Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Понедельник, 18 ноября
 
 


Это интересно!

Новости


Обзоры, аналитика


Интервью, презентации

Ранее

Особенности нового Wi-Fi-стандарта 802.11ac

В статье описаны предполагаемые характеристики стандарта 802.11ас, рассмотрены особенности его физического уровня. Разработка стандарта идет полным ходом, завершить ее планируется уже в текущем году.

Перспективное развитие рынка беспроводной связи

Разработка беспроводных технологий следующего поколения никогда не прерывается. В результате скорость передачи данных растет, повышается надежность каналов связи, совершенствуется ее качество. Не так давно состоялось наше знакомство с технологиями четвертого поколения, а уже началась работа над более передовыми стандартами, которые приведут к реализации связи 5G. В статье дается обзор основных этапов эволюции базовых беспроводных технологий и особенностей их применения.

О необходимости Федерального закона о РЧС

Обсуждение проекта федерального закона, основной целью которого является повышение эффективности использования радиочастотного спектра (РЧС) в РФ, началось с 1990-х гг. Рассмотрение нового законопроекта о РЧС, состоявшееся на парламентских слушаниях в ноябре 2009 г., в очередной раз показало его несовершенство, и он повторно был отправлен на доработку. В настоящее время отсутствие единой государственной политики по управлению РЧС в РФ крайне неблагоприятно сказывается на внедрении современных радиотехнологий и на проведении конверсии РЧС, целью которой является высвобождение радиочастот для нужд гражданского пользования в интересах социально-экономического развития страны.

Реклама

По вопросам размещения рекламы обращайтесь в отдел рекламы

Реклама наших партнеров

 

19 октября

Беспроводные технологии и их применение в промышленности. Вопросы энергосбережения и выбора батарей

Для рационального использования топливно-энергетических ресурсов, а также повышения энергоэффективности в России наряду с другими мировыми державами была принята программа энергосбережения до 2020 г. В статье рассмотрены пути снижения энергопотребления для устройств полевого уровня промышленных сетей, а также даны рекомендации по выбору батарей. Статья является продолжением серии предыдущих публикаций (см. ЭК4—6 за 2011 г. и ЭК10, 12 за 2010 г.).



В

начале ХХI в. во всех развитых странах мира, включая Россию, был взят курс на разработку и внедрение новых энергоэффективных технологий. Так, Департамент энергетики США еще в 2009 г. принял крупномасштабную специальную программу Industrial Technologies Program («Промышленная технологическая программа») до 2017 г., которая призвана совершить беспроводную революцию не только в Штатах, но и на мировом промышленном рынке. В научно-исследовательском Центре энергетики США были проведены комплексные исследования, которые показали, что беспроводные технологии по сравнению с проводными являются наиболее эффективными с точки зрения их энергосбережения (см. табл. 1) [1].

 

Таблица 1. Ценовая политика обслуживания проводных и беспроводных решений промышленной сети с оборудованием фирмы Honeywell

Инвестиции в проводные решения промышленной автоматики

Установка и первоначальное обслуживание, тыс. долл.

Годовое обслуживание, тыс. долл.

Стоимость установки проводной системы полевого уровня промышленной сети

385

Стоимость обслуживания:

тестирование и контроль

70

70

Общие затраты

455

70

Инвестиции в беспроводные решения промышленной автоматики

Установка и первоначальное обслуживание, тыс. долл.

Годовое обслуживание, тыс. долл.

Стоимость установки беспроводной системы полевого уровня промышленной сети

121

Стоимость обслуживания

14

14

Общие затраты:

135

14


Было также отмечено, что существуют большие препятствия в адаптации беспроводных технологий в промышленности, а именно:
требуются специальные, не только национальные, но и международные стандарты;отсутствует должная система безопасности по защите информации при ее передаче по радиоканалам;
надежность радиооборудования при эксплуатации в заводских условиях оставляет желать лучшего;
беспроводные технологии для промышленных сетей имеют свою специ­фику.
Так, например, энергосберегающие беспроводные решения полевого уровня относятся к разряду мобильных и, следовательно, нуждаются не только в надежной электронике, но и в определенных автономных источниках электропитания (батареях), которые могли бы работать в условиях повышенной влажности, давления и расширенного диапазона температур.
Практика показала, что при выборе беспроводной технологии для промышленного производства следует руководствоваться такими ключевыми параметрами как скорость передачи информации и расстояние.
Скорость передачи информации определяется возможностями промышленных сетей (их трафиком) и аппаратурой специального назначения (для передачи данных, голоса, видео). Расстояние (шаговая доступность) рассчитывается, исходя из производственных площадей, а также их насыщенности техническими средствами (см. рис. 1) [2, 3]. Только при таком подходе можно добиться максимальной отдачи от внедрения беспроводной технологии в производство, а также наилучшей энергоэффективности, способствуя реализации энергосберегающих мероприятий в промышленном секторе.

 

Рис. 1. Беспроводные сети промышленной автоматики


После определения вида беспроводной технологии возникает задача внедрения новейших технических средств с оптимальным энергопотреблением.
Из рисунка 1 видно, что для организации передачи данных на полевом уровне промышленных сетей предпочтительны низкоскоростные беспроводные технологии класса WPAN (Wireless Personal Networks). Однако не исключено, что при необходимости передачи речевой информации или видеоизображений на производственных участках или цехах могут понадобиться и высокоскоростные сети WPAN-WLAN (Wireless Local Networks) [4, 5].
Что касается разработки международных беспроводных стандартов для промышленного сектора, то в настоящее время привлечены многие международные профессиональные сообщества и организации. Особого внимания заслуживают ISA (International Society of Automation), WCT (Wireless Cooperation Team), а также IEEE.
Комитет ISA 100 совместно с альянсом WINA (Wireless Industrial Networking Alliance) предложил оригинальный проект по созданию целого семейства беспроводных стандартов. Одной из основных задач является разработка стандарта ISA 100.11a по созданию единой беспроводной инфраструктуры полевого уровня и Industrial Ethernet независимо от категории промышленной сети АСУ ТП (например, Modbus, Profibus-Profinet, Field Foundation, Hart). В настоящее время проект этого стандарта находится на стадии передачи в IEC (Международная электротехническая комиссия, МЭК).
Следовало бы несколько слов сказать о таком международном сообществе как WCT. Это новый союз, сложившийся из обществ HCF (Hart Com­munication Foundation, FF (Field­bus Foundation), PNO (Profibus User Organization) и ОРС (Object Linking and Embedding for Process Control) Foundation. Именно сообщество WCT еще в 2008 г. предложило на рассмотрение в МЭК проект беспроводного стандарта для полевых шин промышленной автоматики Hart, Fieldbus FF и Profibus. Проект был недавно утвержден секцией SC65C в виде стандарта “Wireless communication network and communication profiles — Wireless s Hart”. Так появился первый международный стандарт IEC 62591 для промышленных сетей, созданный на базе беспроводной энергосберегающей технологии стандарта IEEE802.15.4.
МЭК и сейчас возлагает большие надежды на поддержку таких крупных международных организаций как ISA,WCT и IEEE в области международной стандартизации беспроводных решений для промышленности. С учетом их предложений МЭК приняла единую стратегию развития энергосберегающих беспроводных стандартов по следующим направлениям:
сосуществование (coexistence) беспроводных сетей и систем на предприятии в одном пространстве. Беспроводные промышленные сети могут взаимно влиять друг на друга, функционируя в одном частотном диапазоне и в ограниченном пространстве. Рабочая группа МЭК уже приступила к подготовке международного стандарта Wireless com­munication networks and com­munication profiles — Coexistence (IEC 62657), основной задачей которого является разработка общих рекомендаций по координации радиооборудования на предприятии и за его пределами с учетом рекомендаций МСЭ-Р;
конвергенция разнообразных беспроводных сетей для промышленной автоматики процессного производства с целью выработки общей стратегии по их управлению в рамках предприятия и крупных производственных комплексов;
беспроводные сети для заводской автоматики. При стандартизации таких сетей должны быть учтены повышенные требования к радиооборудованию, в частности, к автономным источникам электропитания, что существенно сужает круг выбора батарей. На сегодняшний день отсутствует и выработанная спецификация, которая могла бы порекомендовать беспроводную технологию, соответствующую заводским условиям.
К техническим средствам полевого уровня промышленных сетей, как правило, относятся датчики, разного рода исполнительные механизмы и приводные устройства.
Их можно классифицировать:
– по габаритным размерам: миниатюрные на примере сверхминиатюрных датчиков Mote фирмы Dust [6]; компактные серии 2110 от DIGI и Rosemount; крупногабаритные серий Rosemount 3051и 3051S (см. рис. 2);
– по сложности выполняемых функций. Как правило, сложность выполняемых функций устройств полевого уровня определяет их тип управления (цифровой, аналоговый) и способ передаваемой информации (побитовый, побайтовый или побайтовый блоком-пакетом) (см. рис. 2).

 

Рис. 2. Технические средства полевого уровня промышленных статей

Рис. 3. Беспроводное устройство оборудования полевого уровня промышленной сети


Электронный узел управления устройством полевого уровня (см. рис. 3) состоит из следующих модулей:
– обработки сигнала и сбора данных;
– управления прибором и организацией пересылки данных (микроконтроллер) через приемо-передатчик (для беспроводного решения — через радиомодуль) в центр управления технологическим процессом;
– защиты и удержания токов и напряжения для батарей, от оптимальных характеристик которых зависит энергоэффективность технического средства в целом.
Важной задачей проектируемого радиооборудования промышленной автоматики является, прежде всего, уменьшение энергопотребления электронных компонентов, а также увеличение срока службы – батарей и их электрических показателей.
Тому, как снижается энергопотребление электронного узла радиоустройства и радиооборудования специального назначения (для передачи голоса и видеоизображений) с применением беспроводных энергосберегающих технологий на базе эффективных протоколов, а также за счет оптимального выбора элементной базы и новейших схемотехнических решений, позволяющих интегрировать электронные модули в виде СБИС или СнК (ASIC), посвящена публикация [7, 8]. Авторы также настоятельно рекомендуют ознакомиться с материалами [4, 5, 9].
Компания NIVIS (см. рис. 3) — одна из первых на промышленном рынке, которая использовала беспроводной протокол ISA100.11a и реализовала программно-аппаратное решение электронного узла управления в виде устройства полевого уровня в двух модификациях:
– микроконтроллер MSP430 от Texas Instruments и трансивер CC2420 от Chipcon;
– малопотребляющий модуль MC13224 от Freescale, который впоследствии был заменен более энергосберегающим кристаллом MC13225.
Проблема увеличения жизни батарей в качестве автономного источника электропитания для узла управления оборудованием полевого уровня и устройств специального назначения в составе беспроводной мобильной сети промышленного назначения классов WPAN-WLAN является не такой простой, как кажется на первый взгляд.
Как известно, срок службы батарей зависит от их типа, который определяется следующим образом.
– Аккумуляторные перезаряжаемые. Рано или поздно такие батареи истощаются. С увеличением количества циклов перезарядки уменьшается активность материалов, изменяется химический состав батареи, в результате чего возникают необратимые потери в мощности.
– Аккумуляторные неперезаряжаемые (или первичные источники электропитания) одноразовой зарядки, которые отличаются большим сроком службы до 15 лет.
В производстве предпочтение отдается аккумуляторным перезаряжаемым батареям, если возможна их дозарядка путем специальных устройств при плановом техническом обслуживании промышленной сети или даже восстановление с помощью инновационных решений (например, путем использования солнечных элементов в дневное время суток). Последнее решение наиболее актуально для южных регионов, где радиооборудование размещено на открытых производственных площадях.
Так, фирма Emerson может похвастаться специализированными беспроводными решениями Rosemount 753R для промышленных сетей полевого уровня, в состав которых входят солнечные элементы для аккумуляции энергии в дневное время (см. рис. 2).
При выборе батарей для промышленной автоматики следует руководствоваться следующими характеристиками:
– сроком службы;
– деградацией, которая оценивается числом перезарядов;
– емкостью;
– плотностью энергии;
– напряжением (как правило, используется несколько батарей);
– безопасностью и габаритами;
– рабочим интервалом температур. Следует заметить, что определяющим фактором выбора батарей для промышленного производства является их эксплуатация в расширенном диапазоне рабочих температур –20…60°С.
Исходя из авторитетных источников [10], литиевые аккумуляторные батареи являются лучшими с точки зрения всех показателей, а также являются наиболее перспективными в качестве подобных накопителей энергии на случай их перезаряда.
На рисунке 4 показано, что лидирующие позиции с точки зрения наилучшего показателя плотности энергии наряду с Ni-MH (никелево-металлогидридные) обладают Li-Ion Polymer (полимерные литиево-ионные) и Lithium Thionyl Chloride (литиево-тионилхлоридные) аккумуляторные батареи.

 

Рис. 4. Сравнительная характеристика аккумуляторных батарей


Именно поэтому компания NIVIS, выпускающая беспроводные промышленные комплекты на базе протокола ISA100.11a для оборудования полевого уровня промышленных сетей, использует и полимерные литиево-ионные аккумуляторные батареи, и неперезаряжаемые литиево-тионилхлоридные. Срок службы последних может достигать 15—20 лет.
Если литиево-тионилхлоридные батареи являются относительно новыми элементами, то концепция литиево-ионного аккумулятора была разработана еще в 1980 г. Большое значение при разработке новых батарей уделяется материалам, из которых она состоит, химический состав которых является предметом патентования [11].
В настоящее время широкое распространение получили полимерные литиево-ионные аккумуляторные батареи в качестве автономных источников питания для мобильных устройств. Их основное отличие заключается в использовании твердотельного проводящего полимера вместо жидкостного электролита, который позволяет создавать любые конструктивные формы. Батарея изготавливается в легком корпусе с применением фольги взамен тяжелого металла. Однако основным недостатком полимерного литиево-ионного аккумулятора является его способность работать только при положительных температурах.
В последнее время особое внимание уделяется созданию аккумуляторов с улучшенными характеристиками за счет материалов, обладающих новыми свойствами, которые позволили бы запасать как можно больше энергии на единицу массы. Так, например, в лаборатории неорганической кристаллохимии МГУ ведущие российские ученые ведут работу по созданию инновационных материалов для аккумуляторов [12].
Уже давно назрела необходимость в создании аккумуляторов нового типа, где электроды выполнены на базе наноструктуированных композитных материалов, позволяющих достичь требуемых высоких показателей.

Выводы

Претворение планов по энергосбережению в промышленном секторе возможно за счет внедрения беспроводных технологий. В настоящее время утверждены два международных беспроводных стандарта для промышленных сетей — Wireless Hart IEC 62591 и IEC 62601 Ed. 1.0 WIA-PA. Проект стандарта ISA 100.11а пока находится на стадии согласования с МЭК. В сфере внимания производителей оборудования полевого уровня промышленной автоматики, а также радиооборудования специального назначения находятся энергоэффективные беспроводные технологии, для внедрения которых необходимы автономные источники электропитания с улучшенными характеристиками. Дальнейшее совершенствование батарей будет осуществляться в направлениях разработки и использования новых материалов электродов в виде фторфосфатов, фторсульфатов, силикатов и боратов; новых электролитов и нанокомпозитов, а также создания магниевых аккумуляторов.

Литература

1. Elliot Levine (US Department of Energy), Peter Fuhr (Apprion Inc.) U.S. Department of Energy’s Wireless Energy Efficiency Initiative.
2. Г. Гайкович., Питер Фур. Беспроводные технологии и их применение в промышленности. Анализ распределения полос радиочастот для промышленного сектора в разных регионах мира, включая Россию. Электронные компоненты. № 4. С. 46. 2010.
3. Г. Гайкович, Питер Фур. Беспроводные технологии и их применение в промышленности. Проблемы сосуществования разных радиосистем. Электронные компоненты. № 10. С. 21. 2010.
4. Г. Гайкович. Беспроводные технологии и их применение в промышленности. Особенности построения систем передачи речи. Часть 1. Электронные компоненты. № 5. С. 85. 2011.
5. Г. Гайкович. Беспроводные технологии и их применение в промышленности. Особенности построения систем передачи речи. Часть 2. Электронные компоненты. №6. 2011.
6. K. Pister. SMART DUST .Autonomous sensing and communication in a cubic millimeter// http://robotics.eecs.berkeley.edu/~pister/SmartDust.
7. Antony Rowe, Rahul Mangharam etc. RT-Link Protocol for Energy-Constrained Multi-hop Wireless Networks. Department of Electrical and Computer Engineering Carnegie Mellon University. Pittsburgh. 2007.
8. Peter Fuhr, Wayne Manges, Galina Gaykovich etc. Wireless networks Technology Review: Implications for Industry. Review Oak Ridge Lab, Oak Ridge, TN. P. 1–24.
9. Г. Гайкович. О возможностях использования беспроводных высокоскоростных сверхширокополосных аппаратно-программных систем для промышленной автоматики//Электронные компоненты. №6. С. 14. 2009.
10. Е. Антипов. Наноматериалы для энергетики. МГУ. Научно-образовательный центр по нанотехнологиям.
11. N. Recham, M. Armand and J.M. Tarascon, Patent FR 0803233 Preparing inorganic oxide, used e.g. as pigment, comprises at least partially dissolving inorganic oxide precursor in liquid medium.2008-06-11.
12. Е. Антипов. Материалы для аккумуляторов нового поколения. Химфак МГУ. Научная конференция фонда Сколково 25.05.2011 г.



Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.
Оцените материал:

Автор: Галина Гайкович, член ISA, эксперт IEC; Мария Гайкович, студентка химического факультета, МГУ



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 

Горячие темы

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2019 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты