Концентраторы
Концентраторы в системах электроснабжения и автоматизации: классификация, устройство и применение
В профессиональной терминологии, связанной с кабельной и электротехнической продукцией, термин «концентратор» (hub) имеет несколько различных значений, определяемых конкретной областью применения. Данная статья рассматривает концентраторы в двух ключевых аспектах: как устройства для параллельного соединения электрических проводников (кабельные концентраторы) и как сетевые устройства в системах автоматизации и АСУ ТП (коммутационные концентраторы). Понимание различий между ними критически важно для корректного проектирования и эксплуатации систем.
1. Кабельные концентраторы (распределительные, соединительные)
Кабельные концентраторы, также известные как распределительные или соединительные коробки, сборные шины или кросс-модули, представляют собой электротехнические устройства, предназначенные для организованного и безопасного соединения, разветвления и распределения электрических цепей. Их основная функция – создание единого узла коммутации множества проводников, что обеспечивает порядок, легкость монтажа, обслуживания и модификации схемы.
1.1. Устройство и ключевые компоненты
Типичный кабельный концентратор включает в себя следующие элементы:
- Изолирующее основание (корпус): Изготавливается из негорючего пластика (полиамид, поликарбонат) или металла с изоляционным покрытием. Степень защиты оболочки (IP) варьируется от IP20 для установки в щитах до IP65/IP67 для монтажа в условиях повышенной влажности и запыленности.
- Шинные проводники: Медные или алюминиевые шины (гребенки) с перфорацией для подключения. Предназначены для распределения питания по фазам, нулю и защитному заземлению (PE). Шины могут быть цельными или составными.
- Клеммные узлы: Винтовые, пружинные или барьерные клеммы для надежного фиксирования жил кабелей. Часто оснащаются прозрачными крышками для визуального контроля и маркировки.
- Монтажная шина (DIN-рейка): Стандартизированный крепеж (DIN-рейка 35 мм) для быстрой установки в распределительные щиты и шкафы.
- Система маркировки: Поля для нанесения обозначений цепей с помощью бирок или маркеров.
- Силовые: Для распределения электроэнергии. Номинальные токи: от 63А до нескольких сотен ампер. Рабочее напряжение до 1000В AC/DC.
- Нулевые (N) и защитного заземления (PE): Специализированные шины для организации рабочих нулевых и защитных проводников. Шина PE, как правило, имеет непосредственную металлическую связь с корпусом щита.
- Измерительные (кросс-модули для трансформаторов тока): Предназначены для коммутации вторичных цепей измерительных трансформаторов тока (ТТ) и напряжения (ТН). Позволяют организовать схемы полной или неполной звезды, суммирования токов.
- Телекоммуникационные (патч-панели, кроссы): Для коммутации слаботочных цепей (витая пара, оптоволокно).
- Модульные кросс-модули: Компактные устройства для монтажа на DIN-рейку с набором клемм и встроенными шинами.
- Открытые сборные шины (шинопроводы): Используются в мощных распределительных устройствах (РУ).
- Корпусные распределительные коробки: Герметичные боксы с набором клемм внутри, для настенного или стоечного монтажа вне щитов.
- Коммутация кадров (frames): Анализ MAC-адресов и передача данных только на порт назначения, что снижает коллизии и нагрузку на сеть.
- Резервирование сетей: Поддержка протоколов быстрого восстановления связи (например, Rapid Spanning Tree Protocol — RSTP, MRP, PRP) для создания отказоустойчивых топологий «кольцо» или «сеть-сеть».
- Промышленное исполнение: Расширенный температурный диапазон (-40…+75°C), защита от вибрации, корпуса для монтажа на DIN-рейку или в стойку, питание 24V DC, высокая устойчивость к электромагнитным помехам (EMI).
- Управление и диагностика: Управляемые коммутаторы поддерживают SNMP, VLAN, QoS, зеркалирование портов, что позволяет сегментировать сеть, приоритизировать критический трафик (например, для ПЛК) и проводить диагностику.
- Вводно-распределительные устройства (ВРУ, ГРЩ): Организация главных заземляющих (ГЗШ) и нулевых шин.
- Щиты автоматики и управления: Распределение питания на модули ПЛК, релейную логику, интерфейсные преобразователи.
- Узлы учета электроэнергии: Коммутация цепей трансформаторов тока для подключения счетчиков.
- Система уравнивания потенциалов (СУП): В качестве коробки СУП для соединения всех проводящих частей здания.
- Построение сегментов промышленной сети Ethernet: Объединение устройств в цехе в единую сеть с выходом на уровень управления.
- Создание отказоустойчивых топологий: Кольцевые структуры с использованием управляемых коммутаторов для непрерывности процесса.
- Агрегация трафика: Использование коммутаторов с гигабитными и оптическими портами в качестве агрегирующего ядра для нескольких сетевых колец или линий.
1.2. Классификация и типы
Кабельные концентраторы классифицируются по нескольким параметрам:
По назначению:
По конструкции:
| Параметр | Модульный кросс-модуль (DIN-рейка) | Шина нулевая/заземления | Корпусная распределительная коробка |
|---|---|---|---|
| Типовой номинальный ток | 63А, 100А, 125А | 160А, 250А, 400А | Зависит от установленных клемм (до 250А) |
| Основное применение | Внутри распределительных щитов низкого напряжения (НН) | Внутри ВРУ, ГРЩ, щитов учета | Наружный монтаж, разветвление кабельных линий в зданиях, на производствах |
| Ключевое преимущество | Упорядочивание проводки, экономия пространства | Надежное и безопасное разделение N и PE | Защита соединений от внешней среды, удобство обслуживания |
| Степень защиты (IP) | IP20, IP40 | IP20 | IP54, IP65, IP67 |
2. Сетевые концентраторы (коммутационные) в промышленной автоматизации
В контексте промышленных сетей (Industrial Ethernet, Fieldbus) концентратор — это сетевое устройство, объединяющее несколько узлов (ПЛК, датчики, приводы, HMI) в единый сегмент. В современной практике простейшие «хабы» (Hub, повторитель) уступили место управляемым и неуправляемым коммутаторам (switch), которые являются их интеллектуальным развитием.
2.1. Функции и особенности промышленных коммутаторов
2.2. Критерии выбора промышленного сетевого концентратора (коммутатора)
| Параметр | Варианты исполнения и комментарии |
|---|---|
| Количество и тип портов | 5, 8, 10, 16, 24 порта. Комбинация медных портов (10/100/1000Base-T) и оптических (SFP, 100/1000Base-FX) для магистральных соединений. |
| Скорость передачи | Fast Ethernet (100 Мбит/с), Gigabit Ethernet (1 Гбит/с). Для большинства задач АСУ ТП достаточно 100 Мбит/с, гигабит требуется для видео, больших данных. |
| Управляемость | Неуправляемый: Plug-and-play, низкая стоимость. Управляемый (Smart, Managed): Настройка, диагностика, функции резервирования. |
| Сетевые протоколы резервирования | RSTP (восстановление ~1-2 с), MRP (для Profinet, <200 мс), PRP (нулевое время восстановления). Обязательны для ответственных контуров управления. |
| Степень защиты корпуса | IP30 для щитового монтажа, IP40/IP67 для установки непосредственно на объекте (цех). |
| Напряжение питания | 24 В DC (стандарт), реже 110/230 В AC. Важна устойчивость к провалам и перенапряжениям. |
3. Применение и практические аспекты
3.1. Для кабельных концентраторов:
3.2. Для сетевых концентраторов:
Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)
В1: Можно ли использовать обычный офисный коммутатор в промышленной сети?
Ответ: Не рекомендуется для критически важных применений. Офисные коммутаторы не рассчитаны на экстремальные температуры, вибрацию, электромагнитные помехи промышленных объектов. Они, как правило, не поддерживают необходимые протоколы резервирования (RSTP, MRP) и имеют питание 230В AC, что менее надежно в условиях провалов напряжения.
В2: В чем принципиальная разница между шиной N и PE в распределительном щите?
Ответ: Шина нулевого рабочего проводника (N) предназначена для протекания рабочего тока нагрузки. Шина защитного заземления (PE) служит исключительно для целей безопасности, соединяя открытые проводящие части электроустановки с заземляющим устройством. После главной заземляющей шины (ГЗШ) эти проводники не должны соединяться. Их разделение является основным требованием системы заземления TN-S.
В3: Как правильно выбрать сечение проводников, подключаемых к клеммам кросс-модуля?
Ответ: Сечение входящих и отходящих проводников должно соответствовать номинальному току кросс-модуля и рассчитываться по допустимому длительному току нагрузки с учетом условий прокладки. Нельзя подключать провод сечением 1.5 мм² к клемме, рассчитанной на 100А. Одновременно, номинал защитного аппарата (автоматического выключателя) перед концентратором должен быть равен или меньше номинального тока концентратора.
В4: Что важнее при выборе управляемого коммутатора для решающих контуров управления: поддержка Gigabit Ethernet или протоколов резервирования?
Ответ: Безусловно, приоритет имеют протоколы резервирования с гарантированным временем восстановления (MRP, PRP). Для большинства дискретных и непрерывных процессов скорость 100 Мбит/с является достаточной. Отказоустойчивость сети напрямую влияет на безаварийность и безопасность технологического процесса.
В5: Требуется ли дополнительная защита для кабельного концентратора, установленного на улице в корпусе IP65?
Ответ: Степень защиты IP65 гарантирует полную защиту от пыли и струй воды. Однако корпус должен быть сертифицирован для соответствующих климатических условий (УХЛ1, УХЛ2 и т.д.). Дополнительно необходимо обеспечить защиту от прямых солнечных лучей (УФ-излучения), если корпус не устойчив к нему, и предусмотреть меры против образования конденсата внутри (специальные дыхательные клапаны, осушители).
Заключение
Концентраторы, как в форме кабельных кросс-модулей и шин, так и в виде промышленных сетевых коммутаторов, являются фундаментальными компонентами современных электротехнических и автоматизированных систем. Их корректный выбор, основанный на понимании номинальных параметров, условий эксплуатации и функциональных требований, определяет надежность, безопасность, ремонтопригодность и масштабируемость всей установки. Проектировщику и инженеру необходимо четко разграничивать области применения этих устройств, руководствуясь актуальными стандартами и технической документацией производителей.