Питание ПЛК, датчиков и реле от 24 В: расчёт нагрузки и схема подключения

В промышленной автоматизации напряжение 24 В постоянного тока применяется для питания программируемых логических контроллеров (ПЛК), датчиков, модулей ввода-вывода, промежуточных реле и других элементов систем управления.

Однако выбрать источник питания по суммарной мощности устройств недостаточно. Необходимо учитывать рабочие и пусковые токи, условия эксплуатации, длину кабелей, распределение нагрузки и защиту отдельных цепей.

Разберём, как рассчитать питание шкафа автоматики, какие ошибки могут привести к просадкам напряжения и как подобрать источник питания 24 В на примере оборудования PROMPOWER.

Какие устройства в шкафу автоматики питаются от 24 В

В типовом шкафу управления источник постоянного напряжения 24 В может обеспечивать работу сразу нескольких групп оборудования.

ПЛК и модули ввода-вывода. Контроллеру требуется стабильное напряжение для работы процессора и интерфейсов. При расчёте необходимо учитывать не только собственное потребление ПЛК, но и подключённые модули, а также питание внешних нагрузок через выходные цепи, если оно организовано от того же источника.

Датчики. Индуктивные, ёмкостные, оптические датчики и измерительные преобразователи имеют собственное потребление. При большом количестве устройств даже сравнительно небольшие токи необходимо суммировать.

Промежуточные реле. Катушки реле, подключённые к 24 В DC, создают дополнительную нагрузку. Если несколько реле могут быть включены одновременно, их токи учитывают в расчёте соответствующего режима.

Панели оператора и устройства связи. Некоторые панели HMI, преобразователи интерфейсов и промышленные коммуникационные устройства также питаются от 24 В. Их потребление необходимо включать в общую ведомость.

При этом нельзя автоматически считать, что все устройства с обозначением «24 В» имеют одинаковый допустимый диапазон напряжения. Его проверяют по паспорту каждого изделия.

Как рассчитать суммарный ток нагрузки 24 В

Первый этап проектирования — составление ведомости потребителей.

Для каждого устройства необходимо определить:

• номинальное напряжение питания;
• рабочий и максимальный ток;
• количество одинаковых устройств;
• режим одновременной работы;
• возможный кратковременный пусковой ток.

Если ток потребителя указан в амперах, общую нагрузку рассчитывают суммированием токов всех устройств, работающих одновременно:

I_total = I_1 + I_2 + … + I_n,

где I_total — суммарный ток одновременно работающих потребителей.

Если паспорт содержит только мощность, для устройства постоянного тока можно использовать формулу:

I = P / U

Например, при входной потребляемой мощности 12 Вт и напряжении 24 В расчётный ток составит:

I = 12 / 24 = 0,5 А.

Важно использовать именно входную потребляемую мощность устройства, а не мощность подключённого к нему механизма или предельную коммутационную способность выходов.

Почему нельзя ориентироваться только на мощность ПЛК

Допустим, собственное потребление контроллера составляет 0,6 А. Это не означает, что источника питания на 0,6 А будет достаточно для всей системы.

Если тот же источник обеспечивает питание датчиков, релейных катушек и модулей, их токи также входят в расчёт.

При этом необходимо исключить двойной учёт: если паспортный ток модуля уже включает питание подключённой нагрузки, прибавлять её повторно не следует.

Пример расчёта питания шкафа автоматики

Рассмотрим условный шкаф управления производственной установкой.

Примем следующие исходные данные для учебного расчёта. Они не относятся к конкретным моделям ПЛК, датчиков или реле.

Потребитель	Количество	Ток одного устройства	Суммарный ток
ПЛК	1	0,60 А	0,60 А
Датчики	8	0,08 А	0,64 А
Релейные катушки	6	0,12 А	0,72 А
Модули ввода-вывода	2	0,25 А	0,50 А
Итого			2,46 А

Предположим, что в расчётном режиме все перечисленные потребители могут работать одновременно.

Суммарный рабочий ток составляет:

I_total = 0,60 + 0,64 + 0,72 + 0,50 = 2,46 А.

Соответствующая мощность при 24 В:

P_total = 24 × 2,46 = 59,04 Вт.

Для предварительного выбора предусмотрим условный запас 25%:

I_design = 2,46 × 1,25 = 3,075 А.

Расчётная мощность:

P_design = 24 × 3,075 = 73,8 Вт.

Получается, что для рассматриваемого примера следует искать источник с номинальным выходным током не ниже 3,075 А при фактических условиях эксплуатации.

Коэффициент 1,25 здесь принят исключительно для демонстрации методики. Это не универсальная норма: необходимый запас зависит от состава нагрузки, переходных процессов, температуры, характера работы и требований к надёжности.

Какой блок питания подойдёт для примера

Для предварительного сравнения возьмём паспортные значения PROMPOWER:

• HDR-60-24 — 24 В, 2,5 А, 60 Вт;
• HDR-100-24 — 24 В, 3,83 А, 92 Вт;
• NDR-120-24 — 24 В, 5 А, 120 Вт.

HDR-60-24 способен обеспечить рассчитанные 2,46 А в пределах паспортного номинала при соответствующих условиях, но практически не оставляет места для принятого запаса 25%. Поэтому для рассматриваемого примера его не выбираем.

HDR-100-24 и NDR-120-24 соответствуют предварительному требованию по номинальному току. Однако окончательное решение принимают после проверки температурного снижения мощности, кратковременных нагрузок и требований подключённого оборудования.

Главный принцип: номинальный выходной ток источника должен быть достаточен для расчётной нагрузки с учётом реальных условий, а не только соответствовать ближайшему значению в каталоге.

Схема распределения питания ПЛК, датчиков и реле

Даже правильно подобранный источник питания не гарантирует устойчивой работы системы, если все потребители подключены без разделения и защиты.

В типовой системе удобно выделять несколько групп:

1. Питание ПЛК и критически важных модулей управления.
2. Питание датчиков и измерительных цепей.
3. Питание релейных катушек и других исполнительных устройств.

При таком подходе линии могут иметь собственные защитные аппараты или электронные модули защиты 24 В DC.

Упрощённая функциональная схема

Сеть AC → вводная защита → блок 24 В DC → распределительные клеммы → защищённые ветви:

• Ветвь 1 — ПЛК и модули управления.
• Ветвь 2 — датчики.
• Ветвь 3 — релейные катушки.

Обратные проводники 0 В организуют согласно электрической схеме и требованиям изготовителей оборудования.

Эта структура поясняет принцип распределения нагрузки и не является готовой монтажной схемой.

Нужно ли устанавливать отдельный источник питания для ПЛК

Не всегда. Один правильно подобранный источник может питать несколько групп оборудования, если обеспечены требуемые характеристики напряжения, защита и устойчивость системы при переходных процессах.

Отдельный источник или дополнительная развязка могут потребоваться, когда исполнительные устройства создают значительные помехи и просадки напряжения либо когда необходимо обеспечить независимую работу критически важного контроллера.

Выбор зависит от требований системы. Само по себе наличие отдельных защитных ветвей не обеспечивает электрическую независимость питания.

Для чего нужна отдельная защита линий 24 В

При коротком замыкании в одной ветви общий источник питания может перейти в режим ограничения тока. В результате напряжение способно снизиться и на остальных потребителях.

Это особенно нежелательно для ПЛК: прекращение питания контроллера может остановить технологический процесс.

Отдельные защитные устройства помогают локализовать неисправности, но их необходимо согласовать с возможностями источника. Обычный автоматический выключатель с неподходящей характеристикой не обязательно отключит неисправную ветвь раньше, чем сработает ограничение тока блока питания.

Поэтому при проектировании проверяют токи срабатывания, параметры проводников и селективность защиты.

Пусковые токи: что необходимо учитывать

В системах 24 В существуют два разных вида переходных токов.

Входной пусковой ток блока питания

При подключении источника к сети переменного тока происходит заряд его внутренних конденсаторов. В течение короткого времени входной ток может значительно превышать установившийся рабочий.

Например, согласно спецификации PROMPOWER, при холодном запуске от сети 230 В AC:

• HDR-60 — 60 А;
• HDR-100 — 70 А;
• NDR-120 — 35 А.

Указанные значения относятся ко входу AC при холодном пуске. Они не определяют допустимый выходной ток цепи 24 В.

Их учитывают при выборе вводной защиты и при одновременном включении нескольких блоков питания.

Пусковые токи потребителей 24 В

Кратковременное повышенное потребление возможно также на выходе блока питания, например при зарядке входных конденсаторов подключённых электронных устройств.

Если одновременно запускается большое количество потребителей, фактический переходный ток может оказаться выше рассчитанного установившегося значения.

Из-за этого источник может перейти в ограничение тока, напряжение временно снизится, а отдельные устройства не смогут завершить запуск.

Способность конкретного источника успешно запустить такую нагрузку необходимо проверять по документации подключённых устройств и, при необходимости, испытаниями.

Порог срабатывания защиты блока питания нельзя считать разрешённой продолжительной перегрузкой.

Падение напряжения в длинных кабелях 24 В

Для низковольтных цепей постоянного тока сопротивление проводов имеет существенное значение.

Чем больше длина линии и ток нагрузки, тем выше падение напряжения.

Для простой двухпроводной медной линии постоянного тока можно использовать приближённое выражение:

ΔU = 2 × ρ × L × I / S,

где:

• ΔU — падение напряжения, В;
• ρ — удельное сопротивление проводника, Ом·мм²/м;
• L — длина линии в одну сторону, м;
• I — ток нагрузки, А;
• S — площадь сечения жилы, мм².

Коэффициент 2 учитывает прямой и обратный проводники.

Рассмотрим пример: ток 1 А, расстояние до датчика или группы устройств 30 м, медный кабель сечением 0,5 мм². При условно принятом удельном сопротивлении меди 0,0175 Ом·мм²/м получим:

ΔU = 2 × 0,0175 × 30 × 1 / 0,5 = 2,1 В.

Если источник выдаёт 24 В, то в упрощённом расчёте на конце линии останется около 21,9 В.

Падение составляет 8,75% от 24 В. Допустимо ли напряжение около 21,9 В для конкретного датчика или группы потребителей, определяют по их паспортам.

Реальное сопротивление зависит также от температуры проводника, соединений и особенностей прокладки. Поэтому итоговую оценку необходимо проводить для рабочих условий установки.

Увеличение выходного напряжения источника для компенсации потерь допускается только в пределах паспортных требований всех подключённых потребителей. Оно не заменяет правильный выбор кабеля.

Температура в шкафу и снижение выходной мощности

Температура внутри шкафа автоматики может быть значительно выше температуры помещения.

Нагрев создают преобразователи частоты, контроллеры, контакторы, источники питания и другие компоненты. При недостаточной вентиляции допустимая выходная мощность блока питания может уменьшаться.

В спецификации PROMPOWER для моделей HDR и NDR приведены отдельные графики снижения допустимой нагрузки в зависимости от температуры окружающей среды.

Поэтому необходимо различать:

• диапазон температур, в котором источник допускается эксплуатировать;
• допустимый процент нагрузки при конкретной температуре;
• ограничения, связанные с входным сетевым напряжением.

Согласно спецификации PROMPOWER, диапазон рабочих температур HDR-100-24 составляет от −10 до +50 °C, NDR-120-24 — от −20 до +70 °C. При этом допустимая доля нагрузки определяется графиками снижения характеристик. Для HDR-100 отдельно показаны кривые при входном напряжении 110 и 230 В AC; для NDR-120 также учитывается входное напряжение. Поэтому верхняя граница диапазона не означает доступность полной номинальной мощности.

Для окончательного выбора определяют ожидаемую температуру воздуха около блока питания внутри шкафа, входное напряжение сети и допустимую нагрузку по соответствующему графику конкретной модели. Например, ток 3,83 А для HDR-100-24 и 5 А для NDR-120-24 — паспортные номиналы, а не гарантия работы при полной нагрузке во всём температурном диапазоне.

Если расчётный ток превышает допустимый ток после температурного снижения характеристик, требуется более мощный источник или изменение условий охлаждения.

Какие защиты предусмотрены в источниках PROMPOWER

Источники питания PROMPOWER серий HDR и NDR предусматривают защиту от перегрузки, короткого замыкания и выходного перенапряжения.

При этом параметры и алгоритмы срабатывания отличаются между моделями. Для NDR-120 предусмотрена также защита от перегрева с восстановлением после охлаждения.

Защита от перегрузки

Для HDR-100-24 в спецификации указан порог выше 110% номинальной выходной мощности и режим ограничения тока с автоматическим восстановлением после устранения неисправности.

Для NDR-120-24 указан диапазон 105–130% номинальной мощности с ограничением тока и автоматическим восстановлением.

Эти величины характеризуют работу защиты, а не дополнительную мощность, доступную для обычной эксплуатации.

Защита от перенапряжения

Для HDR-100-24 в спецификации указан диапазон срабатывания 30–36 В, для NDR-120-24 — 29–33 В.

При срабатывании защиты от перенапряжения предусмотрено отключение с необходимостью повторного включения питания для восстановления.

Важно не путать порог защитного отключения с допустимым напряжением питания ПЛК или датчика. Последнее определяется паспортом потребителя и обычно значительно уже.

Защита от короткого замыкания

При коротком замыкании источник должен ограничить последствия аварийного режима в соответствии со своим алгоритмом защиты.

Но встроенная защита источника не гарантирует, что повреждение одной линии не повлияет на питание остальных. Для шкафа автоматики необходимо отдельно предусматривать защиту распределительных цепей.

Как выбрать источник питания PROMPOWER 24 В

После расчёта нагрузки можно перейти к конкретным моделям.

Источник питания	Выходной ток	Мощность	Где рассматривать
PROMPOWER HDR-30-24	1,5 А	36 Вт	Небольшие цепи автоматики
PROMPOWER HDR-60-24	2,5 А	60 Вт	Малогабаритные шкафы с умеренной нагрузкой
PROMPOWER HDR-100-24	3,83 А	92 Вт	Шкафы с несколькими группами потребителей
PROMPOWER NDR-120-24	5 А	120 Вт	Системы с большей суммарной нагрузкой
PROMPOWER NDR-240-24	10 А	240 Вт	Разветвлённые цепи управления
PROMPOWER NDR-480-24	20 А	480 Вт	Более мощные системы питания 24 В

Номиналы приведены по спецификации производителя. Условия конкретного применения требуют отдельной проверки.

Для расчётного примера с нагрузкой 2,46 А и условным запасом 25% предварительно можно рассматривать HDR-100-24 или NDR-120-24.

Выбор между ними должен учитывать температуру, характеристики питающей сети, пусковые процессы, габариты, требования к монтажу и резерву мощности.

Ознакомиться с оборудованием можно в разделе «Источники питания PROMPOWER». Другие варианты представлены в общем каталоге источников питания ИРСАС.

Семь ошибок при организации питания 24 В

1. Расчёт только по мощности контроллера. Игнорирование датчиков и релейных нагрузок приводит к недостаточному запасу источника.

2. Смешение рабочего и пускового токов. Даже при допустимой постоянной нагрузке система может испытывать проблемы во время включения.

3. Использование паспортного максимума без температурной проверки. В нагретом шкафу допустимая мощность источника может быть снижена.

4. Отсутствие защиты отдельных ветвей. Короткое замыкание в одной линии способно нарушить питание всей системы.

5. Неправильное сечение длинного кабеля. Просадка напряжения приводит к нестабильной работе удалённых датчиков и модулей.

6. Неправильное объединение цепей 0 В и защитного заземления. Такие соединения должны выполняться по проекту и указаниям изготовителей, а не произвольно.

7. Использование аварийного порога защиты как рабочего резерва. Защитные пороги не являются номинальными характеристиками для непрерывной эксплуатации.

Дополнительные рекомендации приведены в материалах «Ошибки при выборе источника питания» и «Блок питания 24 В для шкафа автоматики».

Что проверить перед первым включением

Перед подачей питания квалифицированный специалист должен проверить соответствие напряжений питания, полярность, правильность подключения проводников, исправность защитных аппаратов и отсутствие коротких замыканий.

После включения необходимо проконтролировать выходное напряжение источника и напряжение непосредственно на наиболее удалённых потребителях при характерных рабочих нагрузках.

Следует убедиться, что включение реле и других исполнительных устройств не вызывает недопустимой просадки напряжения на ПЛК.

Настройка, измерения и ввод электрооборудования в эксплуатацию выполняются с соблюдением требований электробезопасности и документации изготовителей.

Частые вопросы

Можно ли подключить ПЛК и все датчики к одному блоку питания 24 В?

Да, если мощности источника достаточно, выполнены требования к качеству напряжения и обеспечена необходимая защита цепей. Для ответственных систем может потребоваться разделение питания.

Какой запас по току нужен для блока питания 24 В?

Универсального процента нет. Запас выбирают с учётом максимальной одновременной нагрузки, пусковых токов, температуры и требований к надёжности. Значение 25% в примере статьи используется только для демонстрации расчёта.

Почему ПЛК перезагружается при включении реле?

Одна из возможных причин — кратковременное снижение напряжения питания. Оно может быть связано с перегрузкой источника, сопротивлением проводников, переходными токами или особенностями распределения питания. Для установления причины необходимы измерения.

Можно ли использовать источник питания 24 В с большей мощностью, чем требуется?

Да, при условии совместимости с нагрузкой и соблюдения остальных требований. Потребитель не обязан использовать всю доступную мощность источника. При этом защита проводников и отдельных ветвей должна быть рассчитана правильно.

Нужно ли ставить отдельные автоматы на линии 24 В?

Необходимость и тип защиты определяются схемой, характеристиками источника, сечением кабелей и условиями эксплуатации. Для разветвлённых систем часто целесообразна отдельная защита групп, в том числе специализированными электронными модулями защиты DC.

Подбор источника питания 24 В в ИРСАС

Для точного подбора источника питания промышленной автоматики желательно заранее подготовить перечень потребителей, паспортные токи, режим одновременного включения, температуру внутри шкафа, длины кабельных линий и требования к резервированию питания.

По этим данным можно оценить суммарную нагрузку, необходимую мощность источника и выбрать подходящее исполнение из ассортимента PROMPOWER.

В каталоге ИРСАС представлены источники питания PROMPOWER для цепей промышленной автоматики 24 В.

Надёжная цепь 24 В определяется не только мощностью блока: необходимо согласовать нагрузку, проводники, защиту и условия эксплуатации.