Ogni controllore programmabile è progettato per sopravvivere a un guizzo della rete. La IEC 61131-2 stabilisce i requisiti di apparecchiatura e le prove per i controllori programmabili, inclusa una breve tenuta interna che permette alla CPU di attraversare un'interruzione inferiore a un ciclo senza riavviarsi. Quel margine integrato si misura in millisecondi; non basta a completare un arresto controllato, scaricare un registro dati o avvertire un master SCADA che la linea è caduta. Un piccolo modulo di backup al nichel-metallo idruro sul rail di controllo a 24 V è ciò che converte quei millisecondi nei secondi necessari a uno spegnimento ordinato.
La IEC 61131-2 definisce i requisiti di funzionamento e di immunità per i controllori programmabili, inclusa la porta di alimentazione in corrente continua. Un controllore a 24 V CC è specificato per lavorare su un ampio rail —comunemente circa 19,2-28,8 V— e per tollerare brevi interruzioni dell'alimentazione. I progetti di riferimento citano un tempo di tenuta dell'ordine di dieci millisecondi a pieno carico, e le classi di interruzione della norma distinguono i buchi molto brevi (per esempio una classe PS2 che attraversa un'interruzione sotto i 10 ms con più di un secondo tra gli eventi) dalle perdite più lunghe.
I controllori reali corrispondono: un'unità Mitsubishi MELSEC iQ-F, per esempio, documenta il funzionamento continuo durante un'interruzione di alimentazione istantanea di 5 ms o meno, e gli alimentatori industriali e i controllori di motore descrivono un «attraversamento senza guasti» intorno ai 10 ms. Oltre quella finestra il condensatore interno di grande capacità è esaurito e il rail collassa.
La prima figura animata espande il primo secondo critico dopo la perdita di rete. A t0 l'ingresso CA scompare; il condensatore di grande capacità dell'alimentatore tiene il rail a 24 V per la sua tenuta interna —i pochi millisecondi che il PLC gestisce da solo. Senza accumulo aggiunto, il rail scende allora sotto la soglia di sottotensione del controllore e la CPU si riavvia in modo brusco, perdendo lo stato di scansione e ogni dato non ancora confermato.
Con un modulo di backup NiMH, un circuito di monitoraggio del rail rileva la caduta mentre il condensatore interno tiene ancora, collega il pacco al nichel attraverso un percorso di blocco e uno stadio DC-DC, e tiene in vita il rail a 24 V per secondi. In quella finestra il PLC termina la scansione corrente, scrive i registri ritenuti e il registro dati in memoria non volatile, esegue una sequenza di arresto definita e trasmette un frame di ultimo respiro sul bus di campo.
Tre esigenze distinte sono spesso confuse. La tenuta è la sopravvivenza inferiore al secondo di un buco breve che non richiede azione software —compito del condensatore. Lo spegnimento ordinato richiede secondi di alimentazione regolata per salvare lo stato e parcheggiare gli attuatori in sicurezza —compito del modulo NiMH. Il ponte richiede minuti di alimentazione per continuare a girare durante il passaggio a un generatore o a un UPS —compito di una batteria più grande. Confonderle porta o a un progetto solo condensatore che si riavvia su una perdita di 100 ms, o a una batteria sovradimensionata e costosa dove un piccolo modulo basterebbe.
La seconda figura confronta i domini temporali: l'elettrolitico interno copre i millisecondi, un banco di supercondensatori copre comodamente secondi di alta potenza ma poca energia, e un modulo NiMH copre decine di secondi a minuti alla corrente modesta di una CPU, dei suoi I/O e di un modulo di comunicazione —il punto ideale per uno spegnimento corretto e la segnalazione di ultimo respiro.
Le applicazioni di acquisizione dati e terminali remoti aggiungono un requisito di comunicazione. Alla perdita di rete, un gateway RTU o DAQ deve marcare temporalmente l'evento, memorizzare l'ultimo campione valido e trasmettere un messaggio di mancanza alimentazione, così il master SCADA distingue un'interruzione reale da un collegamento radio rotto. Le reti di contatori AMI usano la stessa idea con il nome «ultimo respiro», e l'energia necessaria è la corrente dell'impulso di trasmissione moltiplicata per il tempo di associazione e invio —tipicamente poche centinaia di millisecondi a poche centinaia di milliampere, ripetuti per i ritentativi.
Un modulo NiMH fornisce quell'impulso con energia di riserva per i ritentativi e, a differenza di un supercondensatore, porta anche il controllore per una finestra abbastanza lunga da registrare il contesto, chiudere i file e porre le uscite in uno stato sicuro.
Il rail di controllo a 24 V è il punto di attacco naturale: una serie di venti celle NiMH si trova vicino alla tensione del rail, si carica da essa durante il funzionamento normale ed è tamponata da un piccolo convertitore DC-DC. Il NiMH sigillato offre una plateau piatto, bassa resistenza interna per l'impulso di trasmissione, una chimica acquosa senza rischio di fuga termica in un armadio sigillato, e molta più energia per volume di un supercondensatore quando il requisito è secondi-a-minuti invece che millisecondi.
Tenuto con una carica di mantenimento o di rabbocco controllata e scaricato solo in interruzioni reali, il modulo vede un servizio facile —lunga standby con eventi rari e poco profondi— dove la bassa autoscarica e la stabilità calenda dominano sul numero grezzo di cicli.
Il brief di progetto inizia quindi da quattro misure: la corrente del rail a 24 V della CPU, degli I/O e dei moduli di comunicazione; il tempo che l'applicazione necessita per salvare lo stato e inviare il suo ultimo respiro; la corrente dell'impulso di trasmissione del bus di campo e il numero di ritentativi; e il range di temperatura dell'armadio. L'articolo B li trasforma in una chimica e in un calcolo Ah; l'articolo C mappa il modulo sulle prove di tipo IEC 61131-2 e IEC 61000-4-11 e sulle evidenze di sicurezza delle celle.
Weijiang Power produce celle sigillate al nichel-metallo idruro e moduli di backup compatti a 24 V che estendono l'attraversamento del PLC e dell'acquisizione dati da millisecondi a uno spegnimento ordinato. Inviateci la corrente del rail del controllore, il tempo di tenuta o ultimo respiro necessario, il protocollo del bus di campo e la temperatura dell'armadio, e i nostri ingegneri progetteranno un modulo NiMH saldato con gestione di carica, blocco e protezione adattati al rail a 24 V. Vedere i formati dei moduli nella pagina prodotti.
