補助電源の冗長コンセプト

補助電源の冗長コンセプト

安全性の確保

主電源から負荷を常時監視します。

特長

  • 主電源からあらゆる負荷への常時冗長補助電源
  • 入力電圧、出力電流、デカップリングセクションの常時監視による冗長モニタリング
  • LEDと警報出力で明確なメッセージ
  • 一定の電圧レベルで負荷の寿命が長い
  • 負荷の均一分散で電源ユニットとDC/DCコンバータの寿命が長い

アプリケーション

多くのプロセスエンジニアリングでは可用性が極めて重要です。短時間でもシステム部品や個別コンポーネントが停止すると長時間のシャットダウンやプロセスの再開につながり、製造停止が長引いてコストがかかってしまいます。

このことから、多くの場合冗長システムは単一障害点(SPF)を回避するのに効果的な手段となります。あらゆる場所で必要とされる補助電源も同様で、多くの現場でDC 24 Vで使用されます。24 V電源で冗長を実現するには、2つの補助電源ネットワークを並列で切り換え、冗長モジュールで互いに切り離します。電源出力はヒューズ分配器からそれぞれの負荷に接続されます。

プロセス産業の共通負荷にはDCSシステム(分散制御システム)、リモートI/Oステーション、通電中のマーシャリング配電盤があり、多くの場合、相互に切り離された2つのパワー端子台から給電されています。また、信号変換器、リレー、4線式トランスミッタなどの負荷も多数ありますが、電源入力は1か所だけです。

このとき次のような疑問が生じます。

  • 2種類の負荷に電源を供給して高い可用性を実現するには補助電源をどのように接続すればいいのか。
  • 並列で切り換える電源ユニットを2台使用するだけで十分なのか。
  • 冗長性はどのようにモニタリングするのか。

ソリューション

QUINT ORINGの冗長モニタリング  

冗長モニタリングで可用性が向上

フエニックス・コンタクトは実現したい冗長コンセプトに最適なソリューションを提供します。

冗長電源ネットワーク
冗長補助電源を考えるとき最初に答えるべき質問は、定電源ネットワークに障害が発生した場合に制御テクノロジに障害が発生しないだろうかということです。

答えがNOであれば2種類のネットワークから補助電源ネットワークに給電します。独立給電による2つの低電圧システムや1つの低電圧システムのどちらか、そしてバッテリシステムなどから給電します。

冗長電源ユニット

こうして新しくなった2つの独立ネットワークを適切に分散し、正しい場所で組み合わせる必要があります。

低電圧ネットワークは交換機室で最新のスイッチモード電源ユニットを使って補助電源ネットワークのレベルまで変換します。バッテリユニットの場合、長いケーブル経路での負荷変動で機能が低下し負荷の寿命が短くなる可能性があります。
このため負荷を分散して接続する前にDC/DCコンバータでバッテリユニットの電圧を必要な電圧レベルで安定させておく必要があります。

冗長電源の例  

冗長化モジュールの手前で2つの低電圧ネットワークから給電(左の図)
冗長化モジュールの手前で低電圧ネットワークとバッテリネットワークから給電(右の図)

電流強度と電源ユニットおよびDC/DCコンバータの位置(そして負荷までの距離)は適切な電圧レベルと接続電線断面積を選ぶときの重要なポイントです。

バッテリユニットと同様、最終補助電源への変換を一括して行うほど負荷までのケーブル経路が長くなり電圧降下のリスクが大きくなります。負荷に必要なDC 24 Vを実現するために多くの場合DC 28 Vが印加されます。多くの場合、このときの電圧降下を最小限にするために太い径の電線を選択します。

冗長補助電源の2つの経路を並列で切り換えるには、適切なダイオードで切り離して補償電流を回避する必要があります。

QUINT ORINGダイオードジュール  

冗長モジュールからOKを送信

こうすればシステムのライフサイクル全体を通してすべての負荷の合計負荷電流が各電源ユニットの最大電流を超えない場合にだけ冗長が有効になります。これは経路に障害が発生した場合もう1台の電源で完全にカバーできる唯一の方法です。

電流が大きくなりすぎた場合、インテリジェントダイオードモジュール(例:QUINT ORING)が合計電流や出力アラームのモニタリング機能を引き受けます。拡張が促進され段階的なエラーが識別できます(予知保全)。さらに、このインテリジェントモジュールでACB(アクティブ電流バランシング)の両方のネットワーク経路の負荷が均一になり、電源ユニットやDC/DCコンバータの寿命が最大化されます。

出力電圧側のデバイス変動が大きすぎると早めに報告されます。通常ヒューズ分配器はダイオードの後に接続します。ここから先は電源が冗長化されず、一方の負荷に2つのヒューズ経由で冗長パワー端子台が接続されていても同様です。この場合もネットワークやヒューズ分配器で発生するエラーはシステム障害をもたらす可能性があります。

補助電源の完全冗長化

デカップリングモジュール経由の負荷接続  

デカップリングモジュール経由の負荷接続

最適な冗長コンセプトでは常に2つの独立ネットワークを構成しており、2台の電源ユニット(またはDC/DCコンバータ)から2台のインテリジェント冗長モジュールにカスケード接続されています。これが実際にすべての負荷に給電する唯一の方法で、個別補助電源ネットワークに均一の負荷をかけて冗長性を監視します。

それぞれの負荷から2本の電源ケーブルが出ており、1本は最初の分配器から、もう1本は2番目の分配器から出ています。このように、タイプ1の負荷から冗長パワー端子台に直接接続することもタイプ2の負荷の手前で直接接続することもでき、2つの補助電源経路を組み合わせて他の冗長化モジュールで電源にすることができます。

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