Si può automatizzare un impianto fotovoltaico utilizzando i plc e i le interfacce grafiche HMI normalmente impiegati nell’automazione industriale? Che tipo di plc possiamo installare per movimentare il pannello o per acquisire i dati dall’inverter?
Possiamo supervisionare il funzionamento dell’impianto utilizzando un pannello operatore o addirittura un sistema DAQ o SCADA?
Benvenuto nella sezione del sito dedicata all’automazione industriale, oggi parliamo di fotovoltaico, plc e sistemi di interfaccia uomo macchina.
Ecco gli argomenti di oggi:
L’impianto fotovoltaico e i le sue componenti di base.
Impiego dei PLC negli impianti fotovoltaici.
Sistemi di tracking solare.
Utilizzo del plc per movimentare i pannelli fotovoltaici e rilevarne la posizione.
Utilizzo del plc per acquisire dati dall’inverter fotovoltaico e dalle altre apparecchiature.
Utilizzo del sistemi HMI, acquisizione dati e SCADA per il monitoraggio dell’impianto fotovoltaico.
L’impianto fotovoltaico e le sue componenti di base.
L’impianto fotovoltaico è costituito principalmente da uno o più pannelli solari, un inverter, e un sistema di accumulo energia.
I pannelli producono energia elettrica in corrente continua per mezzo dell’esposizione al sole, l’inverter trasforma questa energia da corrente continua a corrente alternata, mentre il sistema d’accumulo (batterie) serve a immagazzinare l’energia prodotta dai pannelli.
Questi sono gli elementi di base di un sistema fotovoltaico, poi naturalmente ci sono tutta una serie di accessori e strumenti che completano l’installazione, tra i quali per esempio i misuratori di energia, oppure i trasformatori di tensione.
Ecco nella prossima immagine lo schema di un semplice impianto fotovoltaico che potrebbe per esempio servire una casa privata.
Nella prossima immagine invece possiamo vedere un impianto fotovoltaico più grande, utilizzato per generare energia da distribuire attraverso la linea elettrica. In questo caso troviamo i pannelli che vengono combinati in serie (stringhe), l’inverter, il trasformatore per elevare la tensione, e i tralicci di distribuzione (griglie).
Impiego dei PLC negli impianti fotovoltaici.
Ora che abbiamo visto com’è costituito un impianto fotovoltaico nella sua sostanza, vediamo perché potrebbe essere interessante integrarlo con un plc, il quale tra l’altro per questo tipo di applicazioni non ha nemmeno bisogno di essere un apparecchio troppo complesso e performante.
Fondamentalmente possiamo usare un plc per muovere i pannelli e per acquisire i dati dall’impianto; integrando poi un sistema interfaccia HMI potremo visualizzare lo stato dell’impianto, comandarlo, mostrare i dati e i parametri di funzionamento, e naturalmente storicizzare i dati per consultarli in un secondo momento.
Sappiamo che per ottenere delle buone performances dal sistema fotovoltaico, i pannelli devono essere ben disposti verso il Sole, la fonte di energia indispensabile per questo sistema di generazione elettrico.
Parliamo in questo caso di “solar tracking”, ovvero di sistemi di inseguimento del sole, i quali possono migliorare la produttività dell’impianto anche del 40%, a seconda delle zone in cui vengono installati.
La movimentazione dei pannelli è uno dei compiti che possiamo tranquillamente far svolgere a un PLC.
Per poter seguire il Sole è necessario muovere il pannello, cambiando la sua posizione su uno o due assi; i sistemi di inseguimento solare a un solo asse rappresentano un buon compromesso tra complessità dell’installazione e ingombro.
Indipendentemente dal numero di assi su cui scegliamo di muovere i pannelli, per svolgere questo compito ci si affida agli attuatori lineari o di altro tipo, che sono motori in grado di far compiere un movimento a un elemento come un pistone o un elemento rotante.
Anche i pistoni pneumatici sono utilizzati per movimentazioni lineari, tuttavia per l’applicazione di cui stiamo parlando, gli attuatori lineari elettrici sono più indicati per una serie di motivi, tra i quali il fatto di poter disporre di movimenti più precisi, anche con apparecchi con encoder a bordo e servo motori.
Sistemi di tracking solare.
Per “inseguire” il Sole ci sono diversi modi, il più semplice è quello di posizionare i pannelli in base alla data e l’ora; in questo caso il PLC potrà comandare gli attuatori a intervalli di tempo prestabiliti. Più la risoluzione del movimento è maggiore, meglio si potrà controllare l’esposizione alle radiazioni.
I sistemi di tracking solare più sofisticati, utilizzano algoritmi di calcolo complessi, e sensori che rilevano quanta energia solare raggiunge l’impianto (sensori di irraggiamento), oppure che “osservano” direttamente da che parte effettivamente il sole si trovi.
Questi sensori forniscono segnali analogici in tensione o corrente, facilmente interfacciabili con i PLC, e in certi casi offrono connessioni su bus di rete, solitamente RS485 (Modbus), oppure Modbus TCP/IP.
Utilizzo del plc per movimentare i pannelli fotovoltaici e rilevarne la posizione.
Gli attuatori lineari, come tutti i motori, possono essere comandati dal PLC in diversi modi: il primo semplicemente utilizzando delle uscite digitali che attraverso dei teleruttori o relé azionano il motore in un senso o nell’altro; nei casi più sofisticati potremmo utilizzare dei servo azionamenti.
Oltre a comandare l’organo che muove i pannelli fotovoltaici, il plc può ricevere dal campo dei segnali per conoscere la posizione del pannello; in questo caso affideremo il compito a diversi componenti come feedback o micro a induzione, potenziometri ed encoders.
Sugli attuatori sono installabili anche finecorsa meccanici di sicurezza che quando attivati interrompono l’alimentazione del motore.
Utilizzo del plc per acquisire dati dall’inverter fotovoltaico e dalle altre apparecchiature.
Se poter movimentare i pannelli fotovoltaici è importante per garantire la corretta esposizione ai raggi solari, raccogliere dati dall’impianto per monitorarne il funzionamento è altrettanto importante. Poter visualizzare lo stato delle apparecchiature, la posizione dei pannelli, l’energia prodotta e i parametri di funzionamento permette di avere impianti che funzionano meglio.
Per il monitoraggio e l’acquisizione dati si possono adottare diverse soluzioni, con sistemi dedicati (DAQ), applicazioni di supervisione industriale SCADA, oppure con pannelli operatore HMI.
Il plc, oltre che a comandare gli attuatori, può anche essere interfacciato con l’inverter e le altre apparecchiature di misura attraverso un bus di rete, solitamente sfruttando il protocollo Modbus RTU o il più performante Modbus TCP/IP.
A seconda del tipo di PLC, sarà possibile acquisire dati attraverso questi protocolli, e gli stessi dati possono essere visualizzati sulle interfacce grafiche, e naturalmente storicizzati. In questo caso il plc funzionerà sia come controllore per i movimenti, che come “gateway” per l’acquisizione dati, ove gli apparecchi HMI non siano in grado di interfacciarsi direttamente con le apparecchiature, oppure quando si vuole centralizzare la raccolta dei dati stessi.
Utilizzo del sistemi HMI, acquisizione dati e SCADA per il monitoraggio dell’impianto fotovoltaico.
Abbiamo visto che le soluzioni per monitorare e acquisire dati sono diverse, partiamo dal piccolo pannello operatore interfacciato con il plc, per arrivare a software specializzati di raccolta e storicizzazione dati, o addirittura interi sistemi SCADA.
Indipendentemente dal tipo di soluzione adottata, questi sistemi potranno raccogliere dati direttamente dall’inverter e dai misuratori, o leggerli dal PLC se questo viene impiegato come gateway.
I pannelli HMI sono apparecchiature autonome, mentre i sistemi SCADA spesso richiedono un computer. Ci sono poi data loggers e sistemi d’acquisizione che sono anch’essi apparecchiature stand-alone oppure software per pc; oggi inoltre troviamo in commercio anche sistemi con PLC e interfaccia HMI integrati.
Le moderne soluzioni di monitoraggio oggi offrono anche funzioni di telemetria, e in certi casi i dati possono essere acquisiti su un Cloud, per poter essere visualizzati ed elaborati attraverso Internet, ovunque ci si trovi. Anche il controllo dell’impianto può avvenire da remoto, grazie ad opportune architetture di routing e firewall, come le VPN.
Come abbiamo visto, l’integrazione di PLC e sistemi HMI negli impianti fotovoltaici è possibile e può ritenersi un’applicazione di un certo interesse; l’importante sarà cercare le giuste apparecchiature, che permettano di costruire soluzioni che offrano buone funzionalità a costi non elevati.