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Elektroautomation - Industrieelektronik

Stromversorgungen - Wie lassen sich DC-USV-Systeme realisieren, die rechtzeitig melden, dass die Batteriepacks das Ende ihrer Lebensdauer erreicht haben und im Rahmen einer Wartung ausgetauscht werden sollten? Welche weiteren Aspekte gilt es bei der Auswahl einer unterbrechungsfreien DC-Stromversorgung zu beachten? Ausführliche Antworten auf diese Fragen gibt der vorliegende Fachbeitrag von Bicker Elektronik.

04. Februar 2016

Die sichere und zuverlässige Stromversorgung sensibler und prozessrelevanter Steuerungs- und Kommunikationssysteme ist in der Industrie- und Medizintechnik sowie in Bordnetzen von grundlegender Bedeutung. Starke Schwankungen oder gar Totalausfälle des 24-V-DC-Stromversorgungsnetzes haben oftmals fatale Folgen für kritische Verbraucher, wie Industrie-, Panel- oder Embedded-Box-PCs. Gefährliche Systemabstürze mit Datenverlust und kostspielige Ausfälle gilt es unter allen Umständen zu vermeiden. Der Einsatz von DC-USV-Systemen gewährleistet in solchen Situationen eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV), um laufende Prozesse bei Bedarf kontrolliert zu beenden und Systeme sicher herunterzufahren oder einfach nur, um eine kurze Unterbrechung sicher zu überbrücken.

USV-Systeme beziehen ihre Energie in der Regel aus Batterien. Alternative Energiespeicher, beispielsweise Ultrakondensatoren – sogenannte SuperCaps – kommen ebenfalls zum Einsatz, sind jedoch aktuell nur für kurze Überbrückungszeiten sinnvoll und geeignet. Die wesentlich leistungsfähigeren Batteriepacks sind aus einzelnen Batteriezellen aufgebaut. Es gibt mehrere Kategorien nach Eurobat, in die aufladbare Batteriezellen hinsichtlich ihrer definierten Lebensdauer unter optimalen Erhaltungsladebedingungen eingeteilt werden: »Standard-Commercial« mit drei bis fünf Jahren, »General-Purpose« mit sechs bis neun Jahren, »High-Performance« mit zehn bis zwölf Jahren und »Longlife« mit einer Lebensdauer von zwölf und mehr Jahren. Die Angaben beziehen sich dabei auf eine Umgebungstemperatur von 0 bis 20°C. Insbesondere im industriellen Umfeld treten jedoch wesentlich höhere Temperaturen auf, was zu einer beschleunigten Alterung der Batteriezellen führt.

Untersuchungen haben gezeigt, dass eine Erhöhung der Umgebungstemperatur um zehn Grad Celsius die Lebensdauer der Batteriezellen auf etwa die Hälfte reduziert. Dieser Aspekt wird in der Praxis oftmals unterschätzt und erst im Ernstfall wird deutlich, dass der Batteriepack in einer unter Umständen dezentral oder schwer zugänglichen USV längst das Ende seiner Lebensdauer erreicht hat und somit nicht mehr Retter in der Not sein kann.

Intelligentes Monitoring

Damit ein USV-System jederzeit einsatzbereit ist, muss neben einer kontinuierlichen Überwachung der Batteriekapazität auch die Lifetime der Batteriezellen einem intelligenten Monitoring unterzogen werden. Erreicht der angeschlossene Batteriepack allmählich das Ende seiner Lebendauer, kann rechtzeitig eine entsprechende Meldung an den Systemverantwortlichen gesendet werden, sodass im Rahmen einer Wartung ein Austausch des Batteriepacks stattfindet. Voraussetzung hierfür ist eine aufeinander abgestimmte Hard- und Softwarelösung mit integrierter Kommunikationsschnittstelle, wie sie die DC-USV-Systeme UPSI-2403 oder UPSI-2404 von Bicker Elektronik zur Verfügung stellen. Der Stromversorgungsspezialist liefert die passende USV-Software UPSI-Control-Center gleich kostenlos mit. Beide Systeme verfügen über eine intelligente µC-gesteuerte DC-USV-Elektronik, die auf Basis der jeweiligen Batteriezellen-Parameter und aktueller Betriebsdaten die erwartete Batterie-Lifetime mit Hilfe eines komplexen Algorithmus berechnet. Hierfür werden kontinuierlich und kumulativ Messwerte der USV und des Batteriepacks erfasst und ausgewertet, unter anderem der Grad des Batterie-Ladezustandes (SoC), alle Lade- und Entladezyklen sowie die entsprechenden Temperaturverläufe. Die zu erwartende Batterie-Lifetime und alle weiteren Betriebsdaten können jederzeit über die USB-Schnittstelle ausgelesen und in der UPSI-Control-Center-Software auf Windows-Betriebssystemen angezeigt werden. Dort lassen sich zudem alle Parameter und USV-Einstellungen komfortabel verwalten und aktivieren.

Auslesen von Sensorwerten

Um es Systementwicklern zu ermöglichen, die Steuerung und Abfrage in kundenspezifische Software- und OS-Umgebungen einzubinden, wurde die implementierte BIOS-Software auf der UPSI-2403/2404 mit einer offenen Software-Schnittstelle ausgestattet. Dies erlaubt das Auslesen von Sensorwerten und das Setzen von Parametern über spezielle Befehlssätze. Darüber hinaus arbeiten die Entwickler bei Bicker Elektronik an USV-Varianten mit RJ45-Ethernet-Schnittstelle sowie Softwarelösungen, die als eigenständige Webserver im Netzwerk fungieren. Dies wird die Fernwartung der DC-USV mittels SNMP- oder HTTP-Protokoll unabhängig von dem versorgten Rechnersystem erlauben.

Hardwareseitig verfolgt der Elektronikspezialist mehrere Ansätze, die je nach Anwendungsgebiet zum Einsatz kommen: Die UPSI-2403 im Aluminium-Gehäuse für die DIN-Rail-Montage enthält bereits einen integrierten Batteriepack. Hingegen kann die USV-Platine UPSI-2404 flexibel in nahezu jedes System integriert werden. Es stehen unterschiedliche Batteriepacks, zum Beispiel der BP-1225-B1, zur Verfügung. Bei diesem wartungsfreien Batteriepack setzt Bicker Elektronik Longlife-Batteriezellen vom Typ Cyclon ein. Neben einer Lebensdauer von bis zu 15 Jahren gestatten diese Hochleistungszellen extreme Betriebstemperaturen von -30 bis 70°C, was sie sowohl für den winterlichen Außeneinsatz als auch für Hochtemperaturumgebungen in der Industrie prädestiniert. Daneben eignen sie sich aufgrund ihrer sehr hohen Stoß- und Vibrationsresistenz für den Einsatz im mobilen Bereich, beispielsweise in Zügen, Schiffen und Sonderfahrzeugen.

Ihre besonderen Eigenschaften verdanken die Cyclon-Zellen ihrer speziellen Chemie und dem robusten Aufbau. Die gewickelten Elektroden bestehen aus reinem Blei (99,004 Prozent) und sind mit Zinn (0,65 Prozent) legiert. Für den Einsatz von DC-USV-Systemen in sehr rauen Umgebungen, beispielsweise im Offshore- und Marinebereich, können die komplette Elektronik und die Batteriepacks in einem robusten IP67-Gehäuse zum Schutz vor Feuchtigkeit und Schmutz untergebracht werden, wie die DC-USV UPSI-2402-IP-CY zeigt. Neben dem industriellen und mobilen Einsatz eignen sich DC-USV-Systeme laut Angaben des Herstellers ebenfalls für Anwendungen in der Medizintechnik. Dank der USV-Funktionalität können kritische oder gar lebenswichtige Prozesse bei einer Unterbrechung der Stromversorgung sicher fortgesetzt oder kontrolliert abgeschlossen werden.

Im normalen und störungsfreien Netzbetrieb arbeiten die DC-USV-Systeme an Versorgungsspannungen von 22,5 bis 28 VDC (nominal 24 VDC) und geben diese Eingangsspannung mit einem Abschlag von etwa 0,5 V an den angeschlossenen Verbraucher weiter. Dies kann ein Spannungswandler oder eine direkt versorgte Komponente sein. Parallel zur Versorgung des Verbrauchers lädt ein auf der DC-USV-Einheit integrierter Lader die angeschlossenen Batteriepacks oder erhält ihre Ladung. Eine präzise Ladungssteuerung sorgt für eine sichere und schonende Ladung der Zellen in den Batteriepacks. Hierbei wird neben zahlreichen Eckdaten des jeweiligen Batterietyps auch die Temperatur der Batterien mit Hilfe eines im Batteriepack integrierten Temperaturfühlers während des gesamten Ladevorganges berücksichtigt. Um eine maximale Batterie-Lebensdauer sicherzustellen, müssen sich Batterieladestrom und Ladespannung zu jedem Zeitpunkt der Aufladung in einem optimalen Verhältnis zueinander befinden. Bereits geringe Abweichungen vom Idealwert würden die Lebensdauer der Batteriezellen signifikant verkürzen.

Sinkt nun die Versorgungsspannung am Eingang der DC-USV unter einen definierten Wert, die sogenannte Umschaltschwelle von 21 V, übernimmt die DC-USV die Versorgung der angeschlossenen Verbraucher und signalisiert dies sowohl an der USV selbst (LED-Anzeige) als auch über die Software-Schnittstelle. Die maximale Überbrückungszeit hängt von der Kapazität des verwendeten Batteriepacks, der Umgebungstemperatur und letztlich von der Leistungsaufnahme des Verbrauchers ab.

Beispielsweise beträgt bei einer typischen Last von 5 A die Überbrückungszeit der UPSI-2404 in Verbindung mit den Batteriepacks BP-1225-B1 etwa 15 Minuten – gemessen bei 20°C. Selbst kürzere Zeitfenster genügen in der Regel, um offene Datensätze zu sichern und das System bei Bedarf kontrolliert herunterzufahren. Treten entsprechende Fehler-Ereignisse auf, lassen sich voreingestellte Routinen zur Speicherung der Daten, dem kontrollierten Herunterfahren des Systems und zum Versand von Warnmeldungen per E-Mail oder über den Windows-internen Ereignismanager starten. Nach erfolgreichem Herunterfahren des versorgten Rechnersystems wird die DC-USV automatisch abgeschaltet. Kehrt während eines Netzausfalls und der schon eingeleiteten Shutdown-Phase des Betriebssystems die Netzspannung wieder zurück, sorgt die in das USV-Modul integrierte Reboot-Funktion dafür, das nach fünf Sekunden das Rechnersystem automatisch wieder gestartet wird. Während der Startphase des Systems wird aus Sicherheitsgründen die Shutdown-Funktion der DC-USV für zwei Minuten unterdrückt. So kann sichergestellt werden, dass das System ohne Eingriff eines Benutzers schnellstmöglich wieder in den normalen Betriebszustand gelangt.

Zusätzlich sorgt ein einstellbarer Lastsensor dafür, dass im USV-Betrieb bei einer Last unterhalb des definierten Wertes, zum Beispiel zehn Watt, die DC-USV abschaltet. Fällt bei ausgeschaltetem Rechnerssystem die Versorgungsspannung aus, schaltet sich die USV über den Lastsensor selbstständig ab, sodass die Batteriepacks nicht unnötig entladen werden. Diese und weitere Schutzfunktionen runden das Einsatzprofil der DC-USV-Lösungen ab und geben Systementwicklern und Bedienpersonal gleichermaßen die Möglichkeit, flexibel auf spezifische Applikationsanforderungen zu reagieren.

Was gilt es zu berücksichtigen?

Generell ist der Einsatz von DC-USV-Systemen oftmals mit Budget- und Kostenüberlegungen verbunden. Soll man Geld in eine Art Versicherung der USV investieren oder nicht? Eine Frage, auf die sich nach dem ersten Stromausfall meist schmerzliche und kostspielige Antworten finden. Deshalb sollte überall dort, wo eine Unterbrechung kritischer Prozesse schwerwiegende Folgen nach sich zieht, die Integration einer zuverlässigen USV erwogen werden. Bei der Auswahl einer passenden Lösung sollten Projektverantwortliche drei Aspekte berücksichtigen: Den Betriebstemperaturbereich des DC-USV-Systems, die Qualität und Lebensdauer der verwendeten Batteriezellen und schließlich die zur Verfügung stehenden Monitoring-Funktionen und Kommunikationsschnittstellen einer entsprechenden Hard- und Softwarelösung – damit aus einer kurzen Unterbrechung nicht ein langer und kostenintensiver Stillstand wird, sondern ein stets betriebsbereites DC-USV-System sicher funktioniert, wenn es darauf ankommt, und bei Handlungsbedarf rechtzeitig mit dem Bedienpersonal kommuniziert.

Erschienen in Ausgabe: 01/2016