Eksploatacja układów zasilających elektroniczne systemy bezpieczeństwa (cz. 1)

Wprowadzenie

Każde urządzenie elektroniczne wymaga źródeł zasilania. Systemy elektroniczne, wobec których nie stawia się wygórowanych wymagań dotyczących zwłaszcza pewności działania (także niektóre elektroniczne systemy bezpieczeństwa) mogą posiadać system zasilania o ograniczonych parametrach. Może to być np. zewnętrzny system zasilający (bez źródeł rezerwowych). Elektroniczne systemy bezpieczeństwa wyższych stopni (od 1 do 4) wymagają rozbudowanych źródeł zasilania. Są to najczęściej źródła dualne, a więc podstawowe PPS (~230 V) i rezerwowe (=12 V lub =24 V) źródło zasilania. Istnieją również rozwiązania zasilane napięciem ~24 V. Wróćmy jednak do genezy zasilaczy. Urządzenie, którego zadaniem jest zamiana energii prądu zmiennego (w tym przemiennego) na prąd stały, nazywane jest zasilaczem napięcia stałego. Warto zastanowić się nad podstawowymi funkcjami, jakie realizuje zasilacz. Są to: transformacja napięcia zmiennego (w tym przemiennego) do odpowiedniej wartości, prostowanie (za pomocą różnych układów prostowniczych), filtracja (typy zależne od potrzeb) oraz stabilizacja (począwszy od układów parametrycznych po rozbudowane układy z nadzorem mikroprocesorowym). Trzeba nadmienić, że nawet najbardziej złożony system alarmowy pozbawiony dobrego zasilacza nie może spełnić swojego zadania. Dodatkowym problemem, z którym muszą radzić sobie zasilacze, są zakłócenia radioelektryczne, które przenikają do elektronicznych systemów bezpieczeństwa różnymi drogami, również poprzez układy zasilające. Jest to bardzo poważne wyzwanie zarówno dla konstruktorów bloków zasilaczy, jak i dla projektantów i wykonawców elektronicznych systemów zabezpieczeń. Przyczyną występowania zakłóceń są naturalne zjawiska zachodzące w przyrodzie oraz efekty zamierzonej i niepożądanej działalności człowieka. Źródła zakłóceń radioelektrycznych są wszechobecne. Występują we wszystkich bez wyjątku środowiskach i obiektach. Ich charakter i intensywność zależy od wielu czynników. Na łamach Zabezpieczeń (5/2007 i 1/2010) przedstawialiśmy już modele teoretyczne systemów zasilających i poruszaliśmy problematykę zakłóceń elektromagnetycznych, ale warto przypomnieć, że źródła zakłóceń mają zwykle charakter przypadkowy. Będzie o tym mowa w dalszych częściach niniejszego artykułu. Bardzo ważne są również badania niezawodnościowo-eksploatacyjne – nie tylko elektronicznych systemów bezpieczeństwa, ale i urządzeń zasilających te systemy. Te ostatnie mają zwykle szeregowy charakter niezawodnościowy. Aby wprowadzić czytelników w problematykę systemów zasilających elektroniczne systemy bezpieczeństwa, przybliżymy podstawowe zasady działania i parametry tych urządzeń.

W tej części artykułu zostaną przedstawione podstawowe problemy dotyczące budowy zasilaczy zasilających różne typy elektronicznych systemów bezpieczeństwa, a mianowicie:

• systemy sygnalizacji włamania i napadu (przewodowe i bezprzewodowe),
• systemy kontroli dostępu,
• systemy monitoringu wizyjnego,
• systemy sygnalizacji alarmów pożarowych wraz z dźwiękowymi systemami ostrzegania,
• zintegrowane systemy bezpieczeństwa,
• inteligentne budynki,
• inne urządzenia współpracujące z elektronicznymi systemami bezpieczeństwa,
• systemy monitorujące,
• elektroniczne systemy bezpieczeństwa w ruchomych środkach transportowych,
• elektroniczne systemy przywoławcze (dla szpitali) zgodne z VDE-0834.

Istotne normy to: PN-EN 50131-6 oraz PN-EN 54-4:2001/A2. Systemy zasilające muszą być budowane i eksploatowane zgodnie z nimi.

Rys. 1. Schematy blokowe zasilaczy prądu stałego: a) o ciągłym działaniu, b) o pracy impulsowej, c) przebiegi czasowe

1. Podstawowe układy zasilania

W urządzeniach elektronicznych powszechnie wykorzystywane są zasilacze stabilizowane prądu stałego. Najczęściej stosowane są dwie koncepcje rozwiązań układowych – metoda klasyczna (rys. 1a – tranzystor w układzie stabilizacji pracuje w sposób ciągły) oraz metoda impulsowa (rys. 2b – dwustanowa praca tranzystora).

Rys. 2. Przykład układu zasilania typu A systemu alarmowego (układ uproszczony)

W zasilaczach o działaniu ciągłym (rys. 1a) transformator sieciowy (o określonej przekładni) jest użyty do zapewnienia galwanicznej izolacji oraz obniżenia lub podwyższenia napięcia sieci, które następnie jest przekształcane w prostowniku (różne typy) na napięcie stałe pulsujące. Dalej stosowany jest filtr RC lub RLC. Jeśli jest to prosty filtr RC, to pojemność C wraz z rezystancją układu prostownika i rezystancją wejściową obciążenia stanowi filtr, zwykle dostatecznie tłumiący tętnienia napięcia U_WY. Można uzyskać znaczne zmniejszenie tętnień napięcia wyjściowego, jeśli zastosuje się stabilizatory napięcia.

Aby nie komplikować układu, nie uwzględniono filtrów przeciwzakłóceniowych na wejściu. Nie uwzględniono również akumulatorów jako rezerwowych źródeł zasilania pracujących buforowo. Analizując powyższe układy z punktu widzenia eksploatacyjno-niezawodnościowego, łatwo udowodnić szeregowy charakter niezawodnościowy zasilaczy. Tego typu zasilacze są stosowane w elektronicznych systemach bezpieczeństwa.

2. Informacje o źródłach zasilania rezerwowego

Urządzenia zasilające elektroniczne systemy bezpieczeństwa wymagają źródeł rezerwowych w postaci akumulatorów o określonych pojemnościach wynikających z bilansu energetycznego.

Według PN-EN 50131-1:2009 należy stosować:

• akumulatory o pojemnościach zapewniających 12 h pracy w przypadku stopnia zabezpieczenia 1 i 2 dla zasilacza typu A,
• akumulatory o pojemnościach zapewniających 60 h pracy w przypadku stopnia zabezpieczenia 3 i 4 dla zasilacza typu A,
• akumulatory o pojemnościach zapewniających 24 h pracy w przypadku stopnia zabezpieczenia 1 i 2 dla zasilacza typu B,
• akumulatory o pojemnościach zapewniających 120 h pracy w przypadku stopnia zabezpieczenia 3 i 4 dla zasilacza typu B,
• akumulatory o pojemnościach zapewniających 720 h pracy w przypadku stopnia zabezpieczenia 1, 2, 3 i 4 dla zasilacza typu C.

Przedstawione czasy mogą ulec zmniejszeniu, jeśli nastąpi spełnienie któregoś z następujących warunków. Jeśli SSWiN ma stopień zabezpieczenia 3 lub 4, a informacja o stanie zasilacza jest przekazywana do alarmowego centrum odbiorczego, to wymagany czas zapewnienia pracy jest krótszy o połowę. Jeśli SSWiN ma stopień zabezpieczenia 2 lub 3 lub 4 i zastosowano dodatkowy zasilacz podstawowy z funkcją automatycznego przełączania zasilacza podstawowego na dodatkowy zasilacz podstawowy (np. agregat prądotwórczy lub linię energetyczną z oddzielnej stacji transformatorowej), to czas ulega zmniejszeniu do czterech godzin.

Gdy zasilanie sieciowe przyjmie z powrotem normalną wartość, akumulator będący źródłem rezerwowym powinien doładować się do pełnego napięcia w ciągu 72 godzin w przypadku stopni 1 i 2 oraz w ciągu 24 godzin w przypadku stopni 3 i 4.

Rys. 3. Przykład układu zasilania typu B systemu alarmowego (układ uproszczony):
a) przy braku doładowywania zasilacza rezerwowego (akumulatora),
b) z kontrolą i automatycznym doładowywaniem zasilacza rezerwowego (akumulatora).

2.1. Zasilacze i ich typy

Rys. 4. Przykład układu zasilania typu C systemu alarmowego (układ uproszczony)

Według PN-EN 50131 w elektronicznych systemach bezpieczeństwa spotykane są następujące typy zasilaczy:

• typ A: układy zasilaczy (podstawowy i zasilacz rezerwowy), które są kontrolowane i doładowywane przez SSWiN (np. zasilacz podstawowy – zasilanie z sieci prądem przemiennym o napięciu 230 V, zasilacz rezerwowy – akumulator doładowywany przez SSWiN),
• typ B: układ zasilacza podstawowego i zasilacz rezerwowy, które nie są doładowywane przez SSWiN (np. zasilacz podstawowy – zasilanie z sieci prądem przemiennym o napięciu 230 V, zasilacz rezerwowy – akumulator, który nie jest doładowywany),
• typ C: układ zasilacza podstawowego o skończonej pojemności (np. akumulator).

Na rys. 2 przedstawiono układ zasilający typu A. Cechuje się on występowaniem zasilacza podstawowego, który jest wykorzystywany do zasilania SSWiN lub jego części w normalnych warunkach pracy. System alarmowy kontroluje stan akumulatora i, w razie potrzeby, automatycznie go doładowuje.

Na rys. 3 przedstawiono układ zasilający typu B. Jest w nim zasilacz podstawowy, który jest wykorzystywany do zasilania SSWiN lub jego części w normalnych warunkach pracy. W przypadku zaniku zasilania podstawowego (~230 V) następuje automatyczne przełączenie na zasilanie rezerwowe i prąd płynie z akumulatora do systemu alarmowego (rys. 3a). Akumulator nie jest w żaden sposób doładowywany przez system alarmowy. Taka konfiguracja, w której występuje układ kontroli i automatycznego doładowywania akumulatora (rys. 3b), jest możliwa, jednak układ ten nie jest elementem składowym SSWiN.

Na rys. 4 przedstawiono układ zasilania typu C. Jest w nim zasilacz podstawowy o skończonej pojemności (akumulator), który jest wykorzystywany do zasilania SSWiN. Takie rozwiązanie wymaga od projektanta zastosowania odpowiednio obliczonych pojemności akumulatorów, ponieważ w przypadku zmniejszenia napięcia poniżej wymaganego system alarmowy przestaje funkcjonować i spełniać zadania, do których go zaprojektowano.

3. Prosty układ do pomiaru podstawowych parametrów układów zasilających

Rys. 5. Układ do pomiaru podstawowych parametrów układów zasilających

Rys. 5 pokazuje prosty układ do pomiaru podstawowych parametrów układów zasilających stosowanych do zasilania elektronicznych systemów bezpieczeństwa przedstawionych na rys.1. Pokazany na rys. 5 układ pomiarowy umożliwia pomiar podstawowych parametrów z pominięciem źródła rezerwowego:

• 
  przy obciążeniu R₀ = const,
• 
  przy obciążeniu R₀ min ≤ R₀ ≤ R_{0 max},
• 
  przy U_WE = const,
• 
  przy U_WE = const (oscyloskopowy poziom tętnień),
• sprawność zasilacza:
  
  gdzie: P_WY = U_WY×I_WY, a P_WE = U_WE×I_WE,
• 
  gdzie T – temperatura,
• określenie współczynnika stabilizacji
  
  (dla układów, w których występuje stabilizator napięcia lub zasilacz impulsowy ze stabilizacją napięcia),
• badanie ograniczenia prądowego układów zasilających,
• określenie współczynnika gotowości
  
  gdzie: K_G – wskaźnik gotowości, który jest stosunkiem oczekiwanej wartości czasu pracy układu zasilającego Tm do sumy oczekiwanej wartości czasu poprawnej pracy układu zasilającego Tm i czasu naprawy układu zasilającego Tn (także jego wymiany). Współczynnik gotowości K_G to prawdopodobieństwo tego, że w określonej chwili t obiekt będzie znajdował się w stanie gotowości.

Pomiar powyżej przedstawionych parametrów umożliwia określenie w dalszej kolejności wskaźników eksploatacyjno-niezawodnościowych, bardzo ważnych dla prawidłowej pracy całego elektronicznego systemu bezpieczeństwa. Do najważniejszych wskaźników należy zaliczyć tzw. wskaźnik gotowości K_G, którego wartość powinna być bliska jeden w przypadku elektronicznych układów bezpieczeństwa, w tym również układów zasilających (zarówno wewnętrznych, np. zlokalizowanych na płycie głównej centrali, jak i zewnętrznych).

4. Podsumowanie

Przedstawione w niniejszej części artykułu właściwości źródeł zasilania oraz zasady ich eksploatacji (wynikające z bilansu energetycznego) pozwalają na zaprojektowanie SSWiN, który po uruchomieniu będzie funkcjonował niezawodnie, nawet w przypadku zaniku napięcia w zasilaczu podstawowym (wyjątkiem jest układ zasilania typu C). Naturalnie czas pracy elektronicznego systemu bezpieczeństwa będzie wynikał z aktualnej (rzeczywistej w danej chwili) pojemności akumulatora. Aby móc zastosować odpowiednią dla systemu wartość pojemności akumulatora, niezbędne jest dokonanie bilansu energetycznego zasilania rezerwowego. Podczas eksploatacji nie można dopuścić do nadmiernego wyładowania akumulatorów. Wynika to ze strategii eksploatacyjnych. Złamanie tej zasady powoduje ograniczenie możliwości magazynowania energii, a tym samym zmniejszenie pojemności akumulatora. Zwykle następuje również wzrost rezystancji wewnętrznej akumulatora. Warto również pamiętać, że rezerwowe źródła zasilania (akumulatory) pracują w tzw. systemie buforowym. Zazwyczaj są kontrolowane przez samą centralę alarmową. Kontrola polega na okresowym dołączeniu specjalnego obciążenia, a następnie zmierzeniu napięcia (niektóre centrale mają rozbudowaną funkcję diagnostyczną). Wyjątek stanowi układ zewnętrznego systemu zasilającego, w którym najczęściej kontrolowany jest antysabotażowy zestyk obudowy. W trakcie eksploatacji następuje naturalna zmiana (zmniejszenie się) pojemności akumulatora w czasie, a więc i wzrost rezystancji wewnętrznej akumulatora. Jest to zjawisko naturalne, ale niestety niekorzystne. Realny czas eksploatacji źródła rezerwowego (wynikający ze strategii eksploatacyjnych) jest bardzo trudny do oszacowania i zależy od bardzo wielu czynników – sposobu ładowania akumulatora, prądu ładowania, a wreszcie od samej jakości akumulatora. Jest to czas czysto stochastyczny. Akumulator może zostać uszkodzony bardzo szybko, zwłaszcza w przypadkach zbyt dużego natężenia prądu ładowania i(lub) zbyt wysokiego napięcia ładowania. Trwałe uszkodzenie akumulatora może nastąpić również w przypadku znacznego rozładowania, gdy napięcie spadnie poniżej 10,5 V (np. np. gdy obwód ładowania ulegnie awarii i nie zostanie to zauważone na czas). Informacje o awarii jednego ze źródeł zasilania (zasadniczego lub rezerwowego) pojawiają się na wyświetlaczu klawiatury lub na drukarce. Poza charakterystykami układów zasilających (o których była wcześniej mowa) ważny jest również wskaźnik gotowości K_G, który można zdefiniować jako stosunek całkowitego czasu poprawnej pracy układu zasilającego i czasu naprawy, wziętych za jeden i ten sam czas okresu eksploatacji.

K_G dotyczy również elektronicznych systemów bezpieczeństwa. W kolejnej części artykułu przedstawimy kilka najczęściej spotykanych w praktyce układów zasilających (układy 12 V i 24 V). Będą to układy zasilaczy podstawowych (PPS) wraz ze źródłami rezerwowymi (APS) oraz ich istotne charakterystyki. Od ponad roku zajmujemy się badaniami eksploatacyjnymi różnych typów układów zasilających elektroniczne systemy bezpieczeństwa. Wyniki tych badań zostaną przedstawione w kolejnych częściach artykułu. Zostaną również podane sposoby ograniczenia zakłóceń radioelektrycznych destabilizujących pracę elektronicznych systemów bezpieczeństwa. Zakłócenia tego typu przedostają się między innymi poprzez układy zasilające elektroniczne systemy bezpieczeństwa (Zabezpieczenia 1/2010).

doc. dr inż. Waldemar Szulc Wyższa Szkoła Menedżerska w Warszawie
Wydział Informatyki Stosowanej i Technik Bezpieczeństwa

dr inż. Adam Rosiński Wyższa Szkoła Menedżerska w Warszawie
Wydział Informatyki Stosowanej i Technik Bezpieczeństwa
Politechnika Warszawska Wydział Transportu

Zabezpieczenia 3/2011

Bibliografia

1. Szulc W., Rosiński A., Wybrane zagadnienia z miernictwa i elektroniki dla informatyków, wyd. WSM, Warszawa 2008.
2. Szulc W., Rosiński A., Paś J., Zabezpieczenia (5/2007 i 1/2010).
3. Horowitz P., Hill W., Sztuka elektroniki, tom 1, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa 2009.
4. Praca zbiorowa Zakłócenia w Aparaturze Elektronicznej, Wyd. Radioelektronik, Warszawa 2008.
5. Kaźmierowski P., Matysik J., Wprowadzenie do elektroniki i energoelektroniki, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2009.
6. Normy: PN-EN 50131-6:2009, PN-EN 50133-1:2007, PN-EN 54-2:2002, PN-EN 50132-7:2003, PN-EN 60849:2001, VDE-0834 (dla systemów przywoławczych).
7. Instrukcje zasilaczy PULSAR.