ניהול חשמל: צמצום צריכת האנרגיה במערכות ניטור ברמה רציפה

מערכות ניטור ברמה רציפה הן הכרחיות על פני תעשיות כגון שמן וגז, טיפול במים, עיבוד כימי, וייצור.מערכות אלה לספק נתונים בזמן אמת על רמות נוזליות או מוצקות בטנקים, סילוס וכליים, המאפשר ניהול מלאי מותאם אישית, בקרת תהליכים, וציות בטיחותי. עם זאת, רבים מהמתקנים הללו ממוקמים באופן משמעותי או מגבילים את צריכת החשמל או מגבילה את עלויות האנרגיה המשתנים, במיוחד, ולכן, במיוחד, כלומר, לא צריך להיות יעיל של סוללות הפעלה של מערכות הפעלה אנרגיה, או לחץ אנרגיה, או לחץ על בסיס קבוע, או לחץ דם, או לחץ אוויריות, במיוחד, הוא יעיל, במיוחד, לחץ אוויריות, הוא צורך, לחץ על בסיס קבוע, הוא צורך בסוללות קבוע, או לחץ על בסיס קבוע, על בסיס קבוע, הוא מגבלות אנרגיה, או לחץ על בסיס קבוע, או לחץ על בסיס קבוע, על בסיס קבוע, ולכן, ולכן, על בסיס קבוע, הוא דורשות, על ידי סוללות אנרגיה, על בסיס קבוע, על ידי מערכת הפעלה של מערכת הפעלה של סוללות, הוא חיוני, לחץ על בסיס קבוע, לחץ על בסיס קבוע, כלומר, כלומר, לחץ על בסיס קבוע, הוא חיוני, על ידי מערכת הפעלה של סוללות, לחץ על בסיס קבוע, לחץ אנרגיה, לחץ אנרגיה, ולכן, ולכן, לחץ אוויר

הבנה של צריכת חשמל במערכות ניטור

מערכת ניטור ברמה רציפה טיפוסית כוללת מספר בלוקים פונקציונליים: חיישן (למשל, קול, מכ"ם, הידרוסטטי או קיבולי), מיקרובקר או לוגר נתונים, מודול תקשורת (סלולארי, LoRaWAN, NB-IoT, Wi-Fi או לוויין), ומקור כוח (טלטלטורי, supercapacitor, או קציר אנרגיה) כל רכיב צור אנרגיה אחרת בהתאם למהנדסים התפעוליים שלו, או מערכת ניהול כוח יעילה, או ניהול גוף.

כוח פשרות - Component-Level Power Breakdown

(FLT:0)ensors:FLT:1 החיישן הוא לעתים קרובות המרכיב בעל הכוח ביותר כאשר מדידה פעילה.לדוגמה, חיישן קולי עשוי לצייר 20-50 מ"א במהלך הדופק מדידה, בעוד חיישן מכ"ם יכול לצרוך 50-200 מ"א עם זאת, חיישנים מודרניים רבים תומכים בפעימה: הם מתעוררים, לוקחים קריאה, ולחזור למצב שינה נמוך בתוך מילימטר ממוצע של צריכת מים.

(FLT:0Microcontroller (MCU): ההרחבה 1 (MCU) מנהלת קריאת חיישן, עיבוד נתונים ותזמון תקשורת. MCUs כוח נמוך (למשל, ARM Cortex-M0+ מבוסס, כגון STM32L0 או MSP430) יכול לפעול במצב פעיל ב 1-5 מ"א ובתוך שינה עמוקה ב 1–5 מ"מ.

(FLT:0) מודול תקשורת: FLT:1 לעתים קרובות הצרכן הכוח הגדול ביותר במהלך שידור נתונים מודולים סלולרי (2G /G / 4G/5G) יכול לצייר כמה אמפס במהלך שידור, בעוד טכנולוגיות LPWAN כמו LoRaWAN לצרוך רק 10-40 מ"א במהלך שידור ויכול להשיג מחזורי חובה נמוכים מאוד.

(FLT:0)Power Source:BuildFLT:1 סוללת ליתיום ראשונית (למשל, Li-SOCl2) פופולריים עבור צפיפות האנרגיה הגבוהה שלהם וטעינה עצמית נמוכה, אבל הם לא יכולים לספק זרמי שיא גבוהים ללא מתח תאים ליתיום מטענים עם מקורות קציר אנרגיה מציעים אלטרנטיבה בר קיימא יותר, אבל דורשים ניהול זהיר של מחזורי תשלום ועומק של פריקה.

חובה על אופניים וכוח ממוצע

מדד המפתח הוא צריכת חשמל ממוצעת על מחזור תפעול מלא (שינה + מדידה + תקשורת) עבור מערכת המדידה כל 15 דקות ומעבירה נתונים בכל שעה, הזרם הממוצע יכול להיות נשמר היטב מתחת 100 מיקרוA, המאפשר שנים של ניתוח מסוללה D-cell יחיד. הבנה וקידוד מחזור זה הוא הבסיס של ניהול חשמל.

אסטרטגיות להורדת אנרגיה

צמצום צריכת החשמל ב ניטור ברמה רציפה דורש גישה רב-שכבתית, שילוב של בחירת חומרה, אופטימיזציה קושחה ועיצוב ארכיטקטורת המערכת. להלן הן אסטרטגיות מוכחות, כל אחת עם פרטי יישום מעשיים.

יישום מצבי שינה מתקדמים וחובה אופניים

חיישנים מודרניים ומיקרו-בקרים תומכים במספר מדינות בעלות כוח נמוך.מצבי השינה העמוקים ביותר (לעתים קרובות נקראים "עמודי" או השבתה) יכולים להפחית את העודף הנוכחי לרמות ננואמפ.המפתח הוא למזער את הזמן שהושקע במצב פעיל ולזמן משימות בצורה חכמה.

• (FLT:0) מרכיבים אלקטרוניים עם זרמי שינה נמוכים:ראהFLT 1:1 לחפש חיישנים עם זרמי טמפרטורה quiescent מתחת 1 μA ו MCUs עם תת-μA עמוק זרמי שינה. לדוגמה, טקסס מכשירים TMP117 חיישן טמפרטורה משתמש רק 0.7 μA במצב שינה.
• שעון בזמן אמת (RTC) כדי להעיר את המערכת: 1.10.10.10.10.1.18 חיצוני עם סוללה ייעודית יכול להעיר את ה-MCU במרווחים ממולאים, מה שמאפשר למעבד הראשי להישאר בשינה עמוקה במשך שבועות.
• (FLT:0)הפעלת אופניים:FIRLT:1) מגביר את תדירות המדידה כאשר הרמה משתנה במהירות (למשל, במהלך מילוי) ולהפחית את תדירות כאשר הרמה יציבה.

(FLT:0)Texas Instruments מציע מגוון רחב של RTCs כוח נמוך המתאים ליישומים IoT.

2.אופטימיזציה של העברת נתונים ובחירת פרוטוקול

העברת נתונים היא לעתים קרובות הפעולה האנרגטי ביותר, במיוחד עבור קישורים סלולריים או לווייניים.ממזער את התדירות ואת כמות הנתונים המועברים יכול להניב חיסכון משמעותי.

• (FLT:0) טכנולוגיות של WAN שלChoose:FLT:1 LoRaWAN ו- NB-IoT נועדו לעוצמה נמוכה, תקשורת לטווח ארוך.הם צורכים הרבה פחות אנרגיה מאשר תא או Wi-Fi והם אידיאליים לדיווח ברמת המחזור החודשי.לדוגמה, מודול LoRaWAN משדר 20 ע"י נתונים במחזור של 1% בלבד שואב רק כמה μA בממוצע.
• (FLT:0)Compress or מצטבר נתונים: FLT:1 במקום לשלוח כל מדידה גולמית, לנסח סיכום (למשל, ממוצע יומי, מינימום, מקסימום) ולהעביר רק את זה. השתמש בדלטה או עדכונים שונים כדי לשלוח רק שינויים מהדו"ח האחרון.
• (FLT:0) מרווח שידור מבוסס על ביקורת נתונים: אנדרל 1 בתנאים רגילים, לשדר פעם ביום.אם רמה עולה על סף, לעבור לדיווח שעה או בזמן אמת. גישה מאוזנת זו משמרת את הכוח לפעילות רגילה תוך הבטחת אזעקה לא מפספסת.

(ב) ,0) ,LRA Alliance מספק מפרטים ומקרי מקרה עבור רשת דלת-עוצמה גבוהה.

מקורות אנרגיה מתחדשת ומקורות כוח היברידיים

קצירת אנרגיה יכולה להאריך את חיי הסוללה ללא הגבלת זמן ביישומים רבים.בחירה של קציר תלויה באנרגיה הניתנת להשגה באתר ההתקנה.

• (FLT:0 ,Solar photovoltaic (PV)earFLT:1) הוא הטכנולוגיה הנפוצה והבוגרה ביותר. A קטן 1-5 W פאנל סולארי יכול לטעון סוללה ליתיום או supercapacitor בשעות היום, מתן הפעלה 24/7. Sizing הוא קריטי: עבור קווי רוחב צפופים צפופים או תנאי תאורה נמוכים, פאנל גדול יותר וסוללת buffer הם הכרחיים.
• (FLT:0) גנרטורים אנדרומואלקטריים (TEGs)אנדרופולים 1:1 להמיר הבדלים בטמפרטורות (למשל, בין צינור חם אוויר מתפתל) לחשמל.הם אידיאליים למעקב אחר טנקים בעלי טמפרטורה גבוהה או קווי קיטור במפעלים תעשייתיים.
• (FLT:0)Piezoelectric and Biological Harvestersal Harvestersal HarvesterveFLT:1) יכול לנקב אנרגיה ממשאבות, דחוסים, או רטטים מוזרים.

גישה היברידית משלבת סוללה ראשונית עבור ניתוח בסיס אמין עם קציר לטעון תא משני, הפחתת תדירות השינויים בסוללה.לדוגמה, חיישן רמת השמש במאגר השקיה החקלאי יכול לפעול במשך שנים ללא תחזוקה.

(ב) מכשירים אנלוגים מציעים מגוון רחב של ניהול חשמל ICs המיועד ליישומים קצירת אנרגיה.

4.בחר קבלות בעלות כוח נמוך מההתחל

בחירה מתאימה בשלב העיצוב יש את ההשפעה הגדולה ביותר על צריכת החשמל הכוללת.חשבון מתחשב של חומרים יכול ללטף את השימוש באנרגיה ללא כל טריקים תוכנה.

• (FLT:0)U בחירה: FLT:1 בחר מיקרובקר עם מצבי חשמל מרובים, התעוררות מהירה (מיקרו שניות), ומערכת היקפית של כוח נמוך.S.32L0 סדרה, לדוגמה, שואב 87 μA / MHz במצב פעיל ו 0.33 מיקרוA לעמוד עם RTC.
• (FLT:0)Sensor בחירה: 1FLT 1 Opt forחיישנים המיועדים להפעלה בעוצמה נמוכה. Capacitive או MEMS מבוסס חיישנים ברמה גבוהה לצרוך לעתים קרובות פחות מ 1 מ"א במהלך מדידה.
• (FLT:0) Power Management ICs (PMICs): ההרחבה 1 מוקדשת PMICs יכולה להסדיר ביעילות את המתח מסוללות או מקצירים, צמצום מכשירים הנוכחיים של ה-LTC3331 ממכשירים אנליסטים המשלבים קציר אנרגיה, ניהול סוללות, וממיר ב-Ab-boost בחבילה אחת.
• (FLT:0) מודולים של שימוש במודולים משולבים בפרוטוקולים משולבים-אופטימיים.לדוגמה, ה-LRA® של Semtech תומך בהאזנה וקצב נתונים הסתגלותי כדי למזער אנרגיה לשידור.

5.הפעלת ניהול כוח חכם אלגוריתמים

אלגוריתמים של חברות תוכנה יכולים להתאים באופן דינמי את התנהגות המערכת המבוססת על תנאים סביבתיים, מצב סוללות ומגמות נתונים.כאן ניתן להשיג רווחים משמעותיים מעבר לרכיבה על בסיס קבוע.

• (FLT:0) שיעור הדגימה המחודש: ⁇ 1) השתמש מסנן קלמן או פשוט שיעור זיהוי של שינוי כדי להגדיל את הדגימה רק כאשר הרמה משתנה. Algorithms כגון גישה "הדפס" - רק משדרת כאשר הערך נמדד משתנה על ידי יותר מסף מוגדר - משמשים נרחב.
• (FLT:0Battery-awareתזמון:FreaLT:1 , מתח סוללה של מוניטור או מצב של מטען. כאשר הסוללה גבוהה, לאפשר שידורים תכופים יותר.כאשר מתח יורד מתחת לסף, לעבור למצב של כוח-כוח עם ירידה מופחתת של דגימה ופחות שידורים.
• (FLT:0) העברת מידע היסטורי: השתמש בנתונים היסטוריים כדי לחזות ערכי רמה עתידיים.אם הערך הצפוי הוא בטווח מקובל, לדלג על השידור בפועל ובמקום זאת לשלוח רק את הפרמטרים מודל החיזוי מעת לעת.טכניקה זו, המכונה "דחיסה מבוססת מודל" יכול להפחית את התקשורת ל-1–2% מהמקור.
• (FLT:0)Wake-on-event:cioFLT:1) השתמש בהפרעה מן החיישן (למשל, מקבץ שמטיילים כאשר רמת עולה על סף) כדי להעיר את MCU משינה עמוקה.

לדוגמה, חיישן מיכל מים חכם המשמש במערכות מים מרוחקות של בקר יכול להשתמש בשילוב של אירועים מדגימים ותופעות של התעוררות ברמת ער כדי להשיג חיי סוללה מעל חמש שנים עם שני תאי אלקלון D.

יישומים מעשיים והטבות אמיתיות בעולם

האסטרטגיות המפורטות לעיל יישמו בהצלחה על פני תעשיות מגוונות, הניבו שיפורים משמעותיים ברווחה של המערכת, עלויות תחזוקה וקיימות סביבתית.

שמן וגז - רמת פיקוח

בייצור נפט וגז, מיכלי אחסון ממוקמים לעתים קרובות באזורים מרוחקים ללא חשמל רשת.תקנה טיפוסית משתמשת חיישן רמת מכ"ם עם משדר לרהWAN ופאנל סולארי.על ידי מחזור מכ"ם כדי למדוד פעם אחת לשעה ולהעביר את הנתונים פעמיים ביום, המערכת יכולה לפעול במשך שנים עם 10 פאנל סולארי W וגיבוי ליתיום קטן.

מים עירוניים ושפכים

בצמחי טיפול במים, ניטור ברמה רציפה חיוני עבור בקרת משאבה ומניעת זרימה.צמחים רבים עכשיו לפרוס חיישנים קוליים עם NB-IoT קישוריות, המופעל על ידי פאנל סולארי 5 W. אלגוריתם הדגימה אדפטיבית מפחית את תדירות המדידה בשעות ה off-peak, והמערכת משדרת התראות רק כאשר רמות גישה למגבלות קריטיות.זה הפחיתה צריכת אנרגיה ב-40% בהשוואה לעיצובים מוקדמים יותר, בעוד שתחת מעקב אחר פחמן.

גידול חקלאי

החקלאים משתמשים בחיישנים ברמת הדחיסות בדריות ובהתעלות לניהול הקצאת מים.חיישנים המופעלים על ידי השמש עם LoRaWAN הם כעת נפוצים, משדרים נתונים ברמת טמפרטורה אחת ביום.שימוש במצבי שינה עמוקים (3 μA) וזרם שידור נמדד של 25 מ"א ל-300 מ"מ מניב ממוצע של פחות מ -10 מיקרוA. A יחיד 18650thion-מטר, טעינה על ידי מערכת סולרית קטנה ללא כל שנה.

מסקנה

ניהול כוח יעיל הוא אבן הפינה של ניטור ברמה אמינה וחסכונית של רמה מתמשכת.על ידי הבנת פרופיל צריכת החשמל של כל רכיב מערכת וליישם שילוב של מצבי שינה, אופטימיזציה של העברת נתונים, איסוף אנרגיה, בחירת רכיב חכם ואלגוריתמים הסתגלות, מהנדסים יכולים להאריך חיי סוללה מחודשיים עד שנים - אפילו בסביבה הקשה ביותר.היתרונות מזיזים את עלויות התפעול, ירידה ההשפעה הסביבתית מסוללה, ולהגדיל את מערכת ניהול החשמל כיום, אך לא רק כדי להרחיב את אסטרטגיות יעילותן יעילות.