W erze cyfryzacji oraz transformacji technologicznej komunikacja bezprzewodowa staje się coraz częstszą alternatywą dla tej tradycyjnej. Zamiast kabli nośnikiem danych są tu fale radiowe, które są w stanie w krótkim czasie przekazać dane w obrębie coraz szerszych aplikacji. Niewątpliwą zaletą tego typu rozwiązania jest fakt, że nie tylko oszczędza się w ten sposób na kosztach okablowania powstających obiektów, ale również łatwiej jest modernizować istniejące już obiekty. Jeżeli dodatkowo zadbamy o nowoczesną i efektywną łączność międzysystemową, która zapewni nieprzerwaną komunikację, przepływ informacji, danych i możliwości kontroli, możemy być pewni niezawodności tego typu projektu.
Przykład aplikacji: elektrownia fotowoltaiczna o mocy 33,5MW
Doskonałym przykładem zastosowania takiego rozwiązania jest pracująca od 2 lat elektrownia fotowoltaiczna o mocy 33,5 MW. Główny wykonawca farmy PV, firma Electrum, zastąpiła tradycyjne połączenie RS-485, wykorzystywane do wymiany informacji z urządzeniami monitorującymi pracę poszczególnych łańcuchów (stringów), bezprzewodowym systemem Radioline firmy Phoenix Contact.
Stringbox jest to urządzenie, które koncentruje obwody DC podłączonych łańcuchów paneli fotowoltaicznych, w jeden zbiorczy kabel DC, który podłączany jest bezpośrednio do inwertera. Zastosowanie Strignboxów z monitorowaniem poszczególnych łańcuchów daje korzyści w postaci pomiaru napięcia i prądu na poszczególnych łańcuchach.
Dzięki doskonałej współpracy autorskiego systemu EMACS, służącego do monitorowania obiektów energetycznych, z rozwiązaniem Radioline, uzyskano dodatkowe możliwości optymalizacji pracy obiektu o mocy 33,5MW, składającego się z ok 100 tys. paneli podłączonych do 227 stringboxów ora zdodatkowe możliwości głębszej analizy działania farmy i występujących usterek oraz spadków wydajności.
EMACS – monitoring i sterowanie w farmie fotowoltaicznej
Podstawowym narzędziem służącym do obsługi obiektu jest autorskie rozwiązanie firmy Electrum, system EMACS (Energy Management and Control System). System EMACS realizuje funkcje monitoringu i sterowania poszczególnymi elementami instalacji, takimi jak inwertery, pyranometry, stacje meteorologiczne, liczniki energii system trackerów czy przekaźniki EAZ. Dodatkowymi zadaniami, które realizuje system EMACS jest wyliczanie współczynników KPI obiektu, a także przekazywanie danych dotyczących pracy obiektu operatorowi energii przy użyciu protokołów energetycznych.
W podstawowym rozwiązaniu system EMACS udostępniał informacje dotyczące generacji pochodzące bezpośrednio z inwerterów. Poniżej przedstawiono schemat synoptyczny przykładowej grafiki odwzorowującej odczyty danych przed zrealizowaniem komunikacji ze stringboxami:
Dzięki doposażeniu obiektu w monitoring stringboxów zarówno obsługa obiektu, jak i właściciel, zyskali dodatkowo możliwości weryfikacji poprawności działania obiektu na poziomie poszczególnych łańcuchów. Schemat synoptyczny przedstawiający przykładową grafikę z uwzględnieniem komunikacji ze stringboxami przedstawiono poniżej:
Radioline – bezprzewodowa komunikacja Trusted Wireless w istniejącym obiekcie
Trusted Wireless – to technologia bezprzewodowa, stworzona przez firmę Phoenix Contact specjalnie do zastosowań przemysłowych. Sprawdza się szczególnie w bezprzewodowej transmisji danych z czujników i elementów wykonawczych oraz w przesyłaniu niewielkich i średnich ilości danych w rozległych aplikacjach. Przy niezakłóconej widoczności można uzyskiwać transmisję pomiędzy dwoma urządzeniami na dystansie od kilkuset metrów do nawet 20 kilometrów. Ważnym aspektem mającym wpływ na ten wybór była możliwość konfiguracji urządzeń bezprzewodowo, w trybie „rozproszonym”. Polega ona na tym, że urządzenia zainstalowane na poszczególnych lokalizacjach, fabrycznie mają aktywną komunikację radiową. Dzięki temu w tak dużej i rozległej instalacji, zmiana poszczególnych parametrów może odbywać się bez konieczności bezpośredniego łączenia się z modułem radiowym.
Komunikacja urządzeń w elektrowni fotowoltaicznej
Przy doposażaniu obiektu w monitoring stringboxów generalny wykonawca obiektu – firma Electrum stanęła przed dylematem wykonania instalacji do komunikacji z urządzeniami. Miała do wyboru dwie opcje. Pierwsza z nich to metoda klasyczna wiążąca się z ułożeniem okablowania do komunikacji w ziemi. Jednak ze względu na to, że obiekt był pracujący, wiązała się z dużym ryzykiem uszkodzenia istniejącej instalacji. Druga to nowatorskie rozwiązanie polegające na zastosowanie bezprzewodowej komunikacji z urządzeniami poprzez sieć Trusted Wireless.
O wyborze rozwiązania zadecydowała najważniejszą zaleta rozwiązania Trusted Wireless, czyli mała inwazyjność. Monitoring stringboxów został zainstalowany na istniejącej już farmie, na której jakiekolwiek prace ziemne wiązałyby się z długim czasem realizacji oraz ryzykiem uszkodzenia instalacji czy paneli. Oprócz tego zastosowanie komunikacji Radioline okazało się nieporównywalnie tańszym i szybszym rozwiązaniem.
Kolejną ważną funkcją, użytą w tej aplikacji, była możliwość tworzenia odseparowanych grup komunikacyjnych. Służy do tego możliwość wyboru konkretnego kanału komunikacyjnego dla danej grupy oraz przypisania specyficznego identyfikatora unikalnego dla urządzeń w danej grupie. Dzięki temu możliwe było podzielenie wszystkich urządzeń na podgrupy, w których adresacja poszczególnych urządzeń komunikacyjnych mogła się „powtarzać”.
Dla każdego obszaru przedstawionego na rysunku poniżej zastosowano oddzielną grupę komunikacyjną.
W obrębie każdego obszaru zastosowano sterownik komunikujący się z urządzeniem master komunikacji Radoline po łączu RS-485. Każdy master odpytuje urządzenia slave za pomocą komunikacji radiowej. Ich ilość zależy od ilości stringboxów w obrębie stacji kontenerowej, w której jest 12 lub 13 przyrządów. Na cały obiekt składa się więc ponad 200 urządzeń! Slave’y konwertują sygnał radiowy z powrotem na RS-485. Do każdego slave’a podłączony jest 1 stringbox. Na ilość urządzeń komunikacji Radioline składa się więc ilość urządzeń odpytywanych + 1 (Master) na grupę komunikacyjną.
Z uwagi na fakt, iż stringboxy są od siebie oddalone, wykorzystano kolejną ważną funkcję – repeatera sygnału. Dzięki niej urządzenia mogą przekazywać informację do Mastera, wykorzystując do tego inne urządzenia w grupie (np. takie które znajdują się bliżej Mastera).
Same urządzenia, konfiguruje się w przystępny sposób, za pomocą jednego ekranu konfiguracji:
Jak działa technologia Trusted Wireless
Przyjrzyjmy się teraz wnikliwiej samej technologii bezprzewodowej Trusted Wireless, o którą opiera się system Radioline. Technologia ta wykorzystuje tzw. metodę FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) – jest to wybór do 127 kanałów z całego pasma częstotliwości, które są przeskakiwane w oparciu o losowy wzór. Zwiększa to odporność komunikacji na zakłócenia. Dzięki zastosowaniu różnych pasm RF (Radio Frequency) kilka systemów Trusted Wireless może bez problemów pracować równolegle. Istnieje również możliwość ukrycia określonych kanałów (tzw. blacklisting), aby na przykład móc używać równolegle kilku systemów WLAN bez ograniczenia ich wydajności.
Trusted Wireless idealnie wpasowuje się pomiędzy technologią WirelessHART (głównie czujniki), a technologią dużych prędkości Wireless LAN i może z nimi koegzystować w obrębie jednej aplikacji, nie zakłócając się wzajemnie. Elastyczność ustawień pozwala na optymalne dostosowanie do wymagań danej aplikacji – przy niższej szybkości transmisji możliwe jest pokonywanie znacznie większych dystansów niż przy wysokiej przepustowości. Użytkownik może więc dokonać odpowiedniego ustawienia w zależności od aplikacji i wymaganego zasięgu.
Warto również wspomnieć o bezpieczeństwie transmisji. Ponieważ protokół Trusted Wireless nie jest publicznie dostępny, a dodatkowo zastosowano mechanizm 128-bitowego szyfrowania danych, można śmiało stwierdzić, że jest doskonale zabezpieczony przed atakami.
Jak projektować bezprzewodowy system komunikacji Radioline?
Wracając do systemu Radioline, jest to bezprzewodowy system, który umożliwia proste i elastyczne tworzenie połączeń punkt-punkt, sieci gwiazdowych lub sieci MESH. Przesyła zarówno sygnały we/wy, jak i dane szeregowe. Poprzez zintegrowane złącze RS-232 i RS-485 moduły we/wy można przyłączyć w systemie Radioline do sterownika również bezpośrednio z użyciem protokołu Modbus. Warto zwrócić uwagę, że system ten ma bardzo duże możliwości rozbudowy – w jednej sieci może pracować do 250 stacji roboczych, a do każdego modułu komunikacyjnego można podłączyć do 32 modułów I/O.
Radioline można używać beż żadnych dodatkowych opłat praktycznie na całym świecie. Mamy do wyboru trzy częstotliwości pracy: 2400MHz (cały świat); 868MHz (Europa/RPA) oraz 900 MHz (Ameryka Północna i Południowa/Australia). Częstotliwości te zostały dobrane w taki sposób, żeby komunikacja była odporna na wszelkie zakłócenia przemysłowe – nawet tak silne, jak te emitowane przez spawarki łukowe.
Trzeba jednak pamiętać, że im wyższa częstotliwość, tym większe tłumienie, tzn. sygnał 2,4 GHz jest tłumiony mocniej niż sygnał 868 MHz lub 900 MHz. Za to pracując w częstotliwości 2,4 GHz czas transmisji jest krótszy (przepustowość danych jest szybsza) i mamy do dyspozycji znacznie więcej częstotliwości.
Zastosowanie komunikacji wireless
Ponieważ mówimy o systemie stworzonym do rozległych aplikacji i sieci – najlepiej nadaje się do zastosowania w branżach procesowych i technologicznych, ale również w infrastrukturze miejskiej (np. wodociągach i kanalizacji). Producent pomyślał również o rozwiązaniach dla energetyki, w szczególności w systemach elektrowni słonecznych.
Jak wiadomo, operacje łączeniowe w systemach fotowoltaicznych charakteryzują się wysoką częstotliwością, co często powoduje zakłócenia w przewodach komunikacyjnych. Żeby tego uniknąć, można zastąpić przewody RS-485 i zastosować nowe moduły Radioline EE-2400-RS485 – specjalnie dedykowane do takich aplikacji.
Rys.3 – Moduły ESSENTIAL Wireles
Częstotliwość pracy 2400 MHz, konfigurowalna prędkość transmisji i zasięg +/- 500m – ale co najważniejsze – system odporny na zakłócenia elektromagnetyczne. Oczywiście możliwa topologia MESH i do 250 punktów radiowych w obrębie jednej instalacji. Anteny można montować bezpośrednio do panelu lub szafy.
Doskonałym przykładem zastosowania technologii w obrębie energetyki jest właśnie ta udana implementacja na opisanej wyżej farmie PV. I chociaż jest to pierwsze rozwiązania tego typu na tak wielką skalę w naszej części Europy – 33,5 MW, 227 sztuk stringboxów i ponad 100.000 paneli – z satysfakcją możemy powiedzieć, że działa bez zarzutu. A synergia pracy Radioline oraz systemu monitorującego EMACS udowadnia, że należy sięgać po rozwiązania nowatorskie, ponieważ to one właśnie zapewniają największą optymalizację energetyczną oraz finansową.
Dowiedz się więcej o systemie bezprzewodowym Radioline
Wpis powstał przy współpracy z firmą Electrum.
| Autor: | Kamil Wachowicz – Product Manager – Automatyka |  |
