„Pentru acest proiect, am utilizat LabVIEW pentru programarea nodurilor WSN, gateway-ului WSN, dispozitivului CompactRIO, serverului și a paginii web software-ului de analiza offline. Este cu adevarat revolutionar faptul ca un singur limbaj de programare poate fi utilizat în fiecare stadiu al acestui proiect.”

- Chris Fronda, Certified LabVIEW Architect, VI Design Group, Inc.

Provocarea:

Dezvoltarea unui sistem de monitorizare de înalta fidelitate al unor ferme solare, distribuit de-a lungul mai multor puncte din jurul campusului Universitatii San Antonio din Texas (UTSA), pentru a masura datele colectate de la invertor (AC), combinator (DC), parametrii de iradiere si informatiile meteorologice la rate de transfer ridicate și coeficient de fiabilitate de 100%.

Solutia:

Utilizarea platformei NI CompactRIO, a unui gateway wireless si a unor noduri WSN (retele de senzori fara fir) de la NI pentru dezvoltarea celui mai bun sistem de monitorizare distribuit, de înalta fidelitate din industrie, care dispune de colectare si prelucrare de date la nivelul serverului central, cât si afisare pe pagina web.

Autori:

Chris Fronda, Certified LabVIEW Architect - VI Design Group, Inc.

VI Design Group, membru certificat al programului Alliance Partner de la National Instruments, este un integrator profesionist de sisteme, ce utilizeaza tehnologia NI. Echipa VI Design Group este formata din Arhitecți certificati LabVIEW, dedicati dezvoltarii de sisteme la cel mai înalt grad de calitate. VI Design Group detine experienta în dezvoltarea de produse la cheie, precum înregistratoare (data loggers) controlate de la distanta, sisteme de control si sisteme de testare automata. Detine un portofoliu larg de produse din domeniul medical, al energiei regenerabile, al petrolului si al gazelor naturale.

Dezvoltarea unui sistem de monitorizare personalizat al unor ferme solare, bazat pe tehnologia NI a fost necesara datorita naturii distribuite a sistemului si a nivelului de înalta fidelitate de care era nevoie. Nu exista o solutie de tip „commercial off-the-shelf” (COTS) care sa îndeplineasca cerintele pentru acest proiect. Mai mult, UTSA dorea sa aiba capacitatea de a integra o logica de control în cadrul aceluiasi sistem pe viitor, pentru controlul capacitații de stocare a bateriilor si urmarirea soarelui. Capacitatea de integrare a controlului în cadrul aceluiasi sistem de monitorizare este ceea ce a diferentiat platforma NI fata de tehnologia altor furnizori. 

Figura 1. Trei puncte de prezenta au dispus de aceste echipamente, inclusiv un sistem de 313 kW a fost implementat în acelasi scop.

Acest proiect este inclus în Programul Green Engineering Grant de la National Instruments. Sistemul nostru a primit aceasta distinctie datorita designului inovator si capacitatilor de predare pe care le ofera. De asemenea, proiectul a fost finantat si de catre Departamentul de Energie, în cadrul Planului american de Revenire si Reinvestire (American Recovery and Reinvestment Act).

Gerardo Trevino, asistent de cercetare la UTSA, a declarat urmatoarele la primirea acestui premiu:

http://www.youtube.com/embed/KidHwgyvano?

VI Design Group a fost selectat ca si integrator de sisteme pentru acest proiect datorita expertizei sale în monitorizarea sistemelor. Detine o vasta experienta în utilizarea platformei CompactRIO pentru efectuarea de aplicatii de monitorizare de la distanta. De asemenea, detine experienta în transferul fiabil de date la un server central pentru stocare si postprocesare. VI Design Group a dezvoltat si a implementat acest sistem în faze multiple, pentru puncte de prezenta fizica multiple, la UTSA.

Prezentare generala a Dezvoltarii Sistemului

Per ansamblu, sistemul este format din trei parti majore, prezentate în figurile 2 si 3. Sectiunea rosie reprezinta partea de achizitie de date a sistemului, ce este reprodusa de-a lungul punctelor de prezenta multiple. Acesta consta într-un dispozitiv CompactRIO, ce asigura colectarea datelor fie wireless, de la gateway-ul WSN, sau fizic, prin intermediul senzorilor conectati în mod direct. Dispozitivul CompactRIO colecteaza datele si le transmite serverului central pentru stocare, postprocesare si gazduire web. Serverul, identificat în partea albastra, este un server activ, care extrage datele de la sistemele CompactRIO si emite o alarma în cazul în care datele sunt corupte, sau daca comunicarea este întrerupta. De asemenea, stocheaza datele într-o baza de date si editeaza o pagina web pentru vizualizare externa.

În cele din urma, sectiunea verde evidentiaza toate interfetele cu utilizatorul pentru interactiunea sistemului. Pagina web este disponibila oricui, oricând.

Figura 2. Structura de ansamblu ale celor trei parti ale sistemului

Figura 3. Privire de ansamblu detaliata asupra elementelor sistemului pentru fiecare dintre cele trei parți

Platforma hardware NI si mediul grafic pentru dezvoltare de sisteme, NI LabVIEW, a facut din dezvoltarea acestui sistem, un proces usor si rapid. NI a contribuit prin dezvoltarea tuturor aplicatiilor de programare low-level si abstractizarea acestora pe o interfata API. NI dezvoltase deja urmatoarele elemente, astfel încât VI Design Group le-a reutilizat:

1. Implementarea Protocolului wireless ZigBee

    

2. Implementarea microcontrolerului/designului sistemului de operare embedded  

    

3. Configurarea placilor cu circuite imprimate (PCB) si încorporare A/D delta-sigma de 24 de biti

    

4. Analiza sistemului de transfer al caldurii si dezvoltarea sistemului pasiv de racire

    

5. Proiectarea protocolului TCP/IP sau a protocolului de retea User Datagram Protocol

    

6. Criptarea Secure Sockets Layer (SSL) si caracteristici de securitate

    

7. Managementul memoriei complexe în comparatie cu C/C++

    

8. Programarea FPGA-urilor folosind limbajul de descriere hardware VHSIC

    

9. Dezvoltarea controlului web cu ajutorul Microsoft Silverlight

    

10. Configurarea serverului web cu serviciile web

     

În esenta, toate elementele la scara redusa fusesera deja efectuate, ramânându-ne de facut doar sarcinile mai avansate. Pentru dezvoltarea si implementarea acestui sistem, utilizatorul trebuie sa înteleaga configurarea de nivel superior a echipamentului NI si limbajul unic de programare LabVIEW. Pentru acest proiect, am utilizat LabVIEW pentru programarea nodurilor WSN, gateway-ului WSN, dispozitivului CompactRIO, serverului, paginii web si software-ului de analiza offline. Este cu adevarat revolutionar faptul ca un singur limbaj de programare poate fi utilizat în fiecare stadiu al acestui proiect. Cu ajutorul cursurilor de training extensiv, oferite de NI, oricine poate deveni expert în utilizarea tehnologiei NI pentru dezvoltarea acestui sistem complex de monitorizare.

Implementarea sistemului si pasii urmatori

Urmatoarele imagini prezinta implementarea sistemului:

Figura 4. Instalarea invertorului si a echipamentului de monitorizare

Figura 5. Data Logger CompactRIO instalat în fiecare punct de prezenta

Figura 6. Nodul NI WSN colectând date despre iradiere si termocuplu

O parte din analiza a fost implementata cu ajutorul software-ului NI DIAdem pentru postprocesarea datelor. DIAdem îi ajuta pe profesorii de la UTSA sa execute interogari pe parcursul întregului proces de colectare de date, iar mai apoi, sa analizeze si sa prezinte acele date. Aceasta analiza este deja folosita în efectuarea comparatiilor între prognozele solare. Urmatoarele valori reprezinta puterea fotovoltaica (PV) efectiva, în comparatie cu puterea PV prognozata.

Figura 7. Datele brute reprezentate grafic în DIAdem, comparând puterea efectiva și cea prognozata

Figura 8. Reprezentare finisata a datelor, demonstrând cât de aproape este puterea efectiva fata de puterea prognozata 

Acest sistem a oferit universitatii UTSA un sistem fiabil, de înalta fidelitate, de monitorizare distribuita a fermelor solare, ce a îndeplinit toate obiectivele acestui proiect. În prezent, platforma deschisa si capabilitatile logicii de control ale platformei CompactRIO sunt explorate de catre UTSA, pentru a extinde functionalitatea sistemului dincolo de limitele oricarui sistem disponibil în comert (COTS), ajutându-ne sa efectuam cercetari de ultima ora, de care va putea beneficia pe viitor, industria energiei solare.

Pentru informatii suplimentare, va rugam sa urmariti urmatoarea prezentare NIWeek:

http://www.youtube.com/embed/bKT-XAVj3aw?

Un Partner Alliance al National Instruments este o entitate juridica independenta de National Instruments, care nu are nicio relatie de reprezentare, parteneriat sau colaborare cu NI.

SC National Instruments Romania SRL

B-dul Corneliu Coposu, nr. 167A, et.I, Cluj Napoca, CP 400228

Tel.: 0800 894 308

E-mail: ni.romania@ni.com

http://romania.ni.com