Diplomov´a pr´ace

Fakulta elektrotechnick´ a

Diplomov´ a pr´ ace

Automatizovan´ y syst´ em pro mˇ eˇ ren´ı parametr˚ u akumul´ atorov´ ych bateri´ı

Praha, 2015 Autor: Bc. Viktor Pt´ aˇ cek

Prohlaˇsuji, ˇze jsem svou diplomovou pr´aci vypracoval samostatnˇe a pouˇzil jsem pouze podklady (literaturu, projekty, SW atd.) uveden´e v pˇriloˇzen´em seznamu.

V Praze dne

podpis

i

Dˇekuji pˇredevˇs´ım vedouc´ımu t´eto diplomov´e pr´ace Ing. Pavlu Hrzinovi Phd. za veden´ı a odbornou pomoc pˇri jej´ım vytv´aˇren´ı, d´ale dˇekuji studentovi Bc. Tom´aˇsi Reichlovi za po- moc pˇri zapojov´an´ı rozvadˇeˇce. Tak´e bych chtˇel podˇekovat sv´e pˇr´ıtelkyni Monice Jir´askov´e za pomoc pˇri grafick´e ´upravˇe diplomov´e pr´ace a hlavnˇe bych zde chtˇel podˇekovat sv´e ro- dinˇe za podporu pˇri studi´ıch na vysok´e ˇskole.

ii

Diplomov´a pr´ace se vˇenuje n´avrhu a realizaci testovac´ı stanice pro akumul´atorov´e bate- rie. D˚uvodem vzniku t´eto pr´ace byla absence testovac´ıho zaˇr´ızen´ı pro velk´e baterie na katedˇre elektrotechnologie. Ve sv´e pr´aci popisuji z´akladn´ı parametry akumul´atorov´e ba- terie a n´aslednˇe navrhuji zaˇr´ızen´ı, kter´e dok´aˇze vyb´ıjet a nab´ıjet baterii dle poˇzadavk˚u laboranta. K ˇr´ızen´ı takov´eto stanice jsem pouˇzil ˇr´ıdic´ı syst´em cRIO 9004, kter´e mˇelo za

´

ukol ˇr´ıdit vyb´ıjeˇc, a to generov´an´ım PWM sign´alu s promˇennou stˇr´ıdou, sbˇer fyzik´aln´ıch veliˇcin nutn´ych k monitoringu vyb´ıjen´ı a nab´ıjen´ı baterie a d´ale starat se o GUI a z´alohu namˇeˇren´ych dat jak do vnitˇrn´ı pamˇeti, tak na vzd´alen´y SQL server. V´ysledkem pr´ace je testovac´ı stanice velk´ych bateri´ı s ˇr´ıdic´ım softwarem a SQL serverem pro z´alohov´an´ı.

iii

This thesis deals with the design and construction of a test station for accumulators.

The motivation of this work was the absence of a test station for large capacitance accumulators at the Department of Electrotechnology. There is a description of the basic parameters of accumulators’ batteries and design of a device that can discharge and charge the battery according to laborants’ specific requirements in my work. For controlling the test station I’ve used cRIO 9004. Its task is to control the discharger by generating a PWM signal with variable duty cycle, to collect physical quantities, which are necessary for battery charging and discharging monitoring, and to provide GUI and backup of measured data to the internal memory and also to the remote SQL server. The result of my work is the test station for large capacitance accumulators with control software and SQL backup server.

iv

Seznam obr´azk˚u ix

Seznam tabulek xiii

Seznam zkratek xv

1 Uvod´ 1

2 Popis probl´emu, specifikace c´ıle 3

2.1 Popis probl´emu . . . 3

2.2 Specifikace c´ıle . . . 3

3 Baterie 5 3.1 Proˇc olovˇen´y akumul´ator . . . 5

3.2 Historie olovˇen´ych akumul´ator˚u . . . 5

3.3 Princip olovˇen´e baterie . . . 6

3.4 Parametry olovˇen´e baterie . . . 7

3.5 Co je to sulfatace? . . . 7

3.6 Teplota a kapacita baterie . . . 8

3.7 Modelov´an´ı baterie . . . 8

3.7.1 Elektrochemick´y model . . . 8

3.7.2 Kinetick´y model . . . 8

3.7.3 Veliˇciny pouˇz´ıvan´e v modelov´an´ı bateri´ı ekvivalentn´ım zapojen´ım 10 3.7.3.1 Kapacita baterie . . . 10

3.7.3.2 Stav nabit´ı (SOC) / hloubka vybit´ı (DOC) . . . 10

3.7.3.3 Samovyb´ıjen´ı . . . 11

3.7.3.4 Vnitˇrn´ı odpor baterie . . . 11

3.7.4 Modelov´an´ı ekvivalentn´ım zapojen´ım . . . 11 v

3.7.4.3 Posledn´ı varianta nejjednoduˇsˇs´ıho modelu . . . 13

3.7.4.4 Thevenin˚uv model baterie . . . 14

3.7.4.5 Dynamick´y empirick´y model . . . 14

4 N´ahled na ˇreˇsen´ı 17 4.1 Sch´ema soustavy a jeho popis . . . 17

4.1.1 Mˇeˇren´ı proudu LEM sondou . . . 19

4.1.2 Mˇeˇren´ı napˇet´ı LEM sondou . . . 20

4.1.3 Stykaˇce . . . 22

4.1.4 R´ızen´a z´atˇeˇz . . . .ˇ 22 4.1.5 Teplotn´ı ˇcidla . . . 23

4.1.6 R´ıdic´ı jednotka . . . .ˇ 23 4.1.7 Nab´ıjeˇc Eprona . . . 24

5 R´ıd´ıc´ı syst´ˇ em 25 5.0.8 FPGA procesor . . . 26

5.0.9 Syst´emov´e cykly u cRia . . . 27

5.1 Jak na sv˚uj kompilaˇcn´ı server? . . . 28

5.1.1 Zprovoznˇen´ı vlastn´ıho kompilaˇcn´ıho serveru . . . 29

5.1.1.1 Jak na to? . . . 30

5.1.1.2 Moˇznosti pˇripojit se vzd´alenˇe k cRiu . . . 31

5.1.2 Nahr´av´an´ı softwaru do FPGA . . . 32

5.1.3 Nahr´av´an´ı softwaru do cRia . . . 33

5.1.4 Remote panel, webov´a prezentace . . . 33

6 Mˇeˇren´ı teploty 35 6.1 Zvolen´ı senzor˚u teploty . . . 35

6.1.1 Vyhled´av´an´ı ˇcidel na sbˇernici . . . 36

6.1.2 Naprogramov´an´ı komunikace . . . 37

6.1.3 Dvˇe oddˇelen´e sbˇernice 1wire . . . 38

6.1.4 Pˇripojen´ı ˇcidel pro mˇeˇren´ı teploty . . . 38

6.1.5 Algoritmus pro komunikaci s teplotn´ım ˇcidlem . . . 39 vi

7.2 Probl´em pˇri instalaci serveru v s´ıti ˇCVUT . . . 43 7.3 Topologie z´alohov´an´ı . . . 46 7.4 Pˇripojen´ı cRia k sql serveru . . . 47

8 R´ızen´ˇ a z´atˇeˇz 49

8.1 Naˇse ˇr´ızen´a z´atˇeˇz . . . 49 8.2 Modelov´an´ı ˇr´ızen´e z´atˇeˇze . . . 52 8.2.1 Modelov´an´ı pomoc´ı pr˚umˇern´e hodnoty . . . 54 8.3 R´ızen´ı ˇr´ıditeln´e z´atˇeˇze . . . .ˇ 54 8.3.1 Integraˇcn´ı ˇcl´anek antiwindup . . . 56 8.3.2 Ladˇen´ı I ˇcl´anku . . . 56 8.3.3 Pˇrep´ın´an´ı regul´atoru . . . 62 8.3.4 R´ıdic´ı sign´al PWM . . . .ˇ 62 9 Popis pr´ace s programem a uk´azkov´e mˇeˇren´ı 67 9.1 Popis programu . . . 67 9.2 uk´azkov´e mˇeˇren´ı . . . 69 10 Slaboproud´e rozvody a v´ysledn´a podoba 73 10.1 Slaboproud´e rozvody . . . 73 10.2 Rozvadˇeˇc zepˇredu . . . 74 10.3 Dokumentace stavu . . . 76

11 Z´avˇer 79

Literatura 83

A Pouˇzit´y software I

B Obsah pˇriloˇzen´eho CD III

C Seznam pˇriloˇzen´ych materi´al˚u V

vii

3.1 Sch´ema olovˇen´e baterie, pˇrevzato [1] . . . 6

3.2 Principi´aln´ı sch´ema chemick´e reakce pˇri vyb´ıjen´ı a nab´ıjen´ı baterie, pˇrevzato z [16] . . . 7

3.3 Sch´ema pro zn´azornˇen´ı principu kinetick´eho modelu . . . 9

3.4 Sch´ema modelu - nejjednoduˇsˇs´ı model baterie . . . 12

3.5 Sch´ema modelu - Vylepˇsen´y nejjednoduˇsˇs´ı model . . . 12

3.6 Sch´ema modelu - Posledn´ı varianta nejjednoduˇsˇs´ıho modelu . . . 13

3.7 Sch´ema modelu - Thevenin˚uv model . . . 14

4.1 Kompozice syst´emu . . . 18

4.2 Uchycen´ı LEM sondy v rozvadˇeˇci . . . 19

4.3 Zapojen´ı proudov´e LEM sondy . . . 20

4.4 Zapojen´ı napˇet’ov´e LEM sondy . . . 21

4.5 Zapojen´ı stykaˇc˚u . . . 22

4.6 Fotografie vyb´ıjeˇce . . . 23

4.7 Fotografie ˇr´ıd´ıc´ıho syst´emu osazen´eho IO kartami . . . 24

5.1 Fotografie ˇr´ıd´ıc´ıho syst´emu NI cRio 9004, pˇrevzato z [17] . . . 25

5.2 Architektura Compact Ria, pˇrevzato z [18] . . . 27

5.3 Syst´emov´e cykly Compact Ria, pˇrevzato z [17] . . . 27

5.4 Architektura kompilace na m´ıstn´ım poˇc´ıtaˇci, pˇrevzato z [19] . . . 28

5.5 Architektura kompilace na vzd´alen´em poˇc´ıtaˇci, pˇrevzato z [19] . . . 29

5.6 Architektura kompilace na v´ıce serverech, pˇrevzato z [19] . . . 29

5.7 Okno VPN pˇripojen´ı . . . 30

5.8 Topologie pro vzd´alen´e pˇripojen´ı cRia . . . 31

5.9 Dialogov´e okno pro vytv´aˇren´ı webov´e prezentace . . . 34

6.1 Demonstrace vyhled´av´an´ı ˇcidel na grafu . . . 37 ix

6.4 Zdrojov´y k´od reset sbˇernice + ˇcek´an´ı na odpovˇed’ senzoru . . . 40

6.5 Retˇezec instrukc´ı pro odmˇer teploty . . . .ˇ 41 6.6 V´ypoˇcet hodnot z v´ystupu ˇcidel . . . 41

7.1 Naznaˇcen´a topologie zalohov´an´ı . . . 47

7.2 Uk´azka VI, kter´e realizuje pˇripojen´ı k mysql serveru z cRia . . . 48

8.1 Ekvivalentn´ı zapojen´ı pro jednu sekci DC-DC mˇeniˇce . . . 50

8.2 Fotografie svorek pro pˇrep´ın´an´ı odpor˚u v ˇr´ızen´e z´atˇeˇzi . . . 51

8.3 Tabulka ukazuj´ıc´ı, jak zapojit svorky na ˇr´ızen´e z´atˇeˇzi pro urˇcit´e odpory . 51 8.4 Model v Simulinku . . . 52

8.5 Srovn´an´ı odezev na skoky re´aln´y syst´em VS. model . . . 53

8.6 Srovn´an´ı odezev na skoky re´aln´y syst´em VS. model . . . 54

8.7 Graf ze simulace regulace na promˇennou referenci . . . 55

8.8 Zdrojov´y k´od realizuj´ıc´ı antiwindup pro I regul´ator . . . 56

8.9 Reakce na reference pro 6V, 1,8Ω,Gain I=0,00100708, 1/U/R=-0,0996094 57 8.10 Reakce na reference pro 12V, 1,8Ω,Gain I=0,00100708, 1/U/R=-0,0507812 57 8.11 Reakce na reference pro 24V, 1,8Ω,Gain I=0,00100708, 1/U/R=-0,0253906 58 8.12 Reakce na reference pro 24V, 1,8Ω,Gain I=0,00100708, 1/U/R=-0,0195312 58 8.13 Reakce na reference pro 6V, 1,2Ω,Gain I=0,001464843, 1/U/R=-0,0664062 59 8.14 Reakce na reference pro 12V, 1,2Ω,Gain I=0,001464843, 1/U/R=-0,0332031 59 8.15 Reakce na reference pro 24V, 1,2Ω,Gain I=0,001464843, 1/U/R=-0,0166626 60 8.16 Reakce na reference pro 6V, 0,2Ω,Gain I=0,000976562, 1/U/R=-0,0507812 60 8.17 Reakce na reference pro 12V, 0,9Ω,Gain I=0,000976562, 1/U/R=-0,0253906 61 8.18 Reakce na reference pro 18V, 0,9Ω,Gain I=0,000976562, 1/U/R=-0,0175781 61 8.19 V´yvojov´y diagram generov´an´ı PWM . . . 63

8.21 Namˇeˇren´y pr˚ubˇeh PWM . . . 64

8.20 Vypoˇc´ıtan´y pr˚ubˇeh PWM . . . 65

9.1 GUI . . . 69

9.2 Srovn´an´ı reference proudu s realitou v uk´azkov´em mˇeˇren´ı . . . 71

9.3 Pr˚ubˇehy monitorovan´ych veliˇcin u uk´azkov´eho mˇeˇren´ı . . . 71

10.1 Rozvadˇeˇc slaboproudu . . . 73 x

10.4 Pˇredn´ı panel stykaˇc˚u . . . 76 10.5 Fotografie pˇred zaˇc´atkem diplomov´e pr´ace . . . 76 10.6 Fotografie po skonˇcen´ı diplomov´e pr´aci . . . 77

xi

4.1 Parametr ˇcidla LEM HASS 500-S . . . 19

4.2 Nastaven´e a spoˇc´ıtan´e parametry ˇcidla LEM HASS 500-S v naˇs´ı aplikaci 19 4.3 Parametr ˇcidla LEM HASS 500-S . . . 20

4.4 Namˇeˇren´a tabulka pro kalibraci LEM ˇcidla pro mˇeˇren´ı napˇet´ı . . . 21

4.5 Seznam pouˇzit´ych mˇeˇr´ıc´ıch a ˇr´ıd´ıc´ıch karet do cRia . . . 23

4.6 Parametry nab´ıjeˇce Eprona . . . 24

5.1 Parametry pˇr´ıstroje NI cRio 9004 [17] . . . 26

6.1 Parametry teplotn´ıho ˇcidla DS18B20 . . . 36

7.1 D˚uleˇzit´e pˇr´ıkazy pro orientaci v mysql datab´azi . . . 46

8.1 Tabulka maxim´aln´ı napˇet´ı k nastaven´emu odporu ˇr´ızen´e z´atˇeˇze . . . 50

8.2 Vyladˇen´e parametry modelu . . . 53

8.3 Zadan´e hodnoty re´aln´e ˇr´ızen´e z´atˇeˇze . . . 53

8.4 Parametr regul´atoru pro jednotliv´e odpory na ˇr´ızen´e z´atˇeˇzi . . . 62

8.5 Casy pˇrechod˚ˇ u jednotliv´ych sign´al˚u mezi 0 a jejich amplitudou . . . 65

10.1 Tabulka zapojen´ı konektoru CANNON . . . 75

xiii

VI - Virtual Instrument, Virtu´aln´ı pˇr´ıstroj je pojem od National instrument. Je to zdro- jov´y k´od, kter´y v sobˇe schov´av´a dataflow program a nav´ıc jeˇstˇe GUI k tomuto programu.

GUI - Graphical User Interface, uˇzivatelsk´e grafick´e prostˇred´ı

FPGA - Field Programmable Gate Array, programovateln´e hradlov´e pole V - jednotka napˇet´ı volt

DCV - stejnosmˇern´e napˇet´ı v jednotk´ach volt Ah - oznaˇcen´ı kapacity - amp´er hodina RT - real-time - aplikace re´aln´eho ˇcasu IP - internet protokol

MOSFET - Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor - polem ˇr´ızen´y tranzistor PWM - Pulse Width Modulation - pulznˇe ˇs´ıˇrkov´a modulace

UPS - Uninterruptible Power Supply - nepˇreruˇsiteln´y zdroj energie MHz - megahertz

MB - megabyte

CPU - Central Processing Unit - hlavn´ı procesorov´a jednotka VPN - virtual private network - virtu´aln´ı priv´atn´ı s´ıt’

IFace - InterFace

ISP - Internet service provider - poskytovatel internetov´eho pˇripojen´ı WAN - Wide Area Network - s´ıt’ internetu

LAN - Local Area Network - m´ıstn´ı s´ıt’

xv

Uvod ´

C´ılem t´eto pr´ace je navrˇzen´ı a realizace testovac´ıho zaˇr´ızen´ı pro akumul´atorov´e baterie.

Vznik takov´e testovac´ı stanice byl jiˇz ´ukolem nˇekter´ych pˇredchoz´ıch bakal´aˇrsk´ych a diplomov´ych prac´ı, ovˇsem z d˚uvod˚u nevyhovuj´ıc´ıch parametr˚u, pˇredevˇs´ım ˇr´ıdic´ı ˇc´asti a chyb pˇri mont´aˇzi syst´emu, bylo pˇredchoz´ı zaˇr´ızen´ı demontov´ano a z˚ustal z nˇej pouze rozvadˇeˇc se zakomponovan´ym nab´ıjec´ım zdrojem. Bylo tedy nutn´e navrhnout zcela novou koncepci testovac´ı stanice.

V prvn´ı ˇradˇe bylo nutn´e navrhnout a vytvoˇrit novou kabel´aˇz - jak silnoproudu, tak i datov´e rozvody pro senzory, komunikaci ˇci indikaci provozn´ıch stav˚u.

K ˇr´ızen´ı mi bylo poskytnuto zaˇr´ızen´ı NI CRio 9004, jeˇz je z d´ılny National Instrument.

Tento syst´em by mˇel plnit u tohoto testovac´ıho zaˇr´ızen´ı ´ulohu ˇr´ıdic´ıho prvku, sbˇeru dat, komunikaci s uˇzivatelem pˇres GUI a z´alohov´an´ı namˇeˇren´ych dat na sql server.

D´ale bylo nutn´e navrhnout zp˚usob mˇeˇren´ı fyzik´aln´ıch veliˇcin potˇrebn´ych pro vyb´ıjen´ı a nab´ıjen´ı bateri´ı. Konkr´etnˇe jde o proud, napˇet´ı a teplotu. Dalˇs´ım ´ukolem tedy bylo navrhnout a realizovat kabel´aˇz k tˇemto senzor˚um a n´aslednˇe je zakomponovat do mˇeˇr´ıc´ıho syst´emu.

Jako z´atˇeˇz pro vyb´ıjen´ı bateri´ı mˇela b´yt pouˇzita ˇr´ızen´a z´atˇeˇz, kter´a jiˇz vznikla jako pˇredchoz´ı projekt na katedˇre elektrotechnologie. Bylo nutn´e k t´eto z´atˇeˇzi navrhnout ˇr´ızen´ı, otestovat jej a zakomponovat do ˇr´ıdic´ıho syst´emu.

Nakonec cel´a stanice musela b´yt pˇripojena k sql serveru a bylo zapotˇreb´ı prov´est testovac´ı mˇeˇren´ı.

1

Popis probl´ emu, specifikace c´ıle

2.1 Popis probl´ emu

Na Katedˇre elektrotechnologie vznik´a zaˇr´ızen´ı pro testov´an´ı velk´ych bateri´ı. Vzhledem k tomu, ˇze na t´eto stanici jiˇz bylo pro jej´ı konstrukci vytvoˇreno nˇekolik bakal´aˇrsk´ych a diplomov´ych prac´ı, dokumentace k tomuto zaˇr´ızen´ı je pomˇernˇe roztˇr´ıˇstˇen´a. Tak´e proto se pˇristoupilo k demont´aˇzi veˇsker´ych rozvod˚u v rozvadˇeˇci s vyhl´ıdkou navrˇzen´ı a realizace nov´e koncepce testovac´ı stanice.

2.2 Specifikace c´ıle

C´ılem t´eto pr´ace je k zaˇr´ızen´ı navrhnout novou kabel´aˇz a kompozici cel´e stanice. Vyb´ıjec´ı a nab´ıjec´ı stanice by mˇela b´yt plnˇe automatizovan´a, takˇze bylo nutn´e navrhnout a realizovat ˇr´ızen´ı cel´e stanice s d˚urazem na sbˇer fyzik´aln´ıch veliˇcin nutn´ych pro monitorovan´ı stavu syst´emu pˇri nab´ıjen´ı a vyb´ıjen´ı bateri´ı a s d˚urazem na ˇr´ızen´ı proudu baterie pˇri vyb´ıjen´ı.

D´ale bylo d˚uleˇzit´e navrhnout i moˇznosti pr´ace s namˇeˇren´ymi daty, popˇr´ıpadˇe realizovat z´alohov´an´ı ˇci migraci dat z tohoto testovac´ıho zaˇr´ızen´ı.

3

Baterie

Cel´a pr´ace se zab´yv´a vytvoˇren´ım testovac´ı stanice bateri´ı. V n´asleduj´ıc´ı reˇserˇsi se budu vˇenovat olovˇen´ym bateri´ım, jejich parametr˚um a moˇznostem, jak se baterie daj´ı modelo- vat.

3.1 Proˇ c olovˇ en´ y akumul´ ator

I pˇresto, ˇze technologie olovˇen´eho akumul´atoru se zaˇcala vyuˇz´ıvat jiˇz pˇred v´ıce neˇz 150 lety, m´a st´ale na trhu s bateriemi velk´y pod´ıl. Nejˇcastˇeji se dnes olovˇen´e akumul´atory pouˇz´ıvaj´ı jako startovac´ı akumul´atory, trakˇcn´ı akumul´atory nebo pro UPS syst´emy. I vzhledem k tomu, ˇze se tato technologie vyuˇz´ıv´a jiˇz mnoho let, je dobˇre popsan´a a je k n´ı dostupn´ych mnoho materi´al˚u. Tak´e baterie samotn´e jsou velmi dobˇre dostupn´e, v kaˇzd´e laboratoˇri se najde exempl´aˇr, na kter´em se daj´ı dˇelat experimenty.

3.2 Historie olovˇ en´ ych akumul´ ator˚ u

Za objevem principu olovˇen´eho akumul´atoru stoj´ı Wilhelm Josef Sinstenden. Tento prin- cip byl publikov´an v roce 1854. O ˇctyˇri roky pozdˇeji sestrojil Gaston Raimond Plant´e vy- lepˇsenou verzi baterie (pˇrenesl laboratorn´ı apar´at do

”lidsk´e formy“). Olovˇen´y akumul´ator byl v˚ubec prvn´ı komerˇcnˇe vyuˇz´ıvan´y nab´ıjec´ı akumul´ator. Probl´em PB akumul´atoru byl v tom, ˇze se nesmˇel nakl´anˇet. To bylo zp˚usobeno jednak t´ım, ˇze jeho elektrolyt byla ka- paln´a kyselina s´yrov´a a tak´e t´ım, ˇze pˇri chemick´e reakci doch´azelo ke vzniku plyn˚u, kter´e

5

bylo nutn´e odv´adˇet. Tak´e bylo zapotˇreb´ı obˇcas doplˇnovat vodu, jelikoˇz pˇri reakci vznikal plynn´y vod´ık a kysl´ık, kter´e se reakc´ı druh´ym smˇerem na vodu zpˇet nemˇen´ı. Naklonˇen´ım nebo pˇrevr´acen´ım by tedy mohlo doj´ıt k ´uniku elektrolytu nebo k zacp´an´ı vˇetrac´ıch otvor˚u a mohlo by doj´ıt k v´ybuchu. Kolem roku 1970 se zaˇcala rozˇsiˇrovat technologie VRLA, kter´a jiˇz nepotˇrebovala tekut´y elektrolyt, resp. byla vyvinuta l´atka (separ´ator), ve kter´e byl elektrolyt nas´akl´y, a t´ım se zabr´anilo jeho vyteˇcen´ı. D´ale byla v baterii nov´a technolo- gie, kter´a rekombinovala kysl´ık a vod´ık zpˇet na vodu. V akumul´atoru st´ale z˚ustal pojistn´y ventil, kter´y zareaguje na velkou koncentraci plyn˚u. VRLA baterie m˚uˇzeme rozdˇelit do dvou skupin - AGM (absorbed glass material) nebo gelov´e. AGM m´a elektrolyt nas´akl´y ve sklolamin´atov´ych mikrovl´aknech, zat´ımco gelov´y m´a elektrolyt ztuˇzen´y gelem SiOz.

[13][15][10]

3.3 Princip olovˇ en´ e baterie

Obr´azek 3.1: Sch´ema olovˇen´e baterie, pˇrevzato [1]

Nejjednoduˇsˇs´ı olovˇen´a baterie se skl´ad´a z anody, kterou tvoˇr´ı oxid oloviˇcit´y a katody, kte- rou tvoˇr´ı houbovit´e olovo. Jako elektrolyt je v baterii pouˇzita zˇredˇen´a (asi 33%) kyselina s´ırov´a.

Pro vyb´ıjen´ı plat´ı:

Reakce na anodˇe:

P b+HSO⁻₄ →P bSO4+H⁺+ 2e⁻[16]

Reakce na katodˇe:

P bO₂+HSO⁻₄ + 3H⁺ →P bSO₄+ 2H2O[16]

Celkov´a reakce:

P b+P bO₂+ 2HSO⁻₄ + 2H⁺ →P bSO₄+ 2H₂O+energy [16]

Pro nab´ıjen´ı funguj´ı rovnice pˇresnˇe obr´acenˇe.

Obr´azek 3.2: Principi´aln´ı sch´ema chemick´e reakce pˇri vyb´ıjen´ı a nab´ıjen´ı baterie, pˇrevzato z [16]

3.4 Parametry olovˇ en´ e baterie

Napˇet´ı jednoho ˇcl´anku se pohybuje okolo 2,26V. Omezen´ı pro lead acid baterie je v jejich skladov´an´ı, mˇely by se totiˇz skladovat nabit´e, aby se tak zabr´anilo sulfataci. Tak´e existuje omezen´ı ve vyb´ıjen´ı baterie - pakliˇze doch´az´ı k hlubok´emu vybit´ı, baterie rychle ztr´ac´ı kapacitu. V´yhodou je velice dobr´a cena za Wh.

3.5 Co je to sulfatace?

Sulfatace je proces vzniku stabiln´ıch krystalick´ych forem s´ıranu olovnat´eho, kter´e nem˚uˇzeme zpˇet pˇremˇenit na olovo, oxid olovnat´y a kyselinu s´ırovou.

3.6 Teplota a kapacita baterie

Kaˇzd´a chemick´a reakce z´avis´ı na parametrech prostˇred´ı, ve kter´em prob´ıh´a. Mimo jin´e z´avis´ı i na teplotˇe. Jelikoˇz funkce baterie je zaloˇzena na chemick´e reakci, i chov´an´ı ba- terie bude na teplotˇe z´avisl´e. Pˇri zvyˇsov´an´ı teploty se v baterii sniˇzuje vnitˇrn´ı odpor a reakce v baterii se zrychluj´ı. Nav´ıc se kapacita baterie zvyˇsuje. V opaˇcn´em pˇr´ıpadˇe, tedy pˇri sniˇzov´an´ı teploty, doch´az´ı ke sniˇzov´an´ı kapacity, ke zpomalov´an´ı chemick´ych dˇej˚u a zvyˇsov´an´ı vnitˇrn´ıho odporu. Tyto vlastnosti baterie zp˚usobuj´ı probl´emy v nab´ıjen´ı a vyb´ıjen´ı, jelikoˇz s teplotou by se mˇely mˇenit i margin´aln´ı hodnoty napˇet´ı ˇcl´ank˚u tak, abychom zachovali baterii v co nejlepˇs´ı kondici.

3.7 Modelov´ an´ı baterie

Cel´e modelov´an´ı baterie je sice zamˇeˇreno na olovˇen´e akumul´atory, ale cel´y syst´em vyb´ıjen´ı a nab´ıjen´ı baterie bude pouˇziteln´y i na ostatn´ı typy akumul´ator˚u. V modelov´an´ı jako vˇsude, tak i u bateri´ı, existuj´ı r˚uzn´e pˇr´ıstupy, r˚uzn´a zjednoduˇsen´ı... Modelov´an´ı bateri´ı se d´a rozdˇelit do 4 hlavn´ıch skupin: prvn´ı je elektrochemick´y model, druh´y je model s pomoc´ı ekvivalentn´ıho elektronick´eho zapojen´ı, d´ale jsou to modely empirick´y a kinetick´y.

Vˇsechny ˇctyˇri skupiny model˚u budou jednotlivˇe pops´any n´ıˇze.

3.7.1 Elektrochemick´ y model

Elektrochemick´y model baterie obsahuje popis veˇsker´ych chemick´ych reakc´ı v baterii (nejen popis z´akladn´ıch chemick´ych reakc´ı, kter´y jsem zm´ınil v´yˇse v principu ˇcinnosti).

K jejich popisu potˇrebujeme detailnˇe zn´at vlastnosti materi´al˚u pouˇzit´ych pˇri v´yrobˇe. . . . Tento popis se vyuˇz´ıv´a pˇri v´yvoji elektrochemick´ych zdroj˚u.

3.7.2 Kinetick´ y model

Kinetick´y model je zaloˇzen´y na tom, ˇze v baterii jsou uloˇzeny dva r˚uzn´e n´aboje. Jeden z nich je voln´y, kter´y je pˇripraven´y k dod´avce proudu do obvodu a druh´y je v´azan´y, kter´y

”ˇcek´a“ ve formˇe chemick´e slouˇceniny na chemickou reakci, kterou dojde k uvolnˇen´ı n´aboje.

Obr´azek 3.3: Sch´ema pro zn´azornˇen´ı principu kinetick´eho modelu

Rychlost pˇremˇeny v´azan´eho n´aboje na voln´y vyjadˇruje konstanta k‘. Konstanta c ud´av´a ˇs´ıˇrku v´alce s voln´ym n´abojem a 1-c ud´av´a ˇs´ıˇrku v´alce s v´azan´ym n´abojem. A plat´ı ˇze (1-c)+(c)=1.R0 zde nahrazuje vnitˇrn´ı odpor baterie a

”Current regulator“ spotˇrebiˇc.

Rovnice popisuj´ıc´ı tento model:

dq1

dt =−I −k^′(h₁ −h₂)

dq2

dt =−k^′(h₁−h₂) kde

q₁ je voln´y n´aboj q₂ je v´azan´y n´aboj

Hladiny h1 a h1 se daj´ı vyj´adˇrit jako

h1 = ^q_c¹ h2 = ^q_c² Pro zjednoduˇsen´ı se pak d´a napsat:

k = _c(1^k₋^′_c) A potom:

dq1

dt =−I−k(1−c)q₁+kcq₂

dq2

dt =k(1−c)q1−kcq₂

K tomuto modelu je zapotˇreb´ı identifikovat pouze 4 konstanty a to qmax, c (rozdˇelen´ı n´aboj˚u), k (rychlost pˇremˇeny) a vnitˇrn´ı odpor.

3.7.3 Veliˇ ciny pouˇ z´ıvan´ e v modelov´ an´ı bateri´ı ekvivalentn´ım zapojen´ım

3.7.3.1 Kapacita baterie

Kapacita baterie popisuje, jak velk´y elektrick´y n´aboj je schopna baterie dodat pˇri urˇcit´em napˇet´ı. Ud´av´a se v Ah. Kapacita se vˇetˇsinou ud´av´a i s dobou, jakou se tato kapacita m´a norm´alnˇe vyb´ıjet. Je to tak proto, ˇze pˇri vyb´ıjen´ı vˇetˇs´ım proudem doch´az´ı ke zmenˇsen´ı kapacity. K v´ypoˇctu potˇrebn´e kapacity n´am slouˇz´ı Peukert˚uv z´akon

Cp =I^kt kde:

Cp je kapacita baterie pˇri vyb´ıjen´ı baterie pr´avˇe p hodin [Ah], I je poˇzadovan´y proud vyb´ıjen´ı [A],

t je poˇzadovan´a doba vyb´ıjen´ı [hod],

k je Peukertova konstanta (u olovˇen´ych akumul´ator˚u mezi 1,1 aˇz 1,3) [-].

Cel´y v´ypoˇcet vypov´ıd´a o tom, ˇze kdyˇz budeme potˇrebovat vyb´ıjet baterii velk´ym proudem, je potˇreba jej´ı kapacitu naddimenzovat nad kapacituI·t. Nomin´alnˇe se kapacita bateri´ı ud´av´a v C₁₀, tj. v proudu, kter´y m˚uˇzeme br´at z baterie po dobu 10 hodin.

3.7.3.2 Stav nabit´ı (state of charge) / hloubka vybit´ı (depth of charge) Obˇe veliˇciny popisuj´ı aktu´aln´ı stav n´aboje v baterii. Stav nabit´ı pˇredstavuje pomˇer aktu´aln´ıho n´aboje baterie k nomin´aln´ı kapacitˇe.

SOC = 1−_C^Qe

10

Hloubka vybit´ı ud´av´a pomˇer odebran´eho n´aboje a kapacity, kter´a odpov´ıd´a urˇcit´emu proudu vybit´ı:

DOC = 1−^Q_C^e

I

Qe je n´aboj odebran´y z baterie,

CI je kapacita baterie pˇri vyb´ıjen´ı proudem I, C₁₀ je nomin´aln´ı kapacita baterie.

3.7.3.3 Samovyb´ıjen´ı

I pˇri nepˇripojen´em spotˇrebiˇci se baterie vyb´ıj´ı, coˇz je zp˚usobeno vnitˇrn´ımi chemick´ymi reakcemi. Pˇri skladov´an´ı olovˇen´eho akumul´atoru ve vybit´em stavu doch´az´ı nejen k samo- vyb´ıjen´ı, ale i k sulfataci a t´ım k nevratn´emu sniˇzov´an´ı kapacity baterie.

3.7.3.4 Vnitˇrn´ı odpor baterie

Vnitˇrn´ı odpor baterie je tot´eˇz jako vnitˇrn´ı odpor zdroje. ˇC´ım niˇzˇs´ı vnitˇrn´ı odpor je, t´ım vyˇsˇs´ı proudy m˚uˇzeme ze zdroje odeb´ırat, aniˇz by n´am kleslo v´ystupn´ı napˇet´ı. Vnitˇrn´ı odpor baterie m´a nev´yhodu v tom, ˇze se v pr˚ubˇehu vyb´ıjen´ı mˇen´ı, a tedy z´avis´ı na SOC. Pˇri vyb´ıjen´ı akumul´atoru roste i jeho vnitˇrn´ı odpor. Pro v´ypoˇcet pˇribliˇzn´e hodnoty vnitˇrn´ıho odporu se pouˇz´ıv´a vztah

R0 = ^U0−_I^Ut

U0 je napˇet´ı na pr´azdno [V],

Ut je napˇet´ı pˇri z´atˇeˇzi, kterou teˇce proud I [V], I je proud z´atˇeˇz´ı [A].

3.7.4 Modelov´ an´ı ekvivalentn´ım zapojen´ım

Nejrozˇs´ıˇrenˇejˇs´ım druhem modelov´an´ı bateri´ı je modelov´an´ı pomoc´ı ekvivalentn´ıho zapo- jen´ı. Tento druh je tak rozˇs´ıˇren´y uˇz jen proto, ˇze vˇetˇsina uˇzivatel˚u modelu bateri´ı jsou elektrotechnici, kter´ym jsou elektronick´e obvody hodnˇe bl´ızk´e. Nav´ıc se takov´e obvody daj´ı ve vˇetˇsinˇe pˇr´ıpad˚u popsat jednoduch´ymi diferenci´aln´ımi rovnicemi.

3.7.4.1 Nejjednoduˇsˇs´ı model baterie

Obr´azek 3.4: Sch´ema modelu - nejjednoduˇsˇs´ı model baterie

Tento model je line´arn´ım modelem zdroje napˇet´ı. Nepopisuje v˚ubec ˇz´adnou dynamiku baterie. Tak´e vnitˇrn´ı odpor R0 je tu naznaˇcen jako konstantn´ı. Tento model se vˇetˇsinou pouˇz´ıv´a tam, kde n´am nevad´ı zmˇeny vznikl´e vyb´ıjen´ım baterie.

3.7.4.2 Vylepˇsen´y nejjednoduˇsˇs´ı model

Obr´azek 3.5: Sch´ema modelu - Vylepˇsen´y nejjednoduˇsˇs´ı model

Jedin´ym vylepˇsen´ım tohoto zapojen´ı je promˇenn´y vnitˇrn´ı odpor baterie. Tento odpor pak odpov´ıd´a vztahu

R= _SOC^R0a[2]

kde

R je vypoˇc´ıtan´y vnitˇrn´ı odpor baterie, R₀ je vnitˇrn´ı odpor plnˇe nabit´e baterie, a je konstanta.

Tuto definici jsem z´ıskal z materi´alu [2], ovˇsem zde se odkazuj´ı na dalˇs´ı literaturu, kter´a v dneˇsn´ı dobˇe nen´ı dostupn´a. Takˇze dle zdroje se ned´a urˇcit, jak´ym zp˚usobem se d´a konstanta a odhadnout. Pokud je vztah spr´avn´y a plat´ı, pak by mˇelo staˇcit zmˇeˇrit a vypoˇc´ıtat vnitˇrn´ı odpor na zaˇc´atku vyb´ıjen´ı a n´aslednˇe na konci. Z tˇechto hodnot jsme schopni urˇcit hodnotu a. ˇC´ım v´ıce hodnot vnitˇrn´ıho odporu pˇri urˇcit´em SOC zmˇeˇr´ıme, t´ım l´epe odhadneme konstantu a.

3.7.4.3 Posledn´ı varianta nejjednoduˇsˇs´ıho modelu

Obr´azek 3.6: Sch´ema modelu - Posledn´ı varianta nejjednoduˇsˇs´ıho modelu

Cel´e modelov´an´ı je zaloˇzeno na vyj´adˇren´ı v´ystupn´ıho napˇet´ı:

U_out=U_bat−R·I_bat[2]

kde Ubat i R jsou z´avisl´e na DOC. Ted’ uˇz staˇc´ı ˇr´ıct, v jak´em tvaru chceme z´avislost na DOC - zda chceme line´arn´ı ve tvaru:

Ubat=a0+b0·DOC[2]

Ri =a1+b1·DOC[2]

A vnitˇrn´ı odpor je urˇcen vztahem

Ri = ^U0−_I^Uterm

bat [2]

Nebo se d´a z´avislost hledat v polynomi´aln´ım tvaru n-t´eho ˇr´adu.

Ubat =a₀+a₁·SOC+a₂·SOC²+a₃·SOC³+a₄·SOC⁴+a₅·SOC⁵+...+an·SOCⁿ[2]

R =b₀+b₁·SOC +b₂·SOC²+b₃ ·SOC³+b₄·SOC⁴+b₅·SOC⁵+...+bn·SOCⁿ[2]

Pro identifikaci mus´ıme prov´est podobn´e mˇeˇren´ı jako v pˇredchoz´ım pˇr´ıpadˇe, ovˇsem zde uˇz potˇrebujeme v´ıce hodnot, kter´ymi budeme n´aslednˇe prokl´adat pˇr´ımku v line´arn´ım pˇr´ıpadˇe, nebo polynom v druh´em pˇr´ıpadˇe. V´yhodou tˇechto dvou model˚u pro identifikaci je, ˇze bychom mohli pouˇz´ıt stejn´e mˇeˇren´ı a m´ıt dva r˚uzn´e modely.

3.7.4.4 Thevenin˚uv model baterie

Je nejˇcastˇeji pouˇz´ıvan´ym modelem baterie. Na rozd´ıl od pˇredchoz´ıch jiˇz vystihuje dyna- miku baterie.

Obr´azek 3.7: Sch´ema modelu - Thevenin˚uv model

Kde:

BAT je zdroj napˇet´ı o hodnotˇe napˇet´ı na pr´azdno [V], R0 je vnitˇrn´ı odpor baterie [Ω],

RI je odpor mezi elektrolytem a elektrodami [Ω], C je aktu´aln´ı kapacita [Ah].

Vˇsechny tyto parametry se daj´ı urˇcit jako konstanty pˇribliˇznˇe, nebo zmˇeˇrit. Ovˇsem vˇsechny tyto parametry by mˇely b´yt z´avisl´e na SOC.

3.7.4.5 Dynamick´y empirick´y model

V literatuˇre [11] je uveden dynamick´y empirick´y model. Bohuˇzel odkaz na dalˇs´ı literaturu nefunguje. Cel´y model baterie je pops´an rovnic´ı

Uout =U₀−(RI +_SOC^K )Ibat [11]

Kde

Uout je v´ystupn´ı napˇet´ı [V], U₀ je napˇet´ı na pr´azdno [V],

RI je odpor mezi elektrolytem a elektrodami [Ω],

K je polarizaˇcn´ı konstanta, typicky 0,1Ω, I_bat je vyb´ıjec´ı proud baterie, [A]

SOC je

”state of charge“ – stav nabit´ı.

N´ ahled na ˇ reˇ sen´ı

4.1 Sch´ ema soustavy a jeho popis

Na poˇc´atku n´avrhu jsem mˇel k dispozici rozvadˇeˇc se zamontovan´ym zdrojem pro nab´ıjen´ı.

Na tomto rozvadˇeˇci jsem si navrhl z´akladn´ı koncepci, kterou m˚uˇzete vidˇet na n´asleduj´ıc´ı stranˇe. ˇCervenou barvou je ve sch´ematu zakreslen´y rozvod silnoproudu a zelenˇe je na- znaˇcen´e pˇripojen´ı baterie. Na z´akladˇe takov´eho n´avrhu koncepce syst´emu n´aslednˇe vzniklo celkov´e sch´ema soustavy (viz pˇr´ıloha), kter´e je rozdˇelen´e dle um´ıstˇen´ı prvk˚u v rozvadˇeˇci.

Cel´y syst´em m´a fungovat n´asledovnˇe: Proces se bude prov´adˇet na z´akladˇe vstupn´ıch dat od laboranta, kter´a budou obsahovat ˇcasov´e intervaly a informaci, zda se m´a baterie v dan´em ˇcasov´em intervalu vyb´ıjet nebo nab´ıjet. Pokud by mˇela b´yt baterie vyb´ıjena, je potˇreba d´ale uv´est, jak´y proud m´a b´yt odeb´ır´an z baterie. Pokud m´a b´yt nab´ıjena, je nutn´e nastavit na zdroji pro nab´ıjen´ı takov´e parametry, aby testu vyhovovaly. Pakliˇze tyto vˇsechny informace pˇred´ame ˇr´ıdic´ımu syst´emu (popˇr´ıpadˇe nab´ıjeˇci), ˇr´ıdic´ı syst´em spust´ı testov´an´ı baterie a jeho v´ystupem budou vzorkovan´e veliˇciny - napˇet´ı baterie, proud bateri´ı, teplota baterie.

17

Obr´azek 4.1: Kompozice syst´emu

4.1.1 Mˇ eˇ ren´ı proudu LEM sondou

Vzhledem k tomu, ˇze je nutn´e mˇeˇrit proud, kter´y jde z baterie, v rozsahu 0 aˇz 150 A, bylo nutn´e zvolit tak´e adekv´atn´ı ˇcidlo. Pro mˇeˇren´ı takov´ych proud˚u se pouˇz´ıvaj´ı bud’

bezkontaktn´ı ˇcidla na z´akladˇe Hallovy sondy, nebo transform´atory pro mˇeˇren´ı proudu.

Nespornou v´yhodou pro zvolen´ı bezkontaktn´ıho mˇeˇren´ı je galvanick´e oddˇelen´ı mˇeˇren´eho objektu s mˇeˇr´ıc´ım syst´emem, a tedy zanedbateln´a pravdˇepodobnost zniˇcen´ı mˇeˇr´ıc´ıho syst´emu.

V naˇsich podm´ınk´ach jsem zvolil ˇcidlo LEM HASS 500-S. Toto ˇcidlo m´a rozsah vˇetˇs´ı neˇz je potˇrebn´y rozsah. Rozsah ˇcidla jsem sn´ıˇzil a pˇresnost zv´yˇsil t´ım, ˇze jsem mˇeˇren´y dr´at prot´ahl 3kr´at LEM sondou.

Tabulka 4.1: Parametr ˇcidla LEM HASS 500-S

Parametr Hodnota

Rozsah pro DC proud ±500A

V´ystup ± 2,5V

Nap´ajen´ı 5V

Pˇresnost ±1 %

Tabulka 4.2: Nastaven´e a spoˇc´ıtan´e parametry ˇcidla LEM HASS 500-S v naˇs´ı aplikaci

Parametr Hodnota

Pˇrevodn´ı konstanta 273,008

Offset -0,601562 A

Pˇrevodn´ı konstanta pro 3x prot´ahl´y kabel ±2,5V

Obr´azek 4.2: Uchycen´ı LEM sondy v rozvadˇeˇci

Obr´azek 4.3: Zapojen´ı proudov´e LEM sondy

Vzhledem k nap´ajen´ı a zapojen´ı budu m´ıt na vstupn´ıch svork´ach do cRia hodnoty od -2,5V do +2,5V a v´ysledn´y proud se pak d´a spoˇc´ıtat jako:

Teoreticky:

I = _0,625 ^u

·500·pocet protazeni . Prakticky:

I =u·273,008−0,601562.

Odpor 1 MΩ z AI0- k zemi je dle specifikace cRio modulu.

Odpor 30 kΩ mezi AI0- a AI0+ je zde pro zat´ıˇzen´ı v´ystupu LEM sondy.

4.1.2 Mˇ eˇ ren´ı napˇ et´ı LEM sondou

Pro mˇeˇren´ı napˇet´ı jsem pouˇzil tak´e bezkontaktn´ı ˇcidlo LEM, jen pro napˇet´ı. Konkr´etnˇe sondu LV25-P. V´yhodou pouˇzit´ı t´eto sondy je galvanick´e oddˇelen´ı mˇeˇren´eho objektu od mˇeˇr´ıc´ıho syst´emu.

Tabulka 4.3: Parametr ˇcidla LEM HASS 500-S

Parametr Hodnota

Nomin´aln´ı vstupn´ı proud ± 10mA Rozsah vstupn´ıch proud˚u ± 0 - 14 mA Nomin´aln´ı v´ystupn´ı proud 25mA

Nap´ajen´ı ± 15V

Obr´azek 4.4: Zapojen´ı napˇet’ov´e LEM sondy

Odpory zapojen´e paralelnˇe u vstupn´ıho napˇet´ı (22 kΩ||22 kΩ) jsou navrˇzen´e tak, aby se sondou dalo mˇeˇrit 100V a byl vyuˇzit co nejvˇetˇs´ı rozsah sondy. Odpory (180 Ω & 180 Ω) jsou nastaveny tak, aby se vyuˇz´ıval co nejvˇetˇs´ı rozsah analogov´ych vstup˚u (± 10 V). Po sestrojen´ı a nastaven´ı odpor˚u jsem si odmˇeˇril kalibraˇcn´ı tabulku a z n´ı pomoc´ı line´arn´ı regrese vypoˇc´ıtal pˇrevodn´ı konstantu pro toto ˇcidlo.

Tabulka 4.4: Namˇeˇren´a tabulka pro kalibraci LEM ˇcidla pro mˇeˇren´ı napˇet´ı

C. mˇeˇren´ıˇ 1 2 3 4 5 6 7 8

Vstupn´ı napˇet´ı [V] 1,03 5,02 10,1 20,07 40,8 60 80 100 V´ystupn´ı napˇet´ı [V] 0,0775 0,399 0,808 1,613 3,289 4,841 6,455 8,076 Z namˇeˇren´ych hodnot jsem vypoˇc´ıtal pˇrevodn´ı konstantu 12,39, pak pro v´ypoˇcet napˇet´ı plat´ı:

U =Umer·12,39 Kde je:

U - hodnota napˇet´ı baterie

Umer - hodnota napˇet´ı zmˇeˇren´a na LEM sondˇe

4.1.3 Stykaˇ ce

Cel´y syst´em umoˇzˇnuje pˇripnout baterii k nab´ıjeˇci nebo vyb´ıjeˇci. To je realizov´ano stykaˇci V140F. Tyto stykaˇce se sp´ınaj´ı pomoc´ı s´ıt’ov´eho napˇet´ı 230V. Takov´eto napˇet´ı nen´ı vhodn´e zav´adˇet do ˇr´ıdic´ıho syst´emu, proto je ke stykaˇci pˇrid´ano SSR – solid state re- lay, a tak se d´a ˇr´ıdit pomoc´ı 5V.

Obr´azek 4.5: Zapojen´ı stykaˇc˚u

4.1.4 R´ızen´ ˇ a z´ atˇ eˇ z

Na Katedˇre elektrotechnologie byla jako pˇredch´azej´ıc´ı projekt vytvoˇrena ˇr´ıditeln´a z´atˇeˇz.

Tuto ˇr´ıditelnou z´atˇeˇz tvoˇr´ı tˇri identick´e sekce. Kaˇzd´a z nich je ˇr´ızena pomoc´ı MOSFET tranzistoru. Jednotliv´e sekce jsou ovl´ad´any pomoc´ı otev´ır´an´ı a zav´ır´an´ı tranzistoru, v m´e aplikaci jsou ovl´ad´any PWM sign´alem. Cel´y syst´em je navrˇzen pro maxim´aln´ı proud 150 A. Vzhledem k velk´emu proudu je mˇeniˇc osazen i chlazen´ım realizovan´ym pomoc´ı 3 ventil´ator˚u. V´ıce k ˇr´ızen´e z´atˇeˇzi je pops´ano v kapitole ˇR´ızen´a z´atˇeˇz.

Obr´azek 4.6: Fotografie vyb´ıjeˇce

4.1.5 Teplotn´ı ˇ cidla

K mˇeˇren´ı teploty bylo zvoleno ˇcidlo Dallas DS18B20. Toto ˇcidlo komunikuje po sbˇernici 1wire. V´ıce o tomto ˇcidle je pops´ano v kapitole Mˇeˇren´ı teploty.

4.1.6 R´ıdic´ı jednotka ˇ

Pro ˇr´ızen´ı cel´e soustavy byl vybr´an regul´ator NI cRio 9004. Jedn´a se o modul´arn´ı syst´em.

Centr´aln´ı jednotka neobsahuje ˇz´adn´y vstup ani v´ystup, ale mus´ı se do n´ı dodat mˇeˇr´ıc´ı a ˇr´ıd´ıc´ı karty. Jako mˇeˇr´ıc´ı a ˇr´ıd´ıc´ı karty jsem zvolil:

Tabulka 4.5: Seznam pouˇzit´ych mˇeˇr´ıc´ıch a ˇr´ıd´ıc´ıch karet do cRia

Zvolen´a karta Typ a poˇcet I/O

NI 9215 4 diferenˇcn´ı analogov´e vstupy, rozsah ±10V, 16 bit pˇrevodn´ık NI 9401 8 vstupnˇe v´ystupn´ıch kan´al˚u s TTL logikou

NI 9481 4 rel´eov´e v´ystupy

NI 9474 8 digit´aln´ıch v´ystup˚u, maxim´aln´ı rychlost 1µs

Rel´eov´e v´ystupy jsou pouˇzity ke sp´ınan´ı stykaˇc˚u (2x) a k ovl´ad´an´ı vˇetr´an´ı na mˇeniˇci (1x).

Analogov´e vstupy jsou zapotˇreb´ı ke ˇcten´ı napˇet´ı a proudu z LEM ˇcidel (2x).

Vstupnˇe v´ystupn´ı kartu vyuˇz´ıv´am ke komunikaci s teplotn´ım ˇcidlem po 1-wire sbˇernici (4x).

V´ystupn´ı kartu vyuˇz´ıv´am k ovl´ad´an´ı PWM sign´alu pro ˇr´ızen´ı mˇeniˇce (3x).

Obr´azek 4.7: Fotografie ˇr´ıd´ıc´ıho syst´emu osazen´eho IO kartami

V´ıce informac´ı o tomto regul´atoru je pops´ano v kapitole ˇR´ıdic´ı syst´em.

4.1.7 Nab´ıjeˇ c Eprona

Nab´ıjeˇc Eprona HFM-A 80/100 v t´eto testovac´ı stanici p˚usob´ı jako samostatn´a jednotka.

Po nastudov´an´ı dokumentace a kontaktu s v´yrobcem jsem se utvrdil v tom, ˇze s jednotkou nen´ı moˇzn´e nijak komunikovat a tedy nen´ı moˇzn´e ji ˇr´ıdit. Tud´ıˇz ˇr´ıdic´ı syst´em pouze ˇr´ıd´ı to jestli se m´a baterie k nab´ıjec´ı jednotce pˇripnout a kdy odpojit. Nab´ıjec´ı jednotka m´a tˇr´ıf´azov´y pˇr´ıvod a proto i pˇr´ıvod do testovac´ı stanice mus´ı b´yt tˇr´ıf´azov´y.

Tabulka 4.6: Parametry nab´ıjeˇce Eprona

Parametr Hodnota

Vstupn´ı nap´ajen´ı 3x 400V, 50Hz Rozsah v´ystupn´ıho napˇet´ı 0 - 80 V Rozsah v´ystupn´ıho proudu 0-100A

R´ıd´ıc´ı syst´ ˇ em

Jako ˇr´ıd´ıc´ı syst´em byl zvolen NI cRio 9004 (National Instrument Compact Rio 9004).

Tento ˇr´ıd´ıc´ı syst´em je, na rozd´ıl od vˇetˇsiny mˇeˇr´ıc´ıch karet, od NI stand-alone, a tedy je v nˇem integrovan´y operaˇcn´ı syst´em a nepotˇrebuje k ˇr´ızen´ı nebo monitoringu jak´ekoliv dalˇs´ı zaˇr´ızen´ı. Jedn´a se o syst´em modul´arn´ı, ˇcili k syst´emu je moˇzn´e pˇridat mˇeˇr´ıc´ı karty dle aktu´aln´ıch poˇzadavk˚u.

Obr´azek 5.1: Fotografie ˇr´ıd´ıc´ıho syst´emu NI cRio 9004, pˇrevzato z [17]

V NI cRio bˇeˇz´ı jako embeded OS LabView Real-time ETS OS. Syst´em dok´aˇze s okol´ım komunikovat pomoc´ı protokol˚u TCP/IP, UDP, Modbus/TCP, Irda a pomoc´ı protokol˚u pro s´eriovou linku. D´ale syst´em obsahuje FTP server i http server.

25

Tabulka 5.1: Parametry pˇr´ıstroje NI cRio 9004 [17]

N´azev parametru Hodnota

Rychlost CPU 195 MHz

Permanentn´ı pamˇet’ 512 MB Doˇcasn´a pamˇet’ 64 MB

Nap´ajen´ı 18VDC – 24VDC

Nejvˇetˇs´ı v´yhodou syst´emu cRio je jeho FPGA procesor. Tento procesor s sebou nese spoustu v´yhod i nev´yhod. D´ıky architektuˇre FPGA je moˇzn´e ˇr´ıdit prvky pˇripojen´e na vstupnˇe v´ystupn´ı linky velice rychle. Oddˇelen´ı jednotky FPGA od procesoru cRia nese v´yhodu v tom, ˇze pˇri zacyklen´ı uˇzivatelsk´eho programu v cRiu to na samotn´e ˇr´ızen´ı um´ıstˇen´e v FPGA procesoru nem´a ˇz´adn´y vliv.

5.0.8 FPGA procesor

FPGA procesor je programovateln´e hradlov´e pole, kdy na jednom ˇcipu je mnoho logick´ych obvod˚u a na z´akladˇe zkompilovan´eho k´odu se tato hradla mezi sebou propoj´ı. ˇCasto se takov´e FPGA procesory programuj´ı v jazyc´ıch VHDL nebo Verilog, ovˇsem i LabView m´a sv˚uj FPGA modul a kompil´ator, d´ıky ˇcemuˇz m˚uˇzeme v LabView programovat FPGA procesory. FPGA procesor tedy nen´ı nic sloˇzit´eho, ovˇsem je velice obt´ıˇzn´e z jak´ehokoliv zdrojov´eho k´odu propojit tyto hradla v FPGA procesoru tak, aby vˇse fungovalo. Lab- View vyuˇz´ıv´a jako kompil´ator pro FPGA procesory software Xillinx. Jak jsem jiˇz zm´ınil, cel´y proces kompilace je velice n´aroˇcn´y i na v´ypoˇcetn´ı v´ykon, pamˇet’ atd. LabView nab´ız´ı nˇekolik moˇznost´ı, jak m˚uˇzeme kompilovat FPGA zdrojov´y k´od. Prvn´ı moˇznost je nej- jednoduˇsˇs´ı, a to nainstalovat na m´ıstn´ı disk kompil´ator a pˇri nutnosti kompilace tento kompil´ator spustit a kompilovat na lok´aln´ım poˇc´ıtaˇci. Druh´a moˇznost je vyuˇz´ıt cloud od National Instrument a na nˇem zkompilovat sv˚uj k´od. Tato alternativa je ovˇsem placen´a.

Tˇret´ı moˇznost, kterou jsem vyuˇzil, je vyuˇz´ıt sv˚uj v´ykonn´y poˇc´ıtaˇc a vˇzdy na nˇej nahr´at zdrojov´y k´od a n´aslednˇe ho na nˇem zkompilovat.

Obr´azek 5.2: Architektura Compact Ria, pˇrevzato z [18]

5.0.9 Syst´ emov´ e cykly u cRia

Jelikoˇz Compact Rio nen´ı klasick´e PLC, ale obsahuje v sobˇe FPGA procesor, a nav´ıc obsahuje poˇc´ıtaˇc, v nˇemˇz bˇeˇz´ı LabView Real-time ETS, najdeme v cRiu r˚uzn´e syst´emov´e cykly. Prvn´ı cyklus je FPGA, kter´y je oddˇelen od druh´eho cyklu real-time OS, po- sledn´ı syst´emov´y cyklus je jiˇz mimo cRio, a to v poˇc´ıtaˇci, kter´ym se do ˇr´ıdic´ıho syst´emu pˇripojujeme.

Obr´azek 5.3: Syst´emov´e cykly Compact Ria, pˇrevzato z [17]

Na FPGA procesoru bˇeˇz´ı ˇc´asti k´od˚u, kter´e jsou nejn´achylnˇejˇs´ı na ˇcasov´an´ı. V m´em pˇr´ıpadˇe to je PWM ˇr´ızen´ı ˇr´ızen´e z´atˇeˇze a komunikace s 1wire ˇcidly. V druh´em cyklu bˇeˇz´ı k´ody jiˇz m´enˇe n´aroˇcn´e na ˇcas, a to k´ody potˇrebn´e pro GUI, pro pˇrepoˇcty hodnot z ˇcidel na ”lidsk´e”hodnoty, d´ale hrub´e vzorkov´an´ı pro z´alohov´an´ı a logov´an´ı, samotn´e ukl´ad´an´ı

hodnoty, komunikace s sql serverem jak pro ´uˇcel logov´an´ı, tak pro ´uˇcel z´ısk´an´ı vstup˚u pro mˇeˇren´ı.

5.1 Jak na sv˚ uj kompilaˇ cn´ı server?

Reˇsil jsem probl´em, kter´y spoˇc´ıval v d´elce kompilace k´odu pro FPGA procesor. Kompi-ˇ lace totiˇz na laptopu trvala velmi dlouho a po dobu kompilace nebylo moˇzn´e na laptopu pracovat. Tud´ıˇz jsem chtˇel kompilaci pˇresunout jinam neˇz na m˚uj laptop, na kter´em jsem po dobu kompilace potˇreboval dˇelat jin´e vˇeci.

Cel´y proces kompilace prob´ıh´a tak, ˇze se na poˇc´ıtaˇci spust´ı kompilace a LabView vytvoˇr´ı kompilaˇcn´ı podklady a n´aslednˇe se tyto podklady nahraj´ı na server. Nejjednoduˇsˇs´ı moˇznost je kompilaˇcn´ı server pustit na lok´aln´ım poˇc´ıtaˇci a nechat kompilaci na lok´aln´ım poˇc´ıtaˇci.

Obr´azek 5.4: Architektura kompilace na m´ıstn´ım poˇc´ıtaˇci, pˇrevzato z [19]

Druhou moˇznost´ı je na vzd´alen´y poˇc´ıtaˇc nainstalovat Compile worker a nahr´at kom- pilaˇcn´ı podklady na nˇej. Tuto moˇznost jsem pˇri m´e pr´aci pouˇz´ıval nejˇcastˇeji.

Obr´azek 5.5: Architektura kompilace na vzd´alen´em poˇc´ıtaˇci, pˇrevzato z [19]

Dalˇs´ı moˇznost je rozloˇzit kompilaci mezi v´ıce server˚u, kdy jeden z nich je compile server a ostatn´ı od nˇej pˇrij´ımaj´ı instrukce a jsou compile workers. K tomuto se vyuˇz´ıv´a NI LabVIEW FPGA Compile Farm Toolkit. Takov´a architektura je vhodn´a pro velk´e firmy, kde kompiluje v´ıce lid´ı z´aroveˇn a server takto rozdˇeluje ´ukoly ve frontˇe mezi nˇekolik server˚u.

Obr´azek 5.6: Architektura kompilace na v´ıce serverech, pˇrevzato z [19]

5.1.1 Zprovoznˇ en´ı vlastn´ıho kompilaˇ cn´ıho serveru

Pokud si chceme udˇelat vlastn´ı server, potˇrebujeme na to poˇc´ıtaˇc, na kter´em je WIN OS nebo LINUX, na kter´y nainstalujeme Xilinx Compilation Tools. Potom je moˇzn´e jej pouˇz´ıt jako compile server. V m´em pˇr´ıpadˇe se jednalo o vzd´alen´y server, takˇze jsem si musel vytvoˇrit VPN tunel.

5.1.1.1 Jak na to?

Na server si nainstalujeme softwarov´y bal´ık LabVIEW 2014 FPGA Module Xilinx Tools 10.1. Pot´e mus´ıme povolit uˇzivatel˚um vzd´alen´e pˇripojen´ı k tomuto serveru. To uˇcin´ıme v start ->National Instrument ->FPGA Compile Tools->FPGA Compile Server Configu- ration.

Sluˇzba compile workeru se nespouˇst´ı sama, je nutn´e ji spustitstart ->National Instrument ->FPGA Compile Tools->FPGA Compile Worker. Pot´e se jiˇz k serveru m˚uˇzeme pˇripojit a pˇrenechat mu kompilaci. Nastaven´ı kompilaˇcn´ıho serveru m˚uˇzeme udˇelat pˇr´ımo ve VI, kter´e chceme kompilovat. Nejdˇr´ıve si otevˇremedan´e VI ->Tools ->options ->FPGA Mo- dule ->Connect to a network compile server a n´aslednˇe vypln´ıme compile server name, kam nap´ıˇseme IP adresu serveru.

Jelikoˇz m˚uj server byl v jin´em m´ıstˇe neˇz j´a, vytvoˇril jsem si k nˇemu VPN tunel. Pouˇzil jsem k tomu produkt TeamViewer, kter´y je pro osobn´ı pouˇzit´ı zdarma. Po defaultn´ı in- stalaci nen´ı moˇzn´e vytvoˇrit VPN tunel, proto je nutn´e nainstalovat komponentu, kter´a n´am to umoˇzn´ı: Otevˇreme TeamViewer ->Extra ->advanced ->show advanced options ->install VPN driver. Toto se mus´ı udˇelat na obou poˇc´ıtaˇc´ıch - jak na serveru, tak na kli- entovi. N´aslednˇe vypln´ıme na klientovi Partner ID serveru, zaˇskrtneme VPN a pˇripoj´ıme se. N´aslednˇe se otevˇre okno s informacemi o VPN pˇripojen´ı.

Obr´azek 5.7: Okno VPN pˇripojen´ı

IP of partner je tedy adresa, kterou zad´ame do LabView jako IP adresu serveru.

Spojen´ı m˚uˇzeme otestovat pomoc´ı tlaˇc´ıtka Test ping nebo v pˇr´ıkazov´em ˇr´adku pomoc´ı pˇr´ıkazu ping. Pakliˇze toto nep˚ujde, bud’ se nepovedlo nav´azat spojen´ı se serverem a m˚uˇzeme to zkusit znovu, nebo n´am v tom br´an´ı firewall. M˚uˇzeme zkusit vypnout firewall na klientovi i serveru, ale nemˇeli bychom zapomenout firewall vˇzdy opˇet zapnout.

5.1.1.2 Moˇznosti pˇripojit se vzd´alenˇe k cRiu

Jedna z moˇznost´ı, jak se vzd´alenˇe pˇripojit ke kontrol´eru, je, ˇze u nˇej m´ame server, na kter´em bˇeˇz´ı veˇsker´e podp˚urn´e nastroje (LabView atd.), a na tento stroj se pˇripoj´ıme pomoc´ı vzd´alen´e plochy (Teamviewer, Windows Remote Desktop. . . .). Dalˇs´ı moˇznost´ı je zpˇr´ıstupnit kontrol´er pomoc´ı VPN tunelu. I v takov´em pˇr´ıpadˇe potˇrebujeme m´ıt server, kter´y je pˇripojen k internetu a z´aroveˇn m´a pˇripojen do sv´e m´ıstn´ı s´ıtˇe cRio, ale takov´y server uˇz nemus´ı m´ıt nainstalov´an podp˚urn´y software (LabView...). Vyuˇzijeme jej totiˇz pouze k s´ıt’ov´emu pˇripojen´ı n´as k cRiu.

PC server

IP:x.x.x Maska:y.y.y Gateway:z.z.z

SWITCH Router

Internet cRio

IP:x.x.n Maska:y.y.y Gateway:x.x.x

WAN

LAN iFace IP: z.z.z Maska:y.y.y Gateway:WAN ---

WAN iFace od ISP

Obr´azek 5.8: Topologie pro vzd´alen´e pˇripojen´ı cRia

Nejd˚uleˇzitˇejˇs´ı z obr´azku je to, ˇze cRio mus´ı b´yt ve stejn´e s´ıti jako server a nav´ıc mus´ı m´ıt gateway na IP adresu serveru.

D´ale je nutn´e m´ıt na serveru zapnut´e routov´an´ı, coˇz mus´ıme udˇelat zmˇenou hodnoty v registrech (programem regedit). Je nutn´e zmˇenit poloˇzku IPEnableRouter na hodnotu 1 -

najdeme ji na cestˇeHKEY LOCAL MACHINE\SYSTEM\CurrentControlSet\Services\

Tcpip\Parameters.

D´ale je nutn´e, abychom na klientovi nastavili statickou routu, kter´a poˇsle pakety pro cRio do VPN s´ıtˇe. To udˇel´ame z pˇr´ıkazov´eho ˇr´adku, a to pˇr´ıkazem

route add IPcRio mask 255.255.255.254 IP VPN klienta

Pozn.: Statick´a routa se z routovac´ı tabulky maˇze po restartu.

Potom, co vˇse nastav´ıme dle v´yˇse popsan´eho a pˇripoj´ıme se VPN tunelem k serveru, mˇeli bychom m´ıt moˇznost se pˇripojit k cRiu pomoc´ı jeho IP adresy. Zda jsme k cRiu pˇripojeni, m˚uˇzeme zjistit pˇr´ıkazem ping. Pokud to nep˚ujde a vˇse bylo provedeno dle v´yˇse popsan´eho, doporuˇcil bych vypnout firewall na obou poˇc´ıtaˇc´ıch a zkusit to znovu.

POZOR! Pakliˇze pˇrid´av´ame routu a IP adresa cRia je stejn´a jako adresa, kter´a se nach´az´ı v klientsk´e lok´aln´ı s´ıti, m˚uˇze to ˇcinit probl´emy v dalˇs´ı komunikaci. V takov´em pˇr´ıpadˇe doporuˇcuji zmˇenit IP adresu cRia.

5.1.2 Nahr´ av´ an´ı softwaru do FPGA

Probl´em, na kter´y jsem narazil, byl ten, ˇze do FPGA procesoru na cRiu se ned´a nahr´at v´ıce virtu´aln´ıch pˇr´ıstroj˚u, ale pouze jeden. Proto jsem vˇsechny m´e virtu´aln´ı pˇr´ıstroje nahr´al do jednoho VI a zkompiloval. Kompilace takov´eho VI trvala asi 1 hodinu. Pˇres dlouh´y ˇcas se mi VI podaˇrilo zkompilovat. K nahr´an´ı VI do procesoru FPGA je nutn´e m´ıt validn´ı VI pro FPGA procesory. To je moˇzn´e ovˇeˇrit tak, ˇze NI LabView dovol´ı sou- bor zkompilovat. Po kompilaci vznikne v z´aloˇzce build specification pˇr´ısluˇsn´y soubor.

Po kliknut´ı na build specification prav´ym tlaˇc´ıtkem zvol´ıme properties a zde zkontrolu- jeme v z´aloˇzce information zda m´ame zatrˇzen´e Run when loaded to FPGA. Pokud toto nen´ı zaˇskrtnut´e, je to nutn´e zaˇskrtnout a n´aslednˇe znovu sestavit (rebuild) toto VI. Pot´e opust´ıme toto okno, stiskneme druh´e tlaˇc´ıtko pˇr´ımo na VI a klikneme na tlaˇc´ıtko down- load VI to Flash Memory.

Druh´y zp˚usob, jak nahr´at VI do FPGA procesoru v cRiu, je si v build specification zvolit cestu, kam se m´a bitfile uloˇzit a sestavit. N´aslednˇe nahrajeme bitfile z programu : start->all programs ->National Instrument ->NI Rio ->RIO Device setup, kde vybereme soubor a zaˇr´ızen´ı, do kter´eho ho chceme nahr´at a nahrajeme jej do flash memory.

5.1.3 Nahr´ av´ an´ı softwaru do cRia

Pokud chceme nahr´at software do cRia, a ne do procesoru FPGA, mus´ıme vytvoˇrit bu- ild specification. Ta se tvoˇr´ı kliknut´ım prav´eho tlaˇc´ıtka myˇsi na Build Specifications-

>New ->Real-Time application. N´aslednˇe specifikujeme, jak´e VI chceme do cRia nahr´at a potvrd´ıme cel´e dialogov´e okno. N´aslednˇe na tuto Build Specification klikneme prav´ym tlaˇc´ıtkem myˇsi, zvol´ıme build a pot´e stiskneme znovu prav´e tlaˇc´ıtko myˇsi a zvol´ıme poloˇzku Run on start up. Tak nahrajeme VI do cRia a spust´ıme jej.

5.1.4 Remote panel, webov´ a prezentace

Vzhledem k tomu, ˇze v sobˇe cRio integruje i webov´y server, je moˇzn´e se k nˇemu vzd´alenˇe pˇripojit.

Prvn´ı moˇznost je pˇripojen´ı pomoc´ı Remote panel. Takov´e pˇripojen´ı n´am zpˇr´ıstupn´ı ovl´adac´ı prvky VI z cRia, ovˇsem potˇrebujeme k nˇemu m´ıt nainstalovan´y bal´ık LabView.

Druh´a moˇznost je sestavit si webovou prezentaci a n´aslednˇe se pˇripojovat k cRiu pomoc´ı webov´eho prohl´ıˇzeˇce a tak´e si takto zpˇr´ıstupnit ovl´adac´ı prvky VI z cRia.

Pokud chceme povolit pˇripojen´ı Remote panel, je nutn´e toto nastavit ve VI. Otevˇreme VI z horn´ıho menu, vybereme Tools ->Options ->Web Servera zde zaˇskrtneme Enable Re- mote Panel, n´aslednˇe dole vypln´ıme, z jak´e IP adresy dovol´ıme VI vidˇet a z jak´e IP adresy dovol´ıme ovl´adat prvky ve VI. Tak´e mus´ıme nastavit port, pˇres kter´y se budeme do cRia pˇripojovat. Po tomto nastaven´ı, sestaven´ı a nahr´an´ı takov´eho VI do cRIA se m˚uˇzeme z LabView pˇripojit k tomuto VI pomoc´ı Remote panel. Pˇripoj´ıme se k nˇemu tak, ˇze VI otevˇreme, zvol´ıme z horn´ıho menu operate ->Connect to Remote Panel. Zvol´ıme adresu serveru, jm´eno VI a zda chceme i ovl´adat VI. Potom stiskneme connect. Pˇripojov´an´ı trv´a nezvykle dlouho, ale nakonec by se mˇel zpˇr´ıstupnit poˇzadovan´y panel.

Pro ovl´ad´an´ı pˇres webov´y server nejdˇr´ıve mus´ıme vytvoˇrit webovou str´anku. To udˇel´ame tak, ˇze otevˇreme VI z horn´ıho menu, vybereme Tools ->Web Publishing Tool. Zde vybe- reme, z jak´eho VI m´a str´anka generovat, stiskneme next, vypln´ıme texty, kter´e se zobraz´ı na str´ance – Nadpis, Popis nad panelem, popis pod panelem. N´aslednˇe zvol´ıme um´ıstˇen´ı, kam se n´am m´a VI vygenerovat. Pot´e, co webovou str´anku vygenerujeme, je nutn´e ji z poˇc´ıtaˇce pˇren´est do cRia. To udˇel´ame tak, ˇze se do cRia pˇripoj´ıme pomoc´ı ftp protokolu a nakop´ırujeme vygenerovanou str´anku do adres´aˇre c://ni-rt/syst´em/www/jmeno.html.

N´aslednˇe je tato str´anka pˇr´ıstupn´a pod adresou: http:\\ipcRia\jmeno.html .

Obr´azek 5.9: Dialogov´e okno pro vytv´aˇren´ı webov´e prezentace

Pro ovl´ad´an´ı pomoc´ı webov´e str´anky je nutn´e m´ıt na poˇc´ıtaˇci nainstalov´an plugin LabVIEW Run-Time Engine.

Mˇ eˇ ren´ı teploty

Jak jiˇz vypl´yv´a z model˚u baterie, jedna z veliˇcin, kter´a je pˇri nab´ıjen´ı ˇci vyb´ıjen´ı baterie d˚uleˇzit´a, je jej´ı teplota. Teplota n´am identifikuje stav baterie – pˇri r˚uzn´ych teplot´ach se mˇen´ı kapacita baterie i jej´ı dalˇs´ı parametry. Tak´e kaˇzd´a baterie m´a od v´yrobce urˇcen´y rozsah provozn´ıch teplot. Dalˇs´ım d˚uvodem, proˇc sledovat teplotu baterie, je bezpeˇcnost.

Pokud by z nˇejak´eho d˚uvodu teplota baterie prudce stoupla nad hranici definovanou kvalifikovanou osobou, je nutn´e pˇrestat s manipulac´ı (vyb´ıjen´ım nebo nab´ıjen´ım) baterie.

6.1 Zvolen´ı senzor˚ u teploty

V pˇr´ıpadˇe, kdy dostaneme nerozeb´ıratelnou baterii, jedin´e m´ısto, kde se d´a mˇeˇrit teplota, je na jej´ım obalu. Zde m˚uˇzeme zvolit nˇekolik bod˚u, kde budeme teplotu sledovat. Ovˇsem existuj´ı baterie, kter´e jsou sloˇzeny z dalˇs´ıch bateri´ı a tvoˇr´ı pak napˇr´ıklad trakˇcn´ı baterii.

V takov´em pˇr´ıpadˇe je v´yhodn´e mˇeˇrit teploty na vˇsech bateri´ıch. Ide´aln´ı je mˇeˇrit teplotu na jednotliv´ych ˇcl´anc´ıch zvl´aˇst’, t´ım m˚uˇzeme identifikovat ˇcl´anek, kter´y m˚uˇze m´ıt defekt.

Klasick´a teplotn´ı ˇcidla maj´ı vˇetˇsinou odporov´y ˇci napˇet’ov´y v´ystup, kter´y n´am u naˇseho PLC obsad´ı analogov´y vstup. Tedy kdybychom chtˇeli 15 ˇcidel, museli bychom PLC osadit 15 analogov´ymi vstupy. Proto jsem se rozhodl zvolit takov´a teplotn´ı ˇcidla, kter´a umoˇzˇnuj´ı pˇripojen´ı na sbˇernici. Jako sbˇernici jsem zvolil 1wire od firmy Dallas Semiconductors.

Propojen´ı jednotliv´ych ˇcidel a mastera m˚uˇze b´yt provedeno bud’ dvˇema vodiˇci (jeden pro obousmˇernou komunikaci a druh´y jako zem), nebo pˇripojit nav´ıc i nap´ajen´ı 5V na VDD (coˇz je vhodnˇejˇs´ı pro eliminaci ruˇsen´ı). Bez extern´ıho nap´ajen´ı je v teplotn´ım ˇcidle kapacita Cpp, kter´a se nab´ıj´ı pˇri logick´e jedniˇcce na sbˇernici a pˇri logick´e nule nap´aj´ı

35

teplotn´ı ˇcidlo. Nakonec jsem zvolil ˇcidlo DS18B20.

Tabulka 6.1: Parametry teplotn´ıho ˇcidla DS18B20

N´azev parametru Hodnota Pˇresnost ˇcidla ±0.5^◦C

AD pˇrevodn´ık Volitelnˇe 9 aˇz 12 bit˚u

Pouzdro TO-92

Sbˇernice 1-wire

6.1.1 Vyhled´ av´ an´ı ˇ cidel na sbˇ ernici

Nejobt´ıˇznˇejˇs´ı ´ukol pˇri pr´aci s touto sbˇernic´ı je vyhled´an´ı jednotliv´ych slav˚u na sbˇernici.

Kaˇzd´e zaˇr´ızen´ı urˇcen´e pro 1wire sbˇernici m´a ve sv´e pamˇeti ROM uloˇzenou svoji adresu.

Adresa je 64bitov´a a mˇela by b´yt jedineˇcn´a pro kaˇzd´e zaˇr´ızen´ı.

Vyhled´av´an´ı ˇcidla na sbˇernici se d´a pˇrirovnat k prohled´av´an´ı grafu do hloubky.

Nejdˇr´ıve vyˇsle master do sbˇernice pˇr´ıkaz search a zaˇr´ızen´ı na sbˇernici mu odpov´ı tak, ˇze poˇslou nejniˇzˇs´ı bit sv´e 64bitov´e adresy ROM. Jelikoˇz odpov´ıdaj´ı vˇsechna zaˇr´ızen´ı na sbˇernici (nˇekter´e log. 0, nˇekter´e log.1), v´ysledkem je logick´y souˇcin prvn´ıch bit˚u adresy vˇsech zaˇr´ızen´ı na sbˇernici. Pot´e master poˇz´ad´a o negaci prvn´ıho bitu adresy. T´ım jsme schopni identifikovat, zda m´ame na sbˇernici vˇsechna zaˇr´ızen´ı s 0 na konci, nebo pouze zaˇr´ızen´ı s jedniˇckou na konci, nebo smˇes takov´ychto zaˇr´ızen´ı.

Pot´e master vyˇsle na sbˇernici informaci, ˇze chce komunikovat pouze se zaˇr´ızen´ımi, kter´a maj´ı na prvn´ım bitu 1 (podle pˇredchoz´ı odezvy, pakliˇze m´ame smˇes zaˇr´ızen´ı, mus´ıme se nakonec vr´atit a proj´ıt dalˇs´ı vˇetev grafu). Tˇechto zaˇr´ızen´ı se pt´a, jakou hodnotu maj´ı na druh´em bitu. Po odpovˇedi se pt´a, jak´a hodnota je negace druh´eho bitu. Dle toho zjist´ı, kam se m´a v grafu vydat a zda se na tento uzel bude muset znovu vr´atit.

start 1 (0,0) start 0

(0,1) 0 (0,0)

0 1

1

0 1 0

(0,1) (0,0)

(1,0)

(1,0)

(1,0) (1,0)

(0,1)

DEV:0001 1

DEV:0010 0

DEV:0111 1

DEV:1001 1

Bod ke kterému se musím po prvním pr chodu vrátit Bod ke kterému se nemusím po prvním pr chodu vrátit DEV:0111 Výsledná adresa

Obr´azek 6.1: Demonstrace vyhled´av´an´ı ˇcidel na grafu

Zaˇc´ın´ame od startu a pokud m´ame (0,0), mus´ıme se k tomuto bodu vr´atit a vy- hledat druhou kombinaci. Po nalezen´ı jedn´e z adres se pod´ıv´ame do prvn´ı rozdvojky a pokraˇcujeme druhou kombinac´ı. Aˇz najdeme adresu, pˇred n´ıˇz nejsou rozdvojky, ke kter´ym jsme se jiˇz nevraceli, m´ame nalezen´e vˇsechny adresy.

6.1.2 Naprogramov´ an´ı komunikace

Na str´ank´ach National Instrument jiˇz byly zveˇrejnˇeny z´akladn´ı bloky pro komunikaci s t´ımto teplotn´ım ˇcidlem. Byly tam vyˇreˇseny vˇeci jako z´apis hodnot na sbˇernici ˇci ˇcten´ı z t´eto sbˇernice. Ovˇsem zdrojov´e k´ody byly urˇceny pro odliˇsn´y hardware a nebylo zde prezentov´ano vyhled´av´an´ı ˇcidel na sbˇernici. Bloku pro vyhled´av´an´ı se na str´ank´ach NI bud’ v˚ubec nevˇenovali a probl´em ˇreˇsili tak, ˇze vyuˇzili na kaˇzd´y senzor zvl´aˇstn´ı vstup a v´ystup, nebo jejich ˇreˇsen´ı nefungovalo. Proto jsem vyvinul vyhled´avac´ı algoritmus. Pro vyhled´avac´ı algoritmus jsem vyuˇzil FPGA procesor, kter´y je integrov´an v cRiu 9004. Pˇri programov´an´ı FPGA procesoru nen´ı moˇzn´e vyuˇz´ıt veˇsker´e bloky poskytovan´e syst´emem LabView, nav´ıc i nˇekter´e z tˇechto blok˚u maj´ı omezenou funkˇcnost. Nejvˇetˇs´ı komplikac´ı, na kterou jsem pˇri pr´aci narazil, byl fakt, ˇze tolikr´at, kolikr´at jsem nastavil pr˚uchod for cyklem, tolikr´at se zv´yˇsila velikost programu, coˇz p˚usobilo komplikace vzhledem k omezen´emu m´ıstu na FPGA procesoru. Tento probl´em jsem vyˇreˇsil sn´ıˇzen´ım poˇctu ˇcidel

z pl´anovan´ych 20 na 15 (kaˇzd´e ˇcidlo = 1 pr˚uchod for cyklem).

6.1.3 Dvˇ e oddˇ elen´ e sbˇ ernice 1wire

Na testovac´ı stanici jsou realizov´any dvˇe sbˇernice pro mˇeˇren´ı teploty. Prvn´ı sbˇernice m´a za ´ukol mˇeˇrit teplotu baterie. Na t´eto sbˇernici m˚uˇze b´yt maxim´alnˇe 15 ˇcidel. Uˇzivatel m´a po proskenov´an´ı sbˇernice moˇznost vybrat si pr´avˇe teploty, kter´e potˇrebuje, a tak´e urˇcit jejich n´azev. Tyto moˇznosti jsou d´ale pops´any v kapitole Popis pr´ace s programem a uk´azkov´e mˇeˇren´ı. Tyto teploty jsou tak´e vyuˇzity k hl´ıd´an´ı havarijn´ı teploty baterie.

Pokud dojde k pˇrekroˇcen´ı teploty, dojde k odstaven´ı nab´ıjen´ı ˇci vyb´ıjen´ı a tato ud´alost bude zaznamen´ana.

Druh´a sbˇernice 1wire vede do ˇr´ızen´e z´atˇeˇze. ˇCidla na t´eto sbˇernici jsou um´ıstˇena v bl´ızkosti v´ykonov´ych odpor˚u a v z´avislosti na nastaven´e mezi a mˇeˇren´ych teplot´ach se bud’ zapnou, ˇci vypnou ventil´atory urˇcen´e k chlazen´ı ˇr´ızen´e z´atˇeˇze.

6.1.4 Pˇ ripojen´ı ˇ cidel pro mˇ eˇ ren´ı teploty

Jak uˇz bylo ˇreˇceno, ˇcidla 1wire vyuˇz´ıvaj´ı ke komunikaci jednu linku, kter´a je obousmˇern´a.

Ke komunikaci s 1wire teplotn´ımi ˇcidly jsem chtˇel pouˇz´ıt DIO - vstupnˇe v´ystupn´ı linky, kdy bych si ˇcten´ı a z´apis aktivoval, nebo deaktivoval podle potˇreby. Byla mi poskytnuta karta DIO NI 9401. Tato karta sice disponuje vstupnˇe v´ystupn´ımi linkami, ale linky jsou pˇriˇrazen´e do dvou blok˚u po 4 link´ach, kdy vˇzdy cel´y jeden blok mus´ı b´yt bud’

vstupn´ı, nebo v´ystupn´ı. Nav´ıc zmˇena vstupn´ı linky na v´ystupn´ı trvala urˇcit´y ˇcas, coˇz by u komunikace po sbˇernici nemuselo b´yt vhodn´e. Proto jsem pˇreˇsel k moˇznosti pˇripojit na datovou sbˇernici jak vstup, tak i v´ystup najednou. K tomuto jsem pro oddˇelen´ı ˇr´ıdic´ıho syst´emu sestavil jednoduch´y driver z tranzistor˚u.

T2 BS170 D1

1N4148 R1 2k2

R2 10K

R3 2k2

C2 100n

T1 BS170

1Wire +5V

1Wire data

1Wire GND +5V

GND DI

DO

Obr´azek 6.2: Driver pro 1wire ˇcidla [20]

Tento driver oddˇeluje sbˇernici od ˇr´ıdic´ıho syst´emu, a nav´ıc neguje vstup i v´ystup.

6.1.5 Algoritmus pro komunikaci s teplotn´ım ˇ cidlem

Nejdˇr´ıve tedy pˇrijde inicializace vstup˚u

Obr´azek 6.3: Inicializace IO

Po inicializaci zaˇsleme na sbˇernici sekvenci pro restartov´an´ı komunikace na sbˇernici a poˇck´ame, zda se n´am nˇejak´e zaˇr´ızen´ı ohl´as´ı.

Obr´azek 6.4: Zdrojov´y k´od reset sbˇernice + ˇcek´an´ı na odpovˇed’ senzoru

V dalˇs´ı ˇc´asti jiˇz prob´ıh´a hled´an´ı na sbˇernici. Nejdˇr´ıve poˇsleme sekvenci pro restart.

N´aslednˇe zap´ıˇseme na sbˇernici xF0h, ˇc´ımˇz d´av´ame zaˇr´ızen´ım najevo, ˇze vyhled´av´ame adresy vˇsech zaˇr´ızen´ı, a n´aslednˇe zaˇc´ın´ame hledat.

Cel´y algoritmus vyhled´av´an´ı a v´yznam jednotliv´ych podm´ınek je popsan´y ve zdrojov´em k´odu.

Pot´e, co m´ame veˇsker´e zaˇr´ızen´ı nalezena a jejich adresy m´ame v poli, pˇrijde na ˇradu vyˇc´ıt´an´ı hodnot teploty. Pro vyˇcten´ı teploty nejdˇr´ıve na sbˇernici poˇsleme sekvenci reset a n´aslednˇe sekvenci (0x55h)pro v´ybˇer zaˇr´ızen´ı, se kter´ym chceme komunikovat. N´aslednˇe zap´ıˇseme adresu takov´eho zaˇr´ızen´ı a poˇsleme mu sekvenci, kter´a ˇr´ık´a ”zmˇeˇr teplotu”.

N´aslednˇe se ˇcek´a 750ms pro spr´avn´y odmˇer. Pokud m´ame odmˇeˇreno, je nutn´e pˇreˇc´ıst teplotu. Znovu poˇsleme reset, n´aslednˇe vybereme teplotn´ı ˇcidlo (x44h) a zaˇsleme pˇr´ıkaz pro ˇcidlo, aby n´am poslal teplotu. Potom si pˇreˇcteme 9byt˚u s informacemi o teplotˇe. Na obr´azku je vidˇet, ˇze na vstupu je adresa ROM a na v´ystupu sekvence z ˇcidla. Dalˇs´ı vstupy vstupuj´ıc´ı do tohoto k´odu jsou identifik´atory vstupu a v´ystupu cRia (fialovˇe) a err sign´al (ˇzlutoˇcern´a).

Obr´azek 6.5: ˇRetˇezec instrukc´ı pro odmˇer teploty

Pˇrevod dat na teploty prob´ıh´a v´ybˇerem 0. aˇz 11. bitu informace. 3 prvn´ı bity obsa- huj´ı informaci pˇred desetinou ˇc´arkou a ostatn´ı informaci za desetinou ˇc´arkou. Znam´enko hodnoty se nakonec urˇc´ı dle 12. bitu informace. Na obr´azku je vidˇet, jak se na zaˇc´atku naˇcte pole z VI, kter´e bˇeˇz´ı na FPGA, a n´aslednˇe se zpracuje.

Obr´azek 6.6: V´ypoˇcet hodnot z v´ystupu ˇcidel

Datov´ e ´ uloˇ ziˇ stˇ e

Kaˇzd´e mˇeˇr´ıc´ı zaˇr´ızen´ı, kter´e slouˇz´ı k testov´an´ı, mus´ı m´ıt architekturu pro z´alohu nebo migraci namˇeˇren´ych dat. U t´eto testovac´ı stanice jsem jako ´uloˇziˇstˇe dat zvolil sql server.

7.1 Postaven´ı sql serveru

Poˇc´ıtaˇc, na kter´em bˇeˇz´ı sql server, m˚uˇze m´ıt rozd´ıln´e parametry. Pro velk´e aplikace se pouˇz´ıvaj´ı velk´e poˇc´ıtaˇce s des´ıtkami procesor˚u a s terabyty operaˇcn´ı pamˇeti. Pro mal´e aplikace naopak staˇc´ı embeded stroje, kter´e maj´ı 700MHz procesor a pamˇet’ ve stovk´ach megabyt˚u. Pro svou pr´aci jsem zvolil poˇc´ıtaˇc s procesorem 2GHz a s pamˇet´ı 1024MB.

Pouze pro ´uˇcely z´alohov´an´ı a menˇs´ı manipulaci s daty je takov´y stroj i tak znaˇcnˇe pˇredimenzovan´y.

7.2 Probl´ em pˇ ri instalaci serveru v s´ıti ˇ CVUT

Jako operaˇcn´ı syst´em jsem zvolil Linux. Konkr´etnˇe Debian, kter´y se na mal´ych serverech nasazuje nejˇcastˇeji. Pˇri instalaci jsem spol´ehal na to, ˇze mi bude s´ıt´ı ˇCVUT pˇridˇelena IP adresa a bal´ıˇcky a dalˇs´ı software si pˇri instalaci st´ahnu z internetu. Ovˇsem ˇcerstv´a instalace Debianu upˇrednostˇnuje IPv6, a tak si nejdˇr´ıve zaˇz´ad´a o tuto IP adresu a pokud ji nedostane, zaˇz´ad´a si o adresu IPv4. V s´ıti ˇCVUT se dodnes komunikuje po IPv4, ovˇsem v s´ıti ˇCVUT je pˇripojeno zaˇr´ızen´ı, kter´e nen´ı ofici´alnˇe schv´alen´e a pˇriˇrazuje IPv6 IP adresy, ale s touto IP adresou se nen´ı moˇzn´e dostat na internet. Proto je d˚uleˇzit´e na serveru

43