Instytut Tele - i Radiotechniczny - ITR...• Opracowanie układów przetwarzania sygnałów prądowych i temperaturowych • Opracowanie układu transmisji z wyjściem typu Ethernet

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


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


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.


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


czułości 3 mV/A


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


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


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:


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)


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


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.


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.


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


Strona 14 z 27

b

Rysunek 4.4. Schemat ideowy układu Ethernet


Strona 15 z 27

Model układuEthernetowego przedstawiono na rysunku 4.5.

Rysunek 4.5. Widok modelu układu Ethernet


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


[A]


[A]

Błąd pomiaru

[%]

1 4 3,954 1,15

2 8 7,935 0,82

3 250 251,22 0,49


[A]


[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.


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).


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


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


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


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






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


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



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)







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


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.


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)


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


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.


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.


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”

Documents

Instytut Tele - i Radiotechniczny - ITR...• Opracowanie układów przetwarzania sygnałów prądowych i temperaturowych • Opracowanie układu transmisji z wyjściem typu Ethernet