Основанием для статьи послужил конкретный вопрос конкретного пользователя системы видеонаблюдения о причинах периодического отключения камер у него на объекте. Причем совершенно различных камер. С последующим самовосстановлением их работоспособности.
Абсолютное большинство моих статей, в той или иной степени, касаются именно вопросов обеспечения стабильности работы и отдельно видеокамер, и системы в целом. Но поставленный вопрос носит достаточно типовой характер.
И он связан, скорее всего, со сбоями в системе питания или неграмотном ее построении. А посему мы решили посвятить данную статью именно этой теме. Рынок, широко предлагая клиенту сверхсовременные разработки, оставляет своего потребителя в полном неведении относительно самых базовых понятий, без которых в любом случае невозможна реализация никаких, пусть и самых инновационных, технологий. К одному из таких базовых понятий и относятся вопросы питания.
Итак, говорим о всепогодных видеокамерах. То есть камерах в гермобоксах.
На сегодняшний день такие камеры (а точнее, гермобоксы для них) по питанию подразделяются на:
- гермобоксы с питанием от первичных линий 220 В;
- гермобоксы с питанием от вторичных линий +12 В или +24 В (~24 В);
- гермобоксы с питанием РоЕ.
Рассмотрим все варианты с точки зрения целесообразности их применения в зависимости от условий.
И для начала основные моменты для общего понимания.
Собственно видеокамера, которая устанавливается в гермобокс (или просто в некий корпус для внутренней установки), — это слаботочная аппаратура, требующая для своей работы подачи стабилизированного питания 12 В постоянного тока. В действительности, конечно, камера может питаться напряжением, укладывающимся в некий диапазон. В зависимости от конкретной модели, диапазон этот в среднем ~ 8–13,5 В.
Таким образом, схема подключения видеокамеры по линии питания от нашей сети ~220 В будет выглядеть следующим образом (рис. 1). Питание РоЕ мы пока не рассматриваем.
Рис. 1. Общие правила подключения питания видеокамеры
В зависимости от того, что из этой схемы мы решили поместить в гермобокс, а что оставить за его пределами в виде отдельных устройств, мы и получим конкретный тип гермобокса для всепогодной камеры (рис. 2–4).
Но, переходя уже к гермобоксу, в нашу схему в обязательном порядке включается еще один обязательный элемент — система обогрева. И очень ощутимым образом. Потому что мощность, потребляемая этой системой, может на порядки превосходить мощность, потребляемую непосредственно видеокамерой. И именно система обогрева будет определять необходимую мощность блока питания в нашей схеме.
Рис. 2. Гермобокс с питанием +12 В
Рис. 3. Гермобокс с внешним питающим напряжением +24 В
Рис. 4. Гермобокс с внешним питанием ~220 В
Гермобокс с питанием +12 В
Самый простейший и самый дешевый вариант — гермобокс с питанием +12 В.Это всепогодные видеокамеры минимального размера с минимальной потребляемой мощностью. Непосредственно в гермобоксе устанавливаются только сама видеокамера и система обогрева.
Блок питания с выходным напряжением +12 В представляет собой отдельное устройство. Всепогодная видеокамера в гермобоксе питается вторичным напряжением +12 В, подаваемым с этого блока питания. Этим же напряжением питается и система обогрева гермобокса. Есть очень важный момент в такой системе. Подаваемое напряжение с этого блока питания должно быть стабилизированным. Если мы установим стабилизатор внутри гермобокса и будем подавать на него нестабилизированное напряжение с блока питания +12 В, то потери на линейном стабилизаторе (привычная нам всем «кренка») вполне могут доходить до 3 В. И сама камера, даже если и способна работать от питающего напряжения +9 В, все время будет на пределе возможного — и стабильной такую работу никак назвать не получится. Поэтому применяемый с подобными камерами блок питания должен иметь стабилизатор в составе собственной схемы и выдавать на выходе стабилизированное питание +12 В. Такой блок питания, конечно, дороже. Инсталляторы зачастую не задумываются над этим моментом. Поясню. Замеряя выходное напряжение тестером на выходе дешевого блока питания, мы получаем его среднее значение, вполне соответствующее требуемому. А в реальности такой блок питания выдает на выходе «пилу», и амплитудные значения выходного напряжения остаются неизвестными. Никто не гарантирует, что и средние значения не будут иметь критических для камеры отклонений во время работы, и значения эти уже никто не контролирует. Это вполне может явиться и причиной нестабильности работы видеокамеры, и выхода ее из строя.
Но даже при соблюдении всех требования подачи стабилизированного питания происходят сбои в работе камер, выражающиеся в периодическом отключении выходного сигнала с них с последующим самовосстановлением работоспособности на некоторый срок. А потом вновь отключение. Особенно часто это проявляется в холодное время года и связано с типовой ошибкой инсталлятора, забывающего о падении напряжения в линии вторичного питания.
Итак, есть вполне конкретная проводная линия от правильного стабилизированного блока питания до непосредственно гермобокса, в котором установлены сама камера и система обогрева. Есть конкретная протяженность этой линии —
L, есть вполне конкретное сечение провода линии вторичного питания — S, есть удельное сопротивление проводника — ρ.А значит, есть совершенно конкретное сопротивление этой линии — R. R = ρ х L/S.
И нередко так бывает, что блок питания устанавливается за сотню метров от камеры, а линия вторичного питания выполнена кабелем сечением 0,5 мм2. И при построении и сдаче системы летом все исправно работало. Пока не работала система обогрева, потому что ток потребления всей камеры в гермобоксе составлял всего-то около 60 мА, и падение напряжения в линии вторичного питания от блока питания до камеры ΔU = I х R — тоже было совершенно незаметным.
Но настали холода, и потребовалась уже работа системы обогрева. И если сама камера потребляет ток в 60 мА, то система обогрева вполне может потреблять и 600 мА, то есть в 10 раз больше. Плюс еще все те же 60 мА от камеры. Соответственно, и падение напряжение в линии вторичного питания увеличится в 10 раз. В результате на входе в камеру имеем напряжение U= 12В – I x R, где I — суммарный ток потребления (собственно камерой и системой обогрева. И если инсталлятор это не учитывает, то оставшегося напряжения просто не хватает для питания собственно камеры — камера перестает работать. Система же обогрева продолжает работать, и при достижении внутри бокса заданной температуры обогрев отключается. Общее потребление тока и, соответственно, напряжение в линии резко падает (для нашего примера в 10 раз); подаваемое на камеру напряжение увеличивается до рабочего, и камера возобновляет свою работу до следующего включения системы обогрева, после чего весь цикл повторяется.
Как же решить эту типичную ситуацию для всепогодных видеокамер с внешним питающим напряжением 12 В? На общий ток потребления инсталлятор повлиять никак не может. Значит, должен озадачиться вопросами снижения сопротивления линии. То есть грамотно определять ее длину в зависимости от сечения. Или выбирать кабель нужного сечения под заданную длину. Но может так случится, что при больших длинах потребуется сечение, выходящее за рамки здравого смысла.
Чем больше объем гермобокса, тем больше энергии требуется на его обогрев. Соответственно, тем больше потребуется мощность системы обогрева. А значит, пропорционально будет расти ток, потребляемый этой системой и всепогодной камерой в целом, и потери в линии. Линию придется делать еще короче или брать кабель еще большего сечения. С увеличением нижнего рабочего отрицательного предела всепогодной камеры также потребуется увеличить мощность обогревателя с теми же последствиями.
Тем не менее, в силу своей исключительной простоты и минимальной цены такие гермобоксы находят свое вполне обоснованное применение. В первую очередь это касается простейших камер с минимальными габаритными размерами, требующие для своего превращения во всепогодные, и небольших размеров гермобоксы. Камеры с умеренными ограничениями по нижнему температурному пределу, не требующие большой мощности для обогрева внутреннего объема. Камеры с небольшими длинами кабельных трасс.
Если это камера, устанавливаемая далеко от поста наблюдения, то блок питания должен располагаться на небольшом расстоянии от нее, а питание на этот блок должно подаваться от линии первичного питания 220 В. Конечно, в этом случае потребуется климатическая защита и самого блока питания. Если это импульсный блок питания (а сейчас они на рынке практически все такие), то может потребоваться и обогрев самого блока питания, то есть установка его, как минимум, в обогреваемой коробке. Но помимо вашего блока питания в этом случае найдется еще немало «претендентов» на такую дополнительную климатическую защиту — это и защитные устройства, и устройства передачи сигнала и проч.
Мы начинали свою производственную деятельность на рынке с выпуска именно таких всепогодных камер. С внешним питающим напряжением +12 В и нижним отрицательным рабочим пределом в минус 40°С. Однако, именно падения напряжения в линии вторичного питания, которые никак не хотели в основной своей массе учитывать наши потребители, и описанные выше связанные с этим проблемы заставили нас перейти к производству гермобоксов с внешним питающим напряжением +24 В как основной позиции, как наиболее универсальных в применении. Кроме того, требовалось массовое увеличение диапазона рабочих температур в сторону отрицательных значений.
Гермобокс с внешним питающим напряжением +24 В
Для такого гермобокса, в отличие от 12-вольтовой схемы питания, стабилизатор питающего напряжения перемещается из блока питания внутрь бокса. Во-первых, он теперь в схеме однозначно присутствует, независимо от желания или нерадивости инсталлятора. Во-вторых, радиатор «кренки» у нас теперь дополнительно участвует в общей схеме обогрева, а не бесплатно отапливает атмосферу.
А самое главное, с блока питания во вторичную линию питания всепогодной камеры подается не 12, а 24 В. Поскольку стабилизатор в схеме уже есть, напряжение с блока питания подается нестабилизированное. Как частный случай, есть гермобоксы с переменным внешним питающим напряжением 24 В. В таком варианте в схеме дополнительно еще участвует выпрямитель, также установленный в гермобоксе. Отдельно мы эту схему подробно разбирать не будем. Тем более, что применение таких камер (гермобоксов) однозначно определяется наличием централизованного питания 24 В на объекте.
Главное, наличие стабилизатора с одной стороны допускает достаточно широкий разброс напряжений, подаваемых с блока питания на гермобокс, строго обеспечивая подачу непосредственно на установленную в него камеру требуемых 12 В. Кроме того, системе обогрева стабилизированного напряжения не требуется, и она питается непосредственно от блока питания напряжением 24 В за вычетом падения напряжения в линии. Напряжение питания увеличивается практически вдвое (за вычетом потерь). Значит, при той же мощности обогрева потребляемый ток уменьшится почти вдвое. То есть только за счет повышения внешнего питающего напряжения до 24 В мы почти вдвое уменьшим падение напряжения в линии, а значит, саму линию вторичного питания можем пропорционально «безболезненно» еще увеличить. Или же увеличить мощность обогрева как для увеличения внутреннего обогреваемого объема, так и для снижения нижнего отрицательного рабочего предела.
Из нашего опыта, при прокладке вторичного питания кабелем ШВВП 2 х 0,75 для всепогодной камеры с максимальной потребляемой мощностью 18 Вт при длине линии до 150 м вопросами падения напряжения можно вообще не озадачиваться. Но при этом устанавливать блок питания далее смысла нет. Подобные линии подвержены воздействию опасных наведенных напряжений как по линии сигнала, так и по линии питания, и установка защитной аппаратуры потребуется, скорее всего, гораздо ближе к камере. Передача по коаксиальному кабелю на больших расстояниях возможна будет связана с влиянием всевозможных помех, то есть потребуется установка специальной аппаратуры передачи. Если говорить об IP-камерах, то для передачи по линии Ethernet по «витым парам» все ограничится максимальными дальностями в 100 м без установки дополнительной аппаратуры — как минимум, удлинители интерфейса, а скорее всего, сетевые коммутаторы. И опять-таки потребуется защитная аппаратура. И вся такая аппаратура потребует в основной своей массе не просто коммутационный шкаф, а аппаратуру климатической защиты. И блок питания в подобную аппаратуру защиты элементарно устанавливается в самом простом своем исполнении — просто на din-рейку. А питание самой аппаратуры климатической защиты осуществляется уже от линии первичного питания 220 В. Вот от нее же, в самой этой аппаратуре климатической защиты (для аналоговых систем еще можно ограничиться обогреваемыми гермокоробками, а для IP-систем это уже исключительно термошкафы самых различных размеров), и будет подано питание на блок питания собственно видеокамеры.
Подобная схема с большим запасом входной мощности позволяет делать гермобоксы под практически все массовые модели камер и объективов, представленных на рынке, с диапазоном рабочих температур от -60°С, а то и ниже.
Гермобокс с внешним питанием 220 В
Переходим к следующему варианту. А именно, все элементы схемы на рисунке 1 засовываем в сам гермобокс: и блок питания, и стабилизатор, и саму камеру с объективом. И получаем всепогодную видеокамеру с внешним питанием 220 В.
Система обогрева может питаться и выходным напряжением встроенного блока питания, и, как вариант, непосредственно от 220 В. Казалось бы, все просто. Запаса мощности хоть отбавляй. Снята масса вопросов и проблем. Никаких падений напряжения в линии вторичного питания учитывать не надо. Хотя, справедливости ради, и для линии в 220 В при огромных протяженностях трасс и большом количестве потребителей падение напряжения даже в первичной линии питания учитывать надо. И в нашей практике был такой случай — при оснащении периметра в 7,5 км большим количеством камер. Но такие объекты — редкость. К тому же, с того момента прошло много времени, блоки питания с трансформаторных поменялись на импульсные, допускающие очень большой разброс входных напряжений, особенно в сторону уменьшения, что сегодня бы для нас на том объекте никаких проблем не создало бы. Но грамотный выбор сечения магистрального питающего кабеля все равно остается задачей всегда актуальной для любого объекта и любого оборудования. Нет вопросов с местом установки блока питания и его климатической защитой — он сам обогревается системой обогрева гермобокса. Есть всего две клеммы подключения, к которым надо просто подсоединить два провода магистрали 220 В, и камера заработала. Остается только работать с выходным сигналом. Тем не менее, всякий раз следует полностью и всесторонне осмыслить ситуацию, а не поддаваться первоначальному соблазну, на котором как раз будет играть рынок продаж таких гермобоксов.
Для наглядности отмечу: несмотря на то, что гермобоксы с входным питающим напряжением 220 В мы постоянно имеем в ассортиментной линии нашего производства, ни на одном из оснащенных нами объектов за очень приличный многолетний срок ни одной подобной камеры мы сами не установили. И на то есть целый ряд объективных причин.
Начнем с того, что нередко на объектах или в каких-то отдельных его частях просто не допускается прокладка высоковольтного напряжения. Если говорить, например, о взрывопожароопасных объектах, то при требуемом классе защиты 0Ex никаких линий с напряжением 220 В быть не может. Но даже не касаясь вопросов взрывобезопасности, всегда не вредно поинтересоваться относительно допустимости прокладки высоковольтных линий, а также каких-то дополнительных требований к ним. Ну а если уж ведется такая прокладка, вестись она должна в строгом соответствии со всеми техническими требованиями надзорных органов. Может потребоваться и наличие специального допуска у персонала, ведущего монтаж системы с подобным оборудованием. Во всяком случае, мы в свое время, ведя монтаж систем видеонаблюдения исключительно в ее слаботочном виде, всегда писали в техническом задании фразу: «Заказчик обеспечивает подключение аппаратуры в сеть 220 В +10/-15%, 50 Гц».
Поскольку гермобокс выполнен из металла, и непосредственно в нем осуществляется подключение к линии питания 220 В, по требованиям электробезопасности от должен иметь защитное заземление. На самом боксе клемма заземления есть. А вопрос, как будет производиться само заземление в месте установки камеры, уже имеет техническое решение еще до момента приобретения самой камеры? И как должно выполняться такое заземление, монтажники знают?
Очень часто отказы в работе видеокамеры связаны со сбоями и авариями в общей системе электропитания. Страдает при этом в первую очередь блок питания, установленный в гермобоксе. А значит, при подобной неисправности придется снимать всю камеру со штатного места и вскрывать гермобокс. Были в нашей практике случаи, когда блок питания буквально сгорал из-за аварийных ситуаций в системе электропитания. Но в наших случаях блок питания был установлен отдельно. Если бы блоки питания были установлены в одном гермобоксе с камерами, последние потребовали бы полной замены. Скорее всего, вместе с гермобоксами.
Ну и всегда надо помнить и учитывать, что магистральная аппаратура для любой камеры в системе блоком питания не ограничивается. А для варианта со встроенным блоком питания тем более.
На каждое ответвление линии питания к каждой камере должен быть в обязательном порядке установлен автоматический выключатель. В противном случае при любых ремонтно-профилактических работах даже с какой-то одной камерой системы придется отключать питание всей системы, оставляя весь объект без видеонаблюдения на все время таких работ.
С одной стороны, высоковольтное питание камеры позволяет организовывать большие протяженности кабельных трасс. С другой стороны, чем больше такая протяженность, тем выше риск возникновения в линии опасных наведенных напряжений. И актуальность защитной аппаратуры более чем очевидна. Причем, возможно, что потребуется защитная аппаратура не только третьего класса, а и второго, и защита от перенапряжений. Плюс ранее уже упоминавшаяся защитная и магистральная аппаратура для сигнальной линии. И автоматические выключатели, и защитную аппаратуру, даже просто клеммы подключения к общей магистрали, надо где-то разместить и защитить от внешней среды. А то и обеспечить климатическую защиту в зависимости от конкретных условий. И опять обязательными элементом построения системы становятся монтажные гермокоробки, а то и термошкафы.
То есть главный, казалось бы, довод относительно встроенного в гермобокс блока питания серьезной актуальностью не обладает. И даже напротив, при необдуманном таком выборе способен создать дополнительные трудности для инсталлятора в сравнении с вариантом выносного блока питания.
Вероятно, в список обоснованного выбора могут попасть видеокамеры с относительно короткими длинами кабельных трасс, не подверженные влиянию опасных наведенных напряжений или наводимых помех с имеющимся высоковольтным питанием вблизи мест установки. Или же питание гермобоксов, требующих большие мощности для обогрева — боксы большого размера для каких-то специализированных камер, боксы для экстремально низких температур.
Гермобокс с питанием РоЕ
А теперь переходим к рассмотрению всепогодных камер с питание РоЕ. Достаточно подробно тему питания по технологии РоЕ можно изучить на нашем сайте в материалах статей. Здесь остановимся на самых основных, принципиальных моментах. Итак, РоЕ — передаем питание вместе с Ethernet по одному кабелю.
Питание может передаваться как по свободным парам в кабеле, если таковые остались, так и по тем же самым, что задействованы непосредственно для линии Ethernet. Принципиального отличия нет, есть отличия только в самой схеме устройств реализации. Наиболее часто для передачи питания задействуются две пары, но могут быть задействованы и четыре, в зависимости от требуемой мощности питания. Суть технического решения PoE — передача именно мощности. Помимо источника питания и собственно потребителя в схему включаются еще два устройства — инжектор и сплиттер (рис. 5).
Рис. 5. Основные элементы PoE
Самые главные функции инжектора и сплиттера — управление передачей мощности. При подключении сплиттера на другом конце линии сначала происходит определение подключения инжектором. С инжектора подается напряжение от 2,8 до 10 В в зависимости от конкретного стандарта. Если подключение на другом конце соответствует тому же стандарту, далее происходит процесс классификации подключения. Сплиттер «информирует» инжектор о той мощности, которую ему необходимо выдать потребителю, и если эта мощность укладывается в параметры, которые инжектор способен выдать (с учетом, конечно, потери мощности в линии), происходит подача полного напряжения в линию. Если же устройство инжектором не опознано или требуемая мощность не может быть обеспечена, происходит отключение линии. После разделения линий в сплиттере его выходное напряжение подается на DC/DC-преобразователь, на выходе которого имеем напряжение, требуемое для оконечной аппаратуры. Импульсный DC/DC-преобразователь имеет очень высокий КПД, позволяющий пренебречь потерями на самом преобразователе.
Итак, все, казалось бы, совершенно замечательно. Ни о чем не надо думать. Необходим всего один единственный кабель на все нужды — и для Ethernet, и для питания. Однако всегда помним главный закон мироздания — сумма удовольствий равна const. Применение РоЕ в системах IP-видеонаблюдения объективно накладывает жесткие ограничения и имеет свои объективные, помимо плюсов, минусы.
Максимальная дальность передачи не может составлять более 100 м, что регламентировано стандартом Ethernet. В ряде случаев для потребителей сравнительно большой мощности эта максимальная дальность сокращается в 2 раза, то есть составляет 50 м. Существуют удлинители линии РоЕ (вместе с удлинителями Ethernet), однако, для пассивных устройств вместе с увеличением длины линии возрастает и дальнейшая потеря мощности на ней (инжектор может просто отключить такую линию при недостаточной выдаваемой мощности). Есть и активные устройства, то есть требующие подачи на них внешнего питания. Но при наличии такового вся идея теряет практический смысл для систем видеонаблюдения.
Очень существенное ограничение применительно к системам видеонаблюдения — невозможность использования питания для нескольких устройств. Один порт — одно устройство.
Необходимо тут же отметить проблемы резервирования питания, если таковое необходимо. Резервировать придется исключительно все внешнее питание. Установкой «бесперебойников» на местах проблему решить не удастся.
И, пожалуй, самое главное объективное ограничение, накладываемое РоЕ, — это ограничение по мощности питаемых устройств. Больше 60 В напряжения по кабелю UTP/FTP передавать просто нельзя. Передаваемый ток можно снижать, но отнюдь не до бесконечности. Между тем нынешние системы в связи с ростом предъявляемых к ним требований, напротив, наращивают потребляемую мощность — ИК прожекторы, сами IP-камеры (да еще с устройствами обработки и записи «на борту»), длиннофокусные объективы, требующие обогреваемых боксов больших размеров, поворотные платформы под солидные нагрузки и т.п. Да и требуемые для абсолютного большинства наших внешних объектов рабочие климатические условия «работают» далеко не в пользу РоЕ. Так, например, для одной купольной IP-видеокамеры в руководстве по эксплуатации прямо указано, что организация питания по РоЕ возможна только при нижнем температурном пределе -30°С. В случае, если нижний температурный предел составляет -50°С, питание к камере должно быть подведено отдельно.
Теперь переходим непосредственно к гермобоксам, предназначенным для подключения к линии РоЕ и установки в них IP-камер, питающихся от отдельной линии +12 В или тоже по стандарту РоЕ. Принципиальная схема гермобокса, питающегося по стандарту РоЕ с отдельной линией питания устанавливаемой IP-камеры, выглядит следующим образом (рис. 6).
Рис. 6. Гермобокс с питанием PoE для IP-видеокамер 12 В
На входе линии Ethernet +Pинж. установлен сплиттер, в котором происходит разделение на линию Ethernet и линию питания U-ΔU. Непосредственно с нее забирается мощность на обогрев, а также подается питание на DC/DC-преобразователь, с которого уже стабилизированное питание +12 В подается на IP-видеокамеру. Сетевой выход соединяется с выходом Ethernet сплиттера. Сегодня если не все, то почти все IP-камеры имеют возможность непосредственного подключения к линии РоЕ. Поэтому данная схема с раздельным подключением питания к камере стремительно теряет свою популярность на рынке при использовании технологии РоЕ для всепогодных видеокамер. Раз уж решили воспользоваться технологией РоЕ, имеет смысл реализовывать ее в полном объеме. Основная масса гермобоксов, предназначенных для подключения IP-видеокамер с питанием по стандарту РоЕ, имеют принципиальную схему, показанную на рисунке 7. По-прежнему со сплиттера отбирается часть мощности (большая ее часть) на обогрев, а оставшаяся мощность подается на установленный тут же второй инжектор (первым считаем инжектор в начале всей линии РоЕ). Подключение непосредственно камеры к линии будет выполнено полноценно, с реализацией всех функций обмена данными между потребителем, инжектором и сплиттером.
Рис. 7. Гермобокс с питанием PoE для IP-видеокамер PoE
Бесспорно, и сама технология, и гермобоксы для всепогодных видеокамер, подключаемых по технологии РоЕ, имеют свои совершенно оправданные ниши применения. Если говорить о каких-то серьезных объектах, то вполне могут быть оправданы подключения «звездой» к установленным вдоль общей сигнальной (и силовой) магистрали сетевым коммутаторам по технологии РоЕ, когда это укладывается в общую концепцию построения системы. Главное, чтобы оборудование выбиралось под требуемую концепцию, а не система строилась под популярное оборудование. В целом же основными потребителями данной технологии останутся небольшие локальные объекты — офисы, магазины, малые внешние территории и т.п.
Рынок сегодня может предоставить абсолютно все, что будет востребовано. Главное, чтобы потребитель диктовал рынку свои условия, исходя из необходимых ему решений, а не шел на поводу желаний рынка. Будьте уверены, если ваши незнания позволяют рынку реализовывать свои собственные интересы, он этим непременно воспользуется.
Попов Александр Леонидович, компания «Тахион»