instytut tele - i radiotechniczny - itr...• opracowanie układów przetwarzania sygnałów...
TRANSCRIPT
Instytut Tele
Instytut Tele- i RadiotechnicznyCentrum Teleinformatyki i Elektroniki
03-450 Warszawa, ul. Ratuszowa 11
tel.:+ 48 22 619 22 41
e-mail: [email protected]
www: itr.org.pl
Raport: 28419 Zlecenie 110-03700244
Tytuł:
Etap 1
Inteligentny sensor z
Kierownik: Karol MakowieckiWspółautorzy: Aleksander Lisowiec, Adam Kalinowski, Aleksander Kuźmiński, Andrzej Gacek, Andrzej
Jaworski, Anna Kołtun, Anna Liżewska, Bożena Dobrowiecka, Grzegorz Kowalski, Grzegorz Wojtaś, Jerzy Chudorliński, Krzysztof Broda, Krzysztof Skibiński, Leszek Książek,Łukasz Sapuła, Maciej Rup, Michał Zaklika, Paweł Michalski, Paweł Wlazło,Piotr Prystupiuk, Przemysław Angielczyk, Radosław Przybysz, Wojciech Sokół
Instytut Tele- i Radiotechniczny
Centrum Teleinformatyki i Elektroniki
i Radiotechniczny
Sąd Rejonowy dla M. St. Warszawy w Warszawie
XIII Wydział Gospodarczy Krajowego Rejestru Sądowego, KRS:
Bank Pekao SA, rachunek: 51 1240
Warszawa, grudzień 2016
Sprawozdanie z pracy statutowej
CASTATUT_2_16
Internet rzeczy w sieciach SmartGrid
Inteligentny sensor z wyjściem Ethernetowym
Karol Makowiecki Aleksander Lisowiec, Adam Kalinowski, Aleksander Kuźmiński, Andrzej Gacek, Andrzej Jaworski, Anna Kołtun, Anna Liżewska, Bożena Dobrowiecka, Grzegorz Kowalski, Grzegorz Wojtaś, Jerzy Chudorliński, Krzysztof Broda, Krzysztof Skibiński, Leszek Książek,Łukasz Sapuła, Maciej Rup, Michał Zaklika, Paweł Michalski, Paweł Wlazło,Piotr Prystupiuk, Przemysław Angielczyk, Radosław Przybysz, Wojciech Sokół
Centrum Teleinformatyki i Elektroniki
NIP: 525 000 88 50
REGON: 000039309
Sąd Rejonowy dla M. St. Warszawy w Warszawie
XIII Wydział Gospodarczy Krajowego Rejestru Sądowego, KRS: 0000023801
51 1240 6074 1111 0000 4994 5887
owej
Internet rzeczy w sieciach SmartGrid
Aleksander Lisowiec, Adam Kalinowski, Aleksander Kuźmiński, Andrzej Gacek, Andrzej Jaworski, Anna Kołtun, Anna Liżewska, Bożena Dobrowiecka, Grzegorz Kowalski, Grzegorz Wojtaś, Jerzy Chudorliński, Krzysztof Broda, Krzysztof Skibiński, Leszek Książek, Łukasz Sapuła, Maciej Rup, Michał Zaklika, Paweł Michalski, Paweł Wlazło, Piotr Prystupiuk, Przemysław Angielczyk, Radosław Przybysz, Wojciech Sokół
Raport: CASTATUT 2_16
Strona 2 z 27
Raport: CASTATUT 2_16
Strona 3 z 27
Spis treści: 1. Wstęp .......................................................................................................................................................... 4 2. Opracowanie platformy pomiarowo-komunikacyjnej przetwarzającej dane cyfrowe z sensorów wielkości elektrycznych i nieelektrycznych .......................................................................................................... 4 3. Opracowanie układów przetwarzania sygnałów prądowych i temperaturowych ...................................... 6 4. Opracowanie układu transmisji z wyjściem typu Ethernet ....................................................................... 12 5. Wykonanie i badania modeli opracowanych sensorów ........................................................................... 16
5.1. Odporność na zaburzenia elektromagnetyczne ........................................................................ 23 5.1.1. Topologia badanej magistrali .................................................................................................... 24 5.1.2. Sprzęt pomiarowy i stanowisko badawcze ................................................................................ 24 5.1.3. Uodpornianie magistrali komunikacyjno – zasilającej .............................................................. 25
6. Podsumowanie ......................................................................................................................................... 27 7. Literatura .................................................................................................................................................. 27
Raport: CASTATUT 2_16
Strona 4 z 27
1. Wstęp
W Polsce brak jest rozwiązań wpisujących się zagadnienia z obszaru Internetu Rzeczy, który staje się
kluczową inteligentną specjalizacją- KIS 14. Sensory (w tym biosensory) i inteligentne sieci sensorowe. Celem
pracy było opracowanie platformy pomiarowo-komunikacyjnej inteligentnych sensorów wielkości
elektrycznych i nieelektrycznych dla świata Internetu Rzeczy. Zakres prac obejmował następujące zadania:
• Opracowanie platformy pomiarowo-komunikacyjnej przetwarzającej dane cyfrowe z sensorów
wielkości elektrycznych i nieelektrycznych
• Opracowanie układów przetwarzania sygnałów prądowych i temperaturowych
• Opracowanie układu transmisji z wyjściem typu Ethernet
• Opracowanie i badanie modeli sensorów
2. Opracowanie platformy pomiarowo-komunikacyjnej
przetwarzającej dane cyfrowe z sensorów wielkości elektrycznych
i nieelektrycznych
Rozwój inteligentnych sieci Smart Grids wiąże się z opracowywaniem nowych wielozadaniowych
uniwersalnych urządzeń z otwartą architekturą. Dla platformy pomiarowo-komunikacyjnej przyjęta została
architektura drzewiasta, pozwalająca na agregację danych pomiarowych z sensorów rozproszonych
w przestrzeni. W przypadku pomiaru temperatury system ten składa się z trzech systemów
mikroprocesorowych: sensora temperatury wraz z mikroprocesorem przetwarzającym dane, modułu
pomiarowego, jednostki centralnej. W przypadku pomiaru prądu są to dwa systemy mikroprocesorowe: moduł
pomiarowy przetwarzający dane z sensorów prądu i jednostka centralna.
Rysunek 2.1 Platforma pomiarowo komunikacyjna
JCjednostkacentralna
MMPmoduł pomiaru
prądów
MPTmoduł pomiaru
temperatury
MPTmoduł pomiaru
temperatury
MPTmoduł pomiaru
temperatury
SCADA
sensorprądusensor
prądu
sensorprądu
sensortemperatury
sensortemperatury
sensortemperatury
sensortemperatury
sensortemperatury
Raport: CASTATUT_2_16
Strona 5 z 27
W przypadku pomiaru temperatury sensor składa się z termistora, układu kondycjonującego oraz
mikrokontrolera zbierającego dane przetwornikiem analogowo-cyfrowym. Dane te następnie wysyłane są
łączem światłowodowym do modułu pomiarowego, który odbiera dane z wielu tego typu czujników
i udostępnia je koncentratorowi głównemu. Komunikacja pomiędzy koncentratorami odbywa się łączem RS485,
z wykorzystaniem protokołu MODBUS RTU. Struktura platformy w przypadku pomiaru prądu jest o poziom
krótsza, gdyż moduł pomiarowy wyposażony jest w układy kondycjonujące sygnał z sensora prądowego.
Konstrukcja modułowa takich urządzeń, oprócz wielu zalet generuje również szereg problemów, w tym
związanych z odpornością takiego urządzenia na zakłócenia elektromagnetyczne typowe dla obiektów
elektroenergetycznych. Zakłócenia szeregowej magistrali transmisji danych zawsze prowadzą do wzrostu ilości
błędów w transmisji, lub nawet utraty całych pakietów danych. Jednakże od tego typu urządzeń wymagane
jest, aby przesyłana informacja w żadnej sytuacji nie była utracona. Wiąże się to z korektą błędów w pakiecie
lub wielokrotnym powtarzaniu przesyłania pakietów informacji. Taki proces spowalnia transmisję, która
niejednokrotnie dla określonych częstotliwości zakłóceń, staje się wręcz niemożliwa stwarzając problemy
związane z odpornością na tego rodzaju zaburzenia elektromagnetyczne. Konstruktorzy na etapie
opracowywania takich urządzeń powinni w sposób szczególny uwzględniać te uwarunkowania.
W jednostce centralnej uruchomiono serwer www oparty na bibliotece lighttpd. Stworzona została
strona www (rys. 2.1) udostępniająca dane pomiarowe z sensorów. Ta forma dostępu do urządzenia umożliwia
korzystanie z systemu pomiarowego z każdego urządzenia wyposażonego w przeglądarkę internetową np.
komputerów, tabletów, smartfonów itp.
Rysunek 2.1 widok interfejsu pomiarów dostępny na stronie www.
Raport: CASTATUT_2_16
Strona 6 z 27
3. Opracowanie układów przetwarzania sygnałów prądowych i
temperaturowych
Rysunek 3.1. Tor wejściowy zwarciowy pomiaru prądu
Rysunek 3.2. Tor wejściowy pomiaru prądu operacujnego
Układ pomiarowy prądu do współpracy z sensorami, którymi w tym przypadku były cewki
Rogowskiego został przedstawiony na rysunkach3.1 i 3.2. W układzie wyróżnione zostały dwa tory: pomiarowy
(prądy operacyjne) i zwarciowy (prądów zwarciowych).
Przedstawione na rysunkach obwody pomiarowe mają ograniczone pasmo pomiarowe do 2,4 kHz, co
umożliwia przeprowadzenie analizy harmonicznych mierzonych przebiegów. Pasmo zostało ograniczone za
pomocą dwóch typów filtrów – filtra aktywnego drugiego rzędu SellenaKeya oraz filtru 3dB RC.
Zakresy pomiarowe obwodów pomiarowych są zależne od czułości cewek Rogowskiego Zależności te
zostały przedstawione w tabeli3.1.
Tabela 3.1.
Rodzaj obwodu wzmocnienie
Zakres pomiarowy dla
czułości 1 mV/A
Zakres pomiarowy dla
czułości 3 mV/A
Zakres pomiarowy dla
czułości 10 mV/A
[A] [A] [A]
Obwód dla
pomiarów 6 4-250 1,6-83 0,4-25
Obwód dla prądów
zwarciowych 0,1 250-15000 83-5000 25-15000
Dokładność opracowanego i przedstawionego wyżej obwodu wejściowego do pomiaru prądów jest
większa od 1% przy założeniu programowej kalibracji każdego toru. Potrzeba kalibracji wynika z zastosowanych
wzmacniaczy operacyjnych o dużym napięciu niezrównoważenia i eliminuje potrzebę stosowania zdecydowanie
droższych wzmacniaczy operacyjnych.
Postęp w technologii elementów łączeniowych, sterujących i kontrolnych prowadzi do wzrostu stopnia
upakowania elementów w szafach rozdzielczych i sterowniczych. Zwykle te urządzenia do swojej pracy
Raport: CASTATUT_2_16
Strona 7 z 27
wymagają niższej temperatury niż maksymalnej dopuszczalnej dla miedzi. Powodami wzrostu temperatury są
zwykle straty mocy podczas przepływu prądu elektrycznego. To bezpośrednio prowadzi do wzrostu
temperatury otoczenia w rozdzielnicy. Problemy ze stykami łączeniowymi powodują lokalny wzrost
temperatury. Dlatego realnym staje się problem pomiarów rozkładów temperatury w rozdzielnicy. Nowe
możliwości badawcze i kontrolne daje użycie kamer termograficznych, gdzie przyrosty mogą być łatwo wykryte
zarówno podczas przeciążenia, jak i uszkodzenia. Niestety termografia jest metodą zbyt kosztowną dla
całodobowego monitoringu przyrostów temperatur zwłaszcza w modułowych szafach rozdzielczych. Inną wadą
tej metody jest ograniczony zasięg optyczny. Termografia przy niefachowym zastosowaniu lub nieprawidłowej
interpretacji wyników może błędnie oceniać faktycznie występujący rozkład temperatur. Podczas oceny
temperatury z użyciem kamery termograficznej należy się spodziewać się dużej ingerencji we wnętrze
rozdzielnicy, co czyni tę metodę ograniczoną lub nawet w przypadku zabudowanych rozdzielnic nieprzydatną.
Szczegóły dotyczące budowy rozdzielnic i sterownic niskiego napięcia reguluje norma PN-EN 61439.
Reguluje ona również problem oznaczania granicznych przyrostów temperatury. W normie wyjaśnione zostało,
jakie temperatury są dopuszczalne i jakie mogą wystąpić szczególne warunki dotyczące zarówno części, których
można dotknąć, jak i miejsc przyłączeń łączników. Graniczne przyrosty temperatury dla różnych podzespołów
rozdzielnicy zostały przedstawione w tabeli 3.2.
Rysunek 3.3. Przykładowy widok rozdzielnicy z widocznymi szynami prądowymi
Raport: CASTATUT_2_16
Strona 8 z 27
Tabela 3.2.
Części Graniczne przyrosty temperatury
Elementy wbudowane - typu
Aparatura rozdzielcza i sterownicza, podzespoły
elektroniczne, części wyposażenia
Zgodna z normami według których była konstruowana
lub zgodnie z deklaracją producenta
Zaciski do przyłączania zewnętrznych przewodów
izolowanych 70 K
Szyny i napędy ręczne metalowe 15 K
Szyny i napędy ręczne z materiału izolacyjnego 25 K
Dostępne powierzchnie metalowe 30 K
Dostępne powierzchnie izolacyjne 40 K
Niedostępne elementy połączeń wtykowych np.
urządzeń elektronicznych
Określany jest granicznym przyrostem temperatury tych
urządzeń
Dopuszczalna temperatura wyposażenia rozdzielnicy w szafie sterowniczej silnie zależny od temperatury
otoczenia w szafie rozdzielczej i sterowniczej. Podczas badania mierzy się graniczne przyrosty temperatury na
podstawie temperatury otoczenia panującej w rozdzielnicy. Temperatury otoczenia zgodnie z normą dla
instalacji wnętrzowej nie powinny przekraczać poziomu +35°C przez okres 24 godzin i mogą maksymalnie
wynosić +40°C. Dolna wartość graniczna znormalizowanych warunków otoczenia wynosi –5°C. Temperatury
otoczenia zgodnie z normą dla instalacji napowietrznej nie powinny przekraczać poziomu +35°C przez okres 24
godzin i mogą maksymalnie wynosić +40°C. Dolna wartość graniczna znormalizowanych warunków otoczenia
wynosi –25°C. Należy przy tym zaznaczyć, że dla miedzianych szyn zbiorczych i przewodów graniczny przyrost
temperatury nie może przekraczać temperatury 105 K t.j. temperatury wyżarzania miedzi.
Konstrukcja rozdzielnic niskiego napięcia wykonanych zgodnie z najnowszym zestawem norm PN-EN 61439
wymaga weryfikacji granicznych przyrostów temperatury.
Za graniczne przyrosty temperatury uważa się w normie nieprzekraczalne podczas eksploatacji przyrosty
temperatury w punktach, które ze względu na swoją konstrukcję są źródłem wydzielania mocy, a przez to
również ciepła. Takimi elementami są przede wszystkim łączenia elementów przewodzących ze względu na
rezystancję styków i przewężenia przekroi przewodzących prąd.
Weryfikacja przyrostów temperatury wewnątrz zestawu rozdzielnicy jest ważna dla poprawnego
skonstruowania pod względem wymiarów. Zasadniczo norma nie przewiduje możliwości przekroczenia
granicznych wartości przyrostów temperatur dla wszystkich – w tym również niemetalowych – elementów
konstrukcji rozdzielnicy. Ma to bezpośredni wpływ na sposób konstruowania poprzez konieczną do
przeprowadzenia przez producenta/integratora rozdzielnicy weryfikacji czy ciepło wytwarzane wewnątrz
rozdzielnicy przy przepływie prądów znamionowych nie przekracza narzucanych przez normę wartości
granicznych.
Powody takiego działania opisane są w załączniku J normy, są one następujące: bezpośredni wpływ na starzenie
się elementów składowych rozdzielnicy, niekorzystny wpływ na obsługę i na ludzi (oparzenia) znajdujących się
w sąsiedztwie rozdzielnicy. Najważniejszym jednak czynnikiem odpowiedzialnym za takie działanie jest
niebezpieczeństwo związane z punktowym przegrzewaniem się (przekroczeniem dopuszczalnych temperatur
pracy) elementów odpowiedzialnych za bezpieczeństwo – szyny styczników/wyłączników, izolatorów szyn
(może mieć negatywny wpływ na odstępy izolacyjne), przyłączy kablowych, lub innego wyposażenia, którego
uszkodzenie może negatywnie wpływać na bezpieczeństwo użytkowania rozdzielnicy. Norma dopuszcza
weryfikację konstrukcji rozdzielnicy na podstawie obliczeń tylko dla konstrukcji o prądzie znamionowym do
1600 A, oznacza to w praktyce, że duża część konstrukcji oferowanych musi zostać przebadana pod kątem
weryfikacji przyrostów granicznych temperatury wewnątrz rozdzielnicy. W przypadku rozdzielnic mniejszych
dopuszcza się zastosowanie kombinacji obu określonych w normie metod. W pewnych szczególnych warunkach
– dużego podobieństwa dopuszcza się weryfikacji na zasadzie przeniesienia danych dla innego podobnego
przebadanego wariantu. Ostatecznie sprowadza się to jednak do przeprowadzenia badania najbardziej
reprezentatywnej konstrukcji w najbardziej niekorzystnych warunkach eksploatacji.
Weryfikacja ta jest wymagana normatywnie (pkt 10.10.4.3 PN-EN PN-EN 61439-1) należy ją wykonać dla
rozdzielnic i sterownic poniżej 1600 A. Kilka istotnych warunków dla przeprowadzenia obliczeń:
Raport: CASTATUT_2_16
Strona 9 z 27
• rozkład strat mocy jest rozłożony równomiernie wewnątrz obudowy;
• prądy znamionowe obwodów wynoszą maksymalnie 80% wartości znamionowych prądów cieplnych urzą-
dzeń Ith;
• cyrkulacja naturalna powietrza jest nieutrudniona i przekrój otworów wylotowych wynosi przynajmniej 1,1
krotności otworów wlotowych powietrza;
• istnieją nie więcej niż trzy poziome podziały z otworami powietrza do 50% przekroju przedziału;
• przewody przewodzące prądy powyżej 200 A należy tak poprowadzić, aby powstawały minimalne straty
z histerezy oraz minimalne prądy wirowe;
• obliczenia całkowite mogą być lepsze lub porównywalne, ale nie gorsze od wzorca testowego;
• wewnętrzne podziały i strata mocy pola muszą być równe lub mniejsze niż te założone w badaniach.
Według normy, pkt 9.2 w trakcie prowadzonej weryfikacji poprzez badanie, rozdzielnica powinna
przewodzić znamionowe prądy w warunkach uwzględniających konstrukcję, a więc rozmieszczenie
podzespołów, ich przeznaczenie i prądy znamionowe. Podane w normie w tabeli 6 graniczne przyrosty
temperatur mają zastosowanie jedynie w przypadku gdy średnia temperatura otoczenia nie przekracza 35˚C.
Jednak w pewnych warunkach eksploatacji rozdzielnicy, średnia temperatura otoczenia może przekroczyć 35˚C,
a maksymalna temperatura otoczenia może przekroczyć 40˚C. W tym przypadku zgodnie z normą istnieje
konieczność obniżenia granicznych przyrostów temperatury w taki sposób, aby suma temperatury otoczenia
i przyrostu temperatury była stała. Zapis ten jest powodem pojawienia się systemu, który opisany jest w dalszej
części artykułu. Zastosowanie ciągłego pomiaru temperatury w newralgicznych punktach rozdzielnicy znacząco
przyczynia się do sposobu konstruowania, bowiem konstruktor ma szersze pole działania związane z określoną
mocą wydzielaną w konkretnej kubaturze bloku funkcjonalnego rozdzielnicy. W takim przypadku konstruktor
nie musi projektować rozdzielnicy z większym zapasem mocy, a wręcz ma możliwość zmniejszania wymiarów
kompletnego rozwiązania. W takim przypadku nadmiarowe projektowanie zostaje zastąpione ciągłym
monitorowaniem granicznych przyrostów temperatury w trakcie eksploatacji, zwiększając tym samym
bezpieczeństwo dostaw energii, ale również bezpieczeństwo ludzi.
Ciągły pomiar ma także pozytywny wpływ na wczesne wykrywanie podwyższonej temperatury w miejscach,
które nie powinny być na to narażone, może być to sygnałem o zbliżającym się wystąpieniu awarii związanym
ze starzeniem się elementów rozdzielnicy, z „rozkręcaniem się” śrub skręcających elementy łączeniowe – co
jest procesem normalnym, lub nawet błędem człowieka popełnionym podczas przeglądu czy procesów obsługi
rozdzielnicy.
Opisywany system został zaprojektowany myślą o aktywnym pomiarze przyrostów temperatury
w rozdzielnicach elektroenergetycznych. Podstawowymi elementami systemu są czujniki temperatury i moduły
wejść cyfrowych z czujników temperatury. Moduły te służą do akwizycji danych pomiarowych z rozproszonych
w rozdzielnicy czujników temperatury. Każdy z modułów wyposażony jest w dwa łącza RJ-45, które przekazują
zasilanie i cyfrowe dane do jednostki centralnej. Informacje z zespołu modułów udostępniane są za
pośrednictwem panelu HMI jak również za pośrednictwem znanych protokołów komunikacyjnych
wykorzystujących sieć Ethernet. System może być elastycznie rozbudowywany w oparciu o moduły SEM oraz
panele HMI znajdujące się w ofercie. Najważniejszym aspektem zaprojektowanego systemu są jego możliwości
rozbudowy w kontekście ilości punktów pomiaru temperatury – jest to niezwykle ważne ze względu na
modułową budowę dostępnych na rynku rozdzielnic niskiego napięcia. Zasadniczo, producent pierwotny
poszczególnych komponentów dopuszcza dowolne konfiguracje końcowe sprzedawane przez
producenta/integratora. Jest to działanie bardzo pożądane przez rynek elektroenergetyczny, powoduje jednak
potrzebę utrzymywania w ofercie szerokiego zakresu wyrobów lub oferowania rozdzielnic zbudowanych ze
standardowych bloków funkcjonalnych. To z kolei wymusza na integratorze/producencie rozdzielnicy
jednostkowe działania weryfikujące. Normy dopuszczają weryfikację produktu końcowego poprzez:
• weryfikację poszczególnych bloków funkcjonalnych i oddzielnie całej rozdzielnicy,
• weryfikację poszczególnych bloków funkcjonalnych oraz głównych i rozdzielczych szyn zbiorczych, jak
również oddzielną weryfikację całej rozdzielnicy,
• weryfikację kompletnej rozdzielnicy.
Każdy etap cząstkowy weryfikacji dla bloku funkcjonalnego i szyn można (co jest dopuszczone w normach)
Raport: CASTATUT_2_16
Strona 10 z 27
przenieść z najbardziej reprezentatywnego bloku funkcjonalnego przebadanego przez producenta/integratora
lub producenta pierwotnego rozdzielnicy w najbardziej niekorzystnych warunkach. Istnienie takiej możliwości
ułatwia proces weryfikacji jednak nie eliminuje go całkowicie przysparzając tym samym dodatkowej pracy na
etapie tworzenia dokumentacji kompletnej rozdzielnicy. Zastosowanie opracowanego systemu ułatwia
podejście do procesu weryfikacji poprzez aktywną weryfikację przyrostów temperatury we wszystkich
newralgicznych punktach kompletnej rozdzielnicy, zwiększając tym samym bezpieczeństwo poprzez
diagnostykę on-line eksploatowanej rozdzielnicy.
W tablicy 6 normy PN-EN 61439-1 określono maksymalne graniczne przyrosty temperatury
w odpowiednich częściach rozdzielnicy. Należy zwrócić uwagę, że w tabeli tej podano typowe części,
komponenty rozdzielnic, które powinny podlegać weryfikacji. Z tabeli jasno wynika, że najbardziej
newralgicznymi miejscami/elementami rozdzielnic są:
• zaciski do przyłączania przewodów i szyn – ze względu na potencjalne uszkodzenia i zagrożenie
związane z uszkodzeniem wywołanym przez temperaturę,
• Dostępne z zewnątrz części obudowy – ze względu na dostęp ludzi znajdujących się w otoczeniu
i możliwość spowodowania poparzenia.
Największymi dopuszczalnymi przyrostami, określonymi dla maksymalnej (chwilowej) temperatury
otoczenia pracy 40˚C, są przyrosty o wartości do 70 K lub mniejszej jeśli jest określona mniejsza wartość przez
producenta oryginalnego. Są to przyrosty związane z medium transmisyjnym dla prądu, a więc z szynami,
szynoprzewodami, elementami łączeniowymi. Takie określenie maksymalnych przyrostów temperatury,
wymusza odpowiednią konstrukcję czujników, które bezpośrednio odpowiadają za pomiar temperatura w tych
punktach. Czujniki te konstruowane są tak aby działały bezawaryjnie nawet dla maksymalnych przyrostów
temperatury i zawierają element czuły na temperaturę w formie termistora, mikroprocesorowy układ
pomiarowy oraz światłowód jako element transmisji danych pomiarowych.
Zastosowanie systemu zabezpieczenia termicznego zintegrowanego z rozdzielnicą ma pozytywny
wpływ na detekcję stanów awaryjnych poprzez ich wczesne wykrywanie i tym samym eliminuje stany
stwarzające zagrożenie personelu, ludzi i zwierząt znajdujących się w otoczeniu eksploatowanej rozdzielnicy.
Pozytywnym aspektem zastosowanie tego systemu podczas projektowania jest możliwość miniaturyzacji
rozdzielnicy przy zachowaniu takiego samego lub większego (monitorowanego w trakcie eksploatacji), poziomu
bezpieczeństwa. Użytkownik w trakcie eksploatacji rozdzielnicy zobowiązany jest do wykonywania jej
przeglądów okresowych, a zastosowanie takiego systemu może również przyczynić się do wydłużenia czasu
między przeglądami.
Rysunek 3.4.Opracowany i wykonany jednozakresowy sensor pomiaru temperatury
Raport: CASTATUT_2_16
Strona 11 z 27
Rysunek 3.5. Schemat ideowy jednozakresowego sensora do pomiaru temperatury
Przedstawiony na schemacie ideowym (rys. 3.5) układ przy zasilaniu bateryjnym umożliwia stosunkowo
krótki czas pracy, co jest związane z nieustannym poborem prądu przez układ, a także faktem, że wartość jest
transmitowana światłowodem POF. Czas pracy może być znacznie wydłużony przy ograniczeniu poboru prądu,
co można osiągnąć przy zastosowaniu następujących zabiegów:
• Zastosowanie elementów skonstruowanych z zastosowaniem elementów energooszczędnych – np.
technologii XLP (PIC12LF1840)
• Wykonywanie pomiaru z ograniczoną częstotliwością – np. z częstotliwością <1 HZ, po wykonaniu
pomiaru i wytransmitowaniu danych światłowodem każdorazowo należy wprowadzić układ w stan
uśpienia (ok. 10 μA poboru prądu)
• Zastosowaniu kondensatora niskoupływnaościowego – np. foliowego MKS produkcji WIMA
• Ograniczeniu prądu nadajnika światłowodowego – ograniczenie zasięgu
• Zastosowaniu ogniwa o niskim prądzie samo rozładowania
Szacuje się że przy zastosowaniu powyższych zasad można osiągnąć czas bezawaryjnej pracy sensora
w okresie do 3-4 lat w zależności od temperatury pracy (prądy upływu zwiększają się wraz ze wzrostem
temperatury) przy zastosowaniu ogniwa o pojemności ponad 1000mAh.
Tak skonstruowany sensor (rys. 3.4) dołączany jest do modułu pomiaru temperatury, który na drodze cyfrowej
dokonuje akwizycji danych z dołączonych sensorów, agreguje te dane, oraz wysyła do jednostki centralnej
systemu pomiarowego, który ma szereg zalet.
Wysoka odporność na zakłócenia EM – transmisja światłowodowa.
Możliwość pomiaru temperatury elementów znajdujących się na wysokim potencjale – np. rozdzielni-
ce niskich i średnich napięć.
Długi czas bezawaryjnej pracy – nieskomplikowana konstrukcja.
Mała bezwładność pomiaru – (czas poniżej 1 s).
Odporność na utratę sensora – w przypadku, gdy brak jest przez zdefiniowany czas ramki transmisyjnej
od sensora można wygenerować ostrzeżenie dla obsługi.
Raport: CASTATUT_2_16
Strona 12 z 27
4. Opracowanie układu transmisji z wyjściem typu Ethernet
Celem zadania było opracowanie układu transmisji w wyjściem typu Ethernet. Założono wymaganą
prędkość transmisji na poziomie 100Mbit/s. Układ powinien współpracować z płytką mikroprocesora
„SystemOnModule”, która udostępnia sygnały transmisyjne interfejsu w standardzie RMII. Zastosowany na
płytce „SystemOnModule” procesor zapewnia obsługę programową łącza Ethernetowego, zaś projektowany
układ powinien zapewnić obsługę warstwy fizycznej transmisji Ethernetowej.
Do budowy układu elektronicznego zastosowano układ scalony LAN8710A firmy Microchip (rys. 4.1).
Najistotniejsze jego cechy to:
• Zgodny z IEEE802.3 / 802.3u (Fast Ethernet)
• Zgodny z normą ISO 802-3 / IEEE 802.3 (10Base-T)
• Auto negocjacja
• Automatyczne wykrywanie i korekcja polaryzacji
• Obsługuje zarówno interfejsy MII oraz interfejsy ze zredukowaną liczbę wyprowadzeń RMII
• Różne tryby pracy optymalizujące pobór mocy
• Układ scalony Reset power-on
• Dwa wyjścia statusu LED
• Może być zasilany z pojedynczego źródła 3.3V
• Przemysłowy zakres temperatur pracy (-40 ° C do + 85 ° C)
Rysunek 4.1. Architektura układu LAN8710A Układ zawiera nadajnik (Transmiter) i odbiornik (Reciver) i układ RMII/MII Logicdo którego doprowadzone są
linie sygnałowe interfejsu RMII. Linie sygnałowe z portu ethernetowegoTXP/TXN i RXP/RXN połączone są
z układem automatycznego wykrywania i korekcji polaryzacji HP Auto-MDIX.
Schemat blokowy (rys. 4.2) układu transmisji ethernetowej przedstawiono na rysunku powyżej. Układ warstwy
fizycznej łącza ethernetowego LAN8710A podłączony jest do portu Ethernet MAC poprzez interfejs RGMII.
Układ dołączany jest do sieci Ethernet za pomocą transformatora separującego oraz złącza RJ45. Do pracy
układu potrzebny jest kwarc o częstotliwości 25MHz.
Raport: CASTATUT_2_16
Strona 13 z 27
Rysunek 4.2. Schemat blokowy układu transmisji z wyjściem Ethernet
Schemat ideowy układu przedstawiono na rysunku 4.4. Moduł MYC-Y3358 zbudowany jest w oparciu o
procesor SITARA firmy Texas Instruments. Należy zaznaczyć, że procesor ten wyposażony jest kontroler
MAC802.3 (Media Access Control), który zapewnia mechanizmy kontroli dostępu do sieci Ethernet oraz
ustawienia adresów w sieci, zaś do pełnego działania łącza ethernetowego potrzebna jest warstwa fizyczna
łącza realizowana właśnie przez poniższy układ, połączony z kontrolerem MAC za pośrednictwem magistrali
RGMII. Z uwagi na częstotliwość pracy magistrali wynoszącą powyżej 50MHz do linii dodano rezystory
dopasowujące (47-49.9ohm), tak aby zminimalizować pasożytnicze oscylacje i szkodliwe odbicia.
W celu minimalizacji powierzchni zajmowanej przez układ zastosowano rozwiązanie, którym jest połączenie
transformatora separującego i złącza RJ45 w jednej obudowie. Schemat takiego układu firmy Wurth
przedstawiono na rysunku 4.3.
Rysunek 4.3. Struktura wewnętrzna transformatora separującego zintegrowanego ze złączem RJ45
LAN8710A Transformator
Mode LED
RJ45 10/100
Ethernet MAC
Rezonator kwarcowy
RGMII
Raport: CASTATUT_2_16
Strona 14 z 27
b
Rysunek 4.4. Schemat ideowy układu Ethernet
Raport: CASTATUT_2_16
Strona 15 z 27
Model układuEthernetowego przedstawiono na rysunku 4.5.
Rysunek 4.5. Widok modelu układu Ethernet
Raport: CASTATUT_2_16
Strona 16 z 27
5. Wykonanie i badania modeli opracowanych sensorów
W ramach pracy opracowano, wykonano i przebadano moduły do pomiaru prądu (MPP) i temperatury
(MPT) oraz dwa wariantysensorów do pomiaru temperatury (A,B). Badanie modułu do pomiaru prądu
przeprowadzono z wykorzystaniem przetwornika prądowego typu CR 1-55. Uzyskane wyniki pomiaru
wzmocnienia toru pomiarowego i przesunięcia fazowego zamieszczono w tab. 5.1. Na rysunkach 5.1 i 5.2
przedstawiono przebiegi mierzonych sygnałów prądowych na wyjściu układu pomiarowego. Można zauważyć,
że sygnały pomiaru w zakresie prądów roboczych i zwarciowych są odbiciem lustrzanym sygnału wejściowego.
Fakt ten należy uwzględnić przy wyliczaniu wartości RMS i przesunięć kątowych między sygnałami. Dokładność
pomiaru prądu w zakresie od 8 do 250A wynosi poniżej 1 %, natomiast w zakresie od 4 A do 8 A przekracza 1%.
Tabela 5.1. Błędy pomiaru prądu z przetwornika prądowego.
l.p Wartość zadana fazy I1
[A]
Wartość mierzona fazy I1
[A]
Błąd pomiaru
[%]
1 4 4,048 1,21
2 8 8,064 0,8
3 250 251,25 0,5
l.p Wartość zadana fazy I2
[A]
Wartość mierzona fazy I2
[A]
Błąd pomiaru
[%]
1 4 3,954 1,15
2 8 7,935 0,82
3 250 251,22 0,49
l.p Wartość zadana fazy I3
[A]
Wartość mierzona fazy I4
[A]
Błąd pomiaru
[%]
1 4 4,05 1,24
2 8 8,062 0,78
3 250 248,8 0,48
Rysunek 5.1. Badanie wzmocnienia toru pomiaru prądu. Ch1 zakres zwarciowy, Ch2 zakres prądów roboczych, Ch3 sygnał wejściowy.
Raport: CASTATUT_2_16
Strona 17 z 27
Rysunek 5.2. Pomiar przesunięcia fazowego torów. Ch3 jest zanegowany.
Moduł do pomiaru temperatury MPT badano z opracowanymi sensorami temperaturowymi (wariant A
i B).Rysunek 5.3 przedstawia charakterystykę opracowanego i wykonanego w trakcie prac jednozakresowego
sensora do pomiaru temperatury. Wykres ten pokazuje różnice w pomiarze temperatury na poziomie 3-4˚C
dla temperatury powyżej 100˚C. Jest to związane z teoretyczną dokładnością jaką można osiągnąć
przedstawionym na poniższym schemacie ideowym układzie. Ograniczeniem układu jest 10 bitowy przetwornik
ADC, który używany jest do próbkowania sygnału, a także stała wartość rezystancji będącej składnikiem
dzielnika razem z termistorem. Charakterystyki opracowanych sensorów A i B pokrywają się.
Należy zwrócić uwagę, że pomiar temperatury opracowanymi sensorami był zdecydowanie szybszy od
używanego termometru referencyjnego. Jak się okazuje termometr referencyjny (usbtsetnanocolor MN)
wymaga zdecydowanie dłuższego czasu wymaganego do ustabilizowania się pomiaru. Natomiast
skonstruowany podczas prac sensor ma bardzo małą bezwładność związaną z budową – termistor zabudowano
wewnątrz śruby bezpośrednio dokręcanej do mierzonego elementu.
Rysunek 5.3. Charakterystyka opracowanego sensora temperatury (A i B) (znak x czerwony) na tle
charakterystyki sensora referencyjnego (linia ciągła niebieska).
Raport: CASTATUT_2_16
Strona 18 z 27
W tabelach poniżej przedstawiono uzyskane parametry techniczne poszczególnych rozwiązań.
MPP Moduł pomiaru prądu
MPP pozwala na pomiar z 12 obwodów prądowych fazowych z przetworników prądowych. Komunikacja między modułem pomiarowym a modułem jednostki centralnej odbywa się za pomocą magistrali RS-485 z protokołem MODBUS RTU.
Komunikacja z modułem jest realizowana za pomocą złącza X11. Złącze X12 służy do podłączenia następnego modułu MPP. Jeśli moduł znajduje się na końcu magistrali RS 485 należy zaterminować złącze X12.
Dane techniczne Obwody wejściowe prądowe
Liczba wejść 12
Współczynnik przetwarzania 1 mV/A; 50 Hz
Zakres pomiaru ≤10 V
Błąd bezwzględny (0,01 … 10 V) ±2 %
Parametry konstrukcyjne
Zasilanie 24 V DC
Pobór mocy 3 W
Wymiary (szerokość, wysokość, głębokość) 106/97/54 mm
Testy funkcjonalne
Dyrektywy WE
• kompatybilności elektromagnetycznej (EMC) 2014/30/UE;
• urządzeń elektrycznych niskonapięciowych (LVD) 2014/35/UE;
• w sprawie ograniczenia stosowania niektórych niebezpiecznych substancji w sprzęcie elektrycznym i elektronicznym( RoHS) 2011/65/UE
Normy zharmonizowane z dyrektywami EMC i LV oraz ogólne
PN-EN 61439-1 Rozdzielnice i sterownice niskonapięciowe – Część 1: Postanowienia ogólne
PN-EN 62271-1 Wysokonapięciowa aparatura rozdzielcza i sterownicza – Część 1: Postanowienia wspólne
PN-EN 61000-6-2 Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) -- Część 6-2: Normy ogólne -- Odporność w środowiskach przemysłowych
PN-EN 61000-6-4 /A1 Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) -- Część 6-4: Normy ogólne -- Norma emisji w środowiskach przemysłowych
PN-EN 50581:2013-03 Dokumentacja techniczna oceny wyrobów elektrycznych i elektronicznych z uwzględnieniem ograniczenia stosowania substancji niebezpiecznych.
Opis diod Dioda Kolor Funkcja
24 V DC zielony świeci, gdy jest napięcie zasilania 24 V DC
RS 485 zielony odbieranie danych
czerwony wysyłanie danych
STATUS
zielony prawidłowe zasilanie 24 V DC na magistrali SEM
pomarańczowy prawidłowa komunikacja na magistrali SEM
czerwony awaria modułu
Opis złącz
Złącze Zacisk Oznaczenie
X410
1 PE przewód ochronny
2 L zasilanie 24 V DC
3 N
X411
1 AI_01
1.I1 zacisk S1
2 1.I1 zacisk S2
3 AI_02
1.I2 zacisk
4 1.I2 zacisk S2
5 AI_03
1.I3 zacisk S1
6 1.I3 zacisk S27
AI_04 2.I1 zacisk S1
8 2.I1 zacisk S2
9 AI_05
2.I2 zacisk S1
10 2.I2 zacisk S2
11 AI_06
2.I3 zacisk S1
12 2.I3 zacisk S2
X412
1 AI_7
3.I1 zacisk S1
2 3.I1
3 AI_8
3.I2 zacisk S1
4 3.I2 zacisk S2
5 AI_9
3.I3 zacisk S1
6 3.I3 zacisk S2
7 AI_10
4.I1 zacisk S1
8 4.I1 zacisk S2
9 AI_11
4.I2 zacisk S1
10 4.I2 zacisk S2
11 AI_12
4.I3 zacisk S1
12 4.I3 zacisk S2
X11 IN COM 1 RS 485
X12 OUT COM 2 RS 485
Wymiary
MPT Moduł pomiaru temperatury
Raport: CASTATUT_2_16
Strona 19 z 27
Funkcja
przewód ochronny
zasilanie 24 V DC
1.I1 zacisk S1
1.I1 zacisk S2
1.I2 zacisk S1
1.I2 zacisk S2
1.I3 zacisk S1
1.I3 zacisk S2 2.I1 zacisk S1
2.I1 zacisk S2
2.I2 zacisk S1
2.I2 zacisk S2
2.I3 zacisk S1
2.I3 zacisk S2
3.I1 zacisk S1
3.I1 zacisk S2
3.I2 zacisk S1
3.I2 zacisk S2
3.I3 zacisk S1
3.I3 zacisk S2
4.I1 zacisk S1
4.I1 zacisk S2
4.I2 zacisk S1
4.I2 zacisk S2
4.I3 zacisk S1
4.I3 zacisk S2
RS 485 – wejściowe
RS 485 - wyjściowe
MPT Moduł pomiaru temperatury
Raport: CASTATUT_2_16
Strona 20 z 27
MPTsłuży do akwizycji danych pomiarowych z rozproszonych czujników temperatury w wariantachA i B.Moduł jest wyposażony w dwa łącza RJ-45 (wejściowe i wyjściowe) służące do zasilania modułów i transmisji danych. Ponadto moduły są wyposażone w dodatkowe złącze do opcjonalnego zasilania. Na płycie czołowej modułu znajdują się diody LED służące do optycznej sygnalizacji obecności sensorów, a także przekroczenia nastawianego progu mierzonej temperatury.
Sensory dołączone są do modułów za pomocą światłowodów POF 1/2,2 mm lub za pomocą ekranowanej skrętki CAT4.
Dane techniczne Obwody wejściowe
Liczba wejść optycznych (dla AS T-01 lub AS T-02) 6
Liczba wejść cyfrowych (dla AS T-03 lub AS T-04) 2
Parametry konstrukcyjne
Temperatura pracy -40˚C ... +80˚C
Zasilanie DC 24 V
Sposób montażu Szyna DIN
Medium transmisyjne skrętka CAT4
Liczba modułów łączonych w szereg 8
Maksymalna liczba modułów w jednej sieci 240
Opis diod Dioda Kolor Funkcja
STATUS
zielony prawidłowe zasilanie 24 V DC na magistrali SEM
pomarańczowy prawidłowa komunikacja na magistrali SEM
czerwony awaria modułu
DI
zielony temperatura odczytywana z sensora dołączonego do Dix jest poniżej progu ostrzegawczego
pomarańczowy temperatura odczytywana z sensora dołączonego do Dix jest powyżej progu ostrzegawczego i poniżej progu alarmowego
czerwony temperatura odczytywana z sensora dołączonego do Dix jest powyżej progu alarmowego
OI
zielony temperatura odczytywana z sensora dołączonego do Dix jest poniżej progu ostrzegawczego
pomarańczowy temperatura odczytywana z sensora dołączonego do Dix jest powyżej progu ostrzegawczego i poniżej progu alarmowego
czerwony temperatura odczytywana z sensora dołączonego do Dix jest powyżej progu alarmowego
Opis przełączników
Przełącznik Oznaczenie Funkcja
ADDR
1
Adres binarny modułu
2
3
4
5
6
7
8
DI_1 obecność sensora dołączonego do DI_1
DI_2 obecność sensora dołączonego do DI_2
OI_1 obecność sensora dołączonego do OI_1
OI_2 obecność sensora dołączonego do OI_2
OI_3 obecność sensora dołączonego do OI_3
OI_4 obecność sensora dołączonego do OI_4
OI_5 obecność sensora dołączonego do OI_5
OI_6 obecność sensora dołączonego do OI_6
Opis złącz
Złącze Zacisk Oznaczenie
X511
1
2 GND
3 24V DC
4
5
6
7
8
9
10
11
12
X512_IN X512_OUT
1 24V DC
2 24V DC
3 GND
4
5
6 GND
7
8
X513
1 OI_1
2 OI_2
3 OI_3
4 OI_4
5 OI_5
6 OI_6
Wymiary
Raport: CASTATUT_2_16
Strona 21 z 27
Oznaczenie Funkcja
PE uziemienie
GND masa
24V DC zasilanie modułu 24V DC
POZOSTAWIĆ NIE POŁĄCZONY
+ zasilanie sensora DI_2
- zasilanie sensora DI_2
DAT sygnał transmisyjny DI_2
CL sygnał transmisyjny DI_2
+ zasilanie sensora DI_1
- zasilanie sensora DI_1
DAT sygnał transmisyjny DI_1
CL sygnał transmisyjny DI_1
24V DC zasilanie modułu 24V DC
24V DC zasilanie modułu 24V DC
GND masa
A RS422/485 A
B RS422/485 B
GND masa
Z RS422/485 Z
Y RS422/485 Y
OI_1 Wejście światłowodu POF (sensor OI_1)
OI_2 Wejście światłowodu POF (sensor OI_2)
OI_3 Wejście światłowodu POF (sensor OI_3)
OI_4 Wejście światłowodu POF (sensor OI_4)
OI_5 Wejście światłowodu POF (sensor OI_5)
OI_6 Wejście światłowodu POF (sensor OI_6)
Raport: CASTATUT_2_16
Strona 22 z 27
Sensory do pomiaru temperatury wariant A i B
Bezpotencjałowe sensory AiB służą do bezpiecznego bezpośredniego pomiaru temperatury na elementach typu: szyny lub szynoprzewody. Montuje się je poprzez dokręcenie do obiektu za pomocą nakrętki M10. Sensory powinny być montowane w miejscach narażonych na podwyższoną temperaturę, tzn.: w miejscach łączenia szyn. Przestrzenne usytuowanie sensora nie ma wpływu na pomiar. Zmierzone wartości są przesyłane za pomocą światłowodu POF 1/2,2 mm, dzięki czemu zapewniona jest pełna separacja galwaniczna między sensorem, a modułem pomiarowym. Sensory są wyposażone w baterię, której czas pracy zależy od temperatury otoczenia w jakiej pracuje. W przypadku spadku napięcia baterii poniżej wymaganego progu, moduł pomiarowy wysyła informację o konieczności wymiany sensora.
Eksploatacja
Bezpotencjałowe sensory A iB należy montować w otworach szyn poprzez dokręcenie dołączonymi nakrętkami. Aby zmierzony sygnał został przesłany do docelowego modułu, należy dołączyć do sensora światłowód POF o średnicy rdzenia 1mm i średnicy zewnętrznego płaszcza 2,2 mm. Światłowód przed włożeniem do złącza światłowodowego należy zeszlifować papierem ściernym o gradacji ziarnistości 600-1000. Od jakości czoła światłowodu zależy docelowy zasięg sensora. Światłowód po włożeniu do złącza światłowodowego należy zacisnąć przy użyciu nakrętki złącza palcami bez użycia nadmiernej siły.
Dane techniczne
Typ sensora A B
Obwód pomiarowy
Zakres pomiarowy -20˚C … 85˚C -20˚C … 100˚C
Błąd bezwzględny ±1 ˚C
Rozdzielczość 0,5 ˚C
Interfejsy komunikacyjne
1xOPTICAL RS 17800 bit/s
Częstotliwość wysyłania pomiaru ok. 1 Hz
Medium transmisyjne POF 1/2,2 mm
Parametry konstrukcyjne
Zasilanie Bateria wewnętrzna
Czas pracy w temperaturze do 30˚C 10 lat
w temperaturze do 85˚C 3 lata w temperaturze do 100˚C 3 lata
Temperatura pracy -20˚C ... +85˚C -20˚C ... +100˚C
Sposób montażu na szynę poprzez dokręcenie nakrętką M10 +M3
Testy funkcjonalne
Dyrektywy WE
• kompatybilności elektromagnetycznej (EMC) 2014/30/UE;
• urządzeń elektrycznych niskonapięciowych (LVD) 2014/35/UE;
• w sprawie ograniczenia stosowania niektórych niebezpiecznych substancji w sprzęcie elektrycznym i elektronicznym( RoHS) 2011/65/UE
Normy zharmonizowane z dyrektywami EMC i LV oraz ogólne
PN-EN 61439-1 Rozdzielnice i sterownice niskonapięciowe – Część 1: Postanowienia ogólne
PN-EN 62271-1 Wysokonapięciowa aparatura rozdzielcza i sterownicza – Część 1: Postanowienia wspólne
PN-EN 61000-6-2 Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) -- Część 6-2: Normy ogólne -- Odporność w środowiskach przemysłowych
PN-EN 61000-6-4 /A1 Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) -- Część 6-4: Normy ogólne -- Norma emisji w środowiskach przemysłowych
PN-EN 50581:2013-03 Dokumentacja techniczna oceny wyrobów elektrycznych i elektronicznych z uwzględnieniem ograniczenia stosowania substancji niebezpiecznych.
Raport: CASTATUT_2_16
Strona 23 z 27
Wymiary
1) Śruba montażowa M3 2) Śruba montażowa M10 3) Nadajnik światłowodowy z nakrętką
zaciskającą światłowód 4) Obudowa sensora
5.1. Odporność na zaburzenia elektromagnetyczne
Podczas badań i w fazie modyfikacji konstrukcji wykorzystano wiedzę zdobytą podczas zwiększania
odporności magistrali innego typu – I2C niewykorzystującej sygnałów różnicowych. Pomimo znaczących różnić
w sposobie funkcjonowania magistrali, można zauważyć pewne analogie dotyczące m.in. sposobu zasilania
obwodów dołączonych do magistrali i sposobu przenikania zakłóceń do wnętrza separowanych galwanicznie
części obwodów.
Poniżej przedstawiono proces badawczy służący uodpornieniu opracowywanej platformy pomiarowej
dedykowanej do pracy w środowisku przemysłowym. Modułem zarządzającym tej platformy pomiarowej jest
moduł główny przystosowany do współpracy z sieciami Smart Grid, który może współpracować z innymi
urządzeniami w standardach transmisji MODBUS RTU, IEC 60870-5-103 lub IEC 61850. Wewnętrzną szyną
komunikacyjną między modułami jest RS 485 z protokołem transmisji MODBUS RTU.
Jednym z głównych badań modułowego systemu wymagało sprawdzenie odporności na zakłócenia
elektromagnetyczne wewnętrznej magistrali komunikacyjno – zasilającej łączącej poszczególne elementy
składowe platformy pomiarowej. Do badań inżynierskich magistrali wybrano zaburzenia mające charakter
cykliczny najczęściej spotykane w sieciach elektroenergetycznych typu BURST i CWS. Parametry sygnałów
zaburzających oddziaływujących na magistralę komunikacyjno – zasilającą podczas badań przedstawiono
w tabeli 5.1.1.
Tabela. 5.1.1. Rodzaj i parametry zaburzeń sprzęganych z magistralą komunikacyjno – zasilającą.
Rodzaj i parametryzakłóceń
BURST- szybkozmienne zaburzenia przejściowe CWS - modulowane amplitudowo zaburzenia przewodzone
indukowane przez pola o częstotliwości radiowej
czas narastania impulsu - 5 ns
czas do półszczytu - 50 ns
Częstotliwość powtarzania impulsów - 5 kHz
Napięcie szczytowe impulsów - 4 kV
Czasnarażania - 120 s
częstotliwość fali nośnej - od 0,15 do 80 MHz
modulacja amplitudowa - 1 kHz
głębokość modulacji amplitudowej - 80 %
przestrajanie - o 1% co 3 s
napięcie wyjściowe podawane na cęgi sprzęgające - 10 V RMS
impedancjawyjściowageneratora - 150 Ω
(2)
(1)
(3)
(4)
Raport: CASTATUT_2_16
Strona 24 z 27
5.1.1. Topologia badanej magistrali
Zastosowana magistrala komunikacyjno - zasilająca opiera się na topologii zgodnej ze standardem
TIA/EIA-485-A, a więc RS-485 Full Duplex, przy czym wszystkie moduły zasilane są z zewnętrznego źródła
napięcia stałego o wartości 24 V. W zastosowanej magistrali zarówno zasilanie, jak i dane przesyłane są za
pomocą jednego wielożyłowego kabla. Każdy z modułów sterownika zasilany jest poprzez wewnętrznie
wbudowaną izolowaną przetwornicę monolityczną, a każdy obwód nadawczo – odbiorczy jest separowany
galwanicznie od wewnętrznej masy modułu. Z punktu widzenia komunikacji pomiędzy modułami, rolę
MASTER’a odpytującego liniami Z i Y pełni jednostka centralna, natomiast pozostałe dołączone moduły pełnią
rolę SLAVE’a odpowiadającego liniami A i B.
5.1.2. Sprzęt pomiarowy i stanowisko badawcze
Badania odporności na szybkozmienne zaburzenia przejściowe kompatybilności typu BURST wykonano
symulatorem BEST EMC V23200105-003SC, a badania zaburzeń przewodzonych indukowanych przez pola o
częstotliwości radiowej modulowanych amplitudowo CWS wykonano na stanowisku badawczym za pomocą
generatora typu CWS 500N1.4. Zaburzenia typu BURST wprowadzano za pomocą klamry pojemnościowej,
a zaburzenia typu CWS wprowadzano za pomocą specjalizowanej kierunkowej klamry sprzęgająco-
odprzęgającej. Próby odporności przeprowadzano dla układu składającego się z modułów przedstawionych w
tab. 1: modułu głównego typu C i jednego z modułów wykonawczych typu A oraz zasilacza o potwierdzonej
odporności na zakłócenia. Moduły były połączone ze sobą za pośrednictwem docelowego kabla wstążkowego
z odpowiednio przygotowanymi złączami. Urządzenia zostały ustawione na wspornikach nieprzewodzących 10
cm nad uziemioną płaszczyzną odniesienia. Kabel wstążkowy łączący poszczególne moduły był narażany
z generatora impulsów BURST poprzez klamrę pojemnościową, a w przypadku sygnału zaburzającego CWS
poprzez kierunkową klamrę sprzęgająco-odprzęgającą. W przypadku badania odporności na zaburzenia CWS
badanie było powtarzane każdorazowo w dwóch ustawieniach klamry sprzęgająco-odprzęgającej, tak aby
sprawdzić oddziaływanie na oba badane moduły. Do badań wybrano zasilacz UPS z potwierdzonymi poziomami
odporności na zaburzenia EMC spotykanymi środowisku przemysłowym, tak aby jego odporność nie miała
negatywnego wpływu na odporność całego badanego układu. Podczas badań poszczególne moduły platformy
pomiarowej były uziemione. Według wymagań normy podczas trwania badań i po ich zakończeniu kryteria
akceptacji muszą być oceniane, dlatego uznano, że odporność jest wystarczająca jeśli w czasie zaburzeń BURST
i CWS oraz po ich zaprzestaniu urządzenie będzie pracowało normalnie spełniając wymagania odporności
według kryteriów B dla zaburzeń BURST i A dla zaburzeń CWS. Wymagane kryteria akceptacji zostały
przedstawione w tab. 5.1.2.
Tabela. 5.1.2. Wymagane kryteria akceptacji wyników dla przedstawionych badań
Funkcja kryterium A (CWS) kryterium B (BURST)
Zabezpieczenie Działanie urządzenia zgodne ze specyfikacją podczas testu i po teście
Sterowanie i kontrola
Pomiary Brak oddziaływania zaburzeń na
urządzenie podczas testu
Możliwa tymczasowa degradacja danych pomiarowych
podczas testu, z możliwością samodzielnego
odzyskania danych po teście bez straty zapisanych
danych
Integralny interfejs
operatora i sygnalizacja
wizualna
Brak oddziaływania zaburzeń na
urządzenie lub brak utraty ilości
funkcji podczas testu oraz brak utraty
zgromadzonych w pamięci danych
Możliwa tymczasowa degradacja bez zmniejszenia
ilości funkcji podczas testu, z możliwością
samodzielnego odzyskania danych po teście bez straty
zapisanych danych zgromadzonych w pamięci danych
Transmisjadanych Możliwy jest wzrost intensywności błędu, lecz bez utraty transmitowanych danych
Wejścia i wyjścia binarne i
wyjściowe styki Nie występują niepożądane zmiany podczas testu
Raport: CASTATUT_2_16
Strona 25 z 27
5.1.3. Uodpornianie magistrali komunikacyjno – zasilającej
W wersji modelowej urządzenia zastosowano katalogowe rozwiązania dotyczące zarówno układu, jak
i topologii połączeń, jak i wykorzystano zalecania producenta dotyczące odprzęgania zasilania układów
nadawczo – odbiorczych. Maksymalnie skrócono przewody doprowadzające zasilanie, w tym uziemiający oraz
przewody linii danych (A,B i Z, Y). Jednak podczas prowadzonych badań inżynierskich nie od razu uzyskano
wyniki pozytywne, zgodne z wymaganiami dotyczącymi akceptacji wyników. Na rysunku 5.1.3.1. przedstawiono
pierwszą wersję schematu układu, zgodną z notami katalogową i aplikacyjną producenta.
Rysunek5.1.3.1. Pierwsza wersja schematu układu, zgodna z notami katalogową i aplikacyjną producenta
układu nadawczo - odbiorczego i mikrokontrolera
Należy zwrócić uwagę, że modułowy charakter budowy urządzenia z możliwością swobodnego jego
konfigurowania, w tym również ułożenia poszczególnych modułów nie dawał możliwości wyposażenia
wszystkich modułów w obwody terminujące magistralę - zgodnych ze standardem TIA/EIA-485-A. Nie było też
możliwości założenia zewnętrznych rezystorów terminujących na kabel łączący moduły. Zgodnie
z przytoczonym standardem, a więc i notą aplikacyjną możliwe było jedynie obciążenie linii w module typu C
pełniącego rolę MASTER’a rezystorem 120 Ω. W pierwotnie zastosowanym rozwiązaniu pozostałych modułów
sterownika nie obciążano rezystorem ze względu na brak możliwości przewidzenia konfiguracji sterownika.
W trakcie prowadzenia badań na odpornością magistrali komunikacyjno – zasilającej sterownika
wykazano brak odporności na zaburzenia BURST i w szczególności CWS, które (w zakresach częstotliwości 0,5
÷2,7 MHz, 14- 25 MHz i 29-54 MHz), które powodowały zerwanie komunikacji pomiędzy modułami. Należy przy
tym stwierdzić, że w konstrukcji magistrali zastosowano scalone układy nadawczo-odbiorcze RS-485 firmy
Analog Device z serii ADM2XXXE, przeznaczone do szybkiej komunikacji (500 kbps / 16 Mbps) do zastosowań
przemysłowych. Zastosowane w opisywanym przypadku układy nadawczo-odbiorcze, skonstruowane z użyciem
sprzęgaczy elektromagnetycznych, charakteryzują się wysoką odpornością na zakłócenia sumacyjne (do 25
kV/μs), a także wysoką odpornością na ESD na poziomie ±8/±15 kV (wg Human Body Model). Jednak głównym
problemem braku odporności na wysokoczęstotliwościowe zakłócenia typu BURST i CWS było zgodne
z aplikacją zastosowanie tych układów. Zastosowany układ aplikacyjny został przedstawiony na rys. 2. W czasie
przeprowadzonej analizy opisywanego przypadku stwierdzono, że powodem zrywania komunikacji był wysoki
poziom zakłóceń demodulujących się na wejściu scalonego układu nadawczo – odbiorczego (ADM2XXXE), jest
to zjawisko częste i dotyczy również innych układów transmisyjnych. Powodowało to problemy z poprawną
interpretacją danych już na poziomie odbiornika, które ostatecznie były odrzucane na podstawie błędnych sum
kontrolnych generowanych dla całych ramek transmisyjnych. Jak widać zastosowany układ nie spełniał
wymagań odporności na zaburzenia na poziomie przemysłowym. Zaburzenia nawet typu sumacyjnego
przenikały polowo poprzez barierę izolacyjną do wewnętrznych układów nadawczo - odbiorczych powodując
tym samym przekłamanie danych odbieranych przez obwody UART mikrokontrolera. Spowodowało to
konieczność eliminacji zaburzeń przed barierą zanim, choćby częściowo dotrą do układu nadawczo-odbiorczego
po wewnętrznej części bariery. Ten problem dotyczy również usunięcia zaburzeń, które w postaci sprzężeń
polowych wniknęły do wnętrza modułu, i które należało usunąć z wnętrza modułów jak najkrótszą drogą.
Raport: CASTATUT_2_16
Strona 26 z 27
W ramach prac uodparniających zdecydowano się na użycie wstępnej polaryzacji par linii A-B i Z-Y
magistrali, co zwiększyło poziom odporności dla zaburzeń CWS z 3 V RMS do 7 V RMS. Była to nadal
niedostateczna odporność magistrali komunikacyjno – zasilającej dla zaburzeń CWS, ale już wystarczająca dla
osiągnięcia wymaganego poziomu 4 kV odporności na zaburzenia BURST. Te prace uodparniające
zdecydowanie poprawiły jakość transmisji, ze znacznie rzadszym jej zrywaniem.
W trakcie kolejnych prób uodpornienia układu zdecydowano się na zastosowanie dławika filtrującego
zakłócenia w liniach zasilających układy nadawczo odbiorcze, a także na dodanie na wejściu odbiornika filtrów
RC złożonych z rezystorów szeregowych 100 Ω i kondensatorów 100 pF dla każdej linii transmisji szeregowej
RS485. Spowodowało to odfiltrowanie sygnałów zaburzających powyżej częstotliwości około 15 MHz, co jest
wartością wystarczającą z punktu widzenia prędkości transmisji. Przeprowadzenie tych czynności spowodowało
poprawę odporności badanej magistrali, a w szczególności dla częstotliwości około 15 MHz. Pomimo tych prób,
obwód badanej magistrali komunikacyjno – zasilającej nadal pozostawał wrażliwy na zakłócenia CWS w paśmie
transmisyjnym czyli w zakresie 0,5 ÷ 2 MHz. Ostatecznie w liniach transmisyjnych zastosowano dławiki sygnału
wspólnego o impedancji około 100 Ω dla 1 MHz. Okazało się to wartością wystarczającą do zwiększenia
odporności i jednocześnie nie powodująca problemów z transmisją spowodowanych dużą impedancją
wtrąconą szeregowo w linie transmisyjne. Uproszczony schemat zmodernizowanej ostatecznie magistrali
komunikacyjno - zasilającej zastosowanej w modułowym sterowniku został przedstawiony na rysunku5.1.3.2.
Rysunek5.1.3.2. Ostateczna wersja schematu układu, z wprowadzonymi dodatkowymi elementami
ograniczającymi wpływ zaburzeń EMC
W ostatecznym rozwiązaniu poza obciążeniem magistrali modułu głównego rezystorem o wartości rezystancji
120 Ω, zastosowano wiele obwodów terminujących, po jednym do każdego zastosowanego modułu. Po
uzyskaniu pozytywnych wyników badań dla wyższych wartości rezystancji terminujących transmisję dla
poszczególnych modułów, zdecydowano się użyć rezystorów obciążających magistralę o większej rezystancji,
tak aby dołączenie kilku lub kilkunastu dodatkowych modułów sterownika nie obciążało układów nadawczych
powyżej dopuszczalnych wartości katalogowych, nie powodując tym samym zwiększonego poziomu
współczynnika BERR w komunikacji. Ostateczny pozytywny wynik przeprowadzonych badań potwierdził
słuszność podjętych działań.
Raport: CASTATUT_2_16
Strona 27 z 27
6. Podsumowanie
Modułowa konstrukcja urządzeń zapewnia otwartość architektury oraz umożliwia jej rozbudowę
o wymagane przez użytkownika dodatkowe moduły. Zaletą tego typu rozwiązań jest dopasowanie do potrzeb
klienta i możliwość optymalizacji kosztów systemu pomiarowego, dzięki agregacji danych z wielu sensorów
w jednostce centralnej. Jednakże modułowa konstrukcja, oprócz opisanych wyżej zalet stwarza problem
związany z odpornością całego systemu na zakłócenia elektromagnetyczne typowe dla obiektów
elektroenergetycznych. Zakłócenia elektromagnetyczne prowadzą do wzrostu ilości błędów w transmisji. Od
tego typu urządzeń wymagane jest, aby informacja w każdej sytuacji była dostarczona. Dlatego też w pracy
położono duży nacisk na przeprowadzanie badań inżynierskich pod kontem zakłóceń elektromagnetycznych
łączy komunikacyjnych. Spełniony został wymóg dostępu danych pomiarowych z sensorów prądu
i temperatury przy pomocy łącza ethernetowego. Informacje dostępne są m.in. poprzez stronę www oraz
poprzez przemysłowe protokoły komunikacyjne. Zakładane cele w całości zostały zrealizowane.
W ramach pracy napisano i opublikowano następujące artykuły: 1. P. Michalski, K. Broda, K. Makowiecki, „Implementacja algorytmu zabezpieczenia rezystancyjno-
temperaturowego w górniczym sterowniku polowym z obwodami iskrobezpiecznymi”, Czasopismo: Elektronika 6/ 2016,
2. P. Michalski, J. Chudorliński, "Zwiększenie odporności magistrali szeregowej urządzeń elektronicznych o konstrukcji modułowej na zaburzenia EMC spotykane w środowisku przemysłowym", Czasopismo: Elektronika 6/ 2016.
7. Literatura
1. PN-EN 62271-1:2009 :Wysokonapięciowa aparatura rozdzielcza i sterownicza Cześć 1: Postanowienia wspólne”
2. PN-EN 61439-1:2011 „Rozdzielnice i sterownice niskonapięciowe Cześć 1:Postanowienia ogólne” 3. PN-EN 60255-26:2014 „Przekaźniki energoelektryczne - Część 26: Wymagania dotyczące kompatybilności
elektromagnetycznej przekaźników pomiarowych i urządzeń zabezpieczeniowych”