Датчики с питанием из окружающей среды

Время собирать урожай
Извлечение энергии из окружающей среды для создания полностью автономных устройств в промышленном производстве

ФИЛИПП НЕННИНГЕР, МАРКО УЛЬРИХ - Для снижения времени простоя и повышения надёжности, необходимо обладать большими знаниями о работоспособности производственного оборудования. Большинство такой информации обеспечивают датчики. Установка дополнительных датчиков означает дополнительную проводку и, следовательно, увеличение монтажных расходов. Устранение такой проводки не только снизит издержки, но также упростит процесс монтажа в целом. Поскольку энергопотребление многих промышленных датчиков весьма умеренное, использование аккумулятора выглядит вполне приемлемым решением. Тем не менее, замена элементов питания с определёнными интервалами вполне в состоянии свести на нет экономию от установки беспроводных датчиков. Альтернативное решение проблемы известно как извлечение энергии из окружающей среды, представляющее собой процесс, при котором энергия (окружающей среды, движения, ветра, света), извлекаемая из внешних источников, улавливается и накапливается для электропитания маломощных электронных устройств. Энергия окружающей среды в изобилии имеется в обрабатывающей промышленности, и именно в этой отрасли были отмечены первые успехи в её извлечении.

Беспроводные технологии в течение примерно последних 15 лет оказали существенное влияние на отрасль, а развитие технологий, происходившее в то же самое время, означает постепенное принятие таких технологий на вооружение перерабатывающей промышленностью, в особенности для мониторинга производственного оборудования.

Поскольку проводка и монтаж могут составлять до 90 процентов от общей стоимости прибора, есть смысл изучить возможность применения беспроводных устройств

1 Срок службы батареи электропитания в течение интервала измерения идеализированного температурного измерительного преобразователя

Срок службы оборудования автоматизированных предприятий обычно составляет приблизительно 20 лет, и чтобы достичь максимального уровня возврата инвестиций за этот период, КПД эксплуатации предприятия должен быть как можно выше. Так как предприятие может сохранять свою работоспособность только в том случае, если всё необходимое оборудование работает как часы, высокая надёжность компонентов является суровой необходимостью. Такая надёжность может быть достигнута посредством мониторинга оборудования, дающего шанс на выявление потенциальных дефектов в оборудовании до их возникновения и своевременное устранение первопричины. В этих целях может потребоваться дополнительная информация с датчика. Эта информация может поступить либо с уже установленных датчиков, способных обеспечить необходимые измерения, таких как датчики перепада давления АББ, используемые для обнаружения закупорки импульсной линии (PIL), либо с дополнительных датчиков, размещённых в других местах производственного процесса. Если требуются дополнительные датчики, затраты на монтаж должны оставаться на минимальном уровне, чтобы максимально увеличить выгоду от их эксплуатации. Но поскольку проводка и монтаж могут составлять до 90 процентов от общей стоимости прибора, есть смысл изучить возможность применения беспроводных устройств.
Беспроводные технологии
Беспроводные решения, безусловно, не являются новым словом в перерабатывающей промышленности; фактически, они впервые получили широкую известность уже в 1960-х. Тем не менее, эти решения применялись главным образом в специализированных продуктах для определённых рынков, таких как AquaMaster производства АББ, электронный счётчик коммерческого учёта расхода воды и счётчики суммарного объёма перекачиваемой жидкости в нефтегазовой промышленности. Система Totalflow, разработанная в концерне АББ, удалённая система измерения и автоматизации, является одним из таких примеров.
Как и в случае с технологией создания полевой шины, любой беспроводной протокол, который стремится к достижению критической массы, требует установления общего стандарта, который был бы поддержан всеми изготовителями такого устройства. Один такой стандарт действительно существует: он назван WirelessHART. WirelessHART - это первый международный беспроводной стандарт, который был разработан специально для соответствия требованиям со стороны сетей полевых устройств.
Надёжность сети - это один из ключевых пунктов в автоматизации производственного процесса. Аспект беспроводных сетей, который влияет на надёжность - это участок ячеистой сети. Ячеистые сети обеспечивают пространственно разнесённые резервные каналы между двумя точками сети с помощью передачи сообщений по различным маршрутам, что, в свою очередь, повышает отказоустойчивость связи и позволяет хорошо спроектированной сети развить устойчивость к отказам, как линий связи, так и устройств маршрутизации. Кроме того, пространственная избыточность ячеистой сети гарантирует надёжную связь, даже в промышленном, научном и медицинском диапазоне (ISM). Безусловно, направление сообщений (как последствие ячеистой организации сети), наряду с требованиями постоянного поддержания безопасности, оказывают влияние на стоимость энергии, что должно восполняться за счёт достижения оптимизации низковольтного оборудования.
Низковольтная оптимизация
В плане оптимизации низковольтного оборудования существуют некоторые различия между проводными и беспроводными устройствами, и мы возьмём «проводной» промышленный температурный измерительный преобразователь АББ, TTH300, чтобы проиллюстрировать этот момент. Устройство TTH300 питается от токовой петли 4-20 мА и замеряет, например, сопротивление четырёхпроводного датчика Pt100 (и, следовательно, температуру на конце датчика) в течение очень коротких интервалов, которые, в зависимости от типа и конфигурации датчика, могут составлять 10 мс. Поскольку
петля тока 4-20 мА беспрерывно даёт до 40 мВт энергии, эффективность устройства ограничена энергией, которую оно в состоянии извлечь, в то время как количество энергии, потребляемое самим устройством, значения не имеет.
С другой стороны, беспроводной датчик не должен измерять температуру несколько раз в секунду, поскольку большинство промышленных беспроводных сетей, применяемых в обрабатывающей промышленности, практически не поддерживают такие короткие интервалы обновления данных. В интервалах между замерами измерительный преобразователь должен выполнять лишь свою сетевую функцию, а именно, направление сообщений на другие узлы. В остальное время электронная часть может оставаться в так называемом энергосберегающем режиме, при котором не происходит ни расчётов, ни измерений, благодаря чему потребляется лишь небольшая доля энергии.
В энергосберегающем режиме можно приблизительно рассчитать потребление электроэнергии устройством, взяв энергопотребление в активном рабочем и в энергосберегающем режиме, а также количество рабочих циклов устройства. Для описанного выше беспроводного устройства рабочий цикл примерно коррелирует со временем, необходимым для обновления информации датчика. Если не принимать во внимание саморазрядку батареи питания, то мы получим примерный срок её службы. Такой расчёт для идеального устройства показан на рис. 1.
Извлечение энергии
Замена батарей питания на регулярной основе не всегда возможна, поскольку такая замена, в зависимости от конфигурации всего устройства, может свести на нет всю экономию от применения беспроводных устройств. Вместо этого, в качестве возможного решения по созданию подлинно автономного устройства мы рассматриваем извлечение энергии из окружающей среды (EH). Процесс EH преобразует энергию, имеющуюся в процессах рис. 2, в полезную электроэнергию, которая, в свою очередь, используется для питания беспроводных устройств. Типичными источниками такой энергии являются процессы холодной и горячей обработки, солнечная радиация, вибрация и кинетическая энергия движущихся сред или механизмов. Наиболее многообещающими из числа указанных источников являются солнечная энергия, термоэлектрические и кинетические преобразователи.
Солнечная радиация
Хотя технологии преобразования солнечной энергии в электрическую являются на сегодняшний день вполне надёжными и зарекомендовавшими себя с наилучшей стороны, их применение в закрытом пространстве жёстко ограничено. Если интенсивность излучения на открытом воздухе может достигать примерно 1000 Вт/м * , обычное значение в закрытом помещении едва достигает 1 Вт/м2 [1]. Другим словами, объём извлекаемой энергии ограничен.
Термическое электричество
Термоэлектрические генераторы (TEG) извлекают электроэнергию из тепловой энергии (т.е. перепада температур между процессами горячей или холодной обработки и окружающей средой), используя явление Зеебека** [2]. Тогда как эффективность TEG весьма мала, как правило, менее 1 процента, сама технология вполне надёжна и стабильна. Часто значительный потенциал перепада температур имеет место в обрабатывающей промышленности. Следовательно, наличествуют большие объёмы тепла и энергии, которые могут обеспечиваться TEG промышленного применения и быть достаточными для питания различных узлов беспроводных датчиков при различных сценариях.

3 Полностью автономный температурный измерительный преобразователь

1. Извлечение энергии позволяет осуществлять конверсию энергии, создаваемой в ходе промышленного производства, в электроэнергию

Извлечение энергии конвертирует энергию, имеющуюся в промышленном производстве, в полезную электроэнергию.
4 Занимая всего лишь 8 мм2 площади, мини-TEG обеспечивает высокое напряжение на выходе

Источник: Micropelt GmbH
5 Числовые термальные моделирования

Распределение температуры процесса 80°C (выделено красным) Температура окружающей среды 25°C (выделено синим)
Кинетические преобразователи
Прямое преобразование механического движения, например, вибраций, в электроэнергию может достигаться с помощью различных преобразователей:

1. В электромагнитных преобразователях применяется подвесная катушка, двигающаяся в статическом магнитном поле небольшого постоянного магнита. Такая схема преобразует энергию по закону Фарадея.
2. Пьезоэлектрические преобразователи, основанные на пьезоэлектрических материалах. При использовании чувствительной массы, закреплённой на растяжке, кинетическое движение вызывает смещение этой массы, что передаёт механическое усилие на пьезоэлектрический материал.
3. Электростатические преобразователи, основанные на конденсаторе переменной ёмкости. Когда прикладывается механическое усилие, действие происходит в направлении, обратном притяжению противоположно заряженных пластин конденсатора. В результате, происходящие в конденсаторе изменения образуют электрический ток в закрытой цепи.

В двух словах, все принципы кинетического преобразования основаны на механическом резонаторе, и такие системы в состоянии образовывать только определённый объём энергии, если частота резонанса устройства извлечения энергии совпадает с частотой внешнего возбуждения. Использование приводов с переменными частотами в производственном процессе де-факто ограничивает применение систем извлечения энергии из вибраций.
Компоненты и архитектура систем
Извлечение энергии из окружающей среды не обязательно должно представлять собой непрерывный процесс: например, в случае применения фотоэлектрических устройств вне помещений, смена дня и ночи приведёт к нестабильности источников энергии; простой на предприятии может привести к образованию различий в температурных процессах, что может повлиять на энергию, вырабатываемую термоэлектрическими генераторами; и, наконец, приводы переменной частоты могут привести к различному выходу по току устройств извлечения энергии. Напротив, временами система извлечения энергии может поставлять больше питания, чем необходимо в действительности.

Концерн АББ разработал полностью автономный температурный измерительный преобразователь с использованием полностью интегрированной системы ЕН.

Характеристики энергопотребления типичного беспроводного датчика также непостоянны: в зависимости от рабочего цикла и интервалов обновления, могут иметь место пиковые нагрузки, которые необходимо компенсировать, поскольку системы ЕН не в состоянии обеспечить питание в таких случаях краткосрочного повышенного энергопотребления. По существу, каждой системе EH необходим буферный элемент для поддержания энергоснабжения в тех случаях, когда устройство извлечения энергии не в состоянии обеспечить блок датчика достаточным объёмом питания. В число типичных буферных элементов входят:

1. Суперконденсаторы или специальные конденсаторы с различными чередующимися слоями. Такие конденсаторы выдерживают высокие пиковые нагрузки по току.
2. Перезаряжаемые аккумуляторы.
3. Обычные гальванические элементы. Они не в состоянии накапливать избыточный объём энергии, поступающей из системы EH, но могут использоваться для обеспечения периодического питания, подачу которого не может обеспечить система.
4. Обычные промышленные гальванические элементы. Такие элементы имеют весьма продолжительный срок хранения с небольшим уровнем саморазрядки, и они представляют собой отличную альтернативу в качестве надёжного буферного элемента.

Полностью автономные устройства помогут инженерам лучше контролировать производственные процессы

Недостатком обычных литий-ионных аккумуляторов является ограниченное количество циклов разрядки/зарядки. Устройствам извлечения энергии и буферным элементам для подлинно автономной подачи электроэнергии необходима соответствующая система управления энергией (РМ). PM выполняет две основные функции:

1. регулирует характеристики напряжения и тока на выходе системы ЕН в соответствии с требованиями на входе устройства-потребителя энергии.
2. плавно переключается между буферными накопительными элементами и различными источниками ЕН.

Автономный температурный преобразователь АББ

Полностью автономные устройства помогут лучше понимать и контролировать производственные процессы, а значит, повышать их прибыльность.

В ходе исследований, осуществлённых концерном АББ, был разработан полностью автономный температурный преобразователь рис. 3, использующий полностью интегрированную систему ЕН. Термоэлектрические генераторы были интегрированы в устройство таким образом, чтобы факторы производительности и стабильности, а также коэффициенты формы температурного преобразователя не изменялись в течение срока его службы при значительном повышении функциональности. В устройстве было применено интеллектуальное решение устройства накопления энергии на случай недостаточности температуры производственного процесса для выработки необходимого объёма потребляемой энергии.
Габариты отдельных температурных преобразователей не позволяли интегрировать обычные термоэлектрические генераторы, как правило, имеющие макроскопические размеры, от 10 до 20 см2.
Вместо них использовались новаторские термоэлектрические мини-генераторы, выпускаемые с применением технологий на основе печатных элементов [4] рис. 4. Основной проблемой при интегрировании этих двух устройств было обеспечение поддержания стабильности и надёжности измерительного преобразователя. В большинстве случаев температура производственного процесса выше температуры окружающей среды и, следовательно, «горячая»             сторона термоэлектрического генератора должна быть подсоединена к производственной линии с наиболее оптимальной теплопроводностью. Были проведены многочисленные числовые моделирования для увеличения потока тепла через TEG рис. 5. Другая («холодная») сторона генератора должна охлаждаться, и, следовательно, соединяться с окружающей средой с помощью теплопоглотителя, который должен быть расположен на расстоянии, достаточном, чтобы предусмотреть толстый изоляционный слой, покрывающий технологический трубопровод в ряде применений. При минимальном перепаде температуры между производственным процессом и окружающей средой в размере 30 К, система может вырабатывать достаточный объём энергии для питания электронной аппаратуры как при измерениях, так и при беспроводной связи. Если перепад температур превышает 30 К, производимая энергия превышает потребности, и она может, например, использоваться для более быстрого обновления данных.
Взгляд в будущее
Температурные измерительные преобразователи, питающиеся от систем EH, решают основную проблему беспроводных блоков датчиков: отпадает необходимость замены гальванических элементов, что, в свою очередь, помогает снизить общие расходы на обслуживание оборудования. Несмотря на то, что EH возможно не для всех датчиков и не при всех обстоятельствах, оно является жизнестойким источником энергии для широкого спектра устройств. Полностью автономные устройства могут помочь лучше понимать и контролировать производственные процессы, а значит, повышать их прибыльность.
Филипп Неннингер Марко Ульрих
Корпоративный исследовательский центр АББ Ладенбург, Германия philipp.nenninger@de.abb.com marco.ulrich@de.abb.com
Литература

1. Muller, M., Wienold, J., Reindl, L. M. (2009). Характеристика фотоэлектрических устройств, установленных в закрытых помещениях и фотоэлектрического освещения. Протокол Конференции специалистов по фотоэлектричеству IEEE: 000738-000743.
2. Vining, C. B. (2001). Холодные полупроводники.

Nature, 413 (6856), 577-578.

1. Nenninger, P. , Ulrich, M., Kaul, H. (2010). К вопросу питания беспроводных устройств в автоматизации производства. На заседаниях Симпозиума по интегрированным средствам обработки и передачи данных IFAC (218-224).

1. Nurnus, J. (2009). Термоэлектрические тонкоплёночные генераторы энергии - автономный источник питания для интеллектуальных систем. Заседания по интеллектуальным датчикам, активаторам и микроэлектромеханическим элементам IV: Вып. 7362-05. Дрезден..

Заглавный рисунок
Получение энергии для производства электричества подобно сбору урожая зерна для производства муки.

* двумя разнородными проводниками или полупроводниками порождает разность потенциалов между этими двумя проводниками или полупроводниками.

**Открытое Томасом Йоханном Зеебеком в 1821 году, явление Зеебека - это явление, при котором разность температур между двумя разнородными проводниками или полупроводниками порождает разность потенциалов между этими двумя проводниками или полупроводниками.

Источник: AББ