Jede speicherprogrammierbare Steuerung ist darauf ausgelegt, ein kurzes Flackern des Netzes zu überstehen. IEC 61131-2 legt die Geräteanforderungen und Prüfungen für speicherprogrammierbare Steuerungen fest, einschließlich einer kurzen internen Überbrückung, die die CPU einen unterzyklischen Ausfall ohne Reset durchstehen lässt. Diese eingebaute Reserve wird in Millisekunden gemessen; sie reicht nicht, um ein kontrolliertes Stoppen abzuschließen, einen Datenlogger zu schreiben oder einen SCADA-Master zu warnen, dass die Leitung ausgefallen ist. Ein kleines Nickel-Metallhydrid-Backup-Modul an der 24-V-Steuerungsspannung ist es, das diese Millisekunden in die für ein geordnetes Herunterfahren nötigen Sekunden verwandelt.
IEC 61131-2 definiert die Betriebs- und Störfestigkeitsanforderungen für speicherprogrammierbare Steuerungen, einschließlich des Gleichstromanschlusses. Eine 24-V-DC-Steuerung ist spezifiziert, über einen breiten Spannungsbereich zu arbeiten —üblicherweise etwa 19,2 bis 28,8 V— und kurze Versorgungsunterbrechungen zu tolerieren. Referenzdesigns nennen eine Überbrückungszeit in der Größenordnung von zehn Millisekunden bei Volllast, und die Unterbrechungsklassen der Norm unterscheiden sehr kurze Einbrüche (zum Beispiel eine PS2-Klasse, die eine Unterbrechung unter 10 ms mit mehr als einer Sekunde zwischen den Ereignissen durchsteht) von längeren Ausfällen.
Echte Steuerungen entsprechen dem: Eine Mitsubishi MELSEC iQ-F-Einheit dokumentiert beispielsweise den weiteren Betrieb während eines kurzzeitigen Spannungsausfalls von 5 ms oder weniger, und industrielle Stromversorgungen und Motorsteuerungen beschreiben ein „fehlerfreies Durchreiten“ um 10 ms. Jenseits dieses Fensters ist der interne Lade-/Pufferkondensator erschöpft und die Spannung bricht zusammen.
Die erste animierte Figur erweitert die kritische erste Sekunde nach Netzausfall. Bei t0 verschwindet der AC-Eingang; der Pufferkondensator der Stromversorgung hält die 24-V-Spannung für ihre interne Überbrückung —die wenigen Millisekunden, die die SPS allein bewältigt. Ohne zusätzlichen Speicher sinkt die Spannung dann durch die Unterspannungsschwelle der Steuerung und die CPU setzt unsauber zurück, wobei Scan-Zustand und noch nicht gesicherte Daten verloren gehen.
Mit einem NiMH-Backup-Modul erkennt eine Spannungsüberwachungsschaltung den Einbruch, solange der interne Kondensator noch hält, schaltet das Nickel-Paket über eine Sperrpfad- und DC-DC-Stufe zu und hält die 24-V-Spannung sekundenlang am Leben. In diesem Fenster beendet die SPS ihren aktuellen Scan, schreibt remanente Register und das Datenprotokoll in nichtflüchtigen Speicher, führt eine definierte Stoppsequenz aus und sendet ein Letztatem-Telegramm über den Feldbus.
Drei unterschiedliche Bedürfnisse werden oft vermischt. Die Durchreite-Überbrückung ist das untersekündliche Überstehen eines kurzen Einbruchs, der keine Softwareaktion erfordert —die Aufgabe des Kondensators. Ein geordnetes Herunterfahren benötigt Sekunden geregelter Energie, um Zustand zu sichern und Aktoren sicher zu parken —die Aufgabe des NiMH-Moduls. Ein Überbrückungszeitraum benötigt Minuten Energie, um während des Wechsels zu einem Generator oder einer USV weiterzulaufen —die Aufgabe einer größeren Batterie. Sie zu verwechseln führt entweder zu einem Nur-Kondensator-Design, das bei einem 100-ms-Ausfall zurücksetzt, oder zu einer überdimensionierten, teuren Batterie, wo ein kleines Modul genügte.
Die zweite Figur vergleicht die Zeitbereiche: Der interne Elektrolytkondensator deckt Millisekunden ab, eine Superkondensatorbank deckt bequem Sekunden hoher Leistung, aber mit wenig Energie, und ein NiMH-Modul deckt Dutzende Sekunden bis Minuten beim bescheidenen Strom einer CPU, ihrer E/A und eines Kommunikationsmoduls ab —der ideale Punkt für ein sauberes Herunterfahren und Letztatem-Meldungen.
Datenerfassungs- und Fernwirkanwendungen fügen ein Kommunikationserfordernis hinzu. Bei Netzausfall sollte ein RTU- oder DAQ-Gateway das Ereignis mit Zeitstempel versehen, die letzte gültige Messung speichern und eine Stromausfallmeldung senden, damit der SCADA-Master einen echten Ausfall von einem unterbrochenen Funklink unterscheidet. AMI-Zählernetze verwenden dieselbe Idee unter dem Namen „Letztatem“, und die benötigte Energie ist der Sendeimpulsstrom multipliziert mit der Zeit zum Anmelden und Senden —typischerweise einige hundert Millisekunden bei einigen hundert Milliampere, für Wiederholungen erneut.
Ein NiMH-Modul liefert diesen Impuls mit Reserve für Wiederholungen, und anders als ein Superkondensator trägt es die Steuerung auch durch ein lang genug Fenster, um Kontext zu protokollieren, Dateien zu schließen und Ausgänge in einen sicheren Zustand zu versetzen.
Die 24-V-Steuerungsspannung ist der natürliche Anschlusspunkt: Eine Kette von zwanzig NiMH-Zellen liegt nahe der Spannung, wird während des Normalbetriebs aus ihr geladen und durch einen kleinen DC-DC-Wandler gepuffert. Verschlossenes NiMH bietet eine flache Plattform, niedrigen Innenwiderstand für den Sendeimpuls, eine wässrige Chemie ohne Thermal-Runaway-Risiko in einem geschlossenen Schrank und weitaus bessere Energie pro Volumen als ein Superkondensator, wenn die Anforderung Sekunden-bis-Minuten statt Millisekunden lautet.
Bei kontrollierter Erhaltungs- oder Nachladung gehalten und nur bei echten Ausfällen entladen, sieht das Modul einen leichten Dienst —lange Bereitschaft mit seltenen, flachen Ereignissen— wo geringe Selbstentladung und Kalenderstabilität gegenüber der reinen Zyklenzahl dominieren.
Das Design beginnt daher mit vier Messungen: dem 24-V-Strom der CPU, E/A und Kommunikationsmodule; der Zeit, die die Anwendung zum Sichern des Zustands und Senden des Letztatems benötigt; dem Feldbus-Sendeimpulsstrom und der Wiederholungszahl; sowie dem Schranktemperaturbereich. Papier B macht daraus eine Chemie- und Ah-Berechnung; Papier C bildet das Modul auf die Typprüfungen IEC 61131-2 und IEC 61000-4-11 sowie die Zellsicherheitsnachweise ab.
Weijiang Power fertigt verschlossene Nickel-Metallhydrid-Zellen und kompakte 24-V-Backup-Module, die die SPS- und Datenerfassungsüberbrückung von Millisekunden zu einem geordneten Herunterfahren verlängern. Senden Sie uns Ihren Steuerungsspannungsstrom, die benötigte Überbrückungs- oder Letztatemzeit, das Feldbusprotokoll und die Schranktemperatur, und unsere Ingenieure entwerfen ein geschweißtes NiMH-Modul mit Lademanagement, Sperrung und Schutz, abgestimmt auf die 24-V-Spannung. Modulformate finden Sie auf der Produktseite.
