P. Gieroń - Sterowniki PLC w zarządzaniu
Transkrypt
P. Gieroń - Sterowniki PLC w zarządzaniu
Sterowniki PLC w zarządzaniu energetyką prosumencką inŜ. Piotr Gieroń Politechnika Śląska Kierunek studiów: Elektrotechnika Rodzaj studiów: II stopnia Przedmiot: Zarządzanie i organizacja w elektroenergetyce Prowadzący: prof. dr hab. inŜ. Jan Popczyk Spis treści 1. Wstęp. ............................................................................................................................ 3 2. Instalacja KNX/EIB ..................................................................................................... 3 3. Bilans mocy. .................................................................................................................. 5 4. Odnawialne źródła energii (OZE). ............................................................................. 6 4.1. Ogniwa fotowoltaiczne................................................................................................ 6 4.2. Mikrowiatrak. .............................................................................................................. 8 5. Samochód elektryczny. .............................................................................................. 12 6. Pomiar energii elektrycznej....................................................................................... 13 7. Wielofunkcyjny miernik mocy i licznik energii UPM215....................................... 14 8. Zarządzanie energią za pomocą sterownika PLC. .................................................. 17 9. Bibliografia. ................................................................................................................ 24 2 1. Wstęp. Celem projektu jest przedstawienia koncepcji systemu którego najwaŜniejszym elementem jest Programowalny Logiczny Sterownik (PLC), którego zadaniem będzie aktywne zarządzanie odbiornikami wykorzystywanymi w domu jednorodzinnym mieszkalnym w celu zmniejszenia pobieranej z sieci energii elektrycznej co ma wpłynąć na redukcję pobieranej z sieci energii . Energooszczędność przyczynia się takŜe do zmniejszenia emisji CO2 a ograniczenie emisji dwutlenku węgla to kolejny wymóg któremu musi sprostać budownictwo do 2020 roku. 2. Instalacja KNX/EIB System KNX/EIB (Konnex/European Installation Bus) to nowoczesny system elektroinstalacyjny. MoŜna go nazwać „systemem nerwowym budynku", poniewaŜ pozwala zarządzać zainstalowanymi urządzeniami elektrycznymi. Zastępuje on klasyczną instalację elektryczną, która nie moŜe juŜ sprostać nowoczesnemu rynkowi technologii. System KNX/EIB działa w oparciu o urządzenia cyfrowe, wymieniające między sobą informacje za pośrednictwem jednego głównego przewodu magistralnego (2x2x0,8mm), który łączy w sobie wszystkie elementy systemu. W praktyce wykorzystuje się jedynie dwie Ŝyły: czerwoną i czarną. Pozostałe dwie są traktowane jako rezerwowe. Uzyskuje się w ten sposób wysoką ochronę przed zewnętrznymi zakłóceniami elektromagnetycznymi, przy zachowaniu niskiego kosztu okablowania i prostej instalacji. Informacja przekazywana jest w trybie szeregowej transmisji symetrycznej przy zastosowaniu odpowiedniego protokołu. Ogromna zaletą systemu KNX/EIB jest bezpieczne napięcie 24V, które płynie przez przewód. Napięcie 230V jest doprowadzane bezpośrednio do odbiorników. W ramach systemu KNX/EIB wyróŜniamy urządzenia takie jak: Sensory (urządzenia sterujące) – wysyłają one na magistralę informację, dzięki której parametry środowiska zostają zamienione na wielkości elektryczne; 3 Aktory (urządzenia wykonawcze) – odbierają wysłane przez sensory informacje i realizują dane polecenia; Aktory/sensory – to elementy, które łączą w sobie funkcje aktorów i sensorów. W ich wspólnej obudowie umieszczony jest port magistralny i urządzenie wykonawcze. Informacja zostaje przekazana przez moduł aplikacyjny sensora do połączonego bezpośrednio z nim aktora, a takŜe do wszystkich KNX podłączonych do magistrali Główne zalety systemu: - duŜe oszczędności energii związane z eksploatacją budynku, - odporność na awarie, - tylko jeden, wspólny przewód sterujący (system jest przejrzysty, oszczędności na okablowaniu, mniejsze ryzyko poŜaru, łatwy i tani serwis), - łatwość realizacji złoŜonych wymagań stawianych przez uŜytkownika, - bardzo duŜa elastyczność (późniejsza rozbudowa systemu, lub jego rekonfiguracja nie wymagają zmiany okablowania), - konkurencyjna w stosunku do systemów konwencjonalnych cena (w przypadku bardziej kompleksowych instalacji). Do uruchomienia urządzeń i sieci KNX zostało wybrane narzędzie konfiguracyjne ETS firmy WAGO/ELWAG. 4 3. Bilans mocy. W tym punkcie została przedstawiona lista odbiorników znajdujących się w prosumenckim domu wraz z ich dobowym wykorzystaniem i przeliczeniem na roczne zuŜycie energii. Pomieszczenie Posesja GaraŜ Urządzenie Moc [W] Oświetlenie 100 Oświetlenie 100 Bojler 2000 Kotłownia Oświetlenie 90 Przedpokój Oświetlenie 54 Lodówka 110 Zmywarka 1020 Oświetlenie 90 Mikrofalówka 800 Kuchnia Toster 700 Oświetlenie 75 Pralka 2000 Łazienka Suszarka 1200 Oświetlenie 90 TV 140 Salon Zestaw audio 200 Oświetlenie 72 TV 120 Laptop 80 Odkurzacz 1800 Pokój 1 śelazko 2400 Oświetlenie 54 Pokój 2 Komputer 400 Inne 600 Czas uŜytkowania w ciągu doby [h] 0,5 1 1,5 1,5 2 24 0,5 3 0,05 0,05 3 1 0,15 4 4 2 2 3 4 0,05 0,05 2 3 0,5 5 ZuŜycie w ciągu doby [kWh] 0,05 0,1 3 0,135 0,108 2,64 0,51 0,27 0,04 0,035 0,225 2 0,18 0,36 0,56 0,4 0,144 0,36 0,32 0,09 0,12 0,108 1,2 0,3 Suma ZuŜycie roczne [kWh] 18,25 36,5 1095 49,275 39,42 963,6 186,15 98,55 14,6 12,775 82,125 730 65,7 131,4 204,4 146 52,56 131,4 116,8 32,85 43,8 39,42 438 109,5 4838,075 Koszt roczny [zł] 9,125 18,25 547,5 24,6375 19,71 481,8 93,075 49,275 7,3 6,3875 41,0625 365 32,85 65,7 102,2 73 26,28 65,7 58,4 16,425 21,9 19,71 219 54,75 2419,0375 4. Odnawialne źródła energii (OZE). 4.1. Ogniwa fotowoltaiczne. Ogniwa fotowoltaiczne wytwarzają prąd stały z energii słonecznej będąc najczystszym znanym obecnie źródłem energii. Modułami fotowoltaicznymi zostanie pokryta cała moŜliwa do wykorzystania część dachu. Na południowych połaciach dachu nachylonych pod kątem 45 stopni zostaną umieszczone 40 metry kwadratowe modułów fotowoltaicznych. Będą to moduły polikrystaliczne pracujące ze sprawnością w standardowych warunkach testowych na poziomie 14%. Moduły będą połączone do falowników przetwarzających wytwarzany prąd stały na prąd zmienny wykorzystywany w budynku. System fotowoltaiczny będzie wpięty do sieci. Energia z sieci będzie pobierana tylko wtedy, gdy zapotrzebowanie na nią przewyŜszy jej produkcję w ogniwach. Rys. 1. Główne składniki systemu fotowoltaicznego [4] W okresie letnim fotowoltaika będzie w stanie pokryć zapotrzebowanie na energię elektryczną z nadwyŜką. Nawet wtedy jednak, w okresach zwiększonego poboru energii bądź 6 zwiększonego zachmurzenia będą występowały chwilowe niedobory energii. W okresie zimowym natomiast ilość wytwarzanej energii będzie niewielka. Niedobory energii będą zjawiskiem bardzo częstym. Niedobory energii będą uzupełniane energią wyprodukowaną korzystając z zasobów wiatru. Rys 2. Administracyjna mapa Polski z średniorocznym rozdziałem napromieniowania słonecznego (w kWh/m2 płaszczyznę poziomą) [3] Legenda: 1 - 950 kWh/m2 2 - 962 kWh/m2 3 - 985 kWh/m2 4 - 1076 - 1081 kWh/m2 7 Obliczenia: 1,6[m 2 ] * 0,14 * 985[kWh / m 2 ] * 25 = 5516kWh gdzie: 1,6 [m2] – powierzchnia jednego ogniwa 0,14 – sprawność 985 [kWh/m2] – średnioroczny rozdział napromieniowania słonecznego 25 – liczba ogniw fotowoltaicznych 4.2. Mikrowiatrak. Wiatr jest efektem przemieszczania się mas powietrza z obszarów o wyŜszym ciśnieniu do obszarów o ciśnieniu niŜszym. Jest to powaŜne uogólnienie. Z róŜnych przyczyn proces powstawania wiatru jest nierównomierny. Ogrzane powietrze unosi się ku górze i jego miejsce zajmowane jest masami chłodnego powietrza. Dodatkowo ziemia obraca się wokół swojej osi, na skutek czego słońce ogrzewa tylko część jej powierzchni w danym okresie czasu. Proces powstawania cyrkulacji powietrza w atmosferze jest komplikowany przez ukształtowanie terenu, nierównomierne rozmieszczenie lądu i wody na powierzchni kuli ziemskiej, nierówne naświetlenie róŜnych terenów i wiele innych czynników, które powodują, Ŝe wiatr wieje z róŜnym natęŜeniem oraz z róŜnych kierunków na róŜnych terenach, a parametry te zmieniają się w czasie. PoniŜszy rysunek przedstawia strefy warunków wiatrowych występujących w róŜnych regionach Polski. 8 Rys. 3. Mapa stref warunków wiatrowych w Polsce [9] Wybrana została turbina Zefir D7-P5-T10, która będzie zamontowana na wierzy o wysokości 1,2m, która w określonej lokalizacji powinna w ciągu roku wytwarzać 5319kWh (wartość określona za pomocą kalkulatora zamieszczonego na stronie producenta turbiny). 9 Rys. 4. Mikrowiatrak Zefir D7-P5-T10 [10]. Do pracy z wiatrakami został przewidziany zestaw baterii akumulatorów Ŝelowych w których będzie gromadzona nadwyŜka mocy, z której prosument będzie korzystał w przypadku zaniku wytwarzania energii z odnawialnych źródeł energii. Bateria powinna być tak dobrana aby moŜna było korzystać z jej zasobów przez okres czasu w którym nie są ładowane. NajwaŜniejszymi cechami akumulatorów Ŝelowych jest nie trzeba w nich uzupełniać elektrolitu, (Ŝel nie paruje, dlatego często nazywa się je bezobsługowymi), nie ma wycieków elektrolitu (oraz wynikającej z tego korozji), większa odporność na ekstremalne temperatury, uderzenia i wibracje. 10 Rys. 5. Akumulator Ŝelowy HZY EV 12V-100Ah [11]. Obliczenia dobranego zestawu: 300[W ] = 25[ A] 12[V ] 24[ h ] * 25[ A] = 600[ Ah ] 600[ Ah ] = 0,6[ kW ] 0,6[ kW ] * 24[ h ] = 14 ,4[ kWh ] 100[ Ah[*12[V ] = 1, 2[ kWh ] 1, 2[ kWh ] *14[ szt .] = 16 ,8[ kWh ] gdzie: 300[W] – średnia moc wiatraka 12[V] – napięcie ładowania baterii 25[A] – prąd ładowania baterii 100[Ah] – dobrana pojemność pojedynczego akumulatora 11 Dobrany zestaw akumulatorów powinien wystarczyć do potrzymania zasilania przez okres ok. jednego dnia. Wadą uŜytkowania akumulatorów jest fakt iŜ po pewnym czasie uŜytkowanie tracą moŜliwość przechowywania energii elektrycznej w takiej ilość jak miało miejsce od nowości jednakŜe okres gwarancji przedstawionych akumulatorów wynosi 12lat. Dom znajduje się w trzeciej strefie występowania wiatrów oznaczonej jako korzystna i dająca średnią roczną prędkość wiatru na poziomie 4 m/s. Instalacja prosumencka będzie cały czas połączona z siecią, Ŝeby razie wystąpienia awarii dom nie został bez zasilania a takŜe po to Ŝeby nadwyŜka energii mogła być odprowadzana do sieci. Rozliczenie z dostawcą energii będzie prowadzone za pomocą cyfrowego licznika energii. Zasady i taryfy rozliczeń są ustalane przez dostawcę energii na podstawie obowiązujących przepisów. 5. Samochód elektryczny. Ze względu na rosnące ceny ropy naftowej oraz fakt, Ŝe zasoby surowca do produkcji paliw wykorzystywanych w samochodach – są ograniczone, a większość złóŜ ropy występuje na terenach niestabilnych politycznie do instalacji prosumenckiej postanowiłem dołączyć samochód elektryczny, który staje się coraz popularniejszym środkiem transportu. Wybrany pojazd mechaniczny z napędem elektrycznym jest idealny do wykorzystania w warunkach miejskich. Ranault ZOE PREVIEW pozwala na szybkie ładowanie akumulatorów w ciągu 10minut co pozwoli na pokonanie dystansu 50km, natomiast ładowanie przez okres 30min pozwoli naładować baterie akumulatorów do poziomu 80% całkowitego zasięgu który dla tego modelu wynosi 160km i Ŝeby móc pokonać taki dystans samochód elektryczny naleŜy ładować przez 6 – 8 godzin. 12 W samochodzie zostały zastosowane baterie litowo-jonowe, które są lŜejsze, posiadają bardziej kompaktową budowę, mogą pomieścić 2 do 3 razy więcej energii na kilogram swojej masy od poprzednich generacji akumulatorów. Nie emituje on CO2, substancji rakotwórczych, ani gazów powodujących kwaśne deszcze. Bardzo waŜne jest równieŜ to, Ŝe silnik wykorzystuje kaŜdą jazdę w dół oraz kaŜde hamowanie do ponownego przekształcania energii kinetycznej w elektryczną, doładowując tym sposobem akumulator. Jego stały moment obrotowy pozwala wykorzystać pełną moc silnika juŜ od najniŜszych obrotów, tak wiec pojazd elektryczny zuŜywa mniej energii nawet o 80%. Rys. 6. Samochód elektryczny Renault ZOE Prewiev [6] 6. Pomiar energii elektrycznej W projekcie zastosowany został dwukierunkowy licznik energii elektrycznej, który pozwala mierzyć zuŜywaną oraz dostarczaną do sieci energię elektryczną. Urządzenie to jest niezbędne do bieŜącego pomiaru energii elektrycznej zarówno produkowanej z urządzeń OZE/URE jak i pobieranej z sieci energii elektrycznej. Wybrany licznik to Landis & Gyr Dialog ZMD300/400CT to urządzenie, które pozwala mierzyć zuŜywaną oraz dostarczaną do sieci energię. Taka funkcja ma szczególne zastosowanie podczas produkcji własnej energii i sprzedaŜy jej swojemu dostawcy energii. 13 Rys. 7. Licznik Landis & Gyr Dialog ZMD300/400CT [8] Licznik posiada moŜliwość pomiaru energii elektrycznej (czynnej, biernej i pozornej) we wszystkich 4-kwadrantach, elastyczne i swobodnie parametryzowalne funkcje taryfowe (rozliczenia taryfowe energii i mocy, zamykanie okresu obrachunkowego i archiwizacja wartości poprzednich, zegar kalendarzowy z przełącznikiem stref, profil danych). Licznik umoŜliwia wymianę danych za pomocą interfejsów komunikacyjnych które są wymienne : CS, RS232, RS485, M-Bus, Ethernet i modemów: PSTN, GSM, GPRS. Ciekawymi funkcjami są takŜe: kontrola instalacji, nadzór wielkości sieciowych oraz pobieranej mocy i cosφ, alarmy, dziennik zdarzeń prawidłowy pomiar takŜe przy zaniku poszczególnych faz, moŜliwość awaryjnego zasilania z dodatkowego źródła napięcia. 7. Wielofunkcyjny miernik mocy i licznik energii UPM215. UPM215 jest wielofunkcyjnym przyrządem z zaawansowanymi moŜliwościami funkcjonalnymi, jest przeznaczony do pomiarów parametrów elektrycznych. UPM215 uzyskuje dokładne wartości True RMS i prezentuje je na graficznym wyświetlaczu LCD lub wysyła poprzez port komunikacyjny. Cztery, lub więcej parametrów wyświetlanych 14 jednocześnie, dają pełen wgląd na sytuację systemu juŜ na pierwszy rzut oka. Przyrząd wykonuje czysto graficzne funkcje: prezentację spektrum harmonicznych, wykresy wskazowe, etc. UPM215 zapamiętuje wartości minimalne, maksymalne oraz średnie dla ośmiu wybranych parametrów oraz wartości dziennego zuŜycia energii. Prosta struktura menu czyni przyrząd łatwym w obsłudze i pozwala na szybkie sprawdzenie ustawień przyrządu oraz statusu pamięci. Podświetlany wyświetlacz LCD jest bardzo efektywny i gwarantuje doskonałą czytelność we wszystkich warunkach oświetlenia. Przyrząd zastępuje wiele istniejących mierników analogowych, jak równieŜ mierniki jednofunkcyjne. MoŜliwości oferowane przez przyrząd czynią go idealnym dla pracy samodzielnej lub w systemie do zarządzania energią. Główne funkcje pomiarowe • Jedno- oraz trójfazowe trzy- lub czteroprzewodowe niesymetryczne obciąŜenia • Pomiar True RMS zapewnia dokładny pomiar nawet dla odkształconych przebiegów • W pełni dwukierunkowe pomiary (czterokwadrantowe). • Napięcia, prądy, współczynniki mocy, częstotliwość, energie, wartości Min/Max, zapotrzebowania i inne. • Indywidualne oraz całkowite odkształcenia napięć i prądów do 31 składowej. • Bezpośredni pomiar napięcia do 600Vac. • Programowane wartości przekładni przekładników prądowych i napięciowych. Główne funkcje Pomiary • Jedno- oraz trójfazowe trzy- lub czteroprzewodowe niesymetryczne obciąŜenia • Pomiar True RMS zapewnia dokładny pomiar nawet dla odkształconych przebiegów 15 • W pełni dwukierunkowe pomiary (czterokwadrantowe). • Napięcia, prądy, współczynniki mocy, częstotliwość, energie, wartości Min/Max, zapotrzebowania i inne. • Indywidualne oraz całkowite odkształcenia napięć i prądów do 31 składowej. • Bezpośredni pomiar napięcia do 600Vac. • Programowane wartości przekładni przekładników prądowych i napięciowych. Rys. 8. Wielofunkcyjny miernik mocy i licznik energii UPM215[12]. 16 8. Zarządzanie energią za pomocą sterownika PLC. Jednostką sterującą pracą całego obiektu będzie sterownik PLC firmy WAGO/ELWAG model KNXnet/IP 750-849. Jego zadanie polegać będzie na zbieraniu informacji z liczników energii elektrycznej, wymianie danych z przekształtnikiem energoelektronicznym oraz na sterowaniu dopływem napięcia do poszczególnych urządzeń znajdujących się w instalacji prosumenckiej. Takie działanie ma na celu sprostać chwilowym wzrostom obciąŜenia powstałym w przypadku załączenia urządzenia o znacznym zapotrzebowaniu mocy np. suszarka. Wybrany sterownik PLC posiada moduł komunikacyjny KNX/EIN/TP1. Sterownik ten naleŜy zaopatrzyć w moduły wejść i wyjść cyfrowych (750-430; 750-53) oraz zasilacz np. 787-602 równieŜ rodukcji WAGO. Całość jest montowana na szynie przez co zajmują mało miejsca i mogą być umieszczone w obudowie naściennej lub wtynkowej co nie wpłynie na estetykę domu. Programowanie odbywa się przy wykorzystaniu aplikacji CoDeSys, która z kolei pozwala na tworzenie programów w językach IL, ST, SFC, FBD i LD. Parametry techniczne. 17 Rys. 9. Moduł sterownika programowalnego KNXnet/IP 750-849 [5] Połączenie sterownika KNXnet/IP oraz modułu KNX/EIB/TP1 tworzą router KNX/IP-TP1, który łączy klasyczną sieć przez Ethernet, pozwali znacznie zwiększyć wydajność transmisji w złoŜonej instalacji KNX/EIB. Rys. 10. Moduł komunikacyjny KNX/EIN/TP1 753-646 [5] 18 Następnym elementem potrzebnym do komunikacji sterownika PLC z licznikami energii jest moduł RS-232/485. Rys. 11. Moduł interfejsu RS-232 / RS-485 [5] Na końcu węzła magistrali naleŜy zawsze wstawić zacisk końcowy. Dzięki zaciskowi końcowemu zamknięta zostanie wewnętrzna magistrala zacisków i zagwarantowana prawidłowa transmisja danych. Rys. 12. Moduł końcowy WAGO 750-600 [5] 19 Na rys. 13 została zaprezentowany schemat sieci zasilającej dom. Mamy urządzenia OZE/URE takiej jak ogniwa fotowoltaiczne, mikrowiatrak, samochód elektryczny oraz zestaw baterii akumulatorów. Dodatkowym awaryjnym źródłem zasilania jest klasyczna sieć. Przepływ energii między poszczególnymi źródłami został przedstawiony na schemacie. Przekształcona energia dostarczona do przekształtnika energoelektronicznego zostaje poddana konwersji by następnie móc zasilić odpowiednie odbiorniki gospodarstwa domowego. Rys. 13. Schemat zasilania; na podstawie [13]. 20 Na schemacie pomiarowym (rys. 14) moŜna dostrzec, iŜ energia mierzona jest za pomocą liczników energii na kaŜdym z źródeł zasilania. Tak zebrane dane pomiarowe zostają przesłane do wielofunkcyjnego miernika mocy i licznika energii UPM215, zostają porównane tam z wartościami zmierzonymi na wyjściu przekształtnika. Tak zgromadzone i przetworzone dane zostają wysyłane są do sterownika PLC który na ich podstawie steruje wytwarzaniem energii elektrycznej przez przekształtnik. Rys. 14. Schemat układu pomiarowego; na podstawie [13]. 21 Sterownik PLC na podstawie otrzymanych dany o stanie energii podejmuje odpowiednie działanie polegające na załączeniu bądź odłączeniu danego urządzenia bądź grupy urządzeń w zaleŜności od przewidzianego umiejscowienia wyłączników. Głównym priorytetem sterownika jest dostarczanie do oborników energii z urządzeń OZE/URE i pozwala na zasilanie ich z sieci tylko w przypadku bardzo niekorzystnych warunków pogodowych, które nie pozwolą na wytworzenie energii a baterie będą są rozładowane. Gdy odbiorniki domowe nie mają duŜego zapotrzebowania na moc to sterownik załącza ładowanie baterii by móc w późniejszym czasie skorzystać z jej zasobów. Czujniki pomiarowe dostarczają do PLC informacje, które pozwalają oczadzać energię np. wiadomości z czujników takie jak zaciemnienie oraz informacje z czujnika ruchu pozwalają odpowiednio dobrać potrzebną moc oświetlenia i wskazać miejsce gdzie znajdują się domownicy by nie świeciło się światło w pomieszczeniu gdzie nikt się nie znajduje oraz by dobrać odpowiednia moc oświetlenia. Samochód elektryczny zostaje ładowany w czasie gdy w instalacji występuje nadwyŜka energii. Gdy akumulatory oraz samochód są naładowane a w instalacji dalej występuje nadwyŜka energii to zostaje ona przesłana do sieci zasilającej. 22 Rys. 15. Schemat sterowania; na podstawie [13]. 23 9. Bibliografia. [1] – www.eib.lodman.pl [2] – www.inteligentnebudownictwo.com.pl/ [3] – www.ekoenergia.polska-droga.pl [4] – www.konkursben.fpegda.pl/ [5] – www.wago.com [6] – http://www.renault-ze.com/ [7] – T. Rudnicki Politechnika Śląska: Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr80/2008 [8] – www.landisgyr.com [9] – www.wmae.pl [10] – www.zaber.com.pl [11] - www.akumulatory-zelowe.pl [12] - www.tomtronix.pl [13] - Dr inŜ. Marcin Fice Politechnika Śląska: VIII Konwersatorium „Inteligentna Energetyka” pt: „Schemat technologiczny inteligentnego domu plus energetycznego „max” w iLab EPRO”. 24