten ne tarjoavat saumattoman toiminnallisen integroinnin, joustavuuden ja ohjelmoitavat parametrit.

Rakennusten hallintajärjestelmiin ja turvallisuusvirtajärjestelmiin kohdistuu uusia vaatimuksia

Liiketoimiston tai suuren asuinrakennuksen sähköjärjestelmän odotetaan nykyään tukevan monia toimintoja. Osaa näistä tarvitaan tehokkaaseen toimintaan ja osa niistä on pakollisia turvallisuuden kannalta. Jännitetasoa tarvitsevat muun muassa:

• palovaroittimet ja -järjestelmät
• hätäviestintälaitteet
• turvavalaistus (tulipalo tai muu sähkökatkos)
• kulunvalvontajärjestelmät
• keskitetty palohälytys- ja turvavalvontajärjestelmä.

Rakennuksen koosta riippuen sähköjärjestelmän on tuettava kriittisiä toimintoja useissa kerroksissa, ja sen on oltava kaksisuuntainen siten, että ensisijainen vaihtovirta- (tai tasavirta-) syöttö lataa akkua, jos se on käytettävissä, ja akku tukee eri kuormia ja osajärjestelmiä, jos ensisijainen linja ei ole käytettävissä (kuva 1).

Kuva 1: Monissa asennuskohteissa sähköjärjestelmän on tuettava useiden kerroksien sähkötarpeita ja samalla hallittava akkujen latausta ja purkua sähkökatkon aikana. (Kuvan lähde: MEAN WELL)

Yksi tärkeä näkökohta on vara-akkujen lataaminen ja hallinta. Tämän valvonta on tärkeää, koska sillä on kriittinen tehtävä keskeytymättömän virransyötön järjestelmänä (UPS). Tähän ei ole olemassa yhtä ainoaa parasta lähestymistapaa, sillä käytössä on lukuisia sähköiseltä kapasiteetiltaan ja tyypiltään erilaisia akkuja, esimerkkinä litiumakut ja lyijyakut, joilla kullakin on omat latausta ja purkua koskevat vaatimuksensa.

Lisäksi on olemassa monia standardeja ja rakennusmääräyksiä, jotka kaikkien AC-DC- ja DC-DC-virtalähteiden on täytettävä tavanomaisempien standardien lisäksi. Kehittyneiden rakennusarkkitehtuurien yleistymisen ja älykkään rakennusteknologian tarjoamien mahdollisuuksien vuoksi Euroopan, Yhdysvaltojen ja Kiinan viranomaiset ovat asettaneet turvallisuus- ja palojärjestelmiä koskevia turvallisuusmääräyksiä:

• Euroopan standardointikomitea (CEN) EN 54-4: Palonhavaitsemis- ja palohälytysjärjestelmät Osa 4: Tehonsyöttölaitteisto (British Standard. BS EN. 54-4).
• Yhdysvallat: UL2524: ANSI/CAN/UL-standardi rakennusten sisäisiä kaksisuuntaisia hätäradioviestintäjärjestelmiä varten.
• Yhdysvallat: Kansallinen palontorjuntajärjestö NFPA 1221: Hätäpalvelujen viestintäjärjestelmien asennusta, ylläpitoa ja käyttöä koskeva standardi.
• Kiina: GB 17945-2010: Tulipalon hätävalaistus ja evakuoinnin merkkivalojärjestelmä.

Lisäksi on otettava huomioon tavalliset verkkovirtaa koskevat perusturvallisuusvaatimukset sekä EMC-standardit (Electromagnetic Compatibility) koskien emissioita (johdettu, säteilevä, harmoninen virta ja välkyntäjännite, jotka on määritetty standardeissa EN55032 (CISPR32) ja N61000-3-2, ja koskien EMC-immuniteettia (ESD (Electrostatic Discharge), säteilty, EFT-purske (Electrical Fast Transient), virtapiikki, johdettu ja magneettikenttä) EN61000-4-standardin mukaan.

Kaikkien näiden vaatimusten yhdistäminen tarkoittaa, että virtalähde (PSU) on enemmän kuin pelkkä AC-DC- tai DC-DC-syöttö. Sen on tarjottava, valvottava, hallittava ja tuettava useita toimintoja erittäin luotettavasti ja suorituskykyisesti (kuva 2).

Kuva 2: Nykyaikaisella virtalähteellä on kaksi päätehtävää: matalan DC-jännitteen syöttö erilaisiin kuormiin ja samanaikainen tehokas akkujen hallinta. (Kuvan lähde: MEAN WELL)

Myös kotelointi ja kiinnitys ovat tärkeitä

Myös fyysinen koko, käyttölämpötila-alue, jäähdytys ja asennukseen liittyvät näkökohdat ovat tärkeitä tekijöitä virtalähteessä. Nämä yksiköt sijaitsevat tyypillisesti laitekaapissa, jossa on usein vain rajoitetusti tilaa ja jäähdytysmahdollisuuksia. Virtalähteen ja akun lisäksi tässä kaapissa voi sijaita myös rakennuksen data- ja tietoliikennelaitteita, kuten kytkimiä ja reitittimiä, joten tilaa on niukasti, ja telineasennuksen kätevyys tekee siitä houkuttelevan vaihtoehdon.

Integroidut virtalähteet vastaavat rakennuksen tehonhallintavaatimuksiin

Vastatakseen rakennusautomaatiosuunnittelun suorituskyky-, koko- ja asennustarpeisiin ja yksinkertaistaakseen ratkaisua MEAN WELL tarjoaa 12 voltin/20 ampeerin (A) ja 240 watin all-in-one-yksikön DRS-240-12 sekä sen suuremman sisaruksen 24 voltin/20 ampeerin ja 480 watin yksikön DRS-480-24. Muut DRS-240-sarjan yksiköt tarjoavat erilaisia jännite-/virtayhdistelmiä: 24 volttia / 10 A, 36 volttia / 6,6 A, ja 48 volttia / 5 A. DRS-480-sarja tarjoaa yhdistelmät 36 volttia / 13,3 A ja 48 volttia / 10 A.

DRS-240- ja DRS-480-yksiköt ratkaisevat sijoitus- ja kiinnityskysymyksen siten, että ne kiinnitetään suoraan yleisessä käytössä oleviin teollisuusstandardin mukaisiin TS-35/7.5- tai 15-tyyppisiin DIN-kiskoihin. Tämä helpottaa asennusta ja mahdollistaa muiden järjestelmien ja niiden koteloiden helpon asentamisen virtalähteiden rinnalle. Lisäksi DIN-kiskorakenne tarkoittaa, että kaikki liitännät, merkkivalot ja mittarit ovat edessä, eikä takapaneeliin tai edes sivulle tarvitse päästä käsiksi. Tästä on hyötyä johdotuksen suunnittelussa, asennuksessa, konfiguroinnissa, testauksessa ja tarvittaessa uudelleen johdotuksessa.

Näissä kaapeissa on vain vähän tilaa, joten kompakti koko on tärkeää. DRS-240-yksiköiden mitat ovat vain 86 × 125 × 129 millimetriä (mm) (leveys × korkeus × syvyys) ja DRS-480-yksiköiden 110 × 125 × 151 mm (kuva 3).

Kuva 3: 240 watin (vasemmalla) ja 480 watin DRS-yksikkö (oikealla) tarjoavat kompaktin koon ja kiinnityksen tavalliseen DIN-kiskoon; 480 watin yksikkö on hieman kookkaampi. (Kuvan lähde: MEAN WELL)

Myös näiden kaappien ja komerojen ympäristöolosuhteet aiheuttavat haasteita lyhyen ja pitkän aikavälin suorituskyvylle. Kaikki DRS-tuoteperheen jäsenet on mitoitettu lämpötila-alueelle -30 ... +70 °C ja suhteelliselle kosteudelle (RH) 20 – 90 % (ilman kondensoitumista) käytettäessä vapaata konvektiojäähdytystä. DRS-240-yksiköiden luotettavuudeksi on laskettu vähintään 564,7 tuhatta tuntia Telcordia SR-332 (Bellcore) -standardin mukaan ja vähintään 73,3 tuhatta tuntia MIL-HDBK-217F-standardin mukaan (lämpötilassa 25 °C); DRS-480-yksiköiden vastaavat luvut ovat vain hieman alhaisemmat.

Verkkovirrasta tasavirraksi ja akkujen hallinnan lähtö

Kun otetaan huomioon verkkojännitteen vaihtelut ja pyrkimys maailmanlaajuiseen käytettävyyteen sekä asennuksen helppouteen, myös syöttöjännitteen vaihteluväli on tärkeä. Nämä virtalähteet on määritetty tulojännitteille 90–305 volttia (AC) ja 127–431 volttia (DC). Monet näissä yksiköissä olevista toiminnoista on tarkoitettu akun lataamiseen, purkamiseen, akun tilan osoittamiseen ja akun yleiseen hallintaan (kuva 4).

Kuva 4: DRS-virtalähteiden lohkokaavio näyttää niiden sisäisen sofistikoituneisuuden ja sen miten paljon piirejä käytetään akkujen hallintaan, lataamiseen/purkamiseen, indikaattoreihin ja suojaukseen. (Kuvan lähde: MEAN WELL)

Kaksivaiheinen/kolmivaiheinen latauskäyrä ja latausvirta-asetus (20 % – 100 %) voidaan säätää manuaalisesti etupaneelissa olevan DIP-kytkimen avulla. Akun suurin sallittu latausvirta riippuu kyseisen DRS-mallin suurimmasta sallitusta lähtövirrasta. Akun latausalgoritmi riippuu kuormituksesta, ja latausparametrien joustavuuden ansiosta DRS-240/480 voi hallita optimaalisesti erilaisia lyijy- ja litiumakkuja.

Akkutoiminnon tärkeyden vuoksi järjestelmä sisältää myös akun alhaisen varaustason ilmaisimet ja suojauksen sille, että akku kytketään väärin päin. Näiden ja muiden ominaisuuksien ansiosta saadaan aikaan kestävä ja luotettava akkujärjestelmä, joka voidaan ladata sähköverkosta, mutta joka voi myös vaihtaa ja antaa nimellistehonsa 10 millisekunnin kuluessa, kun sähköverkkoa ei ole käytettävissä.

Vikoja ja ongelmia ei voi välttää

On väistämätöntä, että voi syntyä sisäisiä tai ulkoisia ongelmia, jotka vaikuttavat verkkovirtalähteen kykyyn täyttää kaikki sille määritellyt toiminnot. Tästä syystä DRS-yksiköissä on tilailmoitukset sellaisista ongelmista kuten oikosulku, ylikuormitus, ylijännite ja ylilämpötila jo mainittujen akun alhaisen varaustason ja väärin kytketyn akun lisäksi.

Tärkeitä ovat myös konkreettiset tilaindikaattorit keskeisille toimintatekijöille (AC-vika, DC OK, akun varaustila alhainen, laturin vika ja DC OK), jotka toteutetaan ledien ja C-releiden avulla (kuva 5). C-releet on merkitty selvästi, ja ne tarjoavat jännitteettömän kontaktien kytkennän, jota käytetään (ja joka on joissakin tapauksissa pakollinen) erilaisiin tarkoituksiin.

Kuva 5: Käyttäjä näkee vain etupaneelin virtaliitännät, indikaattorit ja relekontaktit. (Kuvan lähde: MEAN WELL)

Nämä kontaktien kytkennät ovat yksiselitteisiä ja tarjoavat useita etuja. Niitä on käytetty tähän tarkoitukseen jo pitkään, joten ne ovat yhteensopivia ja helposti integroitavissa sekä vanhoihin että uusiin järjestelmiin ja komponentteihin (jopa niinkin yksinkertaisiin kuten ulkoinen vilkkuva valo ja soittokello); ne ovat erittäin luotettavia ja kestäviä; ja kytkimen sulkeutuminen on varmin osoitus, jonka järjestelmä voi antaa, erityisesti jos sähkön kanssa on ongelmia, jotka voivat vaikuttaa "elektronisempien" liitäntöjen, kuten avokollektorilähdön tai jopa puolijohdereleiden (SSR) toimintaan.

Myös viestintä on välttämätöntä

Nykyaikaisen virtalähteen on myös tarjottava verkkoyhteys korkean tason hallintaa, asetuksia ja raportointia varten. DRS-tuoteperheen tavalliset virtalähteet tukevat Modbus-linkkejä ja niihin saa vaihtoehtoisesti myös CAN-väylän, jota voidaan käyttää älykkään ohjelmointiyksikön kanssa. Tätä ohjelmointilaitetta käytetään akun latauskuvaajiin ja tiloihin liittyvien parametrien ulkoiseen asettamiseen, esimerkkeinä CC (Constant Current), TC (Taper Current), CV (Constant Voltage) ja FV (Float Voltage). Tämä mahdollistaa useiden erilaisten teollisuudessa käytettävien akkutyyppien käytön (kuva 6).

Kuva 6: Käyttäjä voi Modbus-pohjaisen ohjelmointilaitteen avulla asettaa monia akun latauksen parametreja vastaamaan optimaalisesti akun kokoa ja tyyppiä. (Kuvan lähde: MEAN WELL)

Vaikka DRS-tuoteperheen virtalähteissä on monia toimintoja ja ominaisuuksia, niiden kytkeminen on melko yksinkertaista. Tämä on tärkeä etu ja haluttu ominaisuus käytännön asennuskohteissa, varsinkin kun nämä yksiköt ovat usein käytössä useita vuosia (kuva 7).

Kuva 7: Käyttäjä ei näe DRS-tuoteperheen virtalähteiden sisäistä kompleksisuutta ja sofistikoituneisuutta, käyttäjä näkee ainoastaan muutaman liittimen ja indikaattorin etupaneelissa. (Kuvan lähde: MEAN WELL)

Yhteenveto

MEAN WELL DRS-240- ja DRS-480-tuoteperheisiin kuuluvat virtalähdeyksiköt tarjoavat enemmän kuin perustason AC-DC- tai DC-DC-muunnoksen. Ne tarjoavat hyväksytyn virranhallintaratkaisun paloturvallisuusjärjestelmiin ja rakennusten turvajärjestelmiin, mukaan lukien hätäviestintälaitteet. Kuten artikkelissa osoitetaan, integroimalla kaikki tarvittavat toiminnot pieneen, tehokkaaseen, luotettavaan, helposti asennettavaan ja DIN-kiskoon kiinnitettävään koteloon DRS-virtalähteet yksinkertaistavat dokumentointia, asennusta ja käyttöä. Ne myös tarjoavat toiminnallisuuden, ominaisuudet ja suorituskyvyn, joita tarvitaan lukuisten lakisääteisten vaatimusten täyttämiseksi.

Vastaavaa aineistoa

1. ”Käytä modulaarisien ja monilähtöisien AC/DC-virtalähteiden tarjoamaa joustavuutta ja konfiguroitavuutta”
2. ”Miten yksinkertainen DIN-kisko parantaa teollisuusjärjestelmien modulaarisuutta, joustavuutta ja käytettävyyttä”