Opracowanie - Instytut Łączności

Zakład Systemów Zasilania (Z-5)
System Nadzoru, Monitoringu i Sterowania (SNMS)
rozproszonych siłowni telekomunikacyjnych
wykorzystujących odnawialne i inne źródła energii.
Praca nr 05300018
Warszawa grudzień 2008
System Nadzoru, Monitoringu i Sterowania (SNMS) rozproszonych siłowni telekomunikacyjnych
wykorzystujących odnawialne i inne źródła energii.
Praca nr 05300018
Słowa kluczowe (maksimum 5 słów): systemy nadzoru, monitoring, ogniwa paliwowe
Kierownik pracy: dr inż. Robert Adam Samborski
Wykonawcy pracy:
dr inż.
mgr inż.
mgr inż.
technik
Robert
Edward
Maciej
Krzysztof
Samborski
Chrustowski
Kozyra
Kanicki
Z5
Z5
Z5
Z5
Kierownik Zakładu: inż. Paweł Kliś
© Copyright by Instytut Łączności, Warszawa grudzień 2008
2
Spis treści
1. Wstęp................................................................................................................................................4
2. Telekomunikacyjny system zasilania gwarantowanego współpracujący z ogniwami paliwowymi
zasilanymi wodorem PEMFC...............................................................................................................5
3. Układ sterowania nadrzędnego.........................................................................................................6
3.1. Narzędzia wspomagania programowania. Środowisko programowe.......................................6
4. Dostosowanie oprogramowania systemu siłowni do nowej konfiguracji pracy...............................7
4.1 Opis menu nowego układu sterowania......................................................................................7
5. Wnioski...........................................................................................................................................10
6. Bibliografia.....................................................................................................................................11
3
1. Wstęp
Niniejsza praca jest bezpośrednią kontynuacją badań nad zastosowaniem nowoczesnych
źródeł elektrochemicznych w telekomunikacyjnych systemach zasilania gwarantowanego [1][2]
Zastosowanie ogniw paliwowych zasilanych wodorem w telekomunikacyjnym systemie zasilania
gwarantowanego pociąga za sobą konieczność zastosowania dodatkowych urządzeń
energoelektronicznych które dostosowują jakość energii wytwarzanej w ogniwie paliwowym do
poziomu wymaganego przez telekomunikacyjny system zasilania. Pojawia się tutaj jednocześnie
szereg zjawisk związanych z monitoringiem, kontrolą i sterowaniem tymi urządzeniami. Dobór
właściwych parametrów sterowania i kontroli tych urządzeń odgrywa bardzo istotną rolę z punktu
widzenia niezawodności systemu zasilania urządzeń telekomunikacyjnych.
Celem niniejszej pracy jest opracowanie sterownika, telekomunikacyjnego systemu zasilania
współpracującego z ogniwami paliwowymi zasilanymi wodorem PEMFC. [1]. Sterownik ten ma w
sposób automatyczny realizować sekwencje startową wszystkich urządzeń która w obecnej wersji
systemu nie jest zrealizowana.
4
2. Telekomunikacyjny system zasilania gwarantowanego
współpracujący z ogniwami paliwowymi zasilanymi wodorem
PEMFC.
W zrealizowanym modelu systemu zasilania [1] wykorzystano dwa moduły kompletnych
baterii (stosów) ogniw paliwowych Nexa. Układ współpracujący z ogniwami paliwowymi ma
strukturę zbliżoną do urządzenia typu UPS. Schemat eksperymentalnego systemu zasilania
przedstawiono na rysunku 1.
System składa się z następujących podzespołów: - stosu ogniw paliwowych zasilanych wodorem
Nexa FC, przetwornicy DC/DC, przetwornicy DC/AC, siłowni telekomunikacyjnej, baterii
akumulatorów, elektronicznego układu obejściowego. BE.
H2
DC
DC
FC
DC
O2
AC
230VAC
Sieć
elektroenergetyczna
BE
AC
DC
Robc
Układ siłowni
zasilającej urządzenia
telekomunikacyjne
Rysunek 1. Schemat blokowy eksperymentalnego systemu zasilania
współpracującego z ogniwem paliwowym PEMFC
Działanie instalacji modelowej jest następujące, Po zaniku sieciowego napięcia zasilającego
następuje przełączenie siłowni telekomunikacyjnej na wyjście przetwornicy (falownika) zasilanej z
baterii ogniw paliwowych. Jednocześnie następuje rozruch baterii ogniw paliwowych, który trwa
ok. 50 s.
W czasie rozruchu baterii ogniw paliwowych odbiorniki telekomunikacyjne zasilane są z baterii
siłowni telekomunikacyjnej. Po uruchomieniu stosu ogniw paliwowych siłownia telekomunikacyjna
zasilana jest poprzez przetwornicę DC/AC napięciem przemiennym, o parametrach takich jak w
normalnej sieci elektroenergetycznej niskiego napięcia przemiennego 230V AC. Warunkiem
koniecznym dla bezprzerwowego zasilania odbiorników telekomunikacyjnych jest założenie aby
bateria akumulatorów siłowni telekomunikacyjnej zapewniała czas podtrzymania zasilania nie
krótszy niż 5 min. Założono, że przełączenie siłowni ponownie na pracę z sieci
elektroenergetycznej następuje w czasie krótszym niż 20 ms co teoretycznie nie wpływa na pracę
siłowni telekomunikacyjnej.
Aby kontrolować w sposób właściwy parametry sieci elektroenergetycznej i możliwie
szybko reagować na stany awaryjne korzystne jest zastosowanie sterownika w systemie
przedstawionym na rysunku nr 1. Jego rola ma polegać na kontroli parametrów napięcia
zasilającego sieciowego. W przypadku awarii sieci sterownik ten ma uruchomić ogniwa paliwowe
oraz przetwornice DC/DC i DC/AC a także sterować pracą układu obejściowego BE.
Na rysunku numer 2 przedstawiono schemat nowego systemu zasilania z uwzględnieniem
dodatkowego sterownika.
5
DC
FC
H2
DC
O2
DC
AC
BE
Układ sterowania
nadrzędnego
230VAC
Sieć
elektroenergetyczna
AC
DC
Robc
Układ siłowni
zasilającej urządzenia
telekomunikacyjne
Rys. nr 2. Schemat nowego systemu zasilania z uwzględnieniem zewnętrznego sterownika.
Kolejną istotną funkcją dodatkowego układu sterowania są funkcje kontrolno monitorujące. Układ
ten podłączony jest do wszystkich bloków awaryjnego systemu zasilania napięcia przemiennego
230V AC. Możliwe jest więc przekazywanie sygnałów kontrolno pomiarowych za pomocą
określonej magistrali (interfejsu) w celu zdalnego monitoringu pracy układu.
3. Układ sterowania nadrzędnego.
3.1. Narzędzia wspomagania programowania. Środowisko programowe.
W procesie projektowania i uruchamiania oprogramowania sterownika siłowni z ogniwami
paliwowymi wykorzystano środowisko programowe na licencjami typu GPL (ang. General Public
Licence) oraz pakiety narzędzi programistycznych typu Open Source. Są to:
•
•
•
•
Środowisko oprogramowania WinARM, które jest zbiorem różnych narzędzi do
projektowania aplikacji z procesorami ARM w języku C i C++ w platformie MS-Windows.
Środowisko programowe GNU ARM – zbiór narzędzi do projektowania aplikacji
programowych dla różnych typów procesorów. Środowisko to emuluje również platformy
Linux.
Środowisko programowe Cygwin - zbiór narzędzi ( wzorowanych na pakietach środowiska
Linux) do projektowania aplikacji programowych, w tym narzędzia do edytowania i
uruchamiania plików wsadowych dla środowiska GNU ARM.
Pakiet OpenOCD – obejmuje zbiór narzędzi do programowania, debugowania i testowania
pamięci kontrolerów ARM7 oraz ARM9. W procesie programowania pamięci jest używany
interfejs typu JTAG. Procedury OpenOCD wspierają między innymi interfejsy równoległe
typu wiggler oraz interfejsy typu FTDI FT2232 wykorzystujące urządzania typu USB.
Przedstawione środowisko programowe umożliwia projektowanie przede wszystkim w
systemach operacyjnych Linux oraz systemach operacyjnych MS-Windows. Obejmuje kompilatory
języka C, C++, asemblery dla wielu typów procesorów, bogaty zestaw bibliotek ogólnego
przeznaczenia oraz bibliotek matematycznych. Są dostępne zintegrowane pakiety wspomagania
oprogramowania, np. Eklips Anjuta lub Programmers Notepad 2, CAPS.
6
4. Dostosowanie oprogramowania systemu siłowni do nowej
konfiguracji pracy.
Pierwsza wersja oprogramowani siłowni została opracowana w środowisku programowym,
które uniemożliwia dalszy rozwój oprogramowania sterownika siłowni (brak nowych bibliotek,
konieczność stosowania drogich i mało skutecznych programatorów pamięci flash). Została podjęta
decyzja o zastosowaniu środowiska programowego przedstawionego w poprzednim punkcie.
Wymagało to przepisania oprogramowania oraz jego modernizacji polegającej między innymi na
zastosowaniu nowych bibliotek (w tym bibliotek formatowanego wydruku na konsoli operatora),
opracowaniu nowych procedur obsługi przerwań sprzętowych, opracowania nowych plików
wsadowych realizujących kompilację, asemblację, linkowanie oraz programowanie pamięci flash.
W ramach zmian koncepcji i wprowadzeniu nowych procedur sterowania podzespołami
siłowni zostały opracowane i uruchomione procedury realizujące funkacje dodatkowego
sterownika:
•
•
•
•
Pomiar i kontrola napięcia wyjściowego ogniw paliwowych
Procedura załączania przetwornicy siłowni i sterowanie układem obejściowym
Funkcja programowania progu napięcia załączania przetwornicy – konsola operatora
sekwencyjne złączanie przetwornic AC/DC i DC/DC
4.1 Opis menu nowego układu sterowania
Komunikacja pomiędzy układem sterowania a operatorem odbywa się za pośrednictwem
łącza szeregowego RS-232 i dowolnego programu terminalowego zgodnego ze standardem VT-100.
Prędkość transmisji to 9600 bps -8bit N 1 (bez bitu parzystości jeden bit stopu)
Po włączeniu zasilania układu sterowania (po resecie) wyświetlone zostanie następujące menu
użytkownika:
Menu podstawowe:
----------------------------------------------Komputer pokladowy Z5 @05/06
Wersja Flash 0202-08/_01 9600 bit
SoftStart
----------------------------------------------Menu Pomocy 'm'
't' T
- okres probkownia
'i' Ti
- stala calkowania
'd' Td
- stala rozniczkowania
'k' Kp
- wzmocnienie calego regulatora
'p' kpid - wzmocnienie czlonu proporcjonalnego
'q' Horyzont - zakres horyzontu (max=2049)
'm' menu
'z' Max - maksymalny zakres regulatora
'f' Wartosc zadana napiecia 'y' Zapis nastaw regulatora PID
'j' Odczyt ustawien regulatora PID z FLASH
',' PWM0
7
'.' PWM1
';' PWM2
''' PWM3
'S'' Start/Stop
'|' tryb serwisowy
'w' All - wizualizacja wszystkich nastaw
'h' Wartosc kontroli napiecia ogniwa paliwowego
7-dmy przycisk protobordu - zaloczenie Soft start PWM
----------------------------------------------Ready
Opcja: 't' T - okres próbkownia - opcja ta umożliwia ustawienie okresu próbkowania wymaganego
do obliczenia pozycyjnego algorytmu PID.
Opcja: 'i' Ti - stała całkowania - opcja ta umożliwia ustawienie stałej całkowania regulatora PID
w sekundach
Opcja: 'd' Td - stala różniczkowania - opcja ta umożliwia ustawienie stałej rózniczkowania
regulatora PID w sekundach
Opcja: 'k' Kp - wzmocnienie całego regulatora - opcja ta umożliwia ustawienie wzmocnienia
całego regulatora PID
Opcja: 'p' kpid - wzmocnienie czlonu proporcjonalnego - opcja ta umożliwia ustawienie
wzmocnienia dla członu proporcjonalnego regulatora PID.
Opcja: 'z' Max - maksymalny zakres regulatora – Opcja ta określa wartość maksymalna dla
regulatora PID
Opcja: 'f' Wartość zadana napięcia – Opcja ta określa wartość wartoś zadaną napięcia wyjsciowego
przetwornicy DC/DC
Opcja: 'j' Odczyt ustawień regulatora PID z pamięci nieulotnejFLASH
Opcja: 'w' All - wizualizacja wszystkich nastaw regulatora PID
Opcja: 'y' Zapis nastaw regulatora PID w pamięci nieulotnej FLASH
Opcja: ',' PWM0 Ręczne zadawanie określonej wartości wyjściowej sygnału PWM
Opcja: 'S'' Start/Stop – układu przetwornicy
8
Opcja: 'h' Wartosc kontroli napiecia ogniwa paliwowego
9
5. Wnioski
Wyposażenie siłowni, współpracującej z baterią ogniw
funkcjonalności znacząco przybliża właściwości całego systemu
funkcjonalnego. Model taki pozwala na pełną prezentację osiągniętych
wszelkim podmiotom i instytucjom zainteresowanym tą technologią
Wyniki testów nowego oprogramowania pokazują że założenia pracy
została zrealizowana w całości i cel pracy został osiągnięty.
paliwowych, w nowe
do modelu w pełni
parametrów użytkowych
były prawidłowe, praca
10
6. Bibliografia
[1] R.Samborski i inni „Budowa hybrydowej siłowni telekomunikacyjnej zintegrowanej na napięciu
przemiennym 230VAC wykorzystującej ogniwa paliwowe zasilane wodorem oraz baterie sodowoniklowe” IŁ Warszawa 2006.
[2] R.Samborski i inni „Telekomunikacyjny system zasilania gwarantowanego, zintegrowany na
napięciu przemiennym 230V AC” IŁ Warszawa 2006.
11