232 Ventil 18 /2012/ 3 ■ 1 Uvod M e r je nje e l e k tr ičnih ve lič in je v ve č i- ni primerov distribuiran sistem, ki je r a z p r š e n n a d o l o č e n e m g e o g r a fs k e m o b m o č ju . I nte gr a c ija o p r e m e z a hte- va popolno skladnost vseh naprav v sistemu, da se zagotovijo potrebna celovitost, fleksibilnost in zaneslji- vost delovanja takšnega sistema. Za p o dr o č je m e r je nja e l e k tr ičnih ve lič in s o z n a č i l n i i n t e l i g e n t n i m e r i l n i k i , k i s e p r e k o k o mu n i k a c i j s k e g a o m r e ž j a povezujejo v sistem nadzora in upra- v lja nja e l e k tr ičn e e n e r gij e. Š e p os e- b e j v s t a r e j š i h z g r a d ba h s o z a ž e l e n i m e r i l n i k i , k i o m o g o č a j o b r e z ž i č n i prenos merilnih vrednosti, da se po- enostavijo instalacije na objektu. ■ 2 Inteligentni merilniki in komunikacijska omrežja Inteligentni merilniki so naprave, ki poleg osnovnega merilnega ele- menta vsebujejo še procesno in ko- munikacijsko enoto. Zaradi vgrajene » i n t e l i g e n c e « j e u p o r a b n i k u n a v o l j o mno žic a ra znov r s tnih podatk ov iz merilnega procesa, ki omogoča- j o v e č j o f u n k c i o n a l n o s t m e r i l n e g a sistema. Primer inteligentnih meril- n i k o v e l e k t r i č n e e n e r g i j e p r i k a z u j e Slika 1, ki preko komunikacijskega vodila Modbus ponuja velik nabor m e r j e n i h e le k t r i č n i h v e l i č i n . Ker je uporaba inteligentnih merilni- k o v m o č n o o d v i s n a o d k o m u n i k a c i j e med napravami, je potrebno name- niti posebno pozornost komunika- Brezžično merjenje električnih veličin Janez TANCEK, Jani DOLINAR, Igor STEINER J a n e z T a n ce k , dip l . in ž ., J a ni D o- lin a r , dip l . in ž ., m a g . I g o r S te i- n e r , u n i v . d i pl . i n ž . , I N E A , d. o . o . , Ljub ljana c ijsk e m u o m r e žju . V p r im e r u up o r a- b e n a ož j e m g e o gr af sk e m p o dr o čj u s e u p o r a b l j a j o p r e d v s e m p o d r o č n a k om unik a cijsk a omr e žja (L AN) . T o s o ž ičn a a li o p tičn a o m r e ž ja r a z lič- nih f i zičnih iz ve db in pr otok olnih skladov (npr.: Modbus, Ethernet/ IP, Profibus itd.). Vedno pogosteje p a s e up o r a b lja jo t u di b r e z ž ičn a l o- k a l n a o m r e ž j a , k j e r v i n d u s t r i j s k e m o k o l j u p r e d n ja č i j o W i r e l e s s H A R T i n ISA100a, medtem ko se v avtomati- zaciji zgradb uporabljajo standardi, kot so WiFi, ZigBee, Z-Wave in drugi. V b r e z ž i č n i h o m r e ž j i h s t a še p o se b e j razširjena dva komunikacijska stan- darda. Prvi je 802.11 (WiFi) zaradi splošne razširjenosti komunikacijske opreme in visokih hitrosti prenosa v o m r e ž j u . D r u g i s t a n d a r d j e 8 0 2 . 1 5 . 4 (WirelessHART, ISA100a, ZigBee, Millennial.Net), ki je krajšega dome- ta in je namenjen za manjše hitrosti kot 802.11. Standard 802.15.4 ima bistveno prednost v majhni pora- b i e l e k t r i č n e e n e r g i j e , k a r j e l a h k o p o m e m b e n d e ja v n ik p r i b r e z ž ičn ih Slika 1. Primer inteligentnega merilnika inteligentnih meril- nikih, ki so omejeni s kapaciteto lastne- ga napajalnega vira (baterija ali lovilec energije). V širšem geograf- s k e m p o d r o č j u s e z a komunikacijo upo- rabljajo prostrana a l i gl o b a l n a o m r e ž j a (WAN), ki skoraj iz- k l j u č n o t e m e l j i j o n a internetnem pro- tokolnem skladu IP. Uporabljajo se javna o m r e žja ( žičn i in m o- bilni internet) z var- nostnimi mehanizmi, kot sta IPsec in TLS. Za potrebe proizvodnje in distri- b u c i j e e l e k t r i č n e e n e r g i j e s o b i l i razviti namenski komunikacijski p r o t o k o l i , k o t s o D N P 3 , I E C 6 0 8 7 0 i n I EC 6 18 5 0 . ■ 3 Centralni nadzorni sistem C e n tr al ni na d z o r ni s i s t e m p r e ds t a v - lja to čk o , k je r s e zbir a jo v s e inf o r- macije in se izvaja osrednje vodenje sistema. Pogosto se pri prenosu podatkov v centralni nadzorni sistem uporablja te hn olo g ija OPC , k i je s t an dar d i zi r an n a č in p r e n os a p o datk ov m e d o p r e- m o in a p lik a c ija mi r a z ličnih p r oi z v a- jalcev, predvsem v industrijskih apli- kacijah in tudi energetiki. Danes se uveljavljajo spletni storitve- ni centri, kjer uporabnik dostopa do podatkov preko spletnega vmes- n i k a i n j a v n e g a o m r e ž j a . T o s o t . i . » s t o r i t v e v o b l a k u « , k j e r u p o r a b ni k i MERITVE 233 Ventil 18 /2012/ 3 MERITVE daljinsko uporabljajo arhitekturo i n s t o r i t v e r a č u n a l n i š k i h c e n t r o v . V takš nih aplikacijah so še posebej pomembne varnost in zanesljivost sistemov, ki pa jih današnje tehno- l o g i j e ž e u s p e š n o r e šu j e j o . Primer namenskega spletnega sis- te m a j e si s te m p a m e tn e ga o m r e ž ja KIBERnet, ki je bil razvit v podjetju I NE A . K I BE R n e t j e d r u ž in a p r o d uk- tov s področja vodenja elek tro- e n e r g e t sk e ga o m r e ž ja , t . i . p a m e t - n i h e n e r g e t s k i h o m r e ž i j. K I B E R n e t j e rešitev za prilagajanje odjema elek- t r i č n e e n e r g i j e , k i s p r e m l j a p o r a b o e l e k t r i č n e e n e r g i j e i n a v t o m a t s k o p rer az po re j a u po r a bo b rem en, s č i- mer zmanjša njihovo obratovanje v č a su e l e k tr ičnih k o nic . S te m p o m a- ga pri optimizaciji uravnavanja pora- be in dobave ter ustvarja opaznejše f inančne pr ihrank e z a v se up orab - nike. Druga rešitev je uporaba javnih p o datk ov nih s tr e žnik ov , k i s o f un k- cionalno bolj splošni. Takšni javni podatk ov ni s trežnik i nudijo z ajem podatkov iz procesov preko jav- n e ga inte r n e tn e ga o m r e žja in p r av t a k o o m o go č a jo dos t o p do p o dat- kov. Prenos podatkov od oddaljene n a p r a v e do ja v n e ga s tr e žnik a s e i z- vaja v enem od odprtih podatkov- nih formatov, kot je HTTP z upora- bo XML- ali JSON-zapisov merilnih vrednosti. Takšen javni podatkovni s tr e žni k om o go č a hitr o i n s tr ošk o v- no ugodno gradnjo sistema in eno- staven dostop do podatkov. Primer t ak šne s tor it ve je Cosm ( pr ej P ac- hube). ■ 4 LEM­ merilniki V podjetju INEA smo za potreb e p r o j e k t a E C P – E n e r g y C o n t r o l Pack, ki je namenjen spremljanju i n u p r a v l j a n j u z e l e k t r i č n o e n e r g i j o porabnikov v industrijskem oko- lju, uporabili inteligentne merilni- ke podjetja LEM. Podjetje izdeluje r a z l i č n e i n t e l i g e n t n e m e r i l n i k e z a m e r j e n j e e l e k t r i č n i h v e l i č i n , k i s e uporabljajo v bre z žičnem omr ež- ju. V merilnikih LEM je uporabljen standard 802.15.4 in deluje na pro- tok olu Mille nnial. Ne t na f r e k ve nč- n e m o b m o č j u 2 . 4 G H z . ■ 5 Elementi brezžičnega omrežja in topologija Osnovi elementi v LEM-ovem brez- ž i č n e m p a ke t u W i - L E M s o: Energy Meter Node (EMN), ki ga ses t av lja e n ali ve č ( obič ajno 3 ) to- kovnih transformatorjev (slika 2) ali merilnih tuljavic Rogowski ter b r e z žični o d da jnik , k i p oš ilja i z m e r- jene podatke glavni postaji (Mesh gate). Mesh Gate (MG) – Glavna postaja, k i z b i r a p o d a t k e o d r a z l ičn i h m e r il- nih modulov in jih posreduje preko omr e žja Mo db us p os am e znim o dje- malcem (krmilniki PLK, podatkovni zapisovalniki, nad- zorni sistemi). Mesh Node (MN) – je povezovalnik, k i r a z š ir i o b m o č j e dosega med MG in EMN. Območje delo- vanja med MG in EMN je 30 m, ob uporabi MN pa se lahko razširi do 250 m. EMN-e se l a h k o n a r a z l i č n e n a č i n e p o v e ž e v mrežo z glavno p o s t a j o M G ( m ož - ne konfiguracije Slika 2. Inteligentni brezžični merilnik EMN so Linear, Simple Star ali Star Mesh). Najbolj uporaben in u č in k ov i t n a čin gl e- de na podprtost s si- gnalom (odporno na motnjo ob izgubi si- gnala z enim od MN) je topologija razpr- šenega zvezdastega o m r e ž j a ( S t a r M e s h ) , ki jo prikazuje Slika 3. S slike je razvid- no, da signal potuje od posameznega me ril nega mesta do glavne postaje pre- k o ve č povezoval- nikov (repeaterjev), k a r o m o go č a b o ljš o povezavo kljub napakam ali izgubi povezave z enim od vmesnih pove- zov a ln ih čl e n ov . V v s a k e m o m r e ž j u n a s t o p a l e e n M G i n e n a l i v e č ( d o 20 0 ) E M N - j e v . MN se dodajajo po potrebi glede na razdaljo in kvaliteto signala, ki je potreben za dovolj kvaliteten pre- nos podatkov. Podatki med EMN ali M N i n M G s e p r e n a š a j o p e r i o d i č n o ( p r i v z e t o n a 3 0 s ) . N a d o l o č e n e m p o d r o č ju i mam o lahk o v e č omr e žij , ki se med seboj prekrivajo, zato ima v s ak a napra va dolo č e n o sk u pino , v kateri deluje (Group ID – GID), ter svoj ID (Device ID – DID). Uporabnik lahko v konfiguratorju vsakemu MG nastavi poljuben GID in DID, zame- nja sistemsko programsko opremo, Slika 3. Topologija razpršenega zvezdastega omrežja 234 Ventil 18 /2012/ 3 MERITVE Slika 4. Konfiguracija opreme nastavi parametre hitrosti preno- s a t e r p r e v e r i s t a t u s p r i k l j u č e n e g a MG. ■ 6 Merjeni podatki V s a k E MN p e r io dičn o p oš ilja M G tr i vrste podatkov: Trenutna energija – Merjenje tre- nutne energije (delovna, jalova in navidezna) za vsako fazo posebej in vsote na vseh treh fazah skupaj s č a s o v n o z n a č k o m e r i t v e ( t i m e stamp). Beleženje periodičnih meritev – Merjenje energije (delovna, jalova in navidezna) za vsako fazo posebej in vsote na vseh treh fazah skupaj v določ enem časo vnem i n t er valu, ki je podan s parametrom (do 30 min), m e r j e nj e n a j n i ž j e / n a j v i šj e n a p e t o s t i in t o k a n a p o s a m e z n i f a z i v č a s o v- nem intervalu ter frekvence na eni od faz. Identifikacijski in konfiguracij- ski podatki – Vsak EMN pošilja MG-ju svoje identifikacijske po- datke ter sprejema konfiguracijske podatke. ■ 7 Primer uporabe z industrijskim krmilnikom Mitsubishi FX3U Za potrebe komunikacije med in- teligentnimi merilniki LEM in krmil- no o p r e mo j e p r i p r a v l j e n a k n j i ž n i c a funkcijskih blokov po standardu I E C 6 1 1 3 1 - 3. P o l e g k r m il n i k a s e r i j e FX3U je uporabljen komunikacijski modul Modbus RTU za povezavo med MG in krmilnikom PLK. Erro r! Reference source not found. pri kazuje konfiguracijo sistema. Program in funkcijski bloki so napisa- n i v o k o l j u o r o d j a G X IE C D e v e l o p e r , v p r o g r a m s k e m j e z i k u l e s t v i č n e g a diagrama. Najpomembnejša sta dva funkcijska bloka: FX3UMeshGate­ WiLEMControlCh1 za komunikacijo z MG, ki skrbi za komunikacijo z mo- dulom MG, in blok FX3UEnergyMe­ terWiLEMControlCh1, ki pridobiva podatke iz modula MG od posame- znega EMN-a ter jih shranjuje v po- samezno podatkovno strukturo. Vsi pridobljeni podatki so neskalirani, s a j j e p r o t o k o l z a b r a n j e iz r a z l i č n i h tipov EMN-ov enak, zato je potreb- no pred obdelavo podatke ustrezno skalirati glede na uporab ljeni EMN. Programiranje je zelo poenostavljeno z uporabo pripravljenih funkcijskih b l o k o v, s a j l e d o l o č i v h o d n e p a r a m e t- re funkcijskim blokom, kar predstav- lja vpis naslova DID, ter skaliranje po- datkov glede na izbrani EMN. ■ 8 Zaključek Uporaba br e z žičnih inteligentnih m e r ilnik ov e l e k tr ičnih ve lič in v in d u- s tr iji s e p ov e čuje p r e d v s e m z ar a di naslednjih lastnosti: Ne potrebujemo standardnega • o žiče nja , k a r je p r e d v s e m k o r is tn o pri distribuiranih merilnih mestih tako v posameznih zgradbah kot na geografsko bolj oddaljenih me- rilnih mestih. V n a d z o r n i si s t e m p r i d o b im o v e č • m e r i l n i h v e l i č i n e l e k t r i č ne e ne r g i j e z enim merilnikom. S prav ilno izbir o top olo gije omr e ž- • ja dos e že m o dobr o p ok r itos t s sig- nalom in s tem zanesljivost preno- sa podatkov. O b ič a jn o ž e p r oi z v a ja l e c m e r il n i- • kov poskrbi za enostavno konfi- gu r a c ijo o mr e žj a . Zaradi zgoraj naštetih razlogov se upo- raba inte lige ntnih br e z žičnih m e r ilni- k o v m o č n o p o v e č u j e t a k o v s i s t e m i h avtomatizacije zgradb kot v industriji. Literatura [1] J. P. Vasseur, A. Dunkels, Intercon- necting Smart Objects with IP: The Next Internet, Elsevier 2010. [ 2 ] G . C l a r k e , D . R e y n d e r s , P r a c tic a l M o d e r n SC A D A p r o t o c o l s , E l s e- vier 2004. [3] J. Dolinar, I. Steiner, B. Rifelj, Inte- gracija spletnih tehnologij v so- dobnih sistemih vodenja, Konfe- renca AIG, Maribor 2011. [4] Wi-LEM Wireless Local Energy Meter, User Guide, 2009. Kompetenčni center za sodobne tehnologije vodenja delno financirata Republika Slovenija, Ministrstvo za izobraževanje, znanost, kulturo in šport ter Evropska unija (EU), in sicer iz Evropskega sklada za regionalni razvoj.