Systemy wyspowe

Systemy wyspowe zostały zaprojektowane, aby pomóc ludziom funkcjonować bez dostępu do sieci energetycznej. Wykorzystują one energię słoneczną i wiatrową do zasilania, monitorowania i kontrolowania systemów w odległych obszarach, takich jak budynki, budynki gospodarcze, granice państwowe i niebezpieczne odcinki dróg itp.

Główne zalety

• OpenVPN - szyfrowany transfer danych - OpenVPN pozwala na bezpieczne łączenie się poprzez szyfrowany tunel VPN. Oprogramowanie serwera VPN zainstalowane na wirtualnym serwerze z publicznym adresem IP zapewnia bezpieczne prywatne połączenie z wieloma systemami wyspowymi.

• LINUX - stabilne oprogramowanie open source - Darmowy system operacyjny o wyjątkowo dobrej stabilności. Użytkownik ma swobodny dostęp do języków skryptowych, baz danych i innych darmowych narzędzi. Daje mu to dużą swobodę w projektowaniu własnych aplikacji i programów

• LAN - rozwiązanie IP z obsługą zasilania PoE+ - port LAN umożliwia użytkownikowi podłączenie dowolnego urządzenia Ethernet IoT lub na przykład kamery IP wraz z jej zasilaniem PoE z injectora PoE zintegrowanego z ładowarką MPPT.

• COM - Interfejs Modbus - Uniwersalny interfejs Modbus może być używany do monitorowania stanu naładowania baterii, zdalnego włączania/wyłączania podłączonej kamery PoE lub podłączania modułów IO i czujników. Modbus jest standaryzowanym protokołem komunikacyjnym, więc dodatkowo umożliwia podłączenie urządzeń różnych producentów.

• GSM - zdalny dostęp przez 2G/3G/4G-LTE - Bezprzewodowa łączność przez sieci komórkowe jest idealnym rozwiązaniem wszędzie tam, gdzie wymagany jest zdalny dostęp do odległych lokalizacji. Może być również wykorzystywana jako redundantna ścieżka transmisji alarmów zgodnie ze standardami bezpieczeństwa dla obiektów wysokiego ryzyka.

• FBD i LD - graficzne języki programowania - Ponadto systemy wyspowe mogą wykonywać programy sterujące. Typowymi przykładami są: systemy alarmowe dla zdalnego bezpieczeństwa obiektu, zbieranie danych ze stacji pogodowych, sterowanie pompowaniem wody z odwiertów. Wszystkie są programowane w systemie z wygodnym interfejsem graficznym z setkami obsługiwanych funkcji.

• I & O - duży wybór obsługiwanych wejść i wyjść - System jednostki sterującej IPLOG-GAMA zawiera moduły IO z różnymi typami cyfrowych i analogowych wejść i wyjść. Moduły IO mogą być częścią jednostki sterującej lub dostarczane jako oddzielne moduły IO z interfejsem Modbus.

‌

Jak to się zaczęło?

Pomysł, który doprowadził mnie do opracowania systemu wyspowego (OFF-GRID) pojawił się podczas zakładania winnicy w odległej lokalizacji bez dostępu do energii elektrycznej. Największym wyzwaniem było opracowanie ładowarki MPPT. Głównym problemem było to, że zdecydowaliśmy się podłączyć ładowarkę do iniektora PoE+ i interfejsu Modbus do sterowania i monitorowania ładowarki. Nie chcieliśmy również zbytnio zwiększać jej rozmiaru za pomocą dużego pasywnego radiatora. Dlatego najpierw skupiliśmy się na maksymalizacji wydajności konstrukcji i zastąpiliśmy duży radiator małym wentylatorem sterowanym przez mikroprocesor. Mikroprocesor mierzy temperaturę ładowarki i aktywuje wentylator, jeśli temperatura jest zbyt wysoka. Jednocześnie procesor mierzy inne zmienne operacyjne, takie jak prąd ładowania, napięcie akumulatora, prąd z paneli fotowoltaicznych itp. Sterownik PLC przechowuje zmierzone wartości w bazie danych i w razie potrzeby wyświetla je online na stronie internetowej. Na początku testów 24/7 używaliśmy sterownika PLC z modemem 2G/3G, który później zastąpiliśmy ostateczną wersją obsługującą również sieci 4G-LTE. Ogromną zaletą zastosowanego sterownika PLC jest szeroki wachlarz wejść i wyjść. W systemie DEMO wykorzystaliśmy na przykład wejścia alarmowe, do których podłączyliśmy czujniki mikrofalowe obejmujące obszar winnicy oraz tamper wykrywający otwarcie rozdzielnicy ze sterownikiem PLC. W przypadku alarmu sterownik PLC wysyła wiadomości SMS na zaprogramowane numery i automatycznie włącza zasilanie PoE kamery. W każdej chwili mogę zdalnie sprawdzić winnicę za pośrednictwem klientów VMS na moim telefonie komórkowym i komputerze. Kolejnym zadaniem sterownika PLC jest automatyczne sterowanie drzwiami dla kaczek, a od wiosny 2019 r. sterowanie pompowaniem wody ze studni głębinowej.
Napisane przez: Tomáš Metelka

Schemat blokowy systemu

‌

Wnioski

Ukończony system wyspowy spełnił i przekroczył cele, które wyznaczyliśmy przed rozpoczęciem prac rozwojowych. System jest w stanie chronić zdalny obiekt, jednocześnie wykonując program sterujący i dostarczając dane zdalnym użytkownikom w bezpieczny sposób. Podczas bardzo ciepłego lata i serii burz system wykazał również wysoką odporność na ekstremalne warunki pogodowe.

Uwaga dla producentów wina:

Česká Skalice nie jest oczywiście typowym regionem uprawy winorośli. Najbliższy obszar to Kuks, oddalony o około 15 km. Niemniej jednak w ostatnich latach wielu entuzjastów zasadziło kilka tysięcy sadzonek winorośli w regionach Náchod i Trutnov. Do mojej mikrowinnicy wybrałem odporne odmiany Solaris i Cabernet Cortis, dostarczone przez firmę Bílovin z Velkich Bílovic.

Przykłady używanego sprzętu

Przebieg eksperymentu

Data	Uwaga
Kwiecień - maj 2017 r.	W tym okresie przeprowadzono główne przygotowania, w tym instalację słupa, piorunochronu i uziemienia.
5 czerwca	Dzisiaj po raz pierwszy uruchomiliśmy system ze sterownikiem PLC, iniektorem PoE, kamerą i modułem ładowania EVB bez zabezpieczenia.
22-25 czerwca	System był testowany przez 65 godzin przy użyciu tylko baterii bez ładowania.
29 czerwca	Wymieniliśmy tymczasowy moduł końcowy EVB ładowarki MPPT.
30 czerwca	Mamy w pełni funkcjonalne zdalne sterowanie systemem poprzez SMS i przesyłanie zapisów na serwer.
30 czerwca	Mała ciekawostka: Średnia siła sygnału GSM wynosi około -95 dBm. Sterownik PLC jest zwykle podłączony do nadajnika oddalonego o około 15 km z siecią 2G. Nadajnik w bezpośrednim sąsiedztwie (około 3 km) jest w większości zacieniony przez dojrzały las.
4 sierpnia	Kamera stacjonarna została zastąpiona kamerą PTZ, a pojemność akumulatora została zwiększona do 60 Ah. W przypadku alarmu jednostka sterująca: - obraca kamerę za pomocą zaprogramowanych ustawień - archiwizuje obrazy w pamięci masowej, - wysyła SMS.
28 września	W pierwszej połowie września nad nasz region nadciągnęło znaczne ochłodzenie, chmury i obfite opady. Istniejące źródła zasilania: - Panel słoneczny Victron 80 Wp, - turbina Rutland 504, okazały się niewystarczające. Przewidzieliśmy i przygotowaliśmy się na tę sytuację poprzez ciągłą ocenę danych przechowywanych w bazie danych: 1. Podczas dni z minimalnym zasilaniem przetestowaliśmy automatyczne wyłączanie systemu, gdy napięcie akumulatora spadło poniżej 10 V i uruchomiliśmy go ponownie. 2. Dodając drugi panel 80Wp i mocniejszą turbinę od Ista Breeze, zwiększyliśmy zasilanie. Nowe śmigło uruchamia się przy prędkościach wiatru tak niskich jak 2,7 m/s. Planujemy dodać dwa kolejne panele 80Wp w późniejszym terminie.
2 października	żółty - napięcie panelu PV zielony - napięcie zasilania IPLOG niebieski - prąd z panelu PV
6 października	System jest w pełni wyposażony pod względem zasobów energetycznych i obejmuje: - 1x turbina Ista Breeze o średnicy 1m, - 4x panele 80Wp. Film pokazuje działanie turbiny podczas podmuchów wiatru w zakresie od 2 do 7 m/s.
30 października	W obszarze, w którym zainstalowany jest system, musimy wziąć pod uwagę kilka tygodni bez słonecznego dnia między jesienią a wiosną. Dlatego w październiku przełączyliśmy system w tryb oszczędzania energii. Kamera uruchamia się teraz tylko w przypadku alarmu lub na podstawie polecenia z interfejsu internetowego na telefonie komórkowym lub komputerze. W trybie oszczędzania energii zużycie energii przez system wynosi około 3W. Wystarcza to do pełnego naładowania baterii systemu nawet w pochmurny dzień.
21 stycznia	Na przełomie roku nadeszła zimowa pogoda z temperaturami w okolicach zera. W styczniu spadł śnieg. System jest nadal w 99% zasilany przez panele fotowoltaiczne. Prędkość wiatru tylko sporadycznie wynosi około 5 m/s, co jest minimalną prędkością wymaganą do wytwarzania energii.
27 lutego	W drugiej połowie lutego temperatury spadły do -15°C. Zaczął wiać wiatr. Załączone wykresy wyraźnie to pokazują: czerwona linia - okresowo zmieniające się napięcie z paneli PV niebieska linia - zmienne napięcie na turbinie zielona linia - napięcie akumulatora
28 listopada	Pod koniec listopada 2018 r. zakończyliśmy eksperymentalną fazę rozwoju. System jest w pełni funkcjonalny i gotowy do wdrożenia. Latem 2018 r. kolejny system demonstracyjny został wdrożony w Portugalii w celu monitorowania lokalizacji. Podczas prac rozwojowych klienci z powodzeniem przetestowali system w aplikacjach do: - nadzoru granic państwowych - monitorowanie ruchu drogowego W razie jakichkolwiek pytań chętnie udzielimy szczegółowych informacji pod adresem: info@metel.eu.

Orientacyjne ceny głównych części systemu

‌