Zasilanie automatyki rozproszonej

Po raz kolejny przekonujemy się, że bez nauki ani rusz. Namacalnym dowodem na to jest opracowana w jednym z laboratoriów naukowych koncepcja  bezprzewodowego podzespołu automatyki przemysłowej. W rozwiązaniu tym tradycyjne źródło zasilania w postaci baterii lub akumulatora galwanicznego wzbogacone zostało o układ zawierający moduły termoelektryczne.
Zbudowany model laboratoryjny zawierał gorący obiekt (źródło ciepła), termogenerator (TEG), układ buforowego zasilania oraz bezprzewodowy system pomiarowy. Moc wyjściowa TEG wynosiła 0,35 W, gdyż strona zimna modułu miała 70oC (radiator), a strona gorąca 160oC (obiekt). Krótkodystansową transmisję bezprzewodową zrealizowano w paśmie ISM na częstotliwości nośnej 433 MHz. To, co jest ważne od strony praktycznej: to fakt, że moduły TE, których graniczna temperatura pracy osiąga 225oC, są dostępne komercyjnie i mogą znaleźć zastosowanie w szeregu aplikacjach.
Systemy kontrolno-sterujące zawierające tego typu podzespoły mogą znaleźć zastosowanie w kotłach, piecach czy rurociągach transportujących gorące medium, w których budowa instalacji kablowej jest stosunkowo kosztowna. 
Kable do lamusa?
Omawiane rozwiązanie może stanowić prawdziwą konkurencję dla tradycyjnego okablowania. Jednak całkowite zdominowanie tradycji wcale nie musi być takie proste. Zastąpienie bowiem okablowania łącznością radiową jest ciągle trudne do zaakceptowania w praktyce ze względu na kwestie niezawodności takich rozwiązań. Z drugiej jednak strony znacząca liczba uszkodzeń w przemysłowych systemach sterujących jest wynikiem fizycznego uszkodzenia okablowania, łączącego urządzenia rozproszone (czujniki i aktuatory) ze sterownikami przemysłowymi. Z trzeciej jednak strony nadzwyczajnie szybki rozwój technologii bezprzewodowych znacząco poprawił niezawodność i obniżył koszty tych rozwiązań, co powoduje, że systemy tego typu są coraz chętniej stosowane, także w obszarze automatyki przemysłowej.  
Na każdą okoliczność
Oprócz poprawy niezawodności transmisji radiowej istnieją jednak inne problemy wpływające na akceptację systemów bezprzewodowych w obszarze automatyki przemysłowej. Urządzenia bezprzewodowe wymagają źródła zasilania. Jeśli w pobliżu czujnika dostępna jest linia zasilająca, to może ona być wykorzystana do zasilania urządzenia i w takim rozwiązaniu tylko transmisja radiowa jest bezprzewodowa. W innym przypadku do zasilania systemu może być użyta bateria. W takim przypadku podstawową kwestią staje się optymalizacja zużycia energii. Stosowanie baterii do zasilania powoduje, że musi być ona zmieniana i ten fakt stwarza znaczące problemy techniczne (np. gdy urządzenia są trudno dostępne) oraz zwiększa koszt eksploatacji systemu.
Innym możliwym rozwiązaniem zasilania systemów bezprzewodowych jest dostarczenie energii z lokalnego generatora, który przetwarza dostępną formę energii na energię elektryczną. To rozwiązanie jest często stosowane w rozproszonych systemach telemetrycznych, w których odległe stacje pomiarowe są zasilane z wykorzystaniem ogniw fotowoltaicznych. W przypadku automatyki przemysłowej takie rozwiązanie jest często niemożliwe ze względu na brak dostępności odpowiednio wydajnego źródła światła. 
W przypadku instalacji przemysłowych często dostępna jest bezpośrednio energia cieplna ze względu na fakt, iż wiele obiektów przemysłowych cechuje temperatura znacząco wyższa od temperatury otoczenia. Dlatego też dostępna energia cieplna może byś wykorzystana do konwersji na energię elektryczną przy użyciu generatora termoelektrycznego TEG.
O przydatności urządzeń termoelektrycznych służących do pozyskiwania energii cieplnej i jej zamiany na energię elektryczną obszerne informacje można znaleźć w literaturze fachowej [1].  
TE — ich wizytówką jest niezawodność 
Zjawisko termoelektryczne [2, 3, 4] występuje przy połączeniu dwóch różnych materiałów przewodzących, w sytuacji gdy złącza pracują w różnych temperaturach. Ze zjawiskiem termoelektrycznym związane są dwa efekty: prosty i odwrotny. Podczas gdy efekt Peltiera (odwrotny) jest szeroko wykorzystywany w praktyce (np. aktywne chłodzenie w elektronice), to efekt Seebecka (prosty) znalazł zastosowanie głównie w technice (termopary), a dużo rzadziej do wytwarzania energii elektrycznej. Przyczyną tego stanu rzeczy jest głównie niska sprawność konwersji energii. Moduły termoelektryczne TE cechuje natomiast wysoka niezawodność i dzięki temu znalazły one zastosowanie w urządzeniach, gdzie ta właśnie cecha ma podstawowe znaczenie. Przykładem mogą być aplikacje wykorzystywane w przestrzeni kosmicznej, gdzie do wytworzenia energii cieplnej zasilającej ogniwo TE wykorzystuje się źródło radioizotopowe. 
Sprawność, ale nie fizyczna
Niska sprawność – to główna przyczyna ograniczonego stosowania urządzeń TEG. Dla tych układów sprawność jest często określana jako procentowa sprawność cyklu Carnota. Komercyjny moduł TE osiąga maksymalnie sprawność w wysokości 10% cyklu Carnota. Jakość energetyczna układu termoelektrycznego określana jest często przez podanie bezwymiarowej wielkość ZT (ang. figure of merit). Powszechnie stosowane materiały termoelektryczne pracujące w obszarze temperatury pokojowej charakteryzuje wielkość ZT na poziomie około 1. Zadowalająca z punktu widzenia wytwarzania energii elektrycznej sprawność na poziomie 30% cyklu Carnota mogłaby być osiągnięta dla elementów o współczynniku ZT wynoszącym 4. Sprawność generatora termoelektrycznego jest określona następującym równaniem [5]:

 gdzie Th i Tc są odpowiednio temperaturami gorącej i zimnej strony złącza, a M jest zdefiniowane jako:

Sprawność przetwarzania termopar wytwarzanych z materiałów o wartości Z = 3 x 10-3 wynosiłaby około 4% przy założeniu, że temperatura pracy złącza po stronie gorącej wynosiłaby 67oC, a po stronie zimnej złącze pracowałoby w temperaturze pokojowej. Wzrost sprawności do 10% możliwy byłby wówczas, gdy temperatura po stronie gorącej złącza wynosiłaby 227oC oraz więcej niż 20% przy temperaturze 727oC . W tym zakresie temperatur napotkamy jednak na problemy materiałowe, gdyż obecnie do budowy modułów termoelektrycznych stosuje się stopy antymonu i tellurku-bizmutu ze śladowymi ilościami innych pierwiastków. Dostępne handlowo moduły na bazie Bi-Te pracują przy maksymalnej temperaturze ok. 247oC , charakteryzują się liczba ZT rzędu 1 i mogą w praktyce mieć sprawność rzędu 5-7% przy konwersji energii cieplnej na energię elektryczną.

Rys. 1. Przepływ energii w termogeneratorze TEG
Niska sprawność przetwarzania ogranicza przydatność modułów termoelektrycznych (TE) tylko do celów specjalnych, w których niska sprawność przetwarzania jest mniej ważna niż wysoka niezawodność. Dlatego też w przestrzeni kosmicznej można wykorzystać do wytwarzania energii cieplnej dla generatora TE niewielkie źródło radioizotopowe. Generatory TEG mogą być również zasilane przez naturalne paliwo, np. gdy potrzebne jest niezawodne źródło światła o niewielkiej mocy lub też kiedy łatwo dostępne jest jakieś inne tanie źródło ciepła. Koncepcje takiego generatora termoelektrycznego zaprezentowano na rys. 1.
Dostępność tanich materiałów o wartości ZT rzędu 3-4, to warunek zastosowania generatorów termoelektrycznych jako autonomicznych jednostek, których podstawowym celem będzie wytwarzanie energii elektrycznej. Wtedy będzie to bowiem miało sens ekonomiczny. W takim przypadku gaz ziemny może zasilać generator TE, dostarczając niezbędnej energii cieplnej do budowy generatora elektrycznego o niskich kosztach eksploatacji. Postęp w technologii materiałów stosowanych do modułów TE nastąpił głównie za sprawą zastosowań do aktywnego chłodzenia (moduły Peltiera). Aktualnie raporty z badań prowadzonych w skali laboratoryjnej mówią o uzyskiwanych sprawnościach na poziomie 20% [5]. 
Automatyczna piramida
Optymalizacja kosztów inwestycji, szybkość wdrożenia oraz wzrost niezawodności systemów skutkuje zmianami (unowocześnieniami) w przemysłowych systemach automatyki przemysłowej. Modułowa budowa przemysłowych systemów automatyki zmierza w podobnym kierunku, co przyjęte przed laty rozwiązania w świecie komputerów PC. W automatyce przemysłowej pojawiły się rozwiązania podobne do dobrze znanego z firmy Microsoft plug & play. Typowy system automatyki przemysłowej ma strukturę wielowarstwową, podobną do piramidy. Najniższe warstwy systemu zawierają czujniki rozproszone, rozmieszczone na obiektach. Ich liczba może być bardzo duża i przykładowo w typowej elektrowni 200 MW liczba czujników może wynosić ok. 1500. Urządzenia te są rozmieszczone w wielu, często odległych miejscach, wymagane jest indywidualne okablowanie każdego z nich – w celu transmisji informacji, a także w celu zasilania aktywnych podzespołów automatyki. Kable łączące elektronikę sterującą z urządzeniami kontrolno-pomiarowymi są kosztowne zarówno jeśli chodzi o materiał, jak i czas potrzebny na realizację okablowania strukturalnego. 
Kable znowu na cenzurowanym 
Konieczność dokonywania w czasie normalnej eksploatacji modyfikacji i rozbudowy systemu wymaga często zmian w okablowaniu i niesie ze sobą ryzyko uszkodzeń połączeń i błędów montażowych. Praktyka wykazuje ponadto, iż uszkodzenia okablowania należą do najczęstszych przyczyn awarii systemów automatyki w warunkach eksploatacyjnych. Znów więc jak bumerang wraca temat rozwiązań bezprzewodowych. W systemach tych gdzie podzespoły rozproszone mają zasilanie bateryjne, optymalizacja zużycia energii wymaga kompromisu między mocą nadajnika a zasięgiem transmisji. Dodatkowo przy kilkuset urządzeniach pracujących w systemie problemem staje się wymiana baterii. Aby zmniejszyć niedogodności wynikające z konieczności wymiany stosowane jest w niektórych rozwiązaniach zasilanie fotowoltaiczne, ale w warunkach przemysłowych jest to rozwiązanie trudne, a często niemożliwe do zastosowania ze względu na brak źródła światła o odpowiedniej wydajności energetycznej. Istnieje zatem potrzeba poszukiwania rozwiązań, które zapewnią konwersję dostępnej formy energii na energię elektryczną. W warunkach przemysłowych rozwiązaniem może być wykorzystanie energii cieplnej, która dostępna jest często ze względu na fakt, iż temperatura pracy wielu obiektów przemysłowych przewyższa znacznie temperaturę otoczenia. Przykładem mogą być instalacje w elektrowniach, zakładach chemicznych, cementowniach, stalowniach i wielu innych branżach. 

Rys. 2. Koncepcja termogeneratora do zasilania bezprzewodowych czujników
Grunt to koncepcja
Jeśli temperatura pracyobiektu przemysłowego jest większa niż temperatura otoczenia o przynajmniej kilkadziesiąt stopni, to energia cieplna może być efektywnie wykorzystana do zasilania urządzeń znajdujących się w pobliżu. Urządzenie termoelektryczne wymaga przepływu ciepła. Oznacza to, że urządzenie musi znajdować się w kontakcie cieplnym z obiektem oraz z odbiornikiem ciepła. Schemat zasilania termoelektrycznego urządzeń przy zastosowaniu powyższej koncepcji przedstawiono na rys. 2.
W przedstawionym przykładzie czujnik (lub grupa czujników) są umieszczone na rurze, np. na linii transportującej parę w elektrowni. Jedna strona modułu termoelektrycznego jest w kontakcie cieplnym z rurą, podczas gdy druga strona wyposażona jest w radiator. Jeśli maksymalna temperatura pracy rury przekracza maksymalną dozwoloną temperaturę układu termoelektrycznego (np. 225oC dla wysokotemperaturowych komercyjnych modułów Bi-Te), to temperatura pracy modułu może zostać obniżona przez zastosowanie dodatkowego elementu o znanej rezystancji termicznej, pomiędzy rurą (instalację przemysłową) a modułem TEG. Rozmiar radiatora musi być obliczony przy założeniu różnicy temperatur między stroną zimną i gorącą modułu rzędu kilkudziesięciu stopni. System musi być tak zaprojektowany, aby napięcie wyjściowe modułu TEG pozwalało na poprawną pracę przetwornicy DC-DC, podwyższającej i stabilizującej napięcie zasilające, uniezależniając je od wahań temperatury obiektu i otoczenia. 

Rys. 3. Schemat blokowy demonstratora bezprzewodowego czujnika temperatury zasilanego z generatora TE
Próba generalna
Przedstawiona wcześniej koncepcja generatora termoelektrycznego została zademonstrowana na układzie bezprzewodowego czujnika temperatury. Zbudowany układ demonstracyjny zawierał: model obiektu przemysłowego, generator termoelektryczny, układ buforowy zasilania z akumulatorem podtrzymującym. Ponadto zawierał on bezprzewodowy system pomiarowy monitorujący pracę układu, który wyposażono w czujniki temperatury oraz urządzenia wykonujące pomiary prądów i napięć występujących w systemie. Schemat blokowy urządzenia przedstawiono na rys. 3.
Szczegóły techniczne
Obiekt, który stanowi źródło ciepła, wykonany został z aluminium i wyposażony w element grzejny o mocy 300 W. Temperatura obiektu jest kontrolowana z użyciem cyfrowego kontrolera temperatury (Shinko, model FCR-13A). Kontroler wykorzystuje do pomiaru temperatury przemysłowe czujniki PT1000. System został zaprojektowany do pracy  z obiektami o temperaturze w zakresie 120-200oC.

 

Rys. 4. Widok demonstratora TEG zasilającego bezprzewodowy system pomiarowy

Sercem generatora termoelektrycznego jest komercyjnie dostępny moduł Bi-Te (typu HT-6-12-40), oferowany przez firmę MELCOR, zawierający 127 termopar połączonych szeregowo. Wielkość modułu wynosi 4 x 4 cm. Moduł może dostarczyć maksymalnie kilka watów energii elektrycznej, jeśli gradient temperatury utrzymywany jest na poziomie 100oC. Wymaga to jednak bardzo dużego radiatora o rezystancji termicznej pozwalającej na przepływ strumienia ciepła rzędu 100 W. Ponieważ oczekiwany pobór mocy przez czujniki i układy elektroniczne wynosił poniżej 1 W, zimną stroną modułu HT-6-12-40 podłączono do radiatora o rezystancji termicznej 1oC/W. Wyjście modułu TEG jest połączone z wysokosprawną przetwornicą DC-DC, podwyższającą napięcie. Napięcie po konwersji wynosi 5 V i zasila zarówno czujniki, jak i doładowuje baterie.
System podtrzymania bateryjnego zawiera akumulator Ni-MH (3,6 V) o pojemności 600 mAh oraz drugą przetwornicę DC-DC. Przetwornica ta dostarcza energii do zasilania zarówno czujników, jak i elektroniki w przypadku gdy temperatura obiektu jest niewystarczająca do poprawnej pracy głównej przetwornicy DC-DC. Podczas normalnych warunków pracy bateria podtrzymująca zasilanie systemu jest automatycznie doładowywana, dzięki temu urządzenie jest praktycznie bezobsługowe. 
Więcej szczegółów technicznych

 

Rys. 5. Widok panelu kontrolnego

Temperatura obiektu mierzona jest z wykorzystaniem czujnika PT1000. Sygnał z czujnika jest kondycjonowany, a następnie konwertowany do postaci cyfrowej za pomocą przetwornika A/C. Wolne kanały pomiarowe zostały wykorzystane do dodatkowego pomiaru temperatury po stronie gorącej i zimnej modułu TEG (również z użyciem czujników PT1000). Możliwy jest także natychmiastowy odczyt wartości napięcia oraz prądu wyjściowego modułu TEG. Przetwornik A/C jest połączony z mikrokontrolerem sterującym pracą całego urządzenia.
Łącze bezprzewodowe zostało zrealizowane w paśmie ISM (433 MHz) z wykorzystaniem komercyjnych modułów BiM (Radiometrix). Moc wyjściowa modułów wynosi 0 dBm, a czułość wejściowa odbiornika – 107 dBm. W czasie prac nad modelem opracowano radiowy protokół przesyłu danych, który pozwala na bezprzewodową transmisję danych do komputera PC w systemie ARQ. Moduł odbiorczy wykorzystuje do komunikacji z komputerem PC standardowy interfejs RS232C. Do odczytu i wizualizacji parametrów termogeneratora TEG zostało wykonane dedykowane oprogramowanie w środowisku LabView. Panel kontrolny pozwala na wyświetlenie następujących parametrów:

  • temperatury obiektu,
  • temperatury modułu TEG (gorącej strony modułu TE),
  • temperatury radiatora (zimnej strony modułu TE),
  • napięcia – źródła (wygenerowane przez moduł TEG),
  • prądu – źródła,
  • mocy wyjściowej (obliczonej jako iloczyn napięcia i prądu).

Panel kontrolny oprogramowania obsługującego układ demonstratora czujnika pokazano na rys. 5. 
Wymierne efekty
No cóż, całą historię powstawania omawianego rozwiązania z uwzględnieniem próby generalnej i przybliżeniem warunków technicznych mamy za sobą. Pora przejść do wyników. 
Pobór mocy termogeneratora dla całej elektroniki wyniósł 0,33 W. Wartość ta obejmuje moc potrzebną do zasilania modułu do transmisji radiowej a także mikroprocesorowego systemu pomiarowego, z uwzględnieniem sprawności przetwornicy DC-DC. Testy przeprowadzone były w temperaturze pokojowej 25oC. Temperatura strony gorącej (grzejnika) wynosiła ok. 160oC, co dawało różnicę temperatur między złączami modułu TE na poziomie 60-130oC. Rysunek 6. przedstawia wykres temperatury strony zimnej i gorącej modułu TEG podczas trwania eksperymentu. Różnicę temperatur między stronami modułu (stroną gorącą To i zimną Tc) w funkcji czasu zobrazowano na rys. 7. Znaczny wzrost DT obserwowano w ciągu pierwszych 15 minut. Jest to związane z inercyjnymi własnościami dynamicznymi naszego systemu, które są wynikiem przepływu ciepła.
Na rys. 8. przedstawiono zmiany wyjściowego napięcia i prądu (modułu TEG) zasilającego cały system bezprzewodowy podczas trwania testu. Początkowa zerowa wartość prądu wyjściowego TEG jest wynikiem zbyt małej wartości różnicy temperatur (poniżej 46oC), a co za tym idzie zbyt niskiego napięcia dostarczanego przez termogenerator. W tym czasie urządzenie jest zasilanie z akumulatorka. Napięcie wyjściowe modułu TEG wzrasta ze współczynnikiem około 40 mV/oC. Przy napięciu 1,8 V (DT = 46oC) następuje automatyczne przełączenie na zasilanie z modułu generatora termoelektrycznego wszystkich układów elektroniki. W tym samym czasie rozpoczyna się również doładowywanie baterii. Do osiągnięcia temperatury DT = 60oC następuje równomierny, względnie liniowy, spadek napięcia wyjściowego, a następnie liniowy wzrost ze współczynnikiem 54 mV/oC. W początkowym okresie pracy rezystancja modułu TEG wyniosła ok. 2,7 W.
Moc pobierana z termogeneratora pokazana została na rys. 9. i okazało się, że była ona stosunkowo stabilna w zakresie 0,33-0,38 W, przy różnicy temperatur ∆T wynoszącej od 46oC do 130oC. Wszystkie prezentowane wyniki były zbierane zdalnie z wykorzystaniem bezprzewodowej transmisji danych, a system zasilania został automatycznie przełączony z baterii na moduł TEG. 

Rys. 6. Zależności czasowe zmian temperatury po stronie gorącej (To) i zimnej (Tc) modułu TEG

Rys. 7. Różnica temperatur DT = To – Tc pomiędzy stroną gorcą i zimną modułu w funkcji czasu

Rys. 8. Napięcie (V) I prąd (I) podczas testów systemu w funkcji różnicy temperatur ( ∆T) złączy modułu TEG

Rys. 9. Moc wyjściowa (rozpraszana przez system bezprzewodowy) w funkcji różnicy temperatur ( ∆T) złączy modułu TEG

 
Nauka zmierza do przemysłu
Przedstawiony układ demonstracyjny podzespołu automatyki przemysłowej pozwala na zdalne monitorowanie temperatury obiektu i jednocześnie dostarcza dodatkowych informacji o parametrach systemu (temperatura modułu TEG, napięcie i prąd wyjściowy modułu). Transmisja bezprzewodowa zrealizowana została w paśmie ISM z wykorzystaniem handlowych modułów BIM (Radiometrix). 
Do komunikacji bezprzewodowej i odczytu parametrów generatora TEG opracowano dedykowane oprogramowanie dla środowiska LabView. Pokazano możliwości wytwarzania energii elektrycznej do zasilania urządzeń bezprzewodowych z wykorzystaniem energii cieplnej, rozpraszanej przez obiekty (instalacje) przemysłowe.
Praktyczne testy wykazały, że różnica temperatur rzędu 46oC była wystarczająca, by dostarczyć napięć o odpowiednich wartościach do zasilania całego systemu typu embedded. Termogenerator został zbudowany z dostępnych w handlu modułów Ti-Be o maksymalnej temperaturze pracy 200oC. Bateria podtrzymująca zasilanie pozwala na ciągłą pracę urządzenia, także podczas startu systemu, kiedy temperatura obiektu nie jest dostatecznie wysoka. W normalnych warunkach eksploatacyjnych bateria jest doładowywana, co powoduje, że system jest praktycznie bezobsługowy. Pozwala to znacząco obniżyć koszty serwisu w stosunku do tradycyjnych systemów bezprzewodowych, gdzie bateria musi być okresowo wymieniana.
Podkreślić należy również, że przedstawiony układ demonstracyjny został zbudowany wyłącznie z typowych podzespołów dostępnych komercyjnie. Pomimo faktu że nie zostaławykonana żadna szczególna optymalizacja poboru energii, system potwierdza możliwość bezpośredniego wykorzystania rozpraszanej energii cieplnej z instalacji przemysłowych do zasilania bezprzewodowych systemów kontrolno-pomiarowych.
Czyli chyba jednak kable powinny pójść do lamusa.  ce  Literatura: [1] W. Piasecki, H. Jankowski: ABB internal report PLCRC/ TR 01-004, 2001. [2] T.M. Tritt, Science, 283 (1999) 804. [3] F.J. DiSalvo, Science, 285 (1999)703. [4] L.H. Dubois: DARPA Program in advanced TE Materials. [5] J.C. Bass and D.T. Allen: Proceedings of the 18th International Conference on Thermoelectrics, 1999, 521-524. [6] S. Ghamaty and N. Elsner, Proceedings of the 18th International Conference on Thermoelectrics, 1999, 485-488.  Autorzy: Wojciech Piasecki i Marek Florkowski – ABB Corporate Research, Kraków oraz Henryk Jankowski,  Cezary Worek i Artur Mirocha – Akademia  Górniczo-Hutnicza, Kraków Artykuł opracowany przez Małgorzatę Juszczyk