Tensione 24 V senza interruzioni anche in caso di caduta di rete Per ogni applicazione il sistema UPS più adatto Vantaggi e svantaggi in breve Un’alimentazione di tensione affidabile è fondamentale per la produttività di impianti e macchine automatizzati. Controllori, sensori e attuatori sono normalmente alimentati da un alimentatore switching a 24 volt in tensione continua. I moderni alimentatori come i SITOP garantiscono la massima sicurezza di alimentazione. Tuttavia, nemmeno questi sono immuni alle cadute di rete prolungate. Per questa ragione è necessario prevedere un’alimentazione di continuità per le applicazioni critiche. Ma qual è il sistema UPS più adatto e cosa si deve tenere presente per il dimensionamento? UPS: AC o DC? Per la protezione contro le cadute di rete è possibile utilizzare un’alimentazione di continuità sul lato AC o DC. Il vantaggio di un’alimentazione UPS in tensione alternata è la bufferizzazione di tutti gli utilizzatori elettrici, ad es. anche gli azionamenti in corrente alternata. Tuttavia, un AC-UPS è più caro di un DC-UPS. Se l’applicazione consente di bufferizzare il solo lato 24V in caso di caduta della rete, un DC-UPS rappresenta sicuramente la soluzione più conveniente. Se da un lato normalmente non è necessaria una particolare potenza, per cui il dimensionamento di un DC-UPS rimane più contenuto, dall’altro un AC-UPS è più costoso a causa della struttura più complessa. Anche il rendimento complessivo di un DCUPS è nettamente migliore. In questo caso non è necessario convertire la tensione della batteria in tensione alternata né trasformarla ulteriormente nella tensione continua 24V necessaria. Nel caso del DC-UPS l’energia viene messa a disposizione dove è richiesta, ovvero direttamente nell’utilizzatore senza deviazioni che possono causare numerose perdite. Figura 1: in questo quadro per il comando di un impianto di gru, un AC-UPS montato sopra l’armadio per le dimensioni ingombranti (foto a sinistra) è stato sostituito con 3 DC-UPS. Dato che al tempo stesso sono stati utilizzati gli alimentatori più compatti della generazione SITOP PSU300M 24 V/ 20 A, è stato persino possibile installare tutti e 3 gli alimentatori con i 3 SITOP UPS500S 15A/5 kWs sulla stessa guida. Alimentatori SITOP Per ogni applicazione la soluzione migliore Nessun altro produttore è in grado di offrire una gamma altrettanto ampia per la protezione dell’alimentazione DC 24 V come Siemens. La scelta spazia dal semplice modulo tampone al DC-UPS dotato di una vasta gamma di funzioni. A seconda delle esigenze sono disponibili 3 soluzioni. Gli alimentatori SITOP con tensione di uscita a 24 V si possono ampliare per realizzare alimentatori UPS completi. A seconda dei requisiti già citati, esistono due diversi concetti di UPS che si distinguono in particolare per il tipo di accumulatore. Uno si basa su batterie al piombo, l’altro su condensatori a doppio strato. Tutti i moduli DC-UPS hanno la stessa funzionalità di base con numerosi controlli e contatti di segnalazione e sono disponibili con interfaccia USB. Il SITOP UPS1600 a batteria, inoltre, è disponibile anche con interfaccia Industrial Ethernet/PROFINET. Per una facile integrazione nelle soluzioni di automazione basate su PC sono disponibili applicazioni software gratuite che supportano l'ulteriore elaborazione delle segnalazioni di stato, l'arresto sicuro e il corretto riavvio del sistema. L’UPS1600 con interfaccia IE/PN può essere anche progettato con TIA Portal o integrato in TIA (Totally Integrated Automation) con STEP 7 e WinCC. L’accumulatore fa la differenza Tamponamento di brevi interruzioni della rete Nelle reti con condizioni instabili, ad es. nelle infrastrutture di rete a maglia con pochi nodi, possono verificarsi da rare a frequenti brevi interruzioni della rete in seguito ad es. alle commutazioni nella rete. Il problema dopo le interruzioni con alimentazioni non bufferizzate di questo genere sono i tempi di avvio e di inizializzazione, spesso lunghi, del sistema di automazione o degli azionamenti. Con un modulo tampone capace di superare queste brevi interruzioni fino a 10 secondi è possibile aumentare la disponibilità dell’impianto già in misura significativa. Il modulo tampone viene semplicemente collegato in parallelo a un alimentatore della gamma SITOP smart o SITOP modular. I condensatori elettrolitici forniscono fino a 40 A che supportano l’alimentatore anche in caso di sovraccarico. Salvataggio dello stato dell’impianto dopo la caduta della rete Le applicazioni nelle quali è necessario arrestare l’impianto in seguito a una caduta della rete ma al tempo stesso occorre salvare l’ultimo stato dell’impianto richiedono un superamento della caduta di rete più lungo. Questi requisiti sono tipici delle automazioni basate su PC con visualizzazioni o archiviazioni dei dati di esercizio. Protocollo del guasto, salvataggio dello stato dell’impianto e arresto regolare del PC richiedono superamenti anche nell’ordine dei minuti. In uno scenario di questo tipo tali riserve di memoria richiedono l’uso di PC potenti, specialmente se un Panel di grandi dimensioni deve continuare a funzionare anche durante l’arresto. Un’elevata capacità di memoria è necessaria anche per gli attuatori, che devono essere portati in una posizione finale, o per i processi nei quali alcune parti dell’impianto devono essere alimentate fino al ripristino dell’alimentazione di rete. Ad es. per l’acquisizione dei dati di misura o per mantenere attiva la comunicazione. In questi casi è necessario utilizzare gli alimentatori di continuità (UPS). Quale sia il sistema migliore - con condensatori o batteria dipende dalle esigenze specifiche dell’applicazione. Se sono necessari tempi di tamponamento prolungati è preferibile scegliere un UPS con batteria al piombo. A seconda del fabbisogno di corrente, infatti, questi possono fornire energia fino all’ordine delle ore. I moduli batteria per l’UPS1600 sono disponibili con capacità da 1,2 Ah a 12 Ah. Con un collegamento in parallelo è possibile combinare in maniera flessibile la capacità necessaria. Un modulo batteria UPS1100 è dotato di un’elettronica con i parametri specifici e i parametri per l’acquisizione dei dati di esercizio attuali che vengono letti dal modulo UPS1600 attraverso un collegamento a 2 fili (Energy Storage Link). I moduli UPS sono disponibili con una corrente nominale di uscita di 10 A, 20 A e 40 A, sono caratterizzati anche da una forte resistenza al sovraccarico e forniscono 3 volte la corrente nominale per 30 ms e 1,5 volte per 5 s al minuto. In molti casi è possibile portare l’impianto in uno stato sicuro già nell’ordine dei minuti, per contenere al massimo le conseguenze di una caduta della rete. Per questi particolari requisiti temporali offre numerosi vantaggi il SITOP UPS500 basato su condensatori a doppio strato definiti anche ultracap, supercap o supercondensatori per la loro elevata capacità. L’innovativo UPS da installare nel quadro elettrico è costituito da un dispositivo di base con una capacità di 2,5 o 5 kWs e fornisce fino a 15 A di corrente di uscita. Moduli di ampliamento da 5 kWs ciascuno consentono di estendere la capacità fino a 20 kWs. Per l'impiego al di fuori del quadro elettrico sono disponibili varianti con grado di protezione IP65 che forniscono 7A di corrente di uscita e hanno una capacità di 5 kWs o 10 kWs. Il tipo di accumulatore non è decisivo solo per il tempo di tamponamento ma anche per le possibilità di impiego di entrambi i sistemi UPS SITOP. La capacità disponibile delle batterie al piombo dipende fortemente dalla temperatura Le batterie al piombo sono molto sensibili alla temperatura in quanto i processi di carica e di scarica avvengono per reazioni elettrochimiche. L’elettrolita utilizzato (acido solforico) e le piastre per i poli (piombo e ossido di piombo) ne determinano l’invecchiamento, che varia notevolmente in funzione della temperatura. Una temperatura maggiore di 10 °K riduce la durata della metà. Con una temperatura ambiente di 40 °C, ad es., la durata sarà solo di 1/4 rispetto alla temperatura nominale di esercizio di 20 °C. Una batteria al piombo, che a condizioni nominali ha una durata di 4 anni, a 40 °C dovrebbe quindi essere sostituita già dopo un anno. In alternativa alle tradizionali batterie al piombo è possibile anche scegliere accumulatori speciali con una maggiore resistenza alla temperatura, che tuttavia hanno anche un costo maggiore. SITOP offre ad es. un accumulatore ad alta temperatura su base di piombo puro da utilizzare a temperature da -40 a +60°C. Un ulteriore vantaggio è l’innovativo accumulatore con tempi di ricarica di pochi minuti (vedere la tabella 2 “Tempi di tamponamento e di ricarica SITOP UPS500”), che assicura una rapida bufferizzazione dopo una caduta di rete e al tempo stesso un’elevata disponibilità. Come scegliere il dimensionamento di un sistema DCUPS I criteri per il dimensionamento dell’UPS sono il tempo di tamponamento, la corrente di carico, la corrente di picco e il campo della temperatura ambiente. L’esempio seguente mostra il dimensionamento di un DC-UPS che deve proteggere dalle cadute di rete un’applicazione di automazione con un PC industriale a 24 V. Viene bufferizzato un Panel PC che, in caso di caduta della rete, deve salvare i dati e arrestarsi regolarmente. Per conservare o salvare i valori di misura, anche i sensori devono continuare a ricevere la tensione 24 V dal DCUPS. Per non sovraccaricare il DC-UPS gli attuatori non vengono bufferizzati e sono collegati direttamente all’uscita a 24 V dell’alimentatore. Tabella 1: durata e campo della temperatura ambiente dei moduli batteria SITOP UPS1100 Funzionamento dei supercondensatori e relativi vantaggi Nei condensatori a doppio strato non hanno luogo reazioni chimiche. Questi condensatori accumulano la carica in un doppio strato elettrochimico (il cosiddetto “strato di Helmholtz”) dove gli ioni positivi e negativi dell’elettrolita si trasformano in elettrodi attraverso il campo elettrico. Perciò sono più longevi delle batterie al piombo, sia per quanto riguarda i cicli di ricarica che la temperatura. Nel caso del SITOP UPS500 i supercondensatori perdono persino dopo 8 anni di funzionamento e a 50 °C di temperatura ambiente solo il 20% ca. della loro capacità. L’UPS non richiede manutenzione e la sostituzione dell’accumulatore non è necessaria. Già a 40 °C di temperatura ambiente, il condensatore UPS si ammortizza al 2° anno di esercizio. Il prezzo di acquisto leggermente maggiore, infatti, viene già compensato alla seconda sostituzione della batteria in un UPS convenzionale. Un ulteriore risparmio è garantito dalla costruzione del quadro di comando. A differenza delle batterie al piombo, i condensatori non emettono idrogeno e la ventilazione dell’armadio di comando diventa superflua. Figura 2: esempio di applicazione per il dimensionamento di un’alimentazione di continuità a 24 V Condizioni dell’applicazione: Tempo necessario per il salvataggio e l’arresto del sistema: 55 s, temperatura ambiente: 40 °C, gli attuatori non vengono bufferizzati. 1) Calcolo del fabbisogno di corrente e scelta dell'alimentazione di corrente a) Calcolo del fabbisogno di corrente di carico max.: derivazione bufferizzata a 24 V: 2,7 A (PC 477D) + 1 A (sensori) + 2 A (corrente di carica UPS500S, impostabile a 1 o 2 A) = 5,7 A derivazione non bufferizzata a 24 V: 3 A (attuatori) Fabbisogno di corrente di carico tot.: 5,7 A + 3 A = 8,7 A b) Calcolo del fabbisogno di corrente di picco: derivazione bufferizzata a 24 V: 6,5 A (PC 477D per 25ms) + 2 A (sensori) + 2 A (corrente di carica) = 10,5 A derivazione non bufferizzata a 24 V: attuatori: 4 A (momento di inserzione) Fabbisogno di corrente di picco tot.: 10,5 A + 4 A = 14,5 A c) Scelta dell’alimentatore per un fabbisogno di 8,7 A di corrente di carico e di 14,5 A di corrente di picco => SITOP smart 10 A (max. 15 A per 5 s) 2) Calcolo della corrente di uscita dell’UPS, dell’accumulatore e scelta del DC-UPS a) Corrente di uscita UPS con fabbisogno di corrente di picco: 6,5 A (PC 477D per 25 ms) + 2 A (sensori) = 8,5 A b) Corrente di uscita UPS con funzionamento tampone: 2,7 A (PC 477D) + 1 A (sensori) = 3,7 A c) Fabbisogno di energia + 25% causa perdita di capacità del 20% dopo ca. 8 anni: 3,7 A x 24 V x 55 s x 1,25 = 6105 Ws Verifica nella tabella per UPS500 “Tempi di tamponamento e di carica”: tempo di tamponamento con 4 A di corrente di carico e 7,5 kWs: 61 sec = ok.! d) Scelta del DC-UPS per 8,5 A di corrente di uscita di picco e 6,105 kWs => SITOP UPS500S 15A/ 2,5 kWs e modulo di ampliamento SITOP UPS501S 5 kWs (tot. 15A/ 7,5 kWs) SITOP Selection Tool – pratica Guida alla scelta di alimentatore e DC-UPS Più pratica e dettagliata della configurazione manuale è la selezione con il SITOP Selection Tool, soprattutto nel caso della configurazione complessa di un DC-UPS con batterie. La Guida alla scelta trova dopo pochi clic le possibili soluzioni DC-UPS, con condensatori o batterie a seconda delle esigenze specifiche. Oltre ai criteri corrente di carico, corrente di picco e tempo di tamponamento è possibile specificare anche la temperatura ambiente e la tensione di bufferizzazione minima. La tensione di bufferizzazione minima è la tensione di ingresso più bassa che garantisce ancora il funzionamento di un utilizzatore. Questa tensione influisce sulla configurazione di un DC-UPS con batteria. Infatti, se è consentita una caduta maggiore della tensione della batteria è possibile raggiungere un tempo di tamponamento più lungo a pari capacità della batteria. La temperatura ambiente è decisiva per la durata delle batterie, come già indicato a pagina 3. Con gli ulteriori criteri, SITOP Selection Tool valuta ancor meglio le condizioni reali, rilevando con precisione la capacità della batteria, calcolo che sarebbe molto complesso se eseguito manualmente. Altrettanto facile è la scelta dell’alimentatore di corrente più idoneo dalla vasta gamma SITOP. In abbinamento all’alimentatore e al DC-UPS scelti, il Tool raccoglie tutti i dati CAD, le macro dei circuiti e la documentazione per velocizzare la progettazione. www.siemens.com/sitop-selection-tool Figura 3: in base ad alcuni criteri da specificare SITOP Selection Tool offre una serie di configurazioni adeguate di DC-UPS. Tabella 2: verifica nella tabella Tempi di tamponamento e di carica SITOP UPS500 Come integrare il DC-UPS nell’impianto Il sistema di automazione deve essere informato sullo stato del DC-UPS per poter reagire in base alla situazione. La comunicazione può essere gestita tramite uscite digitali o interfaccia USB o Ethernet/PROFINET. DC-UPS Comunicazione SITOP UPS500 (con ultracap) Uscite dig. PLC - USB PC Tool DC-UPS Uscite dig. PLC - USB PC SITOP UPS Manager SITOP UPS1600 (con moduli batteria) Industr. Ethernet/ Profinet Controllore PC PLC Tool di engineering STEP 7, TIA Portal Tabella 3: per ogni DC-UPS con interfaccia e tipo di controllore da bufferizzare è disponibile un tool di engineering gratuito con cui parametrizzare il DC-UPS e visualizzare lo stato di funzionamento in tutta semplicità. Uscite digitali In tutti i moduli DC-UPS SITOP le principali segnalazioni di stato vengono emesse attraverso LED e contatti di segnalazione. I segnali vengono analizzati nel controllore attraverso gli ingressi digitali. Segnalazioni e assegnazione dei morsetti sono identiche per i moduli DC-UPS SITOP UPS500S e SITOP UPS1600 (vedere tabella 4), per cui anche l’engineering e il cablaggio sono pressoché uguali per entrambi i sistemi UPS. Figura 4: tamponamento di applicazioni di automazione semplici con segnalazione dello stato attraverso le uscite digitali. Le impostazioni UPS si definiscono sul lato frontale del dispositivo. Per mezzo di selettori DIP o di interruttori rotativi è possibile impostare ad es. la soglia di inserimento della tensione, il tempo di tamponamento e la corrente di carica. Con i moduli batteria codificati UPS1100 la corrente di carica è predefinita attraverso il collegamento a 2 fili “Energy Storage Link” in funzione della temperatura e non deve pertanto essere impostata. Interfacce per sistemi basati su PC o su PLC Per la comunicazione con PC o PLC i moduli DC-UPS SITOP sono dotati in via opzionale di un’interfaccia USB o di 2 interfacce Ethernet. L’integrazione del DC-UPS nell’impianto è supportata da tool di engineering gratuiti da utilizzare come indicato nella tabella 3. SITOP UPS500 con interfaccia USB su PC Tabella 4: le uscite digitali di tutti i moduli DC-UPS SITOP sono uniformi in base a questa assegnazione dei morsetti. L’utilizzo dei contatti di relè è indicato per le applicazioni di automazione semplici senza collegamento in rete, come ad es. segnalazioni di ostacoli, impianti idroelettrici o cogeneratori. Specialmente per queste applicazioni isolate l’UPS1600 dispone della funzione “Start from Battery”. All’avvio di un impianto in mancanza di tensione di rete gli utilizzatori a 24 V vengono alimentati dalla batteria. Per le applicazioni con un computer di automazione senza ulteriore collegamento in rete sono indicati i moduli UPS con interfaccia USB. L’UPS500 reagisce attraverso l’interfaccia USB alle stesse segnalazioni di stato che vengono emesse anche attraverso i contatti (vedere tabella 4). Il tool DC-UPS consente di parametrizzare facilmente l’UPS500 e quindi di avviare applicazioni per eventi particolari, ad es. un programma di emergenza in caso di caduta di rete o di funzionamento bufferizzato. Attraverso una finestra il tool DC-UPS visualizza lo stato di funzionamento del modulo DC-UPS. Le informazioni possono essere ulteriormente elaborate anche dal server OPC integrato. Gli eventi ai quali può reagire un UPS1600 con interfaccia USB o con Industrial Ethernet sono gli stessi. Rispetto alle segnalazioni tramite contatti qui è possibile analizzare anche il tempo di tamponamento restante e lo stato di carica della batteria. Questo consente una reazione più puntuale agli stati critici. Per la parametrizzazione è possibile utilizzare il pratico SITOP UPS Manager, che offre visualizzazioni aggiuntive rispetto al tool DC-UPS (per UPS500 e versioni precedenti DC-UPS 6EP1931…): • • • Figura 5: bufferizzazione di un computer di automazione 24 V con comunicazione attraverso USB Monitoraggio degli allarmi presenti e del relativo andamento Dati di esercizio: dati e parametri del dispositivo Grafici di trend nel tempo: corrente di carico, tensione d'ingresso, tempo di tamponamento rimanente, temperatura della batteria, carica della batteria, corrente di carica Sia nelle varianti con USB che con Industrial Ethernet è possibile utilizzare la funzione “Reset after Buffering”. Senza questa funzione il computer rimane spento quando la rete, e quindi la tensione 24 V, viene ripristinata durante l’arresto del sistema. Con questa funzione l’alimentazione 24 V viene interrotta per 5 secondi dopo l’arresto del sistema (interfaccia senza tensione), per cui il computer si riavvia automaticamente. Uno svantaggio della comunicazione USB in generale è la limitazione della lunghezza dei cavi a ca. 5 m se non si prendono misure supplementari per l’amplificazione del segnale. SITOP UPS1600 con interfaccia USB o Industrial Ethernet su PC Se l’UPS1600 bufferizza controllori basati su PC è possibile gestire la comunicazione tramite USB o Industrial Ethernet (IE). La comunicazione attraverso le 2 porte IE ha il grande vantaggio di consentire una facile integrazione dell’UPS in qualsiasi infrastruttura LAN e la possibilità di arrestare diversi PC in base al principio master-slave in caso di caduta di rete. Figura 7: i vari grafici di trend di SITOP UPS Manager consentono una diagnostica completa dello stato della rete e del DC-UPS. Attraverso il server Web integrato è possibile visualizzare lo stato di funzionamento e i parametri anche a distanza. Lo stato del dispositivo e il collegamento di rete si possono monitorare facilmente anche con il software di gestione della rete SINEMA Server. SITOP UPS1600 con PROFINET sul controllore Per la bufferizzazione dei controllori SIMATIC il collegamento PROFINET e TIA Portal offrono la soluzione ottimale per un’integrazione nel sistema semplice e completa. I blocchi funzionali per SIMATIC S7-300, 400, 1200 e 1500 consentono di elaborare tutti i dati di esercizio disponibili dell’UPS1600 e quindi di reagire a qualsiasi stato del DC-UPS. Soprattutto se si utilizzano i moduli batteria codificati UPS1100 è possibile analizzare in dettaglio lo stato del DC-UPS. È possibile collegare in parallelo fino a 6 moduli batteria UPS1100 analizzabili singolarmente. Figura 6: bufferizzazione di diversi PC 24 V. La comunicazione attraverso Industrial Ethernet consente numerose diagnostiche e l’arresto controllato nel modulo master-slave in caso di caduta della rete Questi alcuni dei dati UPS analizzabili: • Tensione e corrente di ingresso • Tensione e corrente di uscita • Tensione e corrente di carica • Temperatura UPS1600 e moduli batteria UPS1100 • Capacità della batteria singola e complessiva • Tempo di tamponamento rimanente • Numero di moduli batteria • Sostituzione consigliata della batteria Inoltre è possibile leggere tutti i parametri del dispositivo, ad es. tensione di fine carica, capacità nominale, campo di temperatura consentito, numero di articolo, numero di serie e numero di versione. SITOP UPS con PROFINET su sistemi di controllo Per il sistema di controllo del processo SIMATIC PCS 7 è disponibile anche una ricca biblioteca UPS1600 con blocchi SW e faceplate. L’informazione automatica attraverso segnalazioni di stato di funzionamento come la caduta di rete (funzionamento bufferizzato) o le richieste di manutenzione con sostituzione preventiva della batteria assicurano una disponibilità dell’impianto ancora maggiore nel campo dell’automazione del processo. Figura 8: bufferizzazione di una soluzione di automazione con PLC collegata in rete con PROFINET. Anche diversi controllori possono essere portati in uno stato definito indipendentemente gli uni dagli altri Attraverso faceplate preconfigurati è possibile visualizzare lo stato di funzionamento del DC-UPS. I faceplate per SIMATIC Panel e WinCC agevolano la diagnostica nel campo dell’automazione della produzione. Figura 10: i faceplate per SIMATIC PCS 7 consentono una facile diagnostica e manutenzione del DC-UPS anche nell’industria del processo Download: SITOP UPS1600 Biblioteca per l’integrazione in SIMATIC PCS 7 V8.0 + SP2 e SIMATIC PCS 7 V8.1 Figura 9: i faceplate per WinCC agevolano la visualizzazione per diagnostiche di ampia portata, incl. diagrammi delle curve e segnalazioni di allarme Download: SITOP UPS1600: Faceplate e blocchi di comunicazione STEP 7 Siemens S.p.A Process Industries and Drives Viale Piero e Alberto Pirelli 10 20126 Milano - www.siemens.com/sitop © Siemens AG 2015 Le informazioni riportate in questa brochure contengono solo descrizioni e caratteristiche generali che potrebbero variare con l’evolversi dei prodotti o non essere sempre appropriate, nella forma descritta, per il caso applicativo concreto. Le caratteristiche richieste saranno da considerare impegnative solo se espressamente concordate in fase di definizione del contratto. 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