Aktuální vydání

celé číslo

07

2020

Řízení distribučních soustav a chytrá města

Měření a monitorování prostředí v budovách a venkovním prostředí

celé číslo

Zálohování napájení elektrickou energií v průmyslovém podniku

Automa 12/2001

Ing. Bohuslav Šámal, Altron, a. s.

Zálohování napájení elektrickou energií v průmyslovém podniku

Úvod
Spolehlivost napájení zařízení informačních sítí průmyslového podniku elektrickou energií je někdy podceňováno. Avšak výpadek systému může způsobit poměrně velké škody. Rozhodující přitom není příčina výpadku, ale především technologie, které se výpadek týká. Jsou-li do datových průmyslových sběrnic integrovány i přenosy bezpečnostních signálů, je otázka jejich nepřerušovaného chodu životně důležitá.

Hlavní poznatky
V průmyslovém podniku je systém napájení elektrickou energií poněkud jiný a je vystaven jiným rizikům, než je tomu u jiných druhů provozů (např. provoz v bankovním domě je pochopitelně velmi odlišný od provozu oceláren).

Hlavní specifické problémy jsou:

  • Zpravidla značná prostorová rozlehlost areálu, v němž je nutné problém řešit.

  • Velmi různorodý charakter zátěží z hlediska spotřeby, která může být v rozsahu několika řádů, dále z hledisek požadavků na kvalitu napájení, odolnosti proti rušení a současně i rušení generovaného provozem zařízení, z hlediska důležitosti a případných škod při výpadku a v neposlední řadě z hlediska potřebné doby zálohování při výpadku elektrické sítě.

  • Často již existují dílčí opatření pro zvýšení spolehlivosti napájení.

  • V prostředí se často vyskytují poruchy v elektrickém napájení, které nemají vždy jen charakter úplného výpadku.

Hlavní zásady řešení
Vytvoření systému záložního napájení v průmyslovém podniku je velmi komplexní problém. Vlastní příprava zadání vyžaduje velkou péči a mnoho času. Pečlivě sestavený seznam zátěží, které je třeba spolehlivě napájet, musí obsahovat výkony spotřebičů včetně krátkodobých zvýšení spotřeby (např. při startech), požadovanou dobu autonomního provozu s ohledem na technologické souvislosti a umístění spotřebičů.

Velmi důležitá je volba topologie napájecí sítě, počtu a rozmístění napájecích zdrojů. Zde je nutné zohlednit univerzálně platný požadavek, že je třeba spolehlivě „doručit“ napájecí napětí až ke kritickým spotřebičům. Není totiž nic platný spolehlivý a velmi výkonný zdroj UPS, který dodává energii do jediného páteřního napájecího vedení. V takovém případě stačí, aby nastal výpadek jističe na začátku vedení, a všechna zařízení jsou bez proudu, přestože zdroj sám o sobě pracuje spolehlivě dál.

Jediný výkonný zdroj UPS je zpravidla levnější a spolehlivější než mnoho menších zdrojů rozmístěných po areálu. Topologie napájecí sítě za zdrojem UPS se však musí blížit paprskovému rozvodu a v rozvodu je třeba vyloučit kritická místa. Jediný zdroj UPS by navíc neměl napájet spotřebiče citlivé na rušení a současně spotřebiče, které jsou zdrojem rušení. Zdroj UPS totiž ochrání spotřebiče od poruch v napájecí síti, které vznikly na vstupu zdroje, ale z principu nemůže ochránit své zátěže od poruch, které vznikly až na jeho výstupu. (Poruchy je zde třeba chápat v co nejobecnějším smyslu slova.)

Řešení s velkým množstvím zdrojů UPS malého výkonu nebývá optimální, protože velké množství malých zařízení ve svém souhrnu bývá relativně méně spolehlivé než jeden centrální zdroj. Také instalace a údržba se snáze a s menšími náklady řeší pro jeden centrální zdroj napájení než pro velký soubor malých zařízení.

Z uvedeného je patrné, že v každém konkrétním případě je vždy třeba pečlivě zvážit topologii sítě z mnoha hledisek. U průmyslových podniků jde téměř vždy o kombinaci několika velmi výkonných a spolehlivých zdrojů UPS a mnoha menších zdrojů, umísťovaných blízko u důležitých spotřebičů. Častým řešením je i oddělení napájení pro elektronická zařízení a řídicí systémy od napájení pro výkonově mnohem náročnější technologie, které však mívají menší požadavky na kvalitu napájení. Někdy je nutné řadit malý zdroj UPS blízko náročného spotřebiče (např. serveru) a současně tento zdroj napájet z centrálního zdroje UPS s dlouhou dobou autonomního provozu.

V informačních sítích se často vyskytují z hlediska spotřeby malá zařízení, která jsou však umístěna na odlehlých místech a která jsou pro provoz celého systému bezpodmínečně důležitá. Pro jejich napájení se využívají různé doplňky (např. elektronický přepínač dvou nezávislých zdrojů UPS, který při poruše jednoho zdroje zajistí rychlé přepnutí na další).

Pro dosažení optimálního výsledku bývá nezbytné kombinovat několik technologií určených pro zvýšení spolehlivosti napájení:

  • napájení ze dvou nebo více sítí vysokého napětí s automatickým přepínáním,
  • motorgenerátor pro pokrytí dlouhých výpadků,
  • centrální zdroj UPS s velkým výkonem, spolehlivostí a kvalitou výstupního napětí,
  • malé zdroje UPS pro spolehlivé napájení kritických míst,
  • stejnosměrné zdroje s akumulátory pro napájení zařízení se stejnosměrným vstupem,
  • přepěťové ochrany,
  • speciální přístroje a materiály rozvodu (např. ohnivzdorné kabely).

Jak všechno uhlídat?
Zatím jsme se na spolehlivé napájení dívali jen z hlediska zajištění spolehlivého napájení kritických spotřebičů. To však nestačí. Pro spolehlivý chod technologie je nutné zajistit i vazby mezi napájecím systémem, systémem MaR a vlastní výrobní technologií.

Všechna moderní zařízení z oboru spolehlivého napájení elektrickou energií jsou vybavena tak, aby s nimi bylo možné komunikovat. Toho se využívá k několika cílům:

  • automatické akce reagující na kritické stavy (bezpečné odstavení technologie, hlásí--li UPS brzké vyčerpání kapacity baterií),
  • automatické akce optimalizující provoz (vypnutí zdrojů po ukončení provozu a automatické zapnutí před zahájením provozu, vypínání nadbytečných zdrojů v době malých požadavků na výkon, spouštění testů baterií v době s menšími požadavky na spolehlivost provozu atd.),
  • automatické akce reagující na kritické stavy, které nemají původ v napájecím systému (řízené vypnutí napájení při požáru nebo naopak start odvětrání požárních únikových cest a evakuačních výtahů při požáru),
  • signalizace stavu jednotlivých zařízení a jejich ovládání vzdálenou obsluhou.

Z předcházejícího textu vyplývá, že na jednotlivá zařízení systému napájení se lze dívat i jako na klasické periferie řídicího systému. Pro využití této jejich vlastnosti je však třeba přivést informační sběrnici i na každé stanoviště, kde se počítá s umístěním napájecí technologie (strojovna motorgenerátoru, stanoviště centrálního zdroje UPS atd.).

Závěr Návrh a realizace systému spolehlivého napájení v prostředí průmyslového podniku vyžadují komplexní přístup, který začíná již stanovením zadání a nekončí ani servisní péčí poskytovanou na vysoké úrovni po celou dobu životnosti systému. Je třeba počítat i s růstem požadavků v budoucnosti a s trvalou spoluprací uživatele a dodavatele zařízení.

Je proto zapotřebí využívat služby zkušených dodavatelů s dostatečnou silou i dlouhodobou stabilitou. Takový dodavatel musí být schopen navrhnout a dodat relativně širokou škálu různých zařízení a garantovat jejich dlouhodobě stabilní a spolehlivý provoz.