Une alimentation 24 V sans interruption – même en cas de coupure de courant Un système d'ASI adéquat pour chaque cas d'application – Aperçu des avantages et inconvénients La productivité des machines et installations automatisées dépend essentiellement de la fiabilité de la tension d'alimentation. En général, les automates, les capteurs et les actionneurs sont alimentés par une alimentation à découpage avec une tension continue de 24 volts. Les blocs d'alimentation modernes tels que SITOP offrent une fiabilité maximale de l'alimentation. Et pourtant, ils ne sont malgré tout pas à l'épreuve de coupures de courant de longue durée. Pour les applications critiques, il est donc nécessaire d'étendre la protection avec une alimentation sans interruption. Mais comment choisir le bon système d'ASI et que faut-il prendre en compte pour le dimensionnement? AC-UPS ou bien DC-UPS ? Il est possible d'utiliser une alimentation sans interruption du côté CA ou du côté CC pour la protection contre les coupures de courant. L'avantage d'une ASI pour le courant alternatif réside dans le maintien de l'alimentation de tous les récepteurs électriques, p. ex. également les entraînements à courant alternatif. Par contre, une AC-UPS est plus chère qu'une DC-UPS. Si l'application le permet, il est clairement plus économique d'utiliser une DCUPS qui protégera uniquement le côté 24 V en cas de coupure de courant. D'une part, les puissances requises sont en général plus faibles, ce qui permet un dimensionnement plus faible de la DC-UPS, et d'autre part, en raison de sa conception plus complexe, l'ACUPS est par principe plus coûteuse. Le rendement global est également nettement meilleur avec une DC-UPS. En effet, il n'est pas nécessaire de convertir la tension de batterie en tension alternative avant de la transformer à nouveau en tension continue 24 V requise. Avec une DC-UPS, l'énergie est fournie à l'endroit où elle est nécessaire, à savoir directement au niveau du récepteur, sans "détour" occasionnant des pertes importantes. Figure 1 : Dans cette armoire électrique de commande pour un dispositif de levage, une AC-UPS montée au-dessus de l'armoire en raison de sa taille (photo de gauche) a été remplacée par 3 DCUPS. Grâce à l'utilisation complémentaire de la nouvelle génération de blocs d'alimentation plus compacte SITOP PSU300M 24 V/ 20 A, les 3 alimentations électriques avec les 3 SITOP UPS500S 15 A/5 kW peuvent même être placées sur le même rail. Alimentation SITOP Des solutions adaptées à chaque application Aucun fabricant d'alimentations électriques n'offre une gamme de produits aussi complète que Siemens pour la protection de l'alimentation 24 V CC. Le choix s'étend d'un simple module tampon à une DC-UPS avec de nombreuses fonctions. Selon les exigences, 3 solutions différentes peuvent être utilisées : Tampon pour interruptions de courant de courte durée Si les conditions du réseau ne sont pas stables, p. ex. avec des infrastructures de réseau au maillage faible, des coupures de courant de courte durée peuvent apparaître occasionnellement ou fréquemment, entre autres à la suite de commutations dans le réseau. Le problème après de telles coupures avec des alimentations sans tampon, ce sont les durées de démarrage et les initialisations souvent longues du système d'automatisation ou des entraînements concernés. Avec un module tampon capable de surmonter ce type de coupures de courte durée jusqu'à 10 secondes, la disponibilité de l'installation peut déjà être augmentée de manière significative. Le module tampon est alors simplement branché en parallèle du bloc d'alimentation des gammes de produits SITOP smart ou SITOP modular. Les condensateurs électrolytiques fournissent jusqu'à 40 A pouvant également soutenir le bloc d'alimentation en cas de surcharge. Sauvegarde de l'état de l'installation en cas de coupure de courant Pour les applications où une installation doit d'une part être mise à l'arrêt en cas de coupure de courant, mais où le dernier état de l'installation doit aussi être sauvegardé, un maintien plus long de l'alimentation est nécessaire en cas de coupure de courant. Ces exigences sont typiques pour les automatisations basées sur PC avec des visualisations ou des archivages de données d'exploitation. La journalisation de la coupure, l'enregistrement de l'état de l'installation et la mise à l'arrêt correcte du PC exigent un maintien de l'alimentation pour une durée de l'ordre de la minute. Dans un tel scénario, les PC industriels puissants requièrent l'accumulation de réserves relativement élevées, en particulier lorsqu'un grand Panel doit continuer à fonctionner pendant la mise à l'arrêt. Des capacités d'accumulation élevées sont également requises pour les servomoteurs devant être amenés dans une position finale ou bien pour les processus dans lesquels des parties de l'installation doivent être alimentées jusqu'au rétablissement de l'alimentation secteur. C'est le cas par exemple lors de l'acquisition de données de mesure ou du maintien d'une voie de communication. Dans ces situations, il faut des alimentations sans interruption (ASI). Les blocs d'alimentation SITOP avec tension de sortie de 24 V peuvent être complétés pour devenir de réelles ASI. Selon les exigences mentionnées, deux concepts d'ASI différents, qui se distinguent surtout par le type d'accumulateur d'énergie, sont disponibles. L'un est basé sur des accumulateurs au plomb, tandis que l'autre fait appel à des condensateurs à double couche. Tous les modules DC-UPS ont la même fonctionnalité de base avec de nombreuses surveillances et des contacts de signalisation, et sont disponibles avec une interface USB. Le modèle SITOP UPS1600 basé sur batterie est en outre également disponible avec une interface Industrial Ethernet/PROFINET. Des outils logiciels gratuits assurent une intégration simple dans les solutions d'automatisation basées sur PC. Le traitement ultérieur des messages d'état, la mise à l'arrêt en toute sécurité et le redémarrage correct du système sont pris en charge. Le modèle UPS1600 avec interface IE/PN peut aussi être configuré avec TIA Portal ou être intégré à TIA (Totally Integrated Automation) avec STEP 7 et WinCC. L'accumulateur d'énergie fait la différence La question de savoir si le concept avec condensateur ou avec batterie est le bon pour une application donnée dépend des exigences applicables. Si un maintien de longue durée est nécessaire, c'est l'ASI avec accumulateurs au plomb qui conviendra le mieux. En effet, en fonction du courant requis, ces derniers peuvent fournir de l'énergie pour une durée de l'ordre de l'heure. Les modules d'accumulateur pour l'UPS1600 sont disponibles avec des capacités de 1,2 Ah à 12 Ah. Des couplages en parallèle permettent d'obtenir la capacité requise de manière flexible. Un module d'accumulateur UPS1100 comporte une unité électronique pour les paramètres spécifiques et pour l'acquisition des données de service actuelles lues par le module d'ASI UPS1600 par l'intermédiaire d'un câble à 2 fils (Energy Storage Link). Les modules d'ASI existent avec un courant nominal de sortie de 10 A, 20 A et 40 A et disposent en outre d'une grande capacité de surcharge, fournissant 3x le courant nominal pour 30 ms et 1,5x le courant nominal pour 5 s par minute. Dans de nombreux cas, quelques minutes suffisent pour mettre l'installation dans un état sûr et minimiser les effets d'une coupure de courant. Pour ces exigences de temps, le modèle SITOP UPS500, basé sur des condensateurs à double couche également nommés ultracaps, supercaps ou supercondensateurs en raison de leur forte densité d'énergie, offre de nombreux avantages. L'ASI innovante pour montage dans l'armoire électrique est composée d'un appareil de base avec accumulateur d'énergie de 2,5 ou 5 kW et fournit un courant de sortie pouvant atteindre 15 A. Des modules d'extension de 5 kW chacun permettent une extension jusqu'à 20 kW. Des variantes avec l'indice de protection IP65 pour une utilisation en dehors de l'armoire électrique fournissent un courant de sortie de 7 A et sont disponibles avec des accumulateurs d'énergie de 5 ou 10 kW. Le type d'accumulateur d'énergie est déterminant non seulement pour la durée de maintien, mais aussi pour les possibilités d'utilisation des deux systèmes d'ASI SITOP. La capacité disponible des accumulateurs au plomb dépend fortement de la température Les batteries au plomb sont très sensibles à la température, car les processus de charge et décharge d'une batterie sont effectués par réaction électrochimique. L'électrolyte (acide sulfurique) utilisé pour cela et les plaques polaires (plomb et oxyde de plomb) déterminent le vieillissement, qui dépend fortement de la température. Une température supérieure de 10 K réduit la durée de vie de moitié. Par exemple, avec une température ambiante de 40 °C, la durée de vie n'est plus que de 1/4 par rapport à celle avec la température nominale de service de 20 °C. Un accumulateur au plomb ayant une durée de vie de 4 ans dans les conditions nominales doit donc être remplacé au bout d'un an seulement à 40 °C. Une solution alternative aux batteries au plomb conventionnelles est l'utilisation d'accumulateurs spéciaux avec une meilleure résistance à la chaleur, qui sont toutefois aussi plus coûteux. Par exemple, SITOP offre un accumulateur haute température sur base de plomb pur pouvant être utilisé à des températures de -40 à +60 °C. compensé par le deuxième changement de batterie d'une ASI conventionnelle. Une économie supplémentaire est possible en cas de montage dans une armoire : contrairement aux batteries au plomb, les condensateurs n'émettent pas d'hydrogène et la ventilation de l'armoire électrique n'est donc plus nécessaire. L'accumulateur d'énergie innovant offre un avantage supplémentaire grâce à la durée de chargement courte de quelques minutes (voir le Tableau 2 "Temps de maintien et temps de charge SITOP UPS500"). Ainsi, la capacité de maintien est à nouveau assurée rapidement après une coupure de courant, ce qui permet également une grande disponibilité. Comment un système DC-UPS est-il dimensionné ? Les critères de dimensionnement de l'ASI sont le temps de maintien, le courant de charge, le courant de pointe et la température ambiante. L'exemple suivant montre le dimensionnement d'une DC-UPS destinée à protéger une application d'automatisation avec un PC industriel 24 V des coupures de courant. Il s'agit de maintenir l'alimentation d'un Panel PC devant enregistrer les données et se mettre à l'arrêt correctement en cas de coupure de courant. En outre, la DC-UPS doit maintenir l'alimentation des capteurs avec 24 V afin de conserver/enregistrer les valeurs de mesure. Pour soulager la DC-UPS, les actionneurs ne font pas l'objet d'un maintien et sont raccordés directement à la sortie 24 V du bloc d'alimentation. Tableau 1 : Durée de vie et plage de température ambiante des blocs-batteries SITOP UPS1100 Fonctionnement des supercondensateurs et avantages Aucune réaction chimique n'a lieu dans les condensateurs à double couche. Ils accumulent la charge dans une double couche électrochimique (couche de Helmholtz) où les ions positifs et négatifs de l'électrolyte traversent le champ électrique pour aller vers l'électrode correspondante. Ils résistent donc mieux au vieillissement que les accumulateurs au plomb, aussi bien du point de vue des cycles de chargement que de la température. Pour le modèle SITOP UPS500, même après 8 ans de service à une température ambiante de 50 °C, les supercondensateurs ne perdent que 20 % de leur capacité environ. De ce fait, l'ASI ne requiert aucune maintenance et il n'est pas nécessaire de remplacer l'accumulateur d'énergie. Rien qu'à une température ambiante de 40 °C, l'ASI à condensateurs est amortie au cours de la 2ème année de service. En effet, le prix d'achat initial quelque peu plus élevé est Figure 2 : Exemple d'application pour le dimensionnement d'une alimentation sans interruption 24 V Conditions d'application : Durée nécessaire pour l'enregistrement et l'arrêt du système : 55 s, température ambiante : 40 °C Les actionneurs ne font pas l'objet d'un maintien de l'alimentation. 1) Calcul du courant requis et sélection de l'alimentation électrique a) Calcul du courant de charge max. requis : dérivation 24 V avec maintien : 2,7 A (PC 477D) + 1 A (capteurs) + 2 A (courant de charge UPS500S, réglable sur 1 ou 2 A) = 5,7 A dérivation 24 V sans maintien : 3 A (actionneurs) Courant de charge total requis : 5,7 A + 3 A = 8,7 A b) Calcul du courant de pointe requis : dérivation 24 V avec maintien : 6,5 A (PC 477D pour 25 ms) + 2 A (capteurs) + 2 A (courant de charge) = 10,5 A dérivation 24 V sans maintien : actionneurs : 4 A (moment de démarrage) Courant de pointe total requis : 10,5 A + 4 A = 14,5 A c) Sélection de l'alimentation électrique pour 8,7 A en courant de charge et 14,5 A en courant de pointe requis => SITOP smart 10 A (max. 15 A pour 5 s) 2) Calcul du courant de sortie de l'ASI, de l'accumulateur d'énergie et sélection de la DC-UPS a) Courant de sortie de l'ASI pour le courant de pointe requis : 6,5 A (PC 477D pour 25 ms) + 2 A (capteurs) = 8,5 A b) Courant de sortie de l'ASI en mode tampon : 2,7 A (PC 477D) + 1 A (capteurs) = 3,7 A c) Besoin énergétique + 25 % en raison de la perte de capacité de 20 % après env. 8 ans : 3,7 A x 24 V x 55 s x 1,25 = 6105 W Contrôle dans le tableau "Temps de maintien et temps de charge" pour UPS500 : Temps de maintien avec un courant de charge de 4 A et 7,5 kW : 61 s = ok ! d) Sélection de la DC-UPS pour un courant de sortie de pointe de 8,5 A et 6,105 kW => SITOP UPS500S 15A/ 2,5 kW et module d'extension SITOP UPS501S 5 kW (au total 15 A/ 7,5 kW) SITOP Selection Tool – une aide à la sélection confortable pour les alimentations et les DC-UPS La sélection avec l'outil SITOP Selection Tool offre plus de confort et plus de détails que l'analyse manuelle, surtout en cas d'analyse complexe d'une DC-UPS avec batteries. Cette aide à la sélection propose, en quelques clics de souris, les solutions DC-UPS possibles avec condensateurs ou batteries, selon les exigences. Outre les critères du courant de charge, du courant de pointe et du temps de maintien, il est aussi possible d'indiquer la température ambiante et la tension minimale de maintien. La tension minimale de maintien est la tension d'entrée la plus faible au niveau du récepteur pour laquelle son fonctionnement est encore assuré. Elle a une influence sur le dimensionnement d'une DC-UPS avec batterie. En effet, si la tension de batterie peut diminuer plus fortement, un temps de maintien plus long est possible, à capacité d'accumulateur égale. La température ambiante joue un rôle décisif pour la durée de vie des batteries, comme indiqué précédemment à la page 3. Grâce aux critères supplémentaires, l'outil SITOP Selection Tool prend encore mieux en compte les conditions réelles pour la détermination exacte de la capacité des accumulateurs, qui serait très complexe manuellement. Le choix de l'alimentation adéquate dans la large gamme Sitop est tout aussi facile. L'outil rassemble également toutes les données CAD, les macros pour schémas électriques et les documentations requises pour une configuration rapide, en adéquation avec l'alimentation choisie et la DC-UPS. www.siemens.com/sitop-selection-tool Figure 3 : Après la saisie d'un certain nombre de critères, l'outil SITOP Selection Tool propose une sélection de configurations DC-UPS adaptées. Tableau 2 : Contrôle dans le tableau du temps de maintien et temps de charge SITOP UPS500 Intégration de la DC-UPS dans l'installation Le système d'automatisation doit être informé de l'état de la DC-UPS afin de pouvoir réagir de manière adaptée à la situation. La communication peut être réalisée par des sorties TOR ou des interfaces USB ou Ethernet/PROFINET. DC-UPS Communication Automate SITOP UPS500 (avec ultracaps) Sorties TOR API - USB PC Outil DC-UPS Sorties TOR API - USB PC SITOP UPS Manager SITOP UPS1600 (avec blocsbatteries) Industrial Ethernet/ Profinet PC API Outil d'ingénierie STEP 7, TIA Portal Tableau 3 : Pour chaque DC-UPS avec interface et chaque type d'automate faisant l'objet du maintien, il existe un outil d'ingénierie gratuit permettant de paramétrer facilement la DC-UPS et de visualiser l'état de fonctionnement. Sorties TOR Les messages d'état les plus importants sont signalés via les contacts de signalisation et affichés par des DEL sur tous les modules DC-UPS de SITOP. Les signaux sont analysés via les entrées TOR de l'automate. Comme les signalisations et les affectations de bornes sont identiques sur les modules DC-UPS SITOP UPS500S et SITOP UPS1600 (voir au tableau 4), l'ingénierie et le câblage des deux systèmes d'ASI sont presque pareils. Figure 4 : Maintien d'alimentation pour applications d'automatisation simples avec signalisation d'état via les sorties TOR. Les réglages de l'ASI sont effectués sur la face avant de l'appareil. Des commutateurs DIP ou commutateurs rotatifs permettent de régler, entre autres, le seuil d'application de la tension, le temps de maintien et le courant de charge. Avec les blocs-batteries codés UPS1100, le courant de charge est défini en fonction de la température via le câble à 2 fils "Energy Storage Link" et ne doit donc pas être réglé. Interfaces pour les systèmes basés sur PC ou sur API Les modules DC-UPS SITOP disposent, en option, d'une interface USB ou de 2 interfaces Ethernet pour la communication avec les PC ou les API. Des outils d'ingénierie gratuits sont disponibles pour l'intégration de la DC-UPS dans l'installation, conformément au tableau 3. SITOP UPS500 avec interface USB pour PC Tableau 4 : Les sorties TOR de tous les modules DC-UPS de SITOP sont les mêmes et correspondent à l'affectation de bornes indiquée ici. L'utilisation des contacts à relais est judicieuse pour les applications d'automatisation simples sans mise en réseau, p. ex. le balisage d'obstacles, les ouvrages hydroélectriques ou les centrales combinées chaleur et électricité. L'UPS1600 dispose de la fonction "Start from Battery" spécialement pour ces applications en îlot. Lors du démarrage d'une installation sans tension de secteur, les récepteurs 24 V sont alimentés par la batterie. Les modules d'ASI avec interface USB sont prédestinés pour les applications avec un ordinateur d'automatisation sans autre mise en réseau. L'UPS500 réagit aux mêmes messages d'état via l'interface USB que via les contacts (voir le tableau 4). L'outil DC-UPS sert à paramétrer l'UPS500 en toute simplicité et permet ainsi de lancer des applications lors d'événements particuliers, p. ex. un programme d'urgence en cas de coupure de courant ou lors du mode tampon. L'état de fonctionnement de la DC-UPS est visualisé par l'outil DC-UPS dans une fenêtre. Il est également possible de traiter ultérieurement les informations via le serveur OPC intégré. temps de maintien résiduel et l'état de la charge de batterie. Une réaction temporellement plus précise est donc possible en cas d'état critique. Le paramétrage est réalisé confortablement avec SITOP UPS Manager. Ce dernier offre des visualisations supplémentaires par rapport à l'outil DC-UPS (pour UPS500 et les DC-UPS précédentes 6EP1931…) : • • • Figure 5 : Maintien d'alimentation pour un ordinateur d'automatisation 24 V avec communication via USB Surveillance des alarmes présentes et historique des alarmes Caractéristiques d'exploitation : données et paramètres de l'appareil Courbes de tendance en fonction du temps : courant de charge, tension d'entrée, temps de maintien résiduel, température de la batterie, charge de la batterie, courant de charge de batterie La fonction "Reset after Buffering" peut être utilisée aussi bien avec les variantes USB qu'avec les variantes Industrial Ethernet. Sans cette fonction, l'ordinateur reste à l'arrêt si le secteur et donc les 24 V sont rétablis pendant la mise à l'arrêt. Avec cette fonction, l'alimentation 24 V est interrompue pendant 5 secondes après la mise à l'arrêt (interface hors tension), ce qui entraîne un redémarrage automatique de l'ordinateur. Un inconvénient général de la communication par USB est la limitation à une longueur de câble d'environ 5 m si aucune mesure supplémentaire d'amplification du signal n'est prise. SITOP UPS1600 avec interface USB ou Industrial Ethernet pour PC Si l'UPS1600 assure le maintien d'automates basés sur PC, la communication peut être réalisée via USB ou Industrial Ethernet (IE). La communication via les 2 ports IE présente l'avantage important de permettre l'intégration simple de l'ASI dans des infrastructures LAN diverses et la mise à l'arrêt de plusieurs PC selon le principe maître-esclave en cas de coupure de courant. Figure 7 : Les différentes courbes de tendance de SITOP UPS Manager permettent un diagnostic complet de l'état du réseau et de la DC-UPS. Avec le serveur Web intégré, la visualisation de l'état de fonctionnement et des paramètres est également possible à distance. L'état de l'appareil et la connexion au réseau peuvent également faire l'objet d'une surveillance facile dans le logiciel de gestion de réseau SINEMA Server. SITOP UPS1600 avec PROFINET pour automate Lors du maintien d'automates SIMATIC, la liaison PROFINET et TIA Portal offrent des possibilités optimales d'intégration simple et complète du système. Des blocs fonctionnels pour SIMATIC S7-300, 400, 1200 et 1500 permettent de traiter toutes les données de service disponibles de l'UPS1600 et donc de réagir à n'importe quel état de la DCUPS. L'état de la DC-UPS peut être analysé de manière détaillée notamment lors de l'utilisation des blocs-batteries codés UPS1100. Il est possible de brancher jusqu'à 6 blocsbatteries UPS1100 en parallèle et de les analyser individuellement. Figure 6 : Maintien de plusieurs PC 24 V. La communication avec Industrial Ethernet permet des diagnostics complets et la mise à l'arrêt ciblée dans le module maître-esclave en cas de coupure de courant. Les événements pouvant déclencher une réaction sont identiques pour l'UPS1600 avec interface USB et avec interface Industrial Ethernet. Contrairement aux signalisations par les contacts, il est alors possible d'analyser également le Voici une sélection des données de l'ASI pouvant être analysées : • Tension et courant d'entrée • Tension et courant de sortie • Tension et courant de charge • Température de l'UPS1600 et des blocs-batteries UPS1100 • Capacité de la batterie (de manière groupée ou distincte) • Temps de maintien résiduel • Nombre de blocs-batteries • Recommandation pour le remplacement de batterie En outre, tous les paramètres de l'appareil peuvent être lus, p. ex. la tension de fin de charge, la capacité nominale, la plage de température admissible, le numéro d'article, le numéro de série et le numéro de version. SITOP UPS avec PROFINET pour systèmes de conduite Une bibliothèque UPS1600 gratuite comportant des blocs logiciels et des blocs d'affichage est également disponible pour le système de conduite de processus SIMATIC PCS 7. L'information automatique sur les messages d'état de fonctionnement comme une coupure de courant (mode tampon) ou les requêtes de maintenance, p. ex. le remplacement de batterie préventif, assurent une disponibilité de l'installation encore plus élevée pour l'automatisation de processus. Figure 8 : Maintien pour une solution d'automatisation avec API dans un réseau PROFINET. Il est même possible d'amener plusieurs automates dans un état défini, indépendamment les uns des autres. Des blocs d'affichage prêts à l'emploi permettent de visualiser simplement l'état de fonctionnement de la DC-UPS. Les blocs d'affichage pour SIMATIC Panels et WinCC facilitent le diagnostic dans le domaine de l'automatisation de production. Figure 10 : Les blocs d'affichage pour SIMATIC PCS 7 permettent un diagnostic et une maintenance simples des DC-UPS dans l'industrie des processus Téléchargement : Bibliothèque SITOP UPS1600 pour l'intégration dans SIMATIC PCS 7 V8.0 + SP2 et SIMATIC PCS 7 V8.1 Figure 9 : Les blocs d'affichage pour WinCC facilitent la visualisation pour des diagnostics complets avec courbes de tendance et messages d'alarme Téléchargement : SITOP UPS1600 : Blocs d'affichage et blocs de communication STEP 7 Siemens AG Process Industries and Drives Postfach 48 48 D-90026 NÜRNBERG ALLEMAGNE www.siemens.com/sitop © Siemens AG 2015 Les informations de cette brochure contiennent seulement des descriptions ou des caractéristiques générales qui, dans des cas d'utilisation concrets, ne sont pas toujours applicables dans la forme décrite ou qui, en raison d'un développement ultérieur des produits, sont susceptibles d'être modifiées. Les caractéristiques particulières souhaitées ne sont obligatoires que si elles sont expressément stipulées en conclusion du contrat. Toutes les désignations de produits peuvent être des marques ou des noms de produits de Siemens AG ou de sociétés tierces agissant en qualité de fournisseurs, dont l'utilisation par des tiers à leurs propres fins peut enfreindre les droits de leurs propriétaires respectifs. ">
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