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.

1.2. Классификация и типы

Кабельные концентраторы классифицируются по нескольким параметрам:

По назначению:

• 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).

По конструкции:

• 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.

Сравнительная таблица типов кабельных концентраторов

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

• 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.

2.2. Критерии выбора промышленного сетевого концентратора (коммутатора)

Ключевые параметры выбора промышленного 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:

• 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.

3.2. Для сетевых концентраторов:

• 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.

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.