Zdalne pomiary przez sieć GSM
Zdalne pomiary przez sieć GSM
Dla firmy Stahlbau, zajmującej się między innymi prowadzeniem prac badawczo-rozwojowych związanych z innowacyjnymi rozwiązaniami dla infrastruktury energetycznej, przygotowaliśmy system pomiarowy wraz z oprogramowaniem do zdalnych pomiarów prędkości i kierunku wiatru oraz wychylenia masztów energetycznych. System pomiarowy jest instalowany w górnej części masztów energetycznych i może pracować w dowolnej lokalizacji znajdującej się w zasięgu sieci GSM.

Do pomiaru prędkości i kierunku wiatru zastosowaliśmy anemometr ultradźwiękowy Gill WindSonic 60, który pozwala na pomiar prędkości wiatru w zakresie od 0 do 60 m/s z dokładnością ±2 % i rozdzielczością 0,01 m/s. Anemometr ten określa kierunek wiatru w zakresie od 0 do 359° z dokładnością ±3° i rozdzielczością 1°. Przesyłanie wyników pomiarów prędkości i kierunku wiatru wykonanych przez anemometr jest realizowane za pośrednictwem interfejsu szeregowego RS-232 wewnętrznego protokołu komunikacyjnego ASCII firmy Gill. Do pomiaru wychylenia masztu wykorzystaliśmy dwuosiowy inklinometr TILTIX ACS-080-2-M100-HE2-PM firmy POSITAL FRABA pozwalający na pomiar odchylenia w dwóch osiach w zakresie ± 80° z dokładnością ±0,1° i rozdzielczością 0,01°. Inklinometr do komunikacji wykorzystuje interfejs RS-485 z protokołem Modbus RTU.

Anemometr Gill WindSonic 60 i inklinometr Tiltix POSITAL FRABA
Do zdalnego przesyłania wyników pomiarów za pośrednictwem sieci GSM zaproponowaliśmy wykorzystanie przemysłowego routera komórkowego LTE Sparrow NW10 firmy Elmatic. Router ten posiada po jednym porcie interfejsu komunikacji szeregowej RS-232 i RS-485, umożliwia zastosowanie dwóch kart SIM i wspiera obsugę wielu tuneli VPN. Z punktu widzenia budowanego systemu pomiarowego, najważniejsza była możliwość „przeźroczystej” komunikacji oprogramowania z anemometrem za pośrednictwem interfejsu RS-232 oraz komunikacji z inklinometrem z użyciem protokołu Modbus RTU.

Wszystkie wybrane urządzenia są przeznaczone do pracy w bardzo szerokim zakresie temperatur, które na przestrzeni roku mogą występować na czubku masztu energetycznego znajdującego się na wysokości kilkudziesięciu metrów nad ziemią. Anemometr Gill WindSonic 60 może pracować w zakresie temperatur od -35°C do 70°C, a inklinometr TILTIX ACS nawet w przedziale od -40°C do 85°C. Oba urządzenia posiadają klasę szczelności IP66. Również zastosowany router LTE jest urządzeniem przemysłowym, pozwalającym na pracę w zakresie temperatur od -20°C do 60°C.

Schemat systemu do zdalnego pomiaru prędkości i kierunku wiatru oraz wychylenia masztu energetycznego.
Oprogramowanie do zdalnych pomiarów zainstalowaliśmy na ultra-kompaktowym komputerze typu embedded box uIBX-250-BW firmy iEi z systemem operacyjnym Windows 10. Jest to bezwentylatorowy komputer przemysłowy z czterordzeniowym procesorem Intel Celeron N2930, taktowany zegarem 1,6 GHz, zasilany napięciem 12 V DC i posiadający dwa porty RS-232/422/485. Komputer uIBX-250-BW może pracować w szerokim zakresie temperatur od -20°C do 60°C i przy dużej wilgotności powietrza (nawet 95%). Dzięki temu system pomiarowy uzyskał dużą elastyczność w konfiguracji połączeń. Anemometr i inklinometr można podłączyć za pomocą przewodów bezpośrednio do portów RS-232 i RS-485 komputera. W takiej konfiguracji komputer może pracować w odległości do 6 metrów od czujników na czubku masztu energetycznego. Przy połączeniu przewodowym komputera z routerem LTE za pomocą skrętki, odległość między urządzeniami może wynosić do 100 metrów (komputer może pracować np. w szafie sterowniczej u podstawy masztu energetycznego). Można także uruchomić komputer w dowolnej lokalizacji dysponującej dostępem do Internetu i odbierać wyniki bezprzewodowo za pośrednictwem sieci GSM.
Program do zdalnego pomiaru prędkości i kierunku wiatru oraz wychylenia masztu energetycznego.

Do zdalnego monitorowania prędkości i kierunku wiatru oraz wychylenia masztu energetycznego przygotowaliśmy dedykowane oprogramowanie w graficznym środowisku programistycznym LabVIEW. Zadaniem programu jest odczytywanie w odstępach jednosekundowych za pośrednictwem sieci GSM wyników pomiarów z anemometru i inklinometru, zainstalowanych na czubku masztu energetycznego. Program wyświetla wyniki pomiarów w formie liczbowej. Zmiany kierunku wiatru są dodatkowo wizualizowane za pomocą kontrolki graficznej przypominającej kompas, z podziałką od 0 do 360°. Wychylenie masztu w dwóch płaszczyznach jest wizualizowane za pomocą suwaka/slidera ze wskaźnikiem graficznym i podziałką w zakresie od -10° do 10°. Wyniki pomiarów są także prezentowane na wykresie obejmującym ostatnie trzy godziny działania programu. Wykres posiada oddzielną oś pionową i skalę dla prędkości i kierunku wiatru oraz oddzielną oś i skalę dla prezentacji wychylenia masztu w dwóch osiach.

System pomiarowy wraz z oprogramowanie zostały przewidziane do wykonywania kilkumiesięcznych serii pomiarów. Wyniki pomiarów są zapisywane automatycznie w plikach tekstowych .csv. W związku z bardzo dużą ilością danych zbieranych w trakcie pomiarów (86400 rekordów/dobę) program automatycznie tworzy strukturę folderów i plików. Po uruchomieniu programu tworzony jest podfolder ..\Dane, w którym przechowywane są wszystkie pliki z wynikami. Po uruchomieniu pomiarów program tworzy podfolder z nazwą na podstawie aktualnego roku, np. ..\Dane\2024. Dalej tworzone są podfoldery na podstawie numeru aktualnego miesiąca, np. ..\Dane\2024\03. W tak utworzonym podfolderze program zapisuje wyniki pomiarów w oddzielnym pliku dla każdego dnia miesiąca, np. ..Dane\2024\03\2024_03_01.csv. Program automatycznie tworzy nowy plik każdorazowo po rozpoczęciu kolejnego dnia, o godzinie 00:00:00, a nowe podfoldery po rozpoczęciu nowego miesiąca lub roku. W ten sposób operator otrzymuje łatwy dostęp do uporządkowanej struktury danych z możliwością analizy wyników w trakcie ich zbierania.

Sposób działania interfejsu użytkownika aplikacji można zobaczyć w zamieszczonej poniżej animacji.