SVEUČILIŠTE U ZAGREBU

FAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RAČUNARSTVA

ZAVRŠNI RAD br. 2546

IZRADA APLIKACIJE ZA PERIODIČKO

PRIKUPLJANJE METEOROLOŠKIH

PODATAKA

Jan Bernašek

Zagreb, lipanj 2012.

Sadržaj

Uvod ...................................................................................................................................... 1

1. Sunčevo zračenje ........................................................................................................... 2

1.1. Sunčeva dozračenost.............................................................................................. 2

1.2. Mjerenje sunčeve dozračenosti .............................................................................. 4

2. Instrumenti za mjerenja ................................................................................................. 6

2.1. Održavanje sustava ................................................................................................ 8

3. Solarni senzori ............................................................................................................... 9

3.1. Piranometri .......................................................................................................... 10

3.2. Pirheliometri ........................................................................................................ 13

4. CompactRIO ................................................................................................................ 14

4.1. Hardware cRIOa .................................................................................................. 14

4.2. Software cRIOa ................................................................................................... 16

5. LabVIEW aplikacija .................................................................................................... 18

5.1. Kreiranje direktorija ............................................................................................ 19

5.2. Globalna varijabla................................................................................................ 22

5.3. Čitanje iz cRIOa .................................................................................................. 23

5.4. Pisanje u tekstualnu datoteku .............................................................................. 24

Zaključak ............................................................................................................................. 27

Literatura ............................................................................................................................. 28

Sažetak ................................................................................................................................. 29

Abstract ................................................................................................................................ 30

1

Uvod

Najveći izvor obnovljive energije je Sunce čije zračenje dolazi na Zemlju i tamo se

pretvara u druge oblike obnovljive energije poput energije vjetra, hidroenergije, biomase,

energije valova i dr. Jedan od glavnih razloga nedovoljnog korištenja obnovljivih izvora je

ekonomska neisplativost sustava za njihovo iskorištenje. Konvencionalni oblici (fosilna i

nuklearna goriva) energije unatoč konstantnom rastu cijena su i dalje znatno isplativiji od

obnovljivih izvora. Godišnja dozračena energija Sunca veća je čak 15 000 puta od ukupnih

svjetskih potreba[1]. Na količinu dozračene sunčeve energije pojedinog mjesta na Zemlji

ponajviše utječu njegova zemljopisna širina i lokalne klimatske prilike. S obzirom na

specifičnost solarnih sustava u odnosu na klasične energente, za njihovo pravilno

dimenzioniranje i instaliranje, potrebna je visoka razina stručnosti i iskustvo. U cilju

optimalnog upravljanja fotonaponskim panelima potreban je potpuno organiziran sustav

upravljanja. IzmeĎu ostalog to podrazumijeva i senzorsku opremu za mjerenje

meteoroloških podataka kao što su sunčevo zračenje, brzina i smjer vjetra, vlažnost,

temperatura i tlak zraka i dr.

Laboratorij za Obnovljive Izvore Energije (LOIE) na Fakultetu Elektrotehnike i

Računarstva (FER), Sveučilište u Zagrebu, pokrenuo je projekt izgradnje mikro elektrane.

U sklopu projekta potrebna je instalacija fotonaponskih panela i postavljanje predviĎene

opreme za upravljanje. U ovom radu izraĎena je aplikacija za prikupljanje podataka s

meteorološke stanice. Na početku su objašnjeni osnovni pojmovi vezani uz sunčevu

dozračenost. U 2. i 3. cjelini navedeni su osnovni tipovi solarnih senzora i način njihova

rada u cjelokupnom sustavu. U 4. poglavlju opisan je ureĎaj za prikupljanje i obradu

podataka na računalu. U 6. poglavlju opisan je postupak izrade programske podrške za

ureĎaj za prikupljanje podataka sa solarnih senzora. Rad aplikacije provjeren je

simulacijski.

2

1. Sunčevo zračenje

Sunce je najveći izvor energije na Zemlji, koji je razlog, direktno ili indirektno, postojanja

života na Zemlji. Sunce tvore sljedeći elementi: 71% vodik, 27% helij i 2% kruta tvar.

Temperatura u središtu zvijezde iznosi oko 16 milijuna stupnjeva, a područje nuklearnih

reakcija u jezgri zauzima skoro pa jednu četvrtinu cjelokupnog promjera. Radi se o

nuklearnoj fuziji kod koje spajanjem vodikovih atoma nastaje helij, uz oslobaĎenje velike

količine energije. Svake sekunde u helij prelazi oko 620 milijuna tona vodika, pri čemu se

masa od 4 milijuna tona vodika pretvara u energiju.

1.1. Sunčeva dozračenost

Ukupna snaga emitirana sa Sunčeve površine iznosi oko 63 · 106 W/m

2. Sunce emitira

zračenje koje na rubu Zemljine atmosfere iznosi 1367 W/m2 (solarna konstanta). Na

direktno osunčanoj Zemljinoj površini u zenitu, dozračenost je nešto manja te iznosi oko

1000 W/m2, što je posljedica prolaska sunčeva zračenja kroz atmosferu. U Republici

Hrvatskoj godišnja insolacija na horizontalnu plohu iznosi 1200 - 1600 kWh/m2 ovisno

radi li se o kontinentalnom ili primorskom dijelu [2]. Od toga se 75% dozrači u toplijoj

polovici godine, dok je u hladnijem dijelu godine, kada su potrebe za energijom najveće,

insolacija puno niža. Sunčeva dozračenost1 predstavlja snagu po jedinici površine (gustoća

snage), a sunčeva insolacija2 označava energiju po jedinici površine (gustoća energije).

Sunčevo zračenje se djelomično reflektira, raspršuje i apsorbira u atmosferi zbog

postojećih plinova, vodene pare, oblaka, čestica prašine itd. Čestice u zraku energiju

elektromagnetskog zračenja primljenu iz jednog smjera emitiraju na različite strane. Takvo

zračenje naziva se difuzno zračenje. Ukupno sunčevo zračenje koje dospijeva na Zemlju

sastoji se od difuznog, reflektiranog i direktnog zračenja te se još naziva i sunčeva

dozračenost. Direktno zračenje pripada onom dijelu zračenja koje izravno dolazi do

Zemljine površine bez prethodne apsorpcije od strane atmosferskih čestica. Energija

apsorbirana od strane Zemljine kore i atmosfere u odreĎenoj mjeri se reflektira natrag u

1 engl. Solar irradiance

2 engl. Solar insolation

3

Svemir. Spektar sunčevog zračenja može se podijeliti u tri glavna područja: ultraljubičasto

(5%), vidljivo (43%) i infracrveno (52%) područje. Doprinos sunčevog zračenja kod većih

valnih duljina je zanemariv i sva 3 spomenuta područja pripadaju kratko valnom zračenju.

Slika 1.1: Zemljina energetska bilanca

Slika 1.2: Sunčev spektar zračenja, odziv fotonaponskog panela i odziv instrumenata za mjerenje

sunčeve dozračenosti

4

1.2. Mjerenje sunčeve dozračenosti

Pouzdani, dobri i kvalitetni podaci o sunčevoj dozračenosti imaju iznimno bitnu ulogu u

područjima obnovljivih izvora energije kao što su fotonaponski (PV) paneli i sunčevi

kolektori za grijanje medija (najčešće vode). Oni su razlog dobrih poduzetničkih odluka,

aktivnih istraživanja i razvoja te kontrole kvalitete. Prikupljeni podaci se koriste kod

odreĎivanja optimalnih lokacija, praćenja efikasnosti instaliranih sustava i predikcije

izlaznih rezultata kod promjenjivih atmosferskih stanja.

Slika 1.3: Solarni potencijal za proizvodnju električne energije na području Europe

(godišnja sunčeva insolacija izražena u kWh/m2)

Problem satelitskih podataka i energetskih karata je takav da navedeni podaci nisu

dovoljno lokalizirani, odnosno nisu dovoljno precizni. Podloga za ulaganje u projekte i

tehnološki napredak mora počivati na pouzdanim informacijama. Zbog mikro - klimatskih

5

promjena, udaljenost od 100 kilometara može promijeniti procjenu dozračenosti i do

nekoliko stotina sunčanih sati.

Prava količina raspoložive energije na nekoj lokaciji mora biti mjerena na tom području

kroz čitavu godinu. Razlike u efikasnosti kod PV tehnologija su najčešće vrlo male, stoga

su točna mjerenja direktno povezana s količinom novca uloženog u performanse. Pogreške

u proračunima dozračenosti mogu neizmjerno utjecati na ishod investiranja.

Kvalitetan proračun sunčeve dozračenosti omogućuje pronalazak optimalne lokacije i izbor

najefektivnijeg solarno - energetskog sustava.

6

2. Instrumenti za mjerenja

Slika 2.1: Piranometar ˝Kipp & Zonen˝

Za mjerenja sunčeve dozračenosti obično se koriste termoelektrični senzori s izravnim

spektralnim odzivom. Takav tip instrumenata, njihove specifikacije i metode kalibracije su

definirane od strane Svjetske meteorološke organizacije (WMO) i MeĎunarodnog

standarda kvalitete (ISO). Oni omogućavaju točna mjerenja ukupne iskoristive sunčeve

dozračenosti u bilo kojim meteorološkim uvjetima. Prikupljeni podaci se mogu usporediti s

mjerenjima koja objavljuju lokalne meteorološke agencije i sateliti za različite tipove

solarno-energetskih testiranja.

Osjetljivost većine fotonaponskih materijala izražena je u vidljivom i bliskom-

infracrvenom dijelu spektra, u granicama od otprilike 400 do 1100 nm s vršnom vrijednosti

malo iznad vidljivog dijela spektra. Vrlo je mala osjetljivost na ultraljubičasto i skoro

nikakva na široko - valno ozračenje [6].

Komercijalni pristup toplinsko - energetskim sustavima najčešće podrazumijeva korištenje

reflektivnih solarnih kolektora koji se fokusiraju na čitav spektar nisko valnih i široko

valnih oblika dozračenosti jer je uloga medija samo da prihvati toplinu i prenese ju u

sustav.

7

˝Globalno˝ nisko valno ozračenje u području ultraljubičastog, vidljivog i bliskog

infracrvenog spektra, mjeri se s horizontalno postavljenim piranometrima. Piranometri su

senzori koji služe za mjerenje sunčeve dozračenosti, bilo ukupne, direktne ili reflektirane

dozračenosti, za spektar zračenja od 300 do 2800 nm. Na idealno odabranoj lokaciji

instrument ne bi trebao registrirati zračenje odbijeno od tla i okolnih predmeta, niti imati

prepreke više od 5° u području gdje Sunce izlazi i zalazi.

Široko - valna daleka infracrvena radijacija mjeri se s horizontalno postavljenim

pirgeometrima. Pirgeometri mjere sunčevu dozračenost za spektar infracrvenog zračenja

od 4.5 do 100 μm.

Slika 2.2: Pirgeometar ˝Kipp & Zonen˝

Solarni senzori mogu imati termoelektrične, fotoelektrične, piroelektrične ili bimetalne

elemente kao senzore. Kako su trajno izloženi atmosferskim utjecajima moraju biti čvrste

izvedbe i otporni na korozivne utjecaje vode i vlažnog zraka. Prijemnik dozračenosti mora

biti hermetički zatvoren ili imati sustav za odvodnju kondenzirane vlage u kućištu [5]. U

upotrebi su najčešće termoelektrični piranometri koji koriste toplinske detektore koji

proizvode napon na principu termoelektričnog efekta pod utjecajem upadnog sunčevog

zračenja. Definiraju se tri klase piranometra: najbolja klasa se koristi za precizna

meteorološka mjerenja, instrumenti prve klase za redovna meteorološka mjerenja, a druge

klase za pogonska mjerenja i praćenje fotonaponskih i toplinskih sunčanih sustava.

8

2.1. Održavanje sustava

Fotonaponski paneli imaju mogućnost pozicioniranja u optimalan položaj za primanje

maksimalne količine direktne sunčeve dozračenosti. Ovisno o lokaciji i odlukama vezanih

uz financiranje, paneli mogu biti postavljeni pod fiksnim kutem ili se mogu kretati prateći

položaj Sunca. Pri tome paneli mogu imati sustav za praćenje u smjeru jedne ili dviju osi.

Pokazano je kako se razvijenim algoritmom upravljanja nagibom fotonaponskog panela

može dobiti i do 30% više električne energije u odnosu na slučaj kada je fotonaponski

panel fiksiran. Piranometar će uvijek dati točnu vrijednost mjerenja u skladu s vremenskim

prilikama u datom trenutku.

Uz horizontalno postavljen piranometar za mjerenje dozračenosti u području od 0 do 180

stupnjeva, preporučuje se još jedan piranometar postavljen u ravninu s panelima kako bi se

dobio točan iznos dozračenosti koja upada na panele. Takva dozračenost se još naziva i

dozračenost na nagnutu plohu [6] te se pomoću nje često odreĎuje vrijeme održavanja

panela kako bi se postigla što veća efikasnost u periodu sunčanih sati.

Slika 2.3: Piranometar postavljen za mjerenje dozračenosti na nagnutu plohu

Uz piranometre i pirgeometre koji mjere ukupnu globalnu dozračenost i pirheliometre za

direktnu dozračenost postoje i piranometri koji mjere dozračenost ˝u sjeni od Sunca˝,

odnosno, difuznu dozračenost. Svi senzori za mjerenje su na svojim izlazima spojeni sa

računalom gdje se podaci spremaju u bazu podataka.

9

3. Solarni senzori

U sklopu projekta na fakultetu koji je pokrenuo Laboratorij za Obnovljive Izvore Energije

potrebno je odrediti fizičke lokacije za fotonaponske panele i omogućiti realizaciju mikro

elektrane. Zajedno s panelima biti će postavljen cijeli niz instrumentacije koja je nužna za

upravljanje cijelim sustavom. Implementacija upravljačkih i senzorskih ureĎaja je opisana

u ovom dokumentu. Njena uloga je poboljšanje rada i efikasnosti fotonaponskih panela na

neboderu. To su oprema za prikupljanje podataka i instrumentacija za meteorološka

mjerenja. U sklopu opreme za prikupljanje podataka spadaju: cRIO ureĎaji, terminalni

blokovi za povezivanje prikupljenih podataka, ulazno – izlazne jedinice i kabeli, analogno

– digitalni pretvarači, radna stanica, server itd. U instrumentaciju za meteorološka mjerenja

spadaju: sustavi za praćenje položaja Sunca, piranometri, pirheliometri, ventilacijske

jedinice za hlaĎenje, pojačala izlaznih analognih signala, anemometri za mjerenje brzine

vjetra, senzori za odreĎivanje smjera vjetra itd. U sklopu projekta izraĎena je aplikacija za

prikupljanje podataka iz solarnih senzora. To su piranometri i pirheliometri. Pri odreĎenom

ozračenju koje djeluje na senzorske leće, oni šalju povratnu informaciju o trenutnom

stanju dozračenosti. Senzori su kabelski povezani s blokovima za obradu signala. Senzori

odašilju analogni signal u amperima ili u voltima. Obično su njihove vrijednosti izmeĎu

0 – 20 mV i 4 – 20 mA [4]. Kada je potrebna veća naponska razina ili strujno – naponska

pretvorba, pojačalo (ampbox) je odlično rješenje. Kompletan popis i tehničke specifikacije

potrebne opreme je naveden u priloženom word dokumentu.

Navedeni senzori konstantno šalju analogne podatke koji se u odreĎenim vremenskim

intervalima moraju spremati u neku memorijsku bazu kako bi se kasnije mogli iskoristiti za

proračune bolje iskoristivosti i daljnja istraživanja. Prvo analogni podaci dolaze do

pojačala u kojem se njihove vrijednosti pretvaraju u strujni signal izmeĎu 4 – 20 mA. Ako

podaci već jesu strujnog oblika, nastavljaju put prema cRIOu.

10

3.1. Piranometri

Kompanija Kipp & Zonen dizajnira i proizvodi opremu za

solarna mjerenja više od 75 godina i glavni je dobavljač za

firme kao što su meteorološke i klimatske organizacije,

istraživački instituti i industrijska poduzeća diljem svijeta. Svojom kvalitetom,

pouzdanošću i ekspertizom renomirani su u cijelom svijetu. U ovom projektu je sva

senzorska oprema za solarna mjerenja naručena od Kipp & Zonena [4].

Tablica 3.1: Piranometar CMP 11 3x

Raspon spektra 285 – 2800 nm

Osjetljivost 7 – 14 μV/W/m2

Nelinearnost senzora u području 0 - 900 W/m2 Manja od 0.3 %

Granično vrijeme odziva Manje od 5 s

Ovisnost temperature o osjetljivosti (–10 do 40°C) Manja od 1 %

Temperaturni raspon u normalnom radu -40°C do +80°C

Maksimalna solarna dozračenost 4000 W/m2

Vidno polje 0 - 180°

Tip izlaznog signala 4 – 20 mV

Duljina prijenosa analognog signala Najmanje 40 m

Slika 3.1: Piranometar CMP 11

11

Tablica 3.2: Piranometar CMP 6 8x

Raspon spektra 285 – 2800 nm

Osjetljivost 5 – 20 μV/W/m2

Nelinearnost senzora u području 0-900 W/m2 Manja od 0.3 %

Granično vrijeme odziva 18 s

Ovisnost temperature o osjetljivosti (-20 do 50°C) Manja od 4 %

Temperaturni raspon u normalnom radu -40°C do +80°C

Maksimalna solarna dozračenost 2000 W/m2

Vidno polje 0 - 180°

Tip izlaznog signala 4 – 20 mV

Duljina prijenosa analognog signala (ovisno o mjerenju) Najmanje 20 i 40 m

Slika 3.2: Piranometar CMP 6

12

Tablica 3.3: Piranometar SMP 3 1x

Raspon spektra 300 – 2800 nm

Nelinearnost senzora u području 0-900 W/m2 Manja od 3 %

Granično vrijeme odziva Manje od 12 s

Ovisnost temperature o osjetljivosti (-20 do 50°C) Manja od 3 %

Temperaturni raspon u normalnom radu -40°C do +80°C

Maksimalna solarna dozračenost 4000 W/m2

Vidno polje 0 - 180°

Tip izlaznog signala 0 - 1 V ili 4 – 20 mA

Mogućnost digitalnog izlaza 2 – žični RS – 485

Duljina prijenosa analognog signala Najmanje 10 m

Slika 3.3: Piranometar SMP 3

13

3.2. Pirheliometri

Tablica 3.4: Pirheliometar CHP 1 2x

Raspon spektra 200 – 4000 nm

Osjetljivost 7 – 14 μV/W/m2

Nelinearnost senzora u području 0-900 W/m2 Manja od 0.3 %

Granično vrijeme odziva Manje od 5 s

Ovisnost temperature o osjetljivosti (-20 do 50°C) Manja od 0.5 %

Temperaturni raspon u normalnom radu -40°C do +80°C

Maksimalna solarna ozračenost 4000 W/m2

Vidno polje 5 ± 2°

Tip izlaznog signala 4 – 20 mV

Duljina prijenosa analognog signala Najmanje 40 m

Slika 3.4: Pirheliometar CHP 1

14

4. CompactRIO

CompactRIO ili cRIO je vremensko programljiv (integrirani) industrijski ureĎaj kojeg

proizvodi kompanija National Instruments. cRIO se koristi u industriji za upravljanje

parametrima u sustavima kod kojih se traži izrazita pouzdanost i točnost [7]. Glavni

predstavnik ove tehnologije je PLC (eng. Programmable logic controller). To je digitalno

računalo koje se koristi u automatizaciji elektromehaničkih procesa kao što je upravljanje

ureĎaja na pokretnim trakama, upravljanje naprednim strojevima ili svjetlosnim sustavima.

Neka od osnovnih područja u kojima se koristi takva tehnologija su: industrijska robotika,

kontrola motora, distribucija nafte i plina itd. Postoje tri tipa cRIOa koji se razlikuju po

mnogim karakteristikama od kojih su najbitnije: procesorska snaga, performanse

programljivog FPGA i fizička veličina. Nazivaju se Value, Ultra rugged i Performance

[8].

U cRIO stižu analogni podaci iz solarnih senzora u rasponu od 4 – 20 mA. cRIO mora

pretvoriti analogni u digitalni signal i poslati njegove vrijednosti preko Etherneta do

računala gdje se one spremaju. Podaci trajno pristižu u cRIO iz senzora/pojačala. Oni se

nakon pretvorbe isto tako konstantno šalju prema računalu. Ovisnost promjenjivosti

rezultata na izlazu cRIOa ovisi prvenstveno o vremenskim prilikama u kojima se senzori

nalaze. Većinu vremena se očitana dozračenost drži u sličnim granicama te zbog dosta

malog vremena očitanja nisu moguće nagle promjene na izlazima. Cjelokupan cRIO i

upravljački proces su isprogramirani u Labviewu.

4.1. Hardware cRIOa

1. Vremenski upravljač (eng. Real - time controller)

Real time inženjerstvo je tip programiranja u kojem se

garantira odziv unutar striktnih vremenskih granica. To

su sustavi u kojima se garantira odziv na izlazu u nekom

odreĎenom vremenu, odnosno, brzi odzivi su najčešći

rezultat. Odzivi ovakvih sustava su najčešće u redovima

15

veličina kao što su milisekunde ili čak mikrosekunde [9]. UgraĎeni upravljač karakterizira

mogućnost naprednog izvoĎenja determinističkih Labview aplikacija ili fleksibilnih

standardnih Windows 7 aplikacija.

Real time upravljač je zapravo procesor visokih performansi sa širokim rasponom

vremenskih frekvencija za implementiranje kontrolnih algoritama. Najjednostavniji oblik

upravljačkog sustava koristi procesor snage 400 MHz dok neki napredniji sustavi

zahtijevaju i do 1.3 GHz (dvojezgreni procesori).

2. Izmjenjivi ulazno - izlazni moduli (eng. Reconfigurable IO Modules)

Promjenjivi ulazno – izlazni moduli su kartice C serije

proizvedene od strane National Instrumentsa ili nekih

drugih srodnih kompanija. Trenutno postoji više od 50

tipova modula za obavljanje različitih oblika mjerenja

kao što su: napon, otpor, struja, temperaturna detekcija

(RTD), naprezanje, ubrzanje, zvučni signal itd. Svaki I/O

modul zatvara svoj krug podataka direktnim spajanjem na kućište cRIOa sa programljivim

FPGA. Svaki modul sadrži ugraĎeni signalni terminal (BNC ili D-Sub konektor). Tako

je moguće ostvariti napredni integrirani sustav u cilju optimizacije i fleksibilnosti

električnog kruga sa ulazno/izlaznom aplikacijom [8].

3. Korisničko programljivo integrirano polje (eng. Field programmable gate

array)

FPGA modul se koristi za implementiranje jednostavne

digitalne logike nad podacima iz ulazno izlaznih modula.

FPGA korišten u cRIOu je serija tzv. Xilinx Virtexa kojeg

karakterizira visoka razina konstrukcije [7]. FPGA se može

zasebno isprogramirati, a spaja se sa real time upravljačem

koristeći konvencionalnu PCI sabirnicu. Svako razdjelničko

postolje sadrži Xilinx programljivo polje koje se programira s NI Labview FPGA

modulom. Ono omogućava kontrolu nad brzim i prilagodljivim I/O tempiranjem,

upravljanjem i procesuiranjem jednolinijskih podataka. CompactRIO FPGA hardverski

16

modul osigurava bezbroj opcija kod podešavanja vremena i sinkronizacije. On zapravo

procesuira senzorske signale po programu zadanom iz računala [11].

4. Razdjelničko postolje lokalne mreže - Ethernet (eng. Ethernet expansion

chassis)

Ethernetsko postolje sadrži Ethernet ulaz

(8P8C, 8 position, 8 contact) koji

omogućuje brzu vezu izmeĎu cRIOa i

računala. Može imati 4 ili 8 konektorskih

ulaza. Uz osnovnu funkciju povezivanja s

računalom, ono omogućava jednolinijsko procesuiranje, kontrolu i povećanu pouzdanost

sustava. Ethernet je najzastupljeniji tip povezivanja ureĎaja koji koristi tehnologiju LAN

lokalnih mreža (eng. Local Area Network). Ethernet RIO predstavlja najfleksibilniju

razdjelničku opciju jer se dodavanjem korisničko programljivog FPGA polja i uvjetovanih

I/O modula bez ikakvog problema spajamo na bilo koju ethernet mrežu. U pozadini

postolja se zapravo nalazi računalno programljivo FPGA sučelje. Ethernet RIO postolje je

idealno za distribuirane, udaljene mjerne sustave i može se lagano integrirati sa bilo kojim

NI cRIO ili Windows PC sustavom [8].

4.2. Software cRIOa

Kako je cRIO proizvod National Instrumentsa real time upravljač se može programirati u

grafičkom programskom jeziku – Labview ili u nekom drugom programu kao npr. C++ ili

17

Java. LabVIEW se mora koristiti za programiranje integriranog FPGA modula. Real time i

FPGA moduli nisu u osnovnom programskom paketu Labviewa. Oni se moraju posebno

nabaviti i instalirati s Labviewom kako bi se cRIOov hardware mogao isprogramirati u

potpunosti. Programiranje cijelog sustava se vrši na računalu s Windows operacijskim

sustavom te se prenosi na cRIO putem lokalne mreže (Etherneta). U ovom projektu cRIO

je povezan s računalom te ima ulogu ˝nadgledanja˝ i prikazivanja prikupljenih podataka

[8].

NI Labview ima visoke programske mogućnosti za izradu

mjerenja, analiza i kontrolnih aplikacija s profesionalnim

korisničkim sučeljem. Uz pomoć Labviewa i NI cRIOa

FPGA tehnologija je izrazito pristupačna jer svaki korisnik

može direktno definirati svoje vlastite kontrolne i

podatkovne krugove. Na taj način se smanjuju troškovi i

kompleksnost. Labview real time i FPGA moduli omogućuju razvoj, otklanjanje

nepravilnosti (eng. debug) te slanje aplikacija do mikroprocesora i FPGA u cRIOu. NI real

time tehnologija nudi pouzdane, determinističke performanse za vremenski kritične

aplikacije. Koristeći Labview se efektivno i brzo real time sustavi prenose na

mikroprocesor u cRIOu [7].

18

5. LabVIEW aplikacija

LabVIEW je oblik grafičkog programiranja koji se koristi za

sofisticirana mjerenja, ispitivanja i upravljanje sustavima.

Omogućuje napredne analize i vizualizaciju podataka. LabVIEW

je takoĎer proizvod kompanije National Instruments kao i cRIO.

Labview služi za razvijanje naprednih mjerenja, testova i

kontrolnih sistema koristeći intuitivne grafičke ikone i žice koje

nalikuju protočnom dijagramu. Bez ikakvih poteškoća se koriste integracije s tisućama

hardverskih ureĎaja koristeći već gotove potprogramske predloške. On omogućava prikaz

naprednih analiza i podatkovne vizualizacije u cilju stvaranja virtualne instrumentacije.

Labview programi nazivaju se virtualni instrumenti, od čega dolazi kratica VI (eng. Virtual

Instrument). Glavni segmenti jednog VI –a su Front Panel i Block Diagram. Svaki od njih

karakterizira odreĎena paleta pomagala. Kontrolna paleta (eng. Controls Palette) u Front

Panelu i funkcijska paleta (eng. Functions Palette) u Block Diagramu. Unutar Front Panela

su prikazani elementi kao što su grafovi, indikatori, tipkala, signalizirajuća oprema, polja

za unos podataka i lokacije dokumenata itd. Unutar Block Diagrama prikazano je u

grafičkom obliku ˝srce˝ programa – programske petlje i nizovi, funkcije, shift registri,

klasteri (eng. clusters), case strukture, meĎustanja programa, grafički alati itd. U ovom

projektu su od iznimne važnosti while i for petlja, shift registri i case strukture. While i for

petlja su osnovni oblici naredbi koje upravljaju tijekom izvršavanja koda. Case struktura

sadrži jedan ili više poddijagrama ili slučajeva od kojih se samo jedan izvodi kada je

struktura aktivna. Vrijednost (npr. boolean, string, integer) povezana sa selektorskim

terminalom odreĎuje koji od ponuĎenih slučajeva će se izvoditi. Desnim klikom miša na

granicu case strukture se vrlo lagano mogu dodavati ili brisati slučajevi (potprogrami).

Često su osnovni slučajevi u strukturi true i false ovisno o boolean ulazu na selektorskom

terminalu. Shift registri su registri koji omogućavaju prijenos iz prošle iteracije petlje u

sljedeću iteraciju. Registri se uvijek pojavljuju u paru, svaki s jedne strane na granicama

petlje tvoreći imaginarni krug po kojem se šalju vrijednosti.

U nastavku je opisano na koji način je isprogramiran cRIO, odnosno, kako su povezani

cRIO i računalo.

19

Slika 5.1: Osnovna struktura projekta u Labviewu

Projekt možemo podijeliti u 4 glavne

grupe:

Kreiranje foldera

Global

Čitanje

Pisanje

Unutar grupe Kreiranje foldera

postoje glavni i sporedni direktorij.

Svaki od njih sadrži odreĎene VIe

posložene po njihovoj važnosti.

5.1. Kreiranje direktorija

Za početak moramo odrediti u kakav oblik datoteke ćemo spremati naše podatke.

Odabrana je tekstualna datoteka u koju će se na dnevnoj bazi spremati mjerenja

dozračenosti iz solarnih senzora. Kada je dan gotov, podaci se počinju spremati u novu

generiranu tekstualnu datoteku. Isto vrijedi i za mjesece; kada je odreĎeni mjesec završio,

automatski se kreira novi direktorij u kojem se počinju spremati informacije za svaki dan

tog mjeseca. Jednako pravilo vrijedi i za godine; kada jedna završi slijedi otvaranje nove.

Svi folderi se nalaze u zajedničkom direktoriju s imenom ˝Data˝. Prije pokretanja

programa je postavljeno da se direktorij ˝Data˝ sprema u memoriji gdje je spremljen

cjelokupan projekt. Njegovu memorijsku lokaciju moguće je promijeniti.

20

Slika 5.2: Front Panel virtualnog instrumenta ˝Data Manager˝

Na lijevoj strani Front Panela može se vidjeti popis svih signala koje koristimo u

programu. To su zapravo izlazi iz cRIOa od svakog pojedinog senzora. Imamo 2

pirheliometra CHP 1, 6 piranometara CMP 6, 3 piranometara CMP 11 i 1 SMP 3. Za svaki

od njih program će stvoriti pripadne direktorije i tekstualne datoteke u koje se spremaju

podaci o dozračenosti. Na desnoj strani možemo vidjeti indikatore za svaki od

potprograma (eng. sub VI). Oni prikazuju memorijsku lokaciju u kojoj se stvara txt

datoteka te ako doĎe do problema signaliziraju pogrešku.

Ispod možemo vidjeti VI Block Diagram. Kao i većina VI u ovoj aplikaciji, sadrži while

petlju za konstantno učitavanje novih informacija. Pomoću petlje smo uvijek u mogućnosti

kreirati nove datoteke. Unutar petlje se nalazi složena case struktura sa 7 različitih

podslučajeva. To su: Kreiraj baze inicijalno, Stop, Nova godina, Novi mjesec, Novi dan,

Get time data i Kontrola time data. Na slici je prikazana Kontrola time data pa krenimo od

nje. Zamislimo da se nalazimo u iteraciji jednoga dana. Vidimo da se informacija o lokaciji

(eng. file path) uopće ne mijenja pošto ostajemo u istoj txt datoteci, već se samo

prosljeĎuje izmeĎu shift registara. Roza prikazanom linijom niz podataka o vremenu

(godina, mjesec, dan) se raščlanjuje u pojedinačne stringove. Prvo kontroliramo da li je

godina jednaka godini, zatim da li je mjesec jednak mjesecu i na kraju da li je dan jednak

danu. Ako nije došlo do promjene dana ostajemo u ovom slučaju case strukture i podaci se

21

jednostavno upisuju u datoteku. Kada doĎe novi dan vrijednost varijable u krajnjoj

strukturi postane false i slijedi slučaj Novi dan.

Slika 5.3: Block Diagram Data Managera u slučaju ˝Kontrola time data˝

Slika 5.4: Block Diagram Data Managera u slučaju ˝Novi dan˝

Case struktura Novi dan izgleda kao na prikazanoj slici. U njoj se nalazi samo jedan

potprogram. Njegovi ulazi su imena signala koje upišemo u Front Panelu i izlaz mu je

memorijska lokacija u koju se trebaju upisivati podaci iz senzora. Vidimo da se oni izvan

case strukture upisuju u Polje datoteka, odnosno globalnu varijablu. Ako otvorimo mali

potprogram vidjet ćemo sliku ispod.

22

Slika 5.5: Block Diagram potprograma ˝Novi dan˝

Postoji petlja s n iteracija (u našem slučaju 14) te se na kraju vidi grafička ikona koja

ustvari kreira novu tekstualnu datoteku. Ime datoteke se tvori od datuma koji pretvorimo u

string, dodamo mu index txt te ga Labview automatski kreira kao tekstualnu datoteku. Sve

ikone koje se nalaze prije zadnje se nazivaju ˝stvaranje puta˝ (eng. build path). Svaka od

njih prikuplja informaciju o godini (%Y), o mjesecu (%m) i na kraju o danu (%d). Izlaz

ovog potprograma su memorijski putevi za kreirane datoteke i error izlaz.

Svi ostali podslučajevi unutar case strukture prate jednaki tok ideje. Kada doĎe novi

mjesec, vrijednost false pokreće potprogram novi mjesec. U direktoriju iste godine kreira

se direktorij za novi mjesec i datoteka za prvi dan novog mjeseca. Isto pravilo se

primjenjuje i za godine.

5.2. Globalna varijabla

Global je naziv grupe u koju je smještena globalna varijabla u obliku VIa. Globalna

varijabla je lokacija u memoriji u koju se učitavaju vrijednosti iz cRIOa. Cilj globalne

varijable je nadgledanje podataka te softversko odvajanje cRIOa i računalnog programa za

njihovu pohranu. U globalnoj varijabli se prenose vrijednosti za svaki od solarnih senzora,

vrijeme svakog očitanja te memorijska lokacija txt datoteka. U njoj se podaci mijenjaju

ovisno o promjenama dozračenosti na senzorima, odnosno cRIOu. Podaci o dozračenosti i

vremenu se učitavaju iz VIa Read data, a lokacije za txt datoteke iz VIa Data Manager.

Odabrano je ovakvo rješenje jer je na taj način puno lakše mijenjati broj ulaza i parametara

koji dolaze iz cRIOa ne mijenjajući glavni dio programa. Postojanje globalnih varijabli

omogućuje lagano prebacivanje informacija iz potprograma u potprogram. Ujedno zbog

kompleksnosti programa, ovakvo razdvajanje ulaza je preglednije i efikasnije rješenje.

23

5.3. Čitanje iz cRIOa

Oprema koja je navedena u ovom projektu nije još isporučena za Laboratorij na FERu na

konačnoj lokaciji, stoga je cRIO prilagoĎen izradi programa. VI koji se naziva Read data

je zapravo imaginarni cRIO upravljač koji šalje podatke u globalnu varijablu.

Slika 5.6: Block Diagram VIa ˝Read Data˝

Vrijednost za broj signala se unosi na Front Panelu i ovdje ona iznosi 14. Ukoliko je broj

ulaza manji ili veći za neki drugi slučaj potrebno je samo unijeti drugu vrijednost u Front

Panelu. Unutar while petlje imamo for petlju koja se vrti 14 puta generirajući 14 različitih

vrijednosti u iznosu od 0 do 1. Te vrijednosti se ˝pretvaraju˝ (skaliraju) u sunčevu

dozračenost množenjem s 1300. Nakon for petlje brojevi se upisuju u globalnu varijablu

za podatke o dozračenosti. Sa njima se paralelno upisuju i vrijednosti vremena generiranja

imaginarnih signala za informaciju o vremenu. Satni indikator na vrhu petlje odreĎuje

brzinu izvoĎenja ovog potprograma. Broj 10 koji možemo vidjeti je zapravo iznos vremena

u milisekundama. O njemu ovisi brzina slanja podataka iz cRIOa u globalnu varijablu te se

u ovom slučaju može namjestiti po potrebi korisnika. Sve skupa se pokreće unutar while

petlje simbolizirajući konstantni odziv cRIOa. Dogovorno je namješteno da se podaci na

izlazima iz VIa mijenjaju svakih 5 sekundi oponašajući stvarni odziv promjena na

senzorima. Pretpostavlja se da promjene sunčevog zračenja na senzorskim ureĎajima ne

mogu biti tako nagle da vrijednosti previše variraju u vremenskim intervalima.

24

U realnosti bi se umjesto funkcije random (simbol kocaka) postavili izlazi od NI

programljivog cRIOa za svaki senzor te bi se dalje jednostavno povezali na globalnu

varijablu. Imali bi drukčiji oblik skaliranja jer odzive analognih senzora (4 – 20 mA)

moramo prebaciti u raspon od 0 – 1300 W/m2. Takvi parametri se lagano unesu preko

Labviewa u FPGA programljivom sučelju. Satni indikator u realnosti ne postoji jer svaki

trenutak u kojem se promijeni izlaz iz senzora, trenutno se promijeni i odziv iz cRIOa.

Kada bi posjedovali pravi cRIO ureĎaj ne bi bilo nikakvih problema sa njegovom

zamjenom u ovaj izraĎeni sustav. Stoga je ovakvo rješenje idealno za implementiranje

pravog odziva senzora odnosno cRIOa.

5.4. Pisanje u tekstualnu datoteku

U VIu Write to File je objašnjen način očitavanja podataka i spremanja u memoriju. Podaci

konstantno pristižu u Globalnu varijablu i potrebno je samo odrediti u kojim vremenskim

intervalima se rezultati za dozračenost spremaju u tekstualnu datoteku.

Slika 5.7: Block Diagram VIa ˝Write to File˝ u slučaju otvaranja i pisanja u datoteku

Vidimo while petlju i dvije case strukture. Uloga while petlje je konstantno provjeravanje

uvjeta za upis podataka. Svaka od case struktura može biti u položaju true ili false. Na

lijevoj strani Block Diagrama možemo vidjeti početne ulaze za: lokaciju datoteka podataka

tzv. refnum3 i cluster sa tri tipa podatka. Svaki od ovih ulaza je preko shift registara spojen

3 refnum – memorijska lokacija koju koriste Labview ikone za čitanje i pisanje u datoteku (ne file path)

25

u krug while petlje. Unutar petlje se nalazi struktura pod nazivom ˝Odbrojano vrijeme˝

(eng. Elapsed Time). Ona indicira iznos vremena koji je protekao u odnosu na neki

specificirani početni trenutak. Pomoću nje odreĎujemo u kojim vremenskim intervalima

spremamo podatke u txt datoteku. U ovom slučaju je to 1 minuta. Ako je brojač u stanju

brojanja, boolean vrijednost se prosljeĎuje na selektorski terminal te je prva case struktura

podešena na false. U takvom stanju ništa se ne upisuje u datoteke. Kada se izbroji 60

sekundi, šalje se vrijednost true i izgled case strukture se mijenja. Sljedeći uvjet koji se

mora zadovoljiti je provjera memorijske lokacije datoteka. Ako je vrijednost pohranjena u

shift registru (iteraciji petlje) jednaka lokaciji (eng. file path) iz globalne varijable, šalje se

true. Pošto je na samom početku izlaz iz file registra jednak 0, rezultat će biti false. U

drugoj case strukturi će se zatvoriti datoteke sa vrijednošću refnum = 0 (nepostojeće

datoteke). Uz pomoć pristigle lokacije ˝Polje datoteka˝ iz globalne varijable će se otvoriti

txt datoteke u for petlji (14 iteracija) i u njih će se upisati pripadni podaci iz cRIOa. Nakon

toga preko shift registara se u sljedeću iteraciju šalju lokacija datoteke, refnum izlaz i error

varijabla. Kad brojač sljedeći put izbroji 1 minutu, lokacija pohranjena u shift registru biti

će jednaka lokaciji iz globalnih varijabli te će izlaz uvjeta biti true.

Slika 5.8: Block Diagram VIa ˝Write to File˝ u slučaju kada se samo pišu podaci u datoteku

26

Ulaskom u drugu case strukturu imamo puno jednostavniji program. Potrebno je samo

upisati vrijednosti za 14 podataka. Sada koristimo samo refnum za memorijsko lociranje

jer je txt datoteka ostala ista tj. trenutno traje isti dan. U slučaju kada dan završi, VI Data

Manager će kreirati novu datoteku. Tada će druga case struktura biti false. Sa refnumom

spremljenim u shift registrima će se zatvoriti datoteka prošlog dana, a s novom lokacijom

iz globalne varijable će se otvoriti nova datoteka za pisanje. Cijeli postupak se ponavlja na

isti način. Osigurano je nesmetano spremanje informacija u baze podataka.

27

Zaključak

Korištenjem izraĎene aplikacije povezali smo cRIO i računalo. Element mjerenja je

uključen u upravljački krug cjelokupnog sustava. Informacija o sunčevoj dozračenosti se

preko cRIOa pohranjuje u bazu podataka, odnosno, tekstualne datoteke. Svaki solarni

senzor sadrži svoj direktorij u kojem se na dnevnoj bazi spremaju izmjereni podaci o

dozračenosti. Koristeći moderan sustav ostvaren je jednostavan i lagan algoritam, a rezultat

je uspješan proces. Iz prikupljenih podataka mogu se obavljati daljnja testiranja i proračuni

kao što su: izrada dijagrama o promjeni sunčevog zračenja, odreĎivanje kuta zakretanja

fotonaponskog panela, predviĎanja količine dozračenosti na odreĎenoj lokaciji,

iskoristivost direktne komponentne zračenja itd.

Kod povezivanja sa stvarnim cRIOm cjelokupna mjerna oprema dobiva svoj smisao.

Potrebno je samo zamijeniti dio potprograma i podaci se počinju bez ikakvog problema

spremati u memorijsku bazu. Podatke treba tako strukturirati da budu prikladni za postupke

identifikacije modela sunčeve dozračenosti, odnosno za sintezu modelskog prediktivnog

upravljanja nagibom fotonaponskog panela. Uz pomoć opisanih komponenti može se

ostvariti optimalan i efikasan način proizvodnje električne energije. Ponovno je pokazano

da je sustav mjerenja neophodan za stvaranje održive strukture. Korištenje naprednih

tehnologija u obnovljivim izvorima predstavlja budućnost koncipiranu u ovakvim

organiziranim cjelinama.

28

Literatura

[1] WIKIPEDIA, Sunce, http://hr.wikipedia.org/wiki/Sunce

[2] ENERGO, Sunčeva energija, http://www.energo-consult.hr/oie-obnovljivi-

izvori/sunceva-energija

[3] IZVORI ENERGIJE, Energija Sunca,

http://www.izvorienergije.com/energija_sunca.html

[4] KIPP & ZONEN, Solar Instruments,

http://www.kippzonen.com/?productgroup/111/Solar+Instruments.aspx

[5] EIHP, Mjerenje Sunčeva zračenja,

http://www.eihp.hr/hrvatski/sunceva_energija6.htm#d

[6] KIPP & ZONEN, KippZonen_Solar_Energy_Guide.pdf,

http://www.kippzonen.com/?downloadcategory/441/Solar+Instruments.aspx

[7] WIKIPEDIA, CompactRIO, http://en.wikipedia.org/wiki/CompactRIO

[8] NATIONAL INSTRUMENTS, What is CompactRIO?,

http://www.ni.com/compactrio/whatis/#controller_chassis

[9] WIKIPEDIA, Real - time Computing, http://en.wikipedia.org/wiki/Real-

time_computing

[10] WIKIPEDIA, Embedded System, http://en.wikipedia.org/wiki/Embedded_system

[11] WIKIPEDIA, Field Programmable Gate Array, http://en.wikipedia.org/wiki/Field-

programmable_gate_array

[12] NATIONAL INSTRUMENTS, Labview Guided Tour - video,

http://zone.ni.com/wv/app/doc/p/id/wv-1344/upvisited/y

[13] NATIONAL INSRTUMENTS, Getting Started with CompactRIO,

http://www.ni.com/white-paper/11200/en

[14] N. Perić, M. Vašak, M. Gulin et al., Meteorological and weather forecast data-based

prediction of electrical power delivery of a photovoltaic panel in a stochastic

framework, Zavod za automatiku i računalno inženjerstvo, Fakultet Elektrotehnike i

Računarstva, 2011.

29

Sažetak

Naslov: Izrada aplikacije za periodičko prikupljanje podataka s meteorološke postaje

Mjerenje sunčeva zračenja obuhvaća kratkovalno zračenje koje prolazi kroz atmosferu kao

direktno ili difuzno zračenje te dugovalno zračenje Zemlje i atmosfere. Za praktično

korištenje energije sunčeva zračenja, važna su mjerenja ukupnog, raspršenog i direktnog

zračenja horizontalne plohe. Globalno zračenje sastoji se od direktne komponente i

raspršenog zračenja neba. Instrument koji mjeri globalno zračenje je piranometar, a

instrument koji mjeri direktno zračenje je pirheliometar. U sklopu projekta Laboratorija za

Obnovljive Izvore Energije postavljaju se fotonaponski paneli i pripadna oprema. To su

oprema za prikupljanje podataka i instrumentacija za meteorološka mjerenja. Glavni

segment opreme čine CompactRIO i solarni senzori. Meteorološki podaci o sunčevoj

dozračenosti analognim putem u rasponu od 4 – 20 mA stižu u cRIO iz solarnih senzora.

FPGA programljivo polje smješteno u kućištu cRIOa prima analogne signale preko ulazno

– izlaznih jedinica i pretvara ih u digitalni podatak o dozračenosti. Podaci se prenose u

računalo, očitavaju svake minute i spremaju u kreiranu bazu podataka. Direktorij sa

podacima svih senzora trajno pohranjuje podatke na dnevnoj bazi u tekstualne datoteke.

Osnova cijelog sustava je program kreiran u Labview grafičkom sučelju. Pomoću

Labviewa programiraju se i cRIO i aktivni potprogrami za pohranu podataka kao što su:

upis očitanih vrijednosti u datoteke, kreiranje novih direktorija/datoteka ako doĎe do

vremenske promjene, prijenos globalnom varijablom i slično. Konačni rezultat je efikasna i

održiva cjelina u cilju što optimalnijeg korištenja fotonaponskih panela i proizvodnje

električne energije.

Ključne riječi: Obnovljivi izvori energije, Mjerenje dozračenosti, Solarni senzori,

C CompactRIO, LabVIEW

30

Abstract

Title: Application development for periodical harvesting of meteorological data

Measurement of short-wave solar radiation includes radiation that passes through the

atmosphere as a direct or diffuse radiation and Earth's and atmosphere's longwave

radiation. For practical use, an important measure of horizontal plane radiation are total,

direct and scattered radiation. Global radiation consists of direct and scattered radiation

component of the sky. An instrument that measures the global radiation is piranometar, and

to measure the direct radiation we use pirheliometers. Photovoltaic panels and the

corresponding control equipment are being set as part of the project by the Laboratory for

Renewable Energy Sources at FER. That includes equipment for data acquisition and

instrumentation for meteorological measurements. The main segment of the control

equipment are CompactRIO and solar sensors. Meteorological data from the solar sensors

is coming in an analogue range between 4-20 mA to cRIO. Field programmable FPGA

placed in the cRIO receives analog signals via the input - output units and converts them

into digital irradiance data. Data is transmitted to the computer, red every minute and

stored into a created database. Folder with the data from all the sensors, permanently stores

it on a daily basis in text files. The center of the whole system is a program created in

LabVIEW graphical interface. Using LabVIEW, cRIO and active routines for storing data

are being programmed. Such as: enrollment decoded values in the file, creating new

directories/files in case of time changes, the transfer with global variables etc. The final

result is an efficient and stable system for optimizing the use of photovoltaic panels and

electricity production.

Keywords: Renewable energy sources, Irradiance measurement, Solar sensors,

c CompactRIO, LabVIEW