Storingsbestendige DC-architecturen voor complexe industriële omgevingen

Een betrouwbare stroomvoorziening is essentieel om kostbare stilstand te voorkomen en een ononderbroken werking in complexe industriële omgevingen te waarborgen. In dit artikel wordt besproken hoe storingen in gelijkstroomarchitecturen de betrouwbaarheid van het systeem kunnen beïnvloeden en hoe redundante ontwerpen deze risico’s helpen beperken. Aan de orde komen verschillende strategieën, waaronder n+1-redundantie en geavanceerde ontkoppeling, om de weerstand tegen storingen in bedrijfskritische toepassingen te verbeteren.

Door: Giulio Bocciolini, Senior Product Marketing Manager EMEA, TDK-Lambda

Complexe productielijnen moeten met absolute betrouwbaarheid functioneren. Elke minuut ongeplande downtime brengt het risico met zich mee dat complete productielijnen tot stilstand komen, wat leidt tot productverlies. In veel sectoren reiken de gevolgen veel verder dan productieverlies. Onvoorziene stilstand door factoren zoals stroomuitval kan leiden tot schade aan fabrieksinstallaties en apparatuur, evenals aan producten die zich nog op de productielijn bevinden. Dat heeft niet alleen financiële consequenties, maar kan ook leiden tot reputatieschade.

Dit kan behoorlijk in de papieren lopen. Zo is in een recent rapport van adviesbureau IDS-INDATA te lezen dat Europese fabrikanten jaarlijks meer dan 90 miljard euro verliezen als gevolg van stilstand. In sommige sectoren kan slechts één uur stilstand tot miljoenen euro’s aan productieverlies leiden, knelpunten in de toeleveringsketen veroorzaken of nalevingsproblemen opleveren.

Risico’s indammen

In het algemeen geldt dat hoe hoger het bijbehorende risico is, hoe robuuster de bescherming tegen ongeplande storingen moet zijn. De prioriteit ligt wat dat betreft bij een stabiele en betrouwbare netvoeding. Om het risico op storingen te verminderen zet het gros van de industriële bedrijven in op een combinatie van noodstroomvoorzieningen (UPS) met meerdere onafhankelijke AC-voedingen.

Daarmee ben je er echter nog niet. In veel moderne industriële systemen zit de kwetsbaarheid vooral in de integriteit van de interne gelijkstroomarchitectuur. Hoewel upstream-beveiliging, zoals UPS-systemen, belangrijk is voor het stabiliseren van de binnenkomende netstroom, kunnen storingen binnen de DC-distributielaag nog steeds schadelijke gevolgen hebben, waaronder een volledige uitschakeling van het systeem.

Industriële bedrijven moeten zich derhalve ook tegen deze interne storingsvormen beschermen. Zeker omdat veel moderne systemen meerdere DC-spanningen nodig hebben voor toepassingen als automatisering, besturingssystemen en aandrijvingen. Het is daarom van cruciaal belang dat het uitvallen van één enkele voedingseenheid (PSU) niet leidt tot uitschakeling van de centrale DC-bus.

Industriële systemen zijn veel complexer en meer onderling verbonden geworden, met verschillende spanningsrails voor verschillende apparatuur. Zoals 24 VDC voor sensoren, actuatoren en relais, en 5 of 12 VDC voor industriële PC’s en communicatiemodules. De DC-bus wordt hiermee een belangrijk punt van afhankelijkheid (te vergelijken met een Single Point of Failure), waar een storing in een PSU zich door het hele systeem kan verspreiden.å

Storingen in industriële DC-systemen

De meest elementaire storingsvorm in een DC-systeem is het uitvallen van één enkele PSU. In niet-redundante architecturen leidt dit tot onmiddellijk uitval van de DC-bus. Daarnaast kunnen storingen aan de secundaire zijde, waaronder kortsluitingen of defecten aan interne componenten, zich door het DC-distributienetwerk verspreiden als ze niet goed zijn geïsoleerd.

Spanningsdips kunnen voor een heel ander soort storing zorgen; ze verminderen de binnenkomende energie, wat de stabiliteit van de uitgaande spanning in gevaar kan brengen. In parallelle systemen kan een ongelijkmatige stroomverdeling individuele modules overbelasten, waardoor thermische degradatie wordt versneld en de levensduur van het systeem wordt verkort.

Betere redundantie in DC-systemen

Om de kans op de hiervoor genoemde storingsvormen te reduceren, passen ingenieurs vaak redundante voedingsarchitecturen toe. In dergelijke systemen wordt de belasting ondersteund door meerdere modules die parallel zijn geschakeld, doorgaans volgens het n+1-principe dat zorgt voor ten minste één extra module bovenop de normale bedrijfsvereisten.

Ontkoppeling van de uitgang is een belangrijk aspect van het ontwerp van redundante voedingssystemen. Traditionele diode-ORing (diode-ontkoppeling) zorgt voor isolatie van de afzonderlijke modules, maar introduceert doorlaatspanningsverliezen die het rendement verlagen en de warmtedissipatie verhogen.

Een andere methode, actieve uitgangsontkoppeling met behulp van veldeffecttransistoren (FET’s), maakt werking met lagere verliezen mogelijk, terwijl een effectieve foutisolatie behouden blijft. Bij kortsluiting aan de secundaire zijde voorkomt dit verstoring van de DC-bus als er één module uitvalt. De overige, niet uitgevallen modules blijven de belasting voeden, terwijl de defecte module een foutmelding geeft. Dankzij de hot-plug-functionaliteit kan de module worden vervangen zonder het systeem uit te schakelen.

Bij deze ontwerpbenaderingen moet je de voor- en nadelen tegen elkaar afwegen. Het vergroten van de redundantie verbetert de fouttolerantie, maar brengt extra kosten, meer benodigde fysieke ruimte en systeemcomplexiteit met zich mee. En hoewel actieve stroomverdeling en op FET’s gebaseerde ontkoppeling het rendement en de prestaties verbeteren, moet je er toch ook rekening mee houden dat deze architecturen extra regelcircuits en ontwerpinspanningen met zich meebrengen. Bij het ontwerp van gelijkstroomsystemen is het dus de uitdaging om de ideale balans te vinden tussen betrouwbaarheid, rendement en systeemcomplexiteit.

Gevoelige processen voor stroomonderbrekingen

Een breed scala aan productieprocessen vereist een fail-safe gelijkstroomvoeding. In de chemische, glas- en papierindustrie kunnen bepaalde processen na een stroomonderbreking niet zomaar opnieuw worden opgestart. Naast de kosten vanwege downtime komen daar vaak ook nog kosten bij vanwege verlies van halffabrikaten en schade aan de installatie als gevolg van afzettingen of mechanische belasting.

Dat geldt ook voor elektronicatoepassingen als aging- en burn-in testsystemen. Hoewel hier de testmonsters niet fysiek worden beschadigd, kan een onderbreking de test, die soms wel maanden kan duren, waardeloos maken. Van fysieke schade kan wel sprake zijn bij lasergebaseerde metaalbewerkingssystemen. Ongecontroleerde uitschakeling kan leiden tot mechanische schade of zelfs vernieling van kostbare laserbronnen.

De halfgeleiderindustrie is een sector die bijzonder hoge eisen stelt aan de bedrijfszekerheid. Er is binnen de halfgeleiderproductie sprake van veelstaps productcycli, die meerdere weken kunnen duren. Een enkele onderbreking kan al tot aanzienlijk opbrengstverlies leiden. Om vat te krijgen op dergelijke risico’s is de SEMI F47-norm geïntroduceerd, die voor productieapparatuur de immuniteitseisen tegen spanningsdalingen definieert.

Fase-naar-fase-aansluiting

Voedingssystemen moeten zeker voor de halfgeleidersector dusdanig zijn ontworpen dat ze onder verschillende bedrijfsomstandigheden een stabiele werking garanderen. Het bereiken van immuniteit tegen spanningsdalingen wordt echter moeilijker bij lagere netspanningen. Waar systemen in Europa bij 230 VAC met een gangbaar breed ingangsspanningsbereik (85-265 VAC) aan de SEMI F47-eisen kunnen voldoen, is dat bij een nominale spanning van 100/110 VAC moeilijker. Een mogelijke aanpak is om bij lage netspanningen van 100/110 VAC niet te kiezen voor een aansluiting tussen fase en nul. Door in plaats daarvan een fase-naar-fase-aansluiting te gebruiken, stijgt de effectieve ingangsspanning naar ongeveer 200 VAC (lijn-naar-lijn). Dit maakt het eenvoudiger om te voldoen aan de eisen voor immuniteit tegen spanningsdips. Om aan de veiligheidsnormen te voldoen moeten apparaten bij zo’n fase-naar-fase-aansluiting wel zijn uitgerust met zekeringen in beide geleiders.

Implementatie van redundante voedingsplatforms

Modulaire redundante DC-architecturen worden doorgaans gerealiseerd met behulp van racksystemen die parallelle werking, foutisolatie en systeemmonitoring ondersteunen. Ze onderscheiden zich op het gebied van stroomverdeling, ontkoppelingsmethoden, foutdetectie en het handhaven van de werking tijdens het vervangen van modules.

Een voorbeeld hiervan is de TDK-Lambda HFE-serie van 1U hoge modulaire voedingen, met nominale uitgangsspanningen van 12 V, 24 V, 32 V en 48 V. In deze systemen werken meerdere modules parallel om n+1-redundantie mogelijk te maken. Een geregelde verdeling van de belasting zorgt er voor dat alle modules gelijkmatig worden belast.

Actieve stroomverdeling verbetert de belastingverdeling en de thermische prestaties, terwijl digitale interfaces zoals I²C met PMBus en Ethernet via SNMP continue monitoring mogelijk maken. Actieve, op FET’s gebaseerde uitgangsontkoppeling isoleert defecte modules in geval van een storing, waardoor verstoring van de DC-bus wordt voorkomen. In combinatie met hot plugging maakt deze aanpak het mogelijk om elk van de 1600 W, 2500 W of recent uitgebrachte 3500 W HFE-modules te vervangen zonder de werking van het systeem te onderbreken.

Conclusie

Naarmate industriële systemen complexer worden en de vermogensdichtheid toeneemt, vormen ongecontroleerde onderbrekingen een steeds groter probleem. Om je daar tegen te wapenen volstaat alleen redundantie op componentniveau niet. Er zijn strategieën op systeemniveau nodig waarbij rekening wordt gehouden met verschillende vormen van storing, de lastverdeling, beveiligingsmechanismen en monitoring.

Modulaire, schaalbare architecturen voor gelijkstroomvoeding stellen ingenieurs in staat om vanaf het begin fouttolerantie in systemen in te bouwen, waardoor zowel het operationele risico als de complexiteit van het systeem worden verminderd. Zo kunnen ze ook de vereiste uptime waarborgen.