Ostrovné systémy

Ostrovné systémy sú navrhnuté tak, aby pomáhali ľuďom fungovať bez podpory siete. Využívajú solárnu a veternú energiu na napájanie, monitorovanie a riadenie systémov v odľahlých oblastiach, ako sú budovy, hospodárske objekty, štátne hranice a nebezpečné úseky ciest atď.

Hlavné výhody

• OpenVPN – šifrovaný prenos dát – OpenVPN umožňuje bezpečné pripojenie prostredníctvom šifrovaného VPN tunela. Softvér VPN servera nainštalovaný na virtuálnom serveri s verejnou IP adresou poskytuje bezpečné súkromné pripojenie k mnohým izolovaným systémom.

• LINUX – stabilný open source softvér – Bezplatný operačný systém s mimoriadne dobrou stabilitou. Používateľ má voľný prístup k skriptovacím jazykom, databázam a ďalším bezplatným nástrojom. To mu poskytuje veľkú slobodu pri navrhovaní vlastných aplikácií a programov.

• LAN – IP riešenie s podporou napájania PoE+ – Port LAN umožňuje používateľovi pripojiť ľubovoľné ethernetové zariadenie IoT alebo napríklad IP kameru vrátane jej napájania PoE z PoE injektora integrovaného v nabíjačke MPPT.

• COM – rozhranie Modbus – Univerzálne rozhranie Modbus možno použiť na sledovanie stavu nabíjania batérie, na diaľkové zapnutie/vypnutie pripojenej kamery PoE alebo na pripojenie modulov IO a senzorov. Modbus je štandardizovaný komunikačný protokol, takže navyše umožňuje pripojenie zariadení od rôznych výrobcov.

• GSM – vzdialený prístup cez 2G/3G/4G-LTE – bezdrôtové pripojenie cez mobilné siete je ideálnym riešením všade tam, kde je potrebný vzdialený prístup na odľahlé miesta. Možno ho použiť aj ako redundantnú cestu na prenos poplachov v súlade s bezpečnostnými normami pre priestory s vysokým rizikom.

• FBD & LD – grafické programovacie jazyky – Ostrovné systémy môžu navyše spúšťať riadiace programy. Typickými príkladmi sú: poplachové systémy na zabezpečenie vzdialených objektov, zber údajov z meteorologických staníc, riadenie čerpania vody z vrtov. Všetky sa programujú v softvéri s grafickým rozhraním a stovkami podporovaných funkcií.

• I & O – široký výber podporovaných vstupov a výstupov – Systém riadiacich jednotiek IPLOG-GAMA obsahuje moduly IO s rôznymi typmi digitálnych a analógových vstupov a výstupov. Moduly IO môžu byť súčasťou riadiacej jednotky alebo sa môžu dodávať ako samostatné moduly IO s rozhraním Modbus.

‌

Ako to všetko začalo?

Nápad, ktorý ma priviedol k vývoju ostrovného systému (OFF-GRID), vznikol pri zakladaní vinice na odľahlom mieste bez dostupnej elektriny. Najväčšou výzvou bol vývoj nabíjačky MPPT. Hlavný problém spočíval v tom, že sme sa rozhodli pripojiť nabíjačku pomocou injektora PoE+ a rozhrania Modbus na riadenie a monitorovanie nabíjačky. Takisto sme nechceli príliš zväčšovať jej rozmery veľkým pasívnym chladičom. Preto sme sa najskôr zamerali na maximalizáciu účinnosti konštrukcie a nahradili sme veľký chladič malým ventilátorom riadeným mikroprocesorom. Mikroprocesor meria teplotu nabíjačky a v prípade, že je teplota príliš vysoká, aktivuje ventilátor. Súčasne procesor meria ďalšie prevádzkové veličiny, ako je nabíjací prúd, napätie batérie, prúd z fotovoltaických panelov atď. Riadiaci PLC ukladá namerané hodnoty do databázy a v prípade potreby ich zobrazuje online na webovej stránke. Na začiatku testov v režime 24/7 sme používali PLC s modemom 2G/3G, ktorý sme neskôr nahradili finálnou verziou podporujúcou aj siete 4G-LTE. Obrovskou výhodou použitého PLC je veľká variabilita vstupov a výstupov. V systéme DEMO sme napríklad použili alarmové vstupy, ku ktorým sme pripojili mikrovlnné senzory pokrývajúce oblasť vinice, a tamper na detekciu otvorenia rozvádzača s PLC. V prípade poplachu PLC odošle SMS správu na vopred nastavené čísla a automaticky zapne napájanie PoE kamery. Vinicu môžem kedykoľvek skontrolovať na diaľku prostredníctvom klientov VMS v mobilnom telefóne a počítači. Ďalšou úlohou PLC je automatické ovládanie štrkových brán a od jari 2019 aj riadenie čerpania vody z vrtenej studne.
Autor: Mgr. Tomáš Metelka

Bloková schéma systému

‌

Záver

Dokončený ostrovný systém splnil a prekonal ciele, ktoré sme si stanovili pred začatím vývoja. Systém je schopný chrániť vzdialený objekt a zároveň bezpečne vykonávať riadiaci program a poskytovať údaje vzdialeným používateľom. Počas veľmi horúceho leta a série búrok systém preukázal aj svoju vysokú odolnosť voči extrémnym poveternostným podmienkam.

Poznámka pre vinárov:

Česká Skalice samozrejme nie je typickou vinárskou oblasťou. Najbližšou oblasťou je asi 15 km vzdialený Kuks. Napriek tomu bolo v posledných rokoch v okolí Náchoda a Trutnova viacerými nadšencami vysadených niekoľko tisíc sadeníc viniča. Pre svoju mikrovinicu som si vybral odolné odrody Solaris a Cabernet Cortis, ktoré dodala firma Bílovin z Velkých Bílovíc.

Ukážky použitého vybavenia

Priebeh experimentu

Dátum	Poznámka
apríl – máj 2017	V tomto období prebehli hlavné prípravné práce vrátane inštalácie stožiaru, hromozvodu a uzemnenia.
5. júna	Dnes sme po prvýkrát spustili systém s PLC, PoE injektorom, kamerou a nabíjacím modulom EVB bez ochrany.
22.–25. júna	Systém bol testovaný počas 65 hodín výlučne na batériu bez dobíjania.
29. júna	Vymenili sme dočasný koncový modul EVB nabíjačky MPPT.
30. júna	Máme plne funkčné diaľkové ovládanie systému prostredníctvom SMS a prenos záznamov na server.
30. júna	Zaujímavosť: Priemerná sila signálu GSM sa pohybuje okolo -95 dBm. PLC je zvyčajne pripojené k vysielaču vzdialenému asi 15 km cez sieť 2G. Vysielač v bezprostrednej blízkosti (asi 3 km) je väčšinou zakrytý hustým lesom.
4. augusta	Pevná kamera bola nahradená otočnou kamerou a kapacita batérie bola zvýšená na 60 Ah. V prípade poplachu riadiaca jednotka: - otáča kameru podľa vopred nastavených hodnôt, - archivuje snímky do úložiska, - odošle SMS.
28. septembra	V prvej polovici septembra do nášho regiónu dorazilo výrazné ochladenie, oblačnosť a silné zrážky. Súčasné zdroje energie: - solárny panel Victron 80 Wp, - turbína Rutland 504, sa ukázali ako nedostatočné. Túto situáciu sme predpokladali a pripravovali sme sa na ňu priebežným vyhodnocovaním údajov uložených v databáze: 1. Počas dní s minimálnym prísunom energie sme testovali automatické vypnutie systému pri poklese napätia batérie pod 10 V a jeho opätovné spustenie. 2. Pridaním druhého 80 Wp panelu a výkonnejšej turbíny od spoločnosti Ista Breeze sme zvýšili dodávku energie. Nová turbína sa spúšťa pri rýchlosti vetra až 2,7 m/s. Neskôr plánujeme pridať ďalšie dva panely s výkonom 80 Wp.
2. októbra	žltá – napätie fotovoltaických panelov zelená – napájacie napätie IPLOG modrá – prúd z fotovoltaického panelu
6. októbra	Systém je z hľadiska energetických zdrojov plne vybavený a zahŕňa: - 1x turbínu Ista Breeze s priemerom 1 m, - 4x panely s výkonom 80 Wp. Video ukazuje prevádzku turbíny pri nárazoch vetra v rozmedzí 2 – 7 m/s.
30. októbra	V oblasti, kde je systém nainštalovaný, musíme počítať s niekoľkými týždňami bez slnečného dňa medzi jeseňou a jarou. Preto sme v októbri prepnuli systém do úsporného režimu. Kamera sa teraz spúšťa len v prípade poplachu alebo na základe príkazu z webového rozhrania v mobilnom telefóne alebo počítači. V úspornom režime sa spotreba energie systému pohybuje okolo 3 W. To stačí na úplné nabitie batérie systému aj za zamračeného dňa.
21. januára	Na prelome roka nastalo zimné počasie s teplotami okolo nuly. V januári napadol sneh. Systém je naďalej z 99 % napájaný fotovoltaickými panelmi. Rýchlosť vetra sa len občas pohybuje okolo 5 m/s, čo je minimálna rýchlosť potrebná na výrobu energie.
27. februára	V druhej polovici februára teploty klesli až na -15 °C. Začal fúkať vietor. Priložené grafy to jasne ukazujú: červená čiara – periodicky sa meniace napätie z fotovoltaických panelov modrá čiara – kolísajúce napätie na turbíne zelená čiara – napätie na batérii
28. novembra	Na konci novembra 2018 sme dokončili experimentálnu fázu vývoja. Systém je plne funkčný a pripravený na nasadenie. V lete 2018 bol v Portugalsku nasadený ďalší demonštračný systém na monitorovanie lokality. Počas vývoja zákazníci úspešne otestovali systém v aplikáciách pre: - ochranu štátnych hraníc - monitorovanie cestnej premávky V prípade akýchkoľvek otázok vám radi poskytneme podrobné informácie na adrese: info@metel.eu.

Orientačné ceny hlavných častí systému

‌