60
CVO Crescendo Vaartdijk 86 2800 Mechelen T 015 41 30 45 CVO CRESCENDO CENTRUM VOOR VOLWASSENENONDERWIJS Project ingediend tot het behalen van de titel van Gegradueerde in de Elektromechanica – HBO5 Optie procesautomatisering Cursist: Robbe Van Assche Projectverantwoordelijke: Linda Van den Broeck Bedrijf: CVO Crescendo ZONVOLGSYSTEEM MET KALENDERPROGRAMMERING

Eindwerk Robbe Van Assche rev6

Embed Size (px)

Citation preview

CVO Crescendo

Vaartdijk 86

2800 Mechelen

T 015 41 30 45

CVO CRESCENDO

CENTRUM VOOR VOLWASSENENONDERWIJS

Project ingediend tot het behalen van de titel van

Gegradueerde in de Elektromechanica – HBO5

Optie procesautomatisering

Cursist: Robbe Van Assche

Projectverantwoordelijke: Linda Van den Broeck

Bedrijf: CVO Crescendo

ZONVOLGSYSTEEM MET KALENDERPROGRAMMERING

CVO Crescendo

Vaartdijk 86

2800 Mechelen

T 015 41 30 45

CVO CRESCENDO

CENTRUM VOOR VOLWASSENENONDERWIJS

Project ingediend tot het behalen van de titel van

Gegradueerde in de Elektromechanica – HBO5

Optie procesautomatisering

Cursist: Robbe Van Assche

Projectverantwoordelijke: Linda Van den Broeck

Bedrijf: CVO Crescendo

ZONVOLGSYSTEEM MET KALENDERPROGRAMMERING

VOORWOORD

Een opleiding in avondschool is geen evident gegeven. Naast de 40-uren werkweek en de dagtaken

nog tijd vinden om les te volgen en te studeren is een verwezenlijking op zichzelf. Toch is het me

gelukt om deze combinatie te volbrengen met naar mijn gevoel weinig extra moeite. De interesse in

de leerstof samenhangend met de manier waarop deze aangebracht is, heeft dit nagenoeg pijnloos

gemaakt. Als er retrospectief wordt gekeken naar de voorbije 3 jaar, zijn er serieuze sprongen op

vlak van zowel carrière als van intellect genomen. Graag wil ik Jo en Linda hiervoor bedanken om

dit mogelijk te maken. Zij voeren hun ‘job’ uit, maar er zijn verschillende manieren om dit aan te

pakken. Verder heb ik geluk gehad dat ik in mijn eindwerk een interessegebied verder heb mogen

ontwikkelen dat reeds ontwikkeld is via deze opleiding. Elektronica is toch wel een grote portie van

de opleiding, waarbij vooral vermogenelektronica de favoriet was. De mechanische ondersteuning

die door mijn vader is verzorgd tijdens het eindwerk was ook niet onbelangrijk, waarvoor dank. Nu

is het tijd voor een toekomst waarbij ik mijn kennis en kunde verder kan uitbreiden en andere

academische uitdagingen kan aangaan.

Robbe Van Assche

“De auteur geeft de toelating dit afstudeerwerk voor consultatie beschikbaar te stellen en delen

van het afstudeerwerk te kopiëren voor eigen gebruik. Elk ander gebruik valt onder de beperkingen

van het auteursrecht, in het bijzonder met betrekking tot de verplichting de bron uitdrukkelijk te

vermelden bij het aanhalen van resultaten uit dit afstudeerwerk”

Mechelen, 3 juni 2013

Robbe Van Assche

“The author gives permission to make this thesis available for consultation and to copy

parts of this thesis for personal use. Every other use is limited by the Belgian copyright,

in particular regarding the obligation to make an explicit reference to this work.”

Mechelen, 3 juni 2013

Robbe Van Assche

SAMENVATTING Een zonvolgsysteem met kalenderprogrammering is een geautomatiseerde opstelling die de

meest optimale positie van een zonnepaneel instelt. Het vermogen dat uit het zonnepaneel

gehaald kan worden onder de vorm van elektrische energie wordt hierbij geoptimaliseerd.

De positie wordt berekend door met 3 parameters rekening te houden: datum, tijd en locatie. Er

worden formules gebruikt om de stand van de zon op dat exacte moment te bepalen. Als het

zonnepaneel ingesteld wordt zodat de zonnestralen loodrecht op zijn oppervlak invallen, kan

ervan uitgaan worden dat de meest optimale opbrengst verwezenlijkt wordt.

Door formules te gebruiken worden de invoerparameters omgevormd tot twee hoeken. Deze

hoeken beschrijven eenduidig de positie van de zon. Het betreft hier de azimut en zenit. Ze worden

gebruikt om het zonnepaneel in te stellen.

Als één of meerdere van de parameters tijd, datum of locatie verandert, worden de azimut en zenit

herrekend waarop het zonnepaneel correct ingesteld wordt. Hierdoor wordt er optimaal gebruik

gemaakt van de zonne-energie.

Invoer gebeurt door het gebruik van de HMI, die de gegevens naar de PLC doorgeeft. De PLC is

verantwoordelijk voor de uitvoer van de Azimut en Zenit. Er zijn verschillende formules in de PLC

geprogrammeerd, zodat deze twee hoeken door de PLC berekend kunnen worden. Vervolgens

stuurt de PLC zijn gegevens door naar de zonnemodule. Deze zonnemodule stuurt twee

stappenmotoren aan die de positie van het zonnepaneel bepalen.

Hierdoor kan het einddoel bekomen worden: de elektrische energie maximaliseren die uit de

zonnestralen gehaald kan worden.

INHOUD Voorwoord ........................................................................................................................................................................... 5

Samenvatting....................................................................................................................................................................... 6

Nomenclatuur ..................................................................................................................................................................... 9

Verklaringen ................................................................................................................................................................... 9

Afkortingen ..................................................................................................................................................................... 9

Vertalingen .................................................................................................................................................................... 10

Hoofdstuk 1: INLEIDING ................................................................................................................................................ 1

1.1 ALGEMEENHEDEN ........................................................................................................................................ 1

1.2 PLC ....................................................................................................................................................................... 2

1.3 HMI ....................................................................................................................................................................... 2

1.4 Zonnemodule ................................................................................................................................................... 3

1.4.1 Automatische modus .......................................................................................................................... 3

1.4.2 Manuele modus ..................................................................................................................................... 5

Hoofdstuk 2: OMGEVINGSKARAKTERISTIEKEN ................................................................................................. 6

2.1 ALGEMEENHEDEN ........................................................................................................................................ 6

2.2 Locatie................................................................................................................................................................. 7

Hoofdstuk 3: ZONNECOLLECTOREN......................................................................................................................... 8

3.1 ALGEMEENHEDEN ........................................................................................................................................ 8

3.2 Zonnecollectoren ............................................................................................................................................ 9

3.2.1 Fotovoltaïsche systemen ................................................................................................................... 9

3.3 Zonnevolgers ................................................................................................................................................. 14

Hoofdstuk 4: ZONNEMODULE ................................................................................................................................... 19

4.1 ALGEMEENHEDEN ...................................................................................................................................... 19

4.2 Elektronica ...................................................................................................................................................... 20

4.2.1 Overzicht ................................................................................................................................................ 20

4.2.2 Microcontroller ................................................................................................................................... 22

4.2.3 Motorsturing ........................................................................................................................................ 24

4.2.4 Printplaat ............................................................................................................................................... 25

4.2.5 Voeding ................................................................................................................................................... 27

4.3 Programmatie ................................................................................................................................................ 27

4.3.1 Registers ................................................................................................................................................. 28

4.3.2 I/O expanders ...................................................................................................................................... 29

4.3.3 Aansturing stappenmotoren .......................................................................................................... 33

4.4 Kostprijs ........................................................................................................................................................... 33

4.5 Realisatie ......................................................................................................................................................... 34

Hoofdstuk 5: PLC & INTERFACE ............................................................................................................................... 35

5.1 ALGEMEENHEDEN ...................................................................................................................................... 35

5.2 Netwerk ............................................................................................................................................................ 35

5.3 PLC ..................................................................................................................................................................... 37

5.3.1 Programmatie ...................................................................................................................................... 38

5.4 HMI ..................................................................................................................................................................... 40

5.5 Realisatie ......................................................................................................................................................... 41

BESLUIT............................................................................................................................................................................... 42

Bibliografie ......................................................................................................................................................................... 42

Lijst van grafieken/ tabellen/ figuren .................................................................................................................... 42

6 Bijlagen ...................................................................................................................................................................... 44

6.1 Bijlage A: Zonneberekeningen ................................................................................................................ 44

6.1.1 Inleiding ................................................................................................................................................. 44

6.2 Berekeningen ................................................................................................................................................. 45

6.3 Bijlage B: Gebruikersbundel .................................................................................................................... 49

NOMENCLATUUR V Spanning [Volt]

Ω Weerstand [Ohm]

A Stroom [Ampère]

VERKLARINGEN Topologie: De structuur van een netwerk.

Periferisch: Apparatuur die geen deel uitmaakt van de centrale verwerkingseenheid doch

wel daarmee is verbonden.

AFKORTINGEN NOAA: ‘National Oceanic And Atmospheric Administration’ NB: ‘Noorderbreedte’, varieert van 0° tot -90°

ZB: ‘Zuiderbreedte’, varieert van 0° tot -90°

OL: ‘Oosterlengte’, varieert van 0° tot 180°

WL: ‘Westerlengte’, varieert van 0° tot -180°

GPS: ‘Global Positioning System’ LCD: ‘Liquid Crystal Display’ GUI: ‘Graphical User Interface’ HMI: ‘Human Machine Interface’ PLC: ‘Programmable Logic Controller’ LASER: ‘Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation’ PCB: ‘Printed Circuit Board’ IC: ‘Integrated Circuit’ LED: ‘Light Emitting Diode’ IDE: ‘Integrated development environment’ USB: ‘Universal Serial Bus’ SMD: ‘Surface Mountable Device’ TQFP: ‘Thin Quad Flat Pack’ ADC : ‘Analog to Digital Converter’ PWM: ‘Pulse Width Modulation’ I2C: ‘Inter Integrated Circuit Bus’ TWI: ‘Two Wire Interface’ SPI: ‘Serial Peripheral Interface’ UART: ‘Universal Asynchronous Receiver Transmitter’ RISC: ‘Reduced Instruction Set Computer’ EEPROM: ‘Electric Erasable Programmable Read Only Memory’ ALU: ‘Arithmetic Logic Unit’ DIP: ‘Dual in-line package’ RMS: ‘Root Mean Square’ SRAM: ‘Static Random Acces Memory’ SCK: ‘System Clock’ CS: ‘Chip Select’ MOSI: ‘Master Out Slave In’ MISO: ‘Master In Slave Out’

VERTALINGEN Hemisphere: ‘Halfrond’

Equinox: ‘Nachtevening’

Solstice: ‘Zonnestilstand’

Equator: ‘Evenaar’

Equitorial plane: ‘Equatoriaal vlak’

Meridian: ‘Meridiaan’

Latitude: ‘Breedteligging’

Longitude: ‘Lengteligging’

Irradiance: ‘Irradiatie’

Observer: ‘Observator’

North pole: ‘Noordpool’

South pole: ‘Zuidpool’

Wavelength: ‘Golflengte’

Idle: ‘Rusttoestand’

Silicon: ‘Silicium’

1

HOOFDSTUK 1: INLEIDING

1.1 ALGEMEENHEDEN Dit eindwerk is de synthese van een 3 jaar durende opleiding waar de instrumenten aangereikt

werden om elk technisch probleem aan te pakken. Deze instrumenten strekken zich uit van een

grondige theoretische achtergrond tot een praktische kennis van de materialen en werking. Als

graduaat elektromechanica is het de bedoeling dat een breed spectrum van problemen aangepakt

kan worden. Gaande van een grote elektrische motor, tot een klein proportioneel regelventiel.

Dit eindwerk belicht echter maar een klein stuk van dit breed technisch spectrum. Als

elektromechanicus leer je dat alles verbonden is met elkaar, om zo een overzicht te behouden over

het volledige systeem. Hierdoor kunnen de theoretische principes die in de opleiding naar voor

komen, hergebruikt worden voor andere disciplines. Het principe van de werking van een LASER

(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) is bijvoorbeeld vergelijkbaar met een

operationele versterker die een positieve terugkoppeling heeft.

De groene revolutie is tegenwoordig ‘hot topic’ en heeft ook mijn interesse gewekt. De keuze van

het eindwerk is gemaakt met de samenhangende uitdagingen in het achterhoofd. Van een

zonvolgsysteem zijn de technische uitwerkingen eindeloos, ze zijn echter door de financiële

middelen beperkt.

De interface van de zonnevolger gebeurt via een HMI (Human Machine Interface). Dit is een

grafisch scherm met aanraakbediening, om de koppeling tussen mens en machine mogelijk te

maken. In dit geval kan informatie in de vorm van afbeeldingen en tekst worden weergegeven,

daarenboven kunnen er ook commando’s via de aanraaklaag en de toetsbediening doorgegeven

worden.

De PLC (Programmable Logic Controller) ontvangt en verwerkt de informatie van de HMI. Het is

de PLC die naar de stuurmodule de stand voor de 2 motoren doorstuurt. Op zijn beurt stelt de

stuurmodule deze waarden in. De uitgestuurde waarden worden niet gecontroleerd. Hierdoor is

het regelsysteem een open lus.

Hoofdstuk 1: INTRODUCTIE 2

Figuur 1: Topologie netwerk

In Figuur 1 kan je de topologie van de opstelling terugvinden. De opbouw van het netwerk bestaat

uit de PLC, de HMI en de zonnemodule. Aan de PLC is een in- en uitgangsbank gekoppeld waarnaar

verwezen wordt als decentrale periferie. Hierdoor is het mogelijk om de locatie van het systeem

op een bepaalde afstand van de logische controller te plaatsen.

1.2 PLC De PLC zorgt voor alle logische verwerkingen en berekeningen. In dit project wordt de invoer van

datum, tijd en locatie door middel van de HMI naar de PLC doorgeven. Op deze gegevens worden

welbepaalde berekeningen uitgevoerd. Hieruit komen twee hoeken die de positie van de zon

bepalen. Dit wordt doorgegeven aan de zonnemodule. Via een netwerkinterface communiceert

deze PLC met de HMI en met zijn periferische in- en uitgangen.

De periferische in- en uitgangen zijn in dit project noodzakelijk om extra in- en uitgangen te

creëren. Voor de nodige in -en uitgangen is de PLC ontoereikend. De periferische

uitbreidingskaarten kunnen zowel analoge als digitale signalen behandelen.

Via de in- en uitgangen communiceert de PLC met de zonnemodule. Hierdoor is een soort van

parallelle interface gecreëerd. Het gebruik van deze parallelle communicatie laat toe de positie

van de motoren, de status van het systeem en de bedieningsimpulsen door te geven.

1.3 HMI De HMI is een aanraakscherm dat de communicatie tussen mens en machine verzorgt. Op dit

scherm is alle informatie aangaande de status en stand van de motor gevisualiseerd. Welbepaalde

parameters worden ingegeven op de HMI. Dit omvat de datum, tijd en locatie op de aardbol. Extra

functionaliteit is toegevoegd, om manuele bediening mogelijk te maken. Hierbij is bijvoorbeeld

een storm -en schoonmaakstand mogelijk. Dit zijn vooraf ingestelde hoeken waarnaar het

zonnepaneel beweegt indien deze geselecteerd zijn.

De HMI heeft een LCD-scherm (Liquid Crystal Display) met een extra aanraaklaag. Door de

coördinaten van de aangeraakte positie te koppelen aan de grafische informatie die op het LCD-

scherm weergegeven wordt, kunnen vooraf ingestelde acties uitgevoerd worden. De software van

Siemens verzorgt deze koppeling voor de ontwerper. De opmaak van de GUI (Graphical User

Interface) is eenvoudig, enkel de visuele inhoud en de uitgevoerde acties dienen gespecifieerd te

worden.

Hoofdstuk 1: INTRODUCTIE 3

1.4 ZONNEMODULE De zonnemodule is een module die twee

motoren, een stuurprint en een zonnepaneel

bevat. Een verduidelijking vind je in Figuur 2. Om

een zonnepaneel beweegbaar te maken zijn twee

motoren, een mechanische constructie, een

motorsturing en het zonnepaneel nodig. In de

mechanische constructie bevinden zich de

toerentalreducering van de motoren, de

eindschakelaars, diverse bedieningselementen

en de stuurelektronica.

De stappenmotoren die gebruikt worden in de module, kunnen op verschillende manieren

aangestuurd worden. Met de beschikbare apparatuur was het niet mogelijk om de aansturing van

de stappenmotoren rechtstreeks via de PLC te verzorgen. De stuurmodules zijn aan te kopen,

maar kosten veel geld. Hierdoor is er besloten om een volledige oplossing te ontwerpen.

De module is een volledig onafhankelijke module die twee modi heeft. Het kan enerzijds

informatie ontvangen van de PLC en anderzijds in een manuele modus werken. In de manuele

modus is het mogelijk om als gebruiker door middel van twee potentiometers de hoek van de twee

motoren in te stellen. In de automatische modus worden de hoeken door de PLC bepaald.

1.4.1 AUTOMATISCHE MODUS De zonnemodule kan in twee richtingen communiceren met de PLC. Deze bidirectionele

communicatie is een samenstelling van meerdere unidirectionele signaallijnen.

Unidirectionele communicatie van de PLC naar de zonnemodule:

Positie in graden van de twee motoren.

Startcommando voor iedere motor.

Unidirectionele communicatie van de zonnemodule naar de PLC:

Status van iedere motor.

Figuur 2: Inhoud van de zonnemodule

Hoofdstuk 1: INTRODUCTIE 4

De zonnemodule wacht op het startcommando voor iedere motor. Als het startcommando wordt

gegeven, wordt de positie uitgelezen via de parallelle bus en de motor wordt gepositioneerd naar

de uitgelezen stand. Tijdens de herpositionering van de motor, geeft de zonnemodule zijn

statusverandering door naar de PLC. Indien de PLC dit startcommando geeft neemt hij een

statusverandering van de zonnemodule waar. Deze statusverandering wil voor de PLC zeggen dat

de motor zijn ingestelde hoek op dat moment wijzigt. Omdat het zonnepaneel aan de motor

vasthangt, verandert de positie van het zonnepaneel. Als de motor in zijn gewenste stand staat,

weet de PLC dit doordat de status van de zonnemodule wederom veranderd is. Indien de motor

zich niet herpositioneert, kan dit gedetecteerd en weergegeven worden op de HMI.

Het volledige systeem werkt in automatische modus volgens de volgende sequentie:

Stap 1: Invoer van de locatie, datum en tijd via de HMI.

Stap 2: De PLC maakt de nodige berekeningen.

Stap 3: De uitkomst van de berekeningen van de PLC zijn de zenit en azimut.

Stap 4: De zenit en azimut worden doorgestuurd naar de zonnemodule.

Stap 5: Zonnemodule stelt de zenit en azimut in en geeft terugkoppeling naar

de PLC.

Stap 6: De PLC krijgt de terugkoppeling, weet wanneer de motoren worden verplaatst en

wanneer ze op hun eindpositie terecht komen.

Stap 7: De gewenste hoek is ingesteld.

Stap 8: Wanneer de berekende hoek een te groot verschil vertoont met de werkelijk ingestelde

hoek, regelt de PLC de zonnemodule terug bij. Hierop worden stappen 2-7 opnieuw

doorlopen.

Een schematische beschrijving van dit stappenverloop vindt je in Figuur 3 terug.

Figuur 3: Sequentie automatische modus

Hoofdstuk 1: INTRODUCTIE 5

1.4.2 MANUELE MODUS Om de zonnemodule niet volledig afhankelijk te maken van de connectie met de PLC, is er een

manuele modus ingebouwd. Deze modus stelt de gebruiker in staat om de positionering van de

twee motoren te bepalen. Deze optie maakt testopstellingen zonder PLC mogelijk.

Zoals eerder vermeld, kan de stand van de motoren met twee potentiometers ingesteld worden.

Deze potentiometers stellen een analoge waarde in die door de zonnemodule op een resolutie van

10-bits wordt ingelezen. Hierop zet de module deze digitale waarde om naar een hoek en wordt

deze berekende hoek ingesteld.

Een potentiometer wordt aan beide zijden

verbonden met de voedingspanning. Door

de loper te verplaatsen is er een

spanningsdeler gecreëerd. Dit is een gevolg

van de weerstandsverhouding die

verandert. Hierdoor is de spanning op de

loper ten opzichte van de massa regelbaar.

De aansluitingen van een potentiometer is

terug te vinden in Figuur 4.

Een resolutie van 10-bit doelt op het volledige bereik van de voedingspanning, die door de ADC

omgezet wordt in een 10-bits waarde. Een 10-bitswaarde gaat decimaal van waarde 0 tot 210-1.

Indien de voedingspanning 5V bedraagt, komt de digitale waarde 1024 overeen met de analoge

spanning 5V, de digitale waarde 0 komt overeen met de

analoge spanning 0V. Als een voedingspanning van 5V

aangelegd wordt, dan stelt iedere bit 5V/1024 of 4,883mV

voor. De software verschaalt dit bereik van 0 tot 1024 op een

lineair wijze naar 0 tot 180. Hierdoor is het mogelijk de

gewenste hoek in graden in te stellen met de potentiometer.

In Figuur 5 is te zien dat bij een omzetting van een analoge

naar een digitale waarde er stapsgewijs tewerk gegaan

wordt. Hierdoor bepaald de grootte van de stappen de

resolutie van de omzetting. Een groter aantal stappen heeft

tot gevolg dat het bereik in een groter aantal delen wordt

verdeeld. Hierdoor stijgt de resolutie.

Figuur 5: Resolutie van een meetwaarde

10K

R1

Potentiometer

+5

GND

NAAR ADC

Figuur 4: Principe van een potentiometer

6

HOOFDSTUK 2: OMGEVINGSKARAKTERISTIEKEN

2.1 ALGEMEENHEDEN Als basisparameters zijn er de tijd, datum en locatie op de wereldbol. Met deze gegevens wordt de

positie van de zon bepaalt. Deze positie wordt via formules omgevormd naar de twee hoeken die

de stappenmotoren dienen in te nemen. De berekeningen die op de 3 basisparameters uitgevoerd

worden, gebeuren door de PLC. Om de theorie achter deze berekeningen te begrijpen, is het nodig

om dieper op deze materie in te gaan. Het samenstellen van de formules geeft verschillende

resultaten die niet voldoen aan de nodige nauwkeurigheid. Het NOAA (National Oceanic And

Atmospheric Administration) heeft een Excel-bestand ter beschikking die de nodige berekeningen

bevat. Om de complexiteit van het project niet op te voeren, zijn de formules van het NOAA

gebruikt. Deze zijn omgezet naar wiskundige formules. Na deze omzetting zijn de wiskundige

formules geprogrammeerd in de PLC. De nauwkeurigheid van de tussenresultaten speelt hierbij

een belangrijke rol. De tussenresultaten bestaan uit kommagetallen met veel beduidende cijfers,

wat de programmatie bemoeilijkt. Om afrondingsfouten te vermijden is er in de PLC gekozen om

een 32-bit formaat te gebruiken voor de tussenresultaten. De berekeningen zijn als bijlage

toegevoegd. De cursussen met achterliggende theorie en principes staan op de bijgevoegde CD-

ROM.

De theorie die achter de berekeningen schuilt, is uiterst interessant. Enkele voorbeelden:

-De duurtijd van een dag varieert, waardoor hij niet steeds exact 24uur is. Dit is te wijten aan de

elliptische baan die de aarde rond de zon maakt, waarbij de invloed van de verschillende

zwaartekrachten op welbepaalde krachtmomenten de resultante anders beïnvloeden.

-De invloed van de seizoenen, wat een gevolg is van de verschuiving van 23,5° die de as van de

aarde maakt ten opzichte van een as, loodrecht op het elliptisch vlak, heeft een effect op de positie

die de zon heeft ten opzichte van de aarde in een tijdsverloop van een jaar.

Hoofdstuk 2: OMGEVINGSKARAKTERISTIEKEN 7

2.2 LOCATIE Het geografische coördinatenstelsel wordt gebruikt om een locatie op de aarde uniek te bepalen.

De drie parameters die nodig zijn om de locatie te bepalen zijn de breedte-, lengte- en

hoogteligging. Om het stelsel te vereenvoudigen, kan de hoogteligging weggelaten worden. Met de

breedte- en lengtebepaling is het voor de zonneberekeningen mogelijk om een locatie eenduidig

te bepalen.

Figuur 6: Geografische coördinatenstelsel

In Figuur 6 kan je een verduidelijking zien van het geografische coördinatenstelsel. De aarde

wordt in twee verdeeld door de evenaar (Equator) en de Greenwich meridiaan (Greenwich

meridian). Met deze doorsneden zijn nulpunten gecreëerd. Vanaf de nulmeridiaan verdeelt de bol

zich in graden. De telling van de lengtegraad gebeurt vanaf de Greenwich meridiaan. Lengtegraad

λ in Figuur 6 gaat van 0° tot 180° in het oostelijk halfrond. In het westelijk halfrond varieert de

lengtegraad van 0° tot -180°. Breedtegraad ϕ in Figuur 6 gaat van 0° tot 90° in het noordelijke

halfrond, terwijl de breedtegraad varieert van 0° tot -90° in het westelijke halfrond.

De hoogtegraad is de lengte van het middelpunt van de aarde tot de plaats op het oppervlakte van

de bol. Deze afstand wordt in Figuur 6 voorgesteld door de afstand |CG| en |OC|. In de praktijk

wordt er gerefereerd naar de zeespiegel. Hierbij is een vaste afstand van |CG| bepaalt en als

‘nulpunt’ genomen. Hoogten kunnen dan in meters uitgedrukt worden vanaf dit punt, omdat ze

relatief ten opzichte van dit ‘nulpunt’ refereren. In de praktische uitwerking van dit project,

worden de hoogtegraden niet gebruikt.

Een voorbeeld: de locatie van Brussel in coördinaten beschreven geeft 50,846667 NB (ϕ) en

4,354722 OL (λ).

In de berekeningen komt de breedte- en lengtegraad resp. naar voren komen als ‘latitude’ en

‘longitude’.

8

HOOFDSTUK 3: ZONNECOLLECTOREN

3.1 ALGEMEENHEDEN Zonnecollectoren zijn energieomvormers. Ze vormen elektromagnetische energie van de zon om

naar een andere energievorm. De zon zendt energie onder de vorm van elektromagnetische

straling uit naar alle richtingen. Deze energie wordt in verschillende frequenties uitgestuurd. Naar

gelang de frequentieband, identificeert men dit als een andere ´soort´ straling. Gamma- stralen

hebben als inhoud elektromagnetische straling van zeer hoge frequenties, terwijl infrarode

straling een elektromagnetische straling is met een spectrale inhoud van een lagere frequentie.

De energie van de zon legt een lange weg af totdat ze op het aardoppervlak terechtkomt. Tijdens

deze verplaatsing, worden er bepaalde frequenties geabsorbeerd door de verschillende media

waar het zonlicht door schijnt. Om de verschillende berekeningsmethoden te standaardiseren

wordt er gebruik gemaakt van een gemiddelde zonnestraling, ook wel gemiddelde insolatie of

irradiatie genoemd. De gemiddelde irradiatie kan je in Grafiek 1 terugvinden. Exact uitgedrukt is

dit de totale gemiddelde spectrale inhoud van de elektromagnetische straling die op de aarde

binnenvalt op een gemiddelde afstand van de aarde tot de zon. Deze constante bedraagt

1366,1W/m2.

Grafiek 1: Zonneconstante van 1366,1W/m2

Hoofdstuk 3: ZONNECOLLECTOREN 9

3.2 ZONNECOLLECTOREN Er bestaan diverse energieconvertoren die zonne-energie omvormen. Om zonnecollectoren te

behandelen zonder onnodig uit te breiden, is gekozen om enkel fotovoltaïsche collectoren te

bespreken.

De efficiëntie van fotovoltaïsche cellen ligt ver onder de efficiëntie van bijvoorbeeld parabolische

collectoren. Parabolische collectoren zijn gemaakt van spiegels die de zonnestralen op een

welbepaald punt richten. Hierbij reflecteren ze de volledige spectrale inhoud vanaf het

oppervlakte van de spiegels tot op dit brandpunt. De volledige energie van de zon wordt hierdoor

benut en net daarom worden deze technieken gebruikt voor grote installaties, waarbij de

efficiëntie een grote rol speelt.

3.2.1 FOTOVOLTAÏSCHE SYSTEMEN Een fotovoltaïsche cel is een element dat de elektromagnetische energie van het zonlicht omvormt

naar elektrische energie, waarbij er geen gebruik gemaakt wordt van bewegende onderdelen.

Hieruit komt voort dat deze systemen weinig onderhoud vereisen en een lange levensduur

hebben. Tijdens de werking van deze zonnecellen stoten ze geen CO2 uit, waardoor de term

‘groene energie’ naar boven komt. Er moet echter opgemerkt worden dat de fabricage van deze

panelen ook een bepaalde energie vergt. Net zoals de permanente magneten die deel uitmaken

van een generator die in een windmolen gebruikt is, is het delven en het verwerken van de

grondstoffen zeer energievretend. Hierdoor dient de term ‘groene energie’ met een korrel zout

genomen te worden, omdat naar het totale plaatje gekeken dient te worden. De fotovoltaïsche

cellen bestaan al enkele decennia. Het keerpunt waarbij de nodige energie om het paneel te maken

kleiner werd dan de energie die een zonnecel opbrengt heeft echter lang op zich laten wachten. In

Figuur 12 kan je de evolutie van de efficiëntie die de zonnecellen bezitten terugvinden.

De werking van een zonnecel rust op twee gedopeerde halfgeleiders, namelijk van het p- en n-

type. Door de inwerking van de elektromagnetische straling en de fotonen op het oppervlakte van

de zonnecel, staat er door de compositie van specifieke p- en n-type materialen een spanning over

de anode en kathode. Meerdere pn-juncties worden ook gebruikt. Uit de zonnecel volgt

gelijkspanning en -stroom die ten gevolge van deze excitatie van elektronen plaatsvindt. De

elektrische energievorm is het bruikbare product dat door een zonnecel geleverd wordt.

De fotovoltaïsche cellen kunnen opgebouwd zijn uit één of meerdere lagen. Deze lagen vormen

juncties van p- en n-type materiaal. Deze lagen worden steeds op een substraat bevestigd. Glas,

metaalfolie of welbepaalde polymeren kunnen hiervoor gebruikt worden.

Een cel kan uit verschillende materialen gemaakt worden, waarbij vooral de opbrengst,

levensduur en kostprijs de belangrijkste factoren zijn. Enkele van deze materialen zijn silicium,

cadmium, telluride, koper, indium, gallium en selenide. Er worden composities gemaakt zoals

Cadmiumsulfide (CdS), Kopersulfide (Cu2S), Galliumarsenide (GaAs), Koper indium gallium

selenide (CuIGaSe2), Koper telluride (CuTe).

Een halfgeleider is gekarakteriseerd door een vrij nauwe energiekloof. Deze energiekloof of ‘band

gap’ is terug te vinden in Figuur 7. Typisch is dit een fractie van een elektronvolt tot enkele

elektronvolts. Elektronen kunnen door een foton geëxciteerd worden van de valentie- naar de

geleidingsband. Na de excitatie is er een elektron-gat paar gemaakt. Het elektron-gat paar houdt

een substantieel deel van de energie afkomstig van het foton vast. Na het maken van dit elektron-

Hoofdstuk 3: ZONNECOLLECTOREN 10

gat paar scheidt de pn-junctie het geëxciteerde elektron met het bijhorende gat van elkaar.

Hierdoor is een spanningsverschil opgebouwd tussen de p- en n-junctie.

Figuur 7: Verschillende energieopbouw tussen geleider, halfgeleider en isolator

(a) Voor geleiders (conductors), is het grootste ingenomen energieniveau in het midden van de energieband gesitueerd. (b)

Voor halfgeleiders (semiconductor) is het hoogste ingenomen energieniveau gelijk aan het bovenste energieniveau van de

bandkloof. De energiekloof tussen de geleidingsband is echter zeer klein. (c) Als de energiekloof zeer groot is, is het

materiaal een isolator (insulator).

Figuur 8: Bandkloven bij enkele halfgeleiders

De golflengte van licht in correspondentie met de energiekloof is eveneens weergegeven. De meeste halfgeleiders die in een

zonnecel gebruikt worden, hebben een energiekloof (Eg) die met de fotonen overeenkomen die zich in het bijna-infrarode

of het zichtbare licht bevinden.

Hoofdstuk 3: ZONNECOLLECTOREN 11

De zonnecel opgebouwd van kristallijn silicium was de eerste praktische zonnecel. Deze is

uitgevonden in 1954. Dit type zonnecel heeft op schaal van massaproductie in zijn huidige vorm,

met het huidige productieprocedé, een efficiëntie van 14-20%. De kristallijne cellen hebben nog

steeds de hoogste efficiëntie tussen de verschillende zonnecellen met een enkele laag. Ze bezitten

75% marktaandeel. Er bestaan mono-, polykristallijne en amorfe zonnecellen. De amorfe ‘thin-

film’ silicium zonnecellen zijn goedkoper te produceren, maar bezitten slechts een efficiëntie van

6-10%. Tussen de kristallijne en amorfe zonnecellen liggen de CIGS (Koper Indium Gallium

Selenide) en CdTe-CdS (Cadmium Telluride-Cadmium Selenide) zonnecellen. Deze hebben typisch

een rendement van 10%.

Figuur 9: Overzicht van de verschillende zonnecellen

Figuur 10: Opbouw van verschillende zonnecellen

Hoofdstuk 3: ZONNECOLLECTOREN 12

In Figuur 10 vindt je enkele voorbeelden terug van composities die gebruikt worden in

zonnecellen. Door het gebruik van verschillende juncties wordt de residuele elektromagnetische

energie, die door de voorgaande laag komt, omgezet in een spanning. Hierbij is een welbepaalde

laag geoptimaliseerd om een welbepaalde golflengte op te nemen en de resterende golflengtes

door te laten. Er kan verder nog opgemerkt worden dat er bij de modules van mono- en

polykristallijne opbouw een verschil tussen de diverse cellen is.

Omdat de mono-kristallijne cellen op een cilindrische wafer gemaakt worden, blijft bij het

versnijden tot cellen een deel van de wafer over. Omdat de wafer van polykristallijne cellen echter

een rechthoekige vorm heeft, is hier geen overschot. Dit verschil in vorm van de wafer is te zien

in de opbouw van de modules. Waar de cellen van de mono kristallijne module (a) een octogonale

vorm hebben, bezitten de cellen van een polykristallijne module (b) een rechthoekige vorm. Dit is

weergegeven in Figuur 11.

Figuur 11: Verschil tussen mono- en polykristallijne modules

In Figuur 12 kan je een overzicht vinden van de verschillende fotovoltaïsche technieken met hun

bijhorende efficiënties. Hierbij is duidelijk te merken dat de technieken met meerdere juncties een

positieve invloed hebben op de efficiëntie. Op economisch vlak hangt het ervan af of de

toegevoegde efficiëntie ook een afname in totale kostprijs met zich meebrengt. Omdat deze

zonnecellen een hoge absorptie coëfficiënt bezitten, is het benodigde materiaal kleiner, wat de

eenheidsprijs ook lager maakt.

Hoofdstuk 3: ZONNECOLLECTOREN 13

Figuur 12: Technologische evolutie van de zonnecel

Hoofdstuk 3: ZONNECOLLECTOREN 14

3.3 ZONNEVOLGERS Zoals de naam al zegt, is een zonnevolger een systeem dat gemaakt is om de zon te volgen.

Hiervoor bestaan verschillende systemen. Het meest optimale systeem zorgt ervoor dat de

elektromagnetische stralen loodrecht op het zonnepaneel terechtkomen. Indien dit niet het geval

is treden er zogenaamde cosinusverliezen op. Dit wil zeggen dat er maar een deel van de totale

energie opgevangen wordt. In Figuur 13 is dit verduidelijkt: als GBn niet gelijk is aan GB, treden er

cosinusverliezen op.

Figuur 13: Cosinusverliezen

Bij een statisch systeem wordt het zonnepaneel onder een welbepaalde hoek β geplaatst zodat de

cosinusverliezen beperkt blijven op een welbepaalde locatie op de aarde. Hiervoor bestaan

berekeningen waarbij de breedte- en lengtegraad in rekening gebracht worden. Een extra

parameter is de positie van de piek in insolatie in de tijdspanne van een jaar. Een voorbeeld

hiervan zijn zonneboilers die op een dak gemonteerd zijn, waarbij men in de winterperiode een

zo hoog mogelijk rendement wil behalen. Hierdoor heeft de ruimte die verwarmd wordt meer

energie ter beschikking. Door de hellingshoek β te veranderen, kan men de piek verschuiven om

zo de meest optimale efficiëntie in te stellen die de toepassing vergt. Richtwaarden zijn 30-40°.

Een zonvolgsysteem kan in diverse opstellingen uitgevoerd worden. De kostprijs is hierbij de

grootste drijfveer. Men heeft enerzijds de kostprijs van het systeem en anderzijds de opbrengst

van het systeem. Bij een zonnestudie wordt er in kaart gebracht wat de maximale opbrengst is op

een specifieke locatie, voor ieder zonvolgsysteem. Er zijn principieel 4 verschillende

volgsystemen.

Hoofdstuk 3: ZONNECOLLECTOREN 15

Een volledig volgend zonvolgsysteem dient twee bewegingen van de zon bij te houden: azimut en

zenit. De azimut is de hoek die de zon inneemt op het vlak van de evenaar, gerekend vanaf het

noorden met de klok mee. Zenit is de elevatie van de zon. In Figuur 14 zijn diverse parameters

gedefinieerd. Wat hier interessant is, is de verandering van de declinatie δ. In Figuur 15 kan je

zien dat er een verandering van de declinatie optreedt door de verschuiving van de rotatie-as van

de aarde ten opzichte van een as loodrecht op het rotatievlak van de aarde om de zon. Deze

verandering van declinatie is de verandering van δ.

Figuur 14: Zonneparameters

Figuur 15: Jaarlijkse variatie van declinatie

Hoofdstuk 3: ZONNECOLLECTOREN 16

Door de verandering van de declinatie δ, verandert de zon van hoogte in de lucht als men vanuit

het perspectief van iemand op het aardoppervlakte kijkt. Om deze omzetting van perspectief te

differentiëren, spreekt men van de zenit. Dit is de hoek die de zon maakt met de as noord-zuid. Dit

is terug te vinden onder de parameter ϕ in Figuur 16.

Figuur 16: Zenit ϕ van de zon

Een zonnevolger dient de zenit en azimut te bepalen en te volgen. Het is mogelijk om deze

waarden te meten met een pyrometer, of te berekenen. In Figuur 17 worden de 4 verschillende

zonvolgsystemen opgelijst. Het meest optimale systeem is de volledige zonnevolger die de

verandering van de azimut en zenit bijhoudt (a). Een ander systeem kan enkel de azimut

bijhouden (b). Hierbij is de impact op het systeem direct zichtbaar, omdat er maar één motor

aanwezig is. Een opstelling die rond de as west-oost (c) en noord-zuid (d) de zon volgt, is ook

mogelijk. Bij een volledige zonnevolger die zowel de azimut als de zenit volgt, kan men een

maximum aan insolatie bereiken. De variatie van de insolatie tijdens de winter en zomer ligt hier

op het maximaal haalbare. Dit is te zien in Grafiek 2. Als enkel de azimut gevolgd wordt, ziet men

ten opzichte van deze maximum insolatie een verlies ten gevolge van de beruchte

cosinusverliezen. In Grafiek 3 is dit merkbaar. Het is merkbaar dat de zonnevolger is

geoptimaliseerd zodat er ’s middags geen verliezen plaatsvinden. Hier vinden geen verliezen ten

opzichte van de volledige zonnevolger plaats. Een zonnestudie is op basis van deze insolatie-data

een keuze maken tussen de verschillende systemen met de kostprijs als doelstelling.

Hoofdstuk 3: ZONNECOLLECTOREN 17

Figuur 17: Zonvolgsystemen

Grafiek 2: Insolatie bij volledige zonnevolger

Hoofdstuk 3: ZONNECOLLECTOREN 18

Grafiek 3: Insolatie bij azimut-volger

19

HOOFDSTUK 4: ZONNEMODULE

4.1 ALGEMEENHEDEN De praktische uitwerking van dit project heeft als basis een beweegbare lamp die in de

entertainmentsector gebruikt werd. De beweging van de lamp wordt verzorgd door

stappenmotoren. Iedere stappenmotor is bevestigd op een afzonderlijke as. Deze assen staan

loodrecht op elkaar. Het geheel kan hierdoor perfect dienst doen als volledige zonnevolger. De

ene motor kan de beweging van de azimut voor zijn rekening nemen, terwijl de andere motor de

zenit kan instellen. Het dient ook mogelijk te zijn om commando’s van de PLC door te sturen naar

de zonnemodule om de gewenste hoeken in te stellen.

Er zijn bij deze module zowel hardware- als softwarematige uitdagingen. Het hardwarematige

gedeelte omvat vooral de elektronische schakelingen en de mechanische constructie van alle

componenten. Voor deze elektronische schakeling is besloten om een volledige printplaat te

ontwerpen die aan de noden voldoet. Deze printplaat bestaat uit twee koperlagen met een kern

uit glasvezel. Een professionele firma fabriceert deze printplaat. Het softwarematige aspect omvat

de programmatuur van de microcontroller die de volledige module voor zijn rekening neemt.

Om zeker te zijn dat het concept werkt, wordt er eerst een ‘proof of concept’ opgebouwd, waarbij

de werking van de soft- en hardware aangetoond wordt. De volgende stap is het ontwerp van een

printplaat of PCB (Printed Circuit Board). De opbouw van de gemaakte printplaat volgt hierna,

wat inhoud dat de componenten gesoldeerd worden op de plaatsen waar het koper bloot is

gelaten. De verbindingen met de motoren en het monteren van alle componenten in een

aangepaste mechanische structuur is de laatste stap.

Het ontwerpen van een printplaat wordt in een elektronische opleiding volledig uitgelegd.

Voorgaande ervaring was niet aanwezig bij het begin van het project. Er is gekozen voor ‘surface

mount’ vormfactoren om de inbouwhoogte en printgrootte te minimaliseren. Hierdoor is

bijvoorbeeld een weerstand met de vormfactor ‘0603’ 0,76mm breed en 1,5mm lang is. Dat dit

een uitdaging is, dient niet gezegd te worden.

Hoofdstuk 4: ZONNEMODULE 20

4.2 ELEKTRONICA

4.2.1 OVERZICHT Het ontwerp van de zonnemodule dient aan enkele voorwaarden te voldoen. :

- De stuurprint moet galvanisch gescheiden zijn van de PLC;

- De zonnemodule moet door een PLC aangestuurd worden;

- De zonnemodule moet onafhankelijk kunnen werken.

Voor de communicatie met de PLC is een seriële bus met een eigen protocol mogelijk. De

voornaamste reden om hier gebruik van te maken, is de besparing aan het aantal in- en uitgangen.

Dit kan echter zeer complex worden. Daarom is er besloten om een parallelle bus te maken voor

de informatieoverdracht. Er is gekozen om de stand van de motor in graden door te sturen van de

PLC naar de zonnemodule. Een startsignaal dient begeleidend bijgevoerd te worden per motor en

een statussignaal per motor is eveneens noodzakelijk. Door 7 datalijnen te gebruiken kunnen er

27 combinaties gemaakt worden. Als er softwarematig in de microcontroller 27 vermenigvuldigd

wordt met 2, komt men aan 256. Hierdoor is een resolutie van 2 graden mogelijk. Door de 7

datalijnen per motor plus het begeleidende start- en statussignaal komt het totaal op 9 signalen

per motor. In totaal vergt het systeem 16 uitgangen en 2 ingangen van de PLC. Dit resulteert in 16

ingangen en 2 uitgangen op de zonnemodule. Je vindt een verduidelijking in Figuur 18.

Figuur 18: Communicatielijnen

Een andere vereiste is het galvanisch gescheiden systeem. Dit wordt verzorgd door ‘optocouplers’

te gebruiken. Een ‘optocoupler’ is de combinatie van een LED (Light Emitting Diode) en een

fototransistor. Als de LED aangestuurd wordt, gaat de fototransistor in geleiding en is het signaal

doorgegeven. Door deze schakeling is het mogelijk om licht als communicatiemedium te

gebruiken. Het resultaat is dat de elektrische kring van de diode elektrisch gescheiden is van de

elektrische kring waar de fototransistor een deel van maakt. Eventuele fouten of overspanningen

van de zonnemodule of de PLC worden niet overgezet op elkaar. Een verduidelijking van een

signaal dat van de PLC komt en dat naar de microcontroller gaat, is terug te vinden in Figuur 19.

Hierbij limiteert de weerstand A de stroom door de diode. 24V/3kΩ = 8mA. De stroom die door

de LED loopt bedraagt 8mA. Op de uitgang verzorgt A’ de functie van ‘pull-up weerstand’. Hierbij

zorgt A’ ervoor dat er 5V op signaallijn ‘MOT1_MUX0’ terechtkomt. Als de fototransistor in

geleiding gaat, wordt het signaal op ‘MOT1_MUX0’ 0V. Voor de pull-up-weerstand wordt 1kΩ

Hoofdstuk 4: ZONNEMODULE 21

gebruikt, en niet de typische waarde van 10kΩ, om zoveel mogelijk dezelfde waarden te

gebruiken. Dit heeft een vermindering van de materiaallijst tot gevolg.

Figuur 19: Opto coupler ingang

Voor Figuur 20 geldt hetzelfde principe, hier wordt echter de diode aangestuurd door de

microcontroller. Er wordt opgemerkt dat de voeding van de microcontroller zich op een hoogte

van 5V bevindt en de voeding van de PLC op 24V-0,7V. Hierbij is de voeding van de PLC niet exact

24V omdat er zich in de stuurkast een diode bevindt dat voeden vanaf de stuurmodule naar de

stuurkast onmogelijk maakt. De spanningsval over de pn-junctie van een diode met typenummer

1N4007 bedraagt ongeveer 0,7V.

Figuur 20: Opto coupler uitgang

Om aan de laatste voorwaarde te voldoen, kan de module manueel bediend worden door middel

van potentiometers om de hoeken in te stellen. De werking van de potentiometers is echter reeds

uitgelegd in 1.4.2 Manuele modus op pagina 5.

U10

MOT1_MUX0

GND2 GND

MOT1_MUX0_PLC MOT1_MUX0

3K

A

0603

1K

A'

0603

+5

GND2GND

MOT1_RD_PLCMOT1_RDU29

MOT1_RD

3K

J'

0603

PLC

1K

J

0603

Hoofdstuk 4: ZONNEMODULE 22

4.2.2 MICROCONTROLLER Door reeds opgebouwde ervaring met het Arduino-platform, is besloten om dit te gebruiken als

basis. De module dient een geïntegreerd systeem te zijn, omdat het later als didactische opstelling

in het CVO blijft staan. Hierdoor is de chip van de Arduino gebruikt, om het systeem compatibel te

maken met de Arduino IDE (Integrated development environment). Een IDE is een

softwareomgeving waarin de software geschreven kan worden. Het is mogelijk om via een extra

programmeermodule de microcontroller te programmeren. Een Arduino-bord heeft een

geïntegreerde USB-poort (Universal Serial Bus), waardoor enkel een USB-kabel nodig is.

De bewuste microcontroller is de ATMega328p-AU. De vormfactor van deze geïntegreerde

schakeling is een SMD (Surface Mount Device), waarvan de footprint een TQFP32 (Thin Quad Flat

Pack) is. In Figuur 21 vindt je de aansluitingen van de chip. Hierbij is het zichtbaar dat er 3 pin-

banken beschikbaar zijn. Pin-bank B, C en D. Pin-bank C bevat voornamelijk de poorten die met

de ADC (Analog to Digital Converter) verbonden zijn: PC5, PC4, PC3, PC2, PC1, PC0. PC6 is de reset

pin. Pin-bank B en D zijn digitale banken. Verder zijn er diverse aansluitingen voor de

voedingspanning VCC en de massa-aansluiting GND. Voor de ADC is er een aparte voeding AVCC

en spanningsreferentie AREF. Deze mogen op dezelfde potentiaal als VCC aangelegd worden.

Verder bezit de microcontroller over 2 aansluitingen voor het oscillatie-kristal. Dit kristal brengt

de snelheid waarmee de microcontroller werkt van 1MHz die de interne RC-oscillator voorziet,

naar 16Mhz. Dit kristal wordt in een pi-netwerk aangesloten met twee condensatoren. Deze

aansluitingen zijn PB6 en PB7, en worden geconfigureerd als XTAL1 en XTAL2. Indien er bij een

bepaalde pin PCINTxx staat, wil dit zeggen dat er een ‘pin change interrupt’ waargenomen kan

worden. De hardware matige interrupts worden gekenmerkt door INTx. Deze pinnen hebben de

mogelijkheid om de microcontroller te onderbreken en een welbepaalde code uit te voeren bij een

verandering van de status. De status van de pin wordt geïnterpreteerd als een logische 0 als het

onder 20-30% van VCC is, en als een logische 1 als de spanning zich boven 60-70% van VCC

bevindt. PWM-functionaliteit (Pulse Width Modulation), is dan weer terug te vinden bij de OCxA

of OCxB notering, wat er op doelt dat deze functionaliteit aan interne timer A of B gekoppeld is.

De seriële datacommunicaties ‘I2C’, ‘SPI’ en ‘UART’ zijn ook aanwezig in deze microcontroller. ‘I2C’

is ontwikkeld door Philips en kan door redenen van patenten niet gebruikt worden door Atmel.

Hierdoor refereert Atmel hiernaar als TWI. I2C staat voor ‘Inter Integrated Circuit Bus’. De variant

van Atmel, TWI, staat voor ‘Two Wire Interface’. ‘SPI’, wat gebruikt wordt om de

programmeercode in de microcontroller te krijgen, staat voor ‘Serial Peripheral Interface’. Deze

seriële datatechniek wordt ook gebruikt om te communiceren met enkele componenten in dit

project. Als laatste is er de ‘UART’ mogelijkheid. Dit staat voor ‘Universal Asynchronous Receiver

Transmitter’, maar wordt ook vernoemd als ‘RS232’. De Arduino bezit een chip dat deze

‘RS232/UART’ omzet naar ‘USB’, om via dit serieel protocol de programmeercode te uploaden

naar de chip. Om van deze mogelijkheid gebruik te kunnen maken is het echter noodzakelijk dat

er reeds een stuk code op de chip aanwezig is. Deze speciale code die het programmeren via

‘UART/RS232’ mogelijk maakt, wordt de ‘bootloader’ genoemd.

Hoofdstuk 4: ZONNEMODULE 23

Figuur 21: ATmega328p-AU pinout

De verschillende datacommunicaties hebben specifieke datalijnen die gekoppeld zijn aan de

softwarematige functionaliteit binnenin de microcontroller. Hieronder vindt je een opsomming

van de gebruikte datalijnen met hun corresponderende aansluitingen op de microcontroller. Een

toelichting over de werking van I2C en RS232 is in dit project echter niet aan de orde. Om deze

reden wordt er hierover niet verder uitgewijd. SPI is echter wel een deel van dit project, maar dit

wordt samen met de programmatietechniek uitgebreid uitgelegd in 4.3.2 I/O expanders.

I2C: SDA (PC4), SCL (PC5)

SPI: MOSI (PB3), MISO (PB4), SCK (PB5)

RS232/UART: TXD (PD1), RXD(PD0)

Verder is de architectuur van deze microcontroller gebaseerd op een 8-bit RISC-processor

(Reduced Instruction Set Computer). De registers, wat banken zijn waar data in weggeschreven

wordt, zijn van 8-bit lengte. Omdat er 32KB EEPROM (Electric Erasable Programmable Read Only

Memory) aanwezig is in de microcontroller, heeft ieder van deze 32 000 banken van 8-bitlengte

een verschillend adres. Een 8-bit microcontroller houdt ook in dat er een 8-bit ALU (Arithmetic

Logic Unit) aanwezig is. De ALU is de eenheid die de berekeningen maakt. Iedere instructie is een

combinatie van een vermenigvuldiging, deling, optelling of een aftrekking. De 8-bit-ALU kan in

één cyclus van de klok op twee 8-bit waarden een bewerking uitvoeren.

Hoofdstuk 4: ZONNEMODULE 24

4.2.3 MOTORSTURING Om de stappenmotoren aan te sturen wordt er gebruik gemaakt van 2 H-bruggen. Een H-brug is

een schakeling waarbij 4 vermogen-transistors gebruikt worden om een welbepaald

spanningsverschil over twee klemmen te plaatsen. In Figuur 22 kan je de topologie van een

dubbele H-brug terugvinden. Deze opstelling wordt gebruikt om de twee spoelen van de bipolaire

stappenmotor aan te sturen. Om beweging in de stappenmotor te krijgen, dienen de spanningen

over de spoelen in een welbepaalde volgorde te variëren. Hierbij vormen transistorparen Q1-Q4,

Q2-Q3, Q5-Q8 en Q6-Q7 koppels. Dit betekent dat hetzelfde stuursignaal naar deze transistoren

gestuurd wordt. De aansturing kan met een 4- of 8-stapssequenties werken. De stappenmotor

heeft een welbepaalde resolutie, bijvoorbeeld 1,8 graden per stap. In de 4-stapssequentie komt

iedere stap overeen met deze resolutie. Als de stappenmotor in de 8-stapssequentie aangestuurd

wordt, is de stapresolutie verhoogt tot 0,9° per stap. In Tabel 1 vindt je de twee mogelijke

stapsequenties terug. In Figuur 22 worden transistoren gebruikt die interne vrijloopdioden

bezitten. De H-brug die gebruikt is in de L298P chips zijn hier niet mee uitgerust. Om de

transistoren toch te beschermen, zijn er ‘schottky-diodes’ aanwezig. Dit zijn diodes met een lage

spanningsval en een snelle schakel- en recuperatietijd. Het verschil in spanningsval is significant.

Waar de spanningsval bij een standaard diode 700mV bedraagt, is de spanningsval bij de

‘schottky-diode’ 170mV.

Figuur 22: Principe dubbele H-brug

Tabel 1: Stapsequenties bipolaire stappenmotoren

4-stapssequentie 8-stapssequentie

Stap Q1-Q4 Q2-Q3 Q5-Q8 Q6-Q7 Stap Q1-Q4 Q2-Q3 Q5-Q8 Q6-Q7

1 AAN UIT AAN UIT 1 AAN UIT AAN UIT

2 AAN UIT UIT AAN 2 AAN UIT UIT UIT

3 UIT AAN UIT AAN 3 AAN UIT UIT AAN

4 UIT AAN AAN UIT 4 UIT UIT UIT AAN

5 UIT AAN UIT AAN

6 UIT AAN UIT UIT

7 UIT AAN AAN UIT

8 UIT UIT AAN UIT

Hoofdstuk 4: ZONNEMODULE 25

Als de 4- of 8-stapssequentie wordt gevolgd van resp. stap 1 tot stap 4, of van stap 1 tot stap 8,

draait de stappenmotor kloksgewijs. Er dient opgemerkt te worden dat in het geval de laatste stap

van de sequentie bereikt wordt, er naar de eerste stap terug gegaan wordt om zo een vloeiende

opeenvolging van stappen te verwezenlijken. Indien de sequentie in tegengestelde zin wordt

doorlopen, draaien de motoren in tegengestelde zin.

4.2.4 PRINTPLAAT Om de gebruiker een praktische gebruikersinterface te verschaffen, is een bedieningspaneel

opgemaakt. In Figuur 23 vindt je dit bedieningspaneel terug. Ook hier is op de printplaat aan zowel

de voor- als achterkant een koperlaag aanwezig. Met de schakelaars die in een zwarte DIP (Dual

in-line package) uitgevoerd zijn, is het mogelijk om de verschillende instellingen van de

zonnemodule te selecteren. Deze functionaliteiten zijn terug te vinden in Bijlage B:

Gebruikersbundel. Op dit bedieningspaneel is eveneens een microcontroller gemonteerd. Deze

microcontroller heeft geen functie, maar kan naar de toekomst toe gebruikt worden bij eventuele

uitbreiding van de zonnemodule. Naast de markering ‘D11’ zijn 3 LEDs terug te vinden. Deze witte

LEDs zijn verbonden met het zonnepaneel om een belasting op het zonnepaneel te kunnen

simuleren.

Figuur 23: Bedieningsprint zonnemodule

In Figuur 24 kan je het ontwerp van de stuurprint terugvinden. Deze PCB neemt de motorsturing

en de communicatie met de PLC voor zijn rekening. Dit ontwerp is geflankeerd door een foto van

de printplaat waar de elektronische componenten gemonteerd zijn. In Bijlage B:

Gebruikersbundel zijn deze ontwerpen samen met het elektronische schema terug te vinden. De

stuurprint bevat een transformator met meerdere wikkelingen. Via twee ‘buck-convertoren’

wordt de gelijkgerichte en afgevlakte spanning van de transformator naar een gepaste spanning

gebracht en gestabiliseerd. Voor de 5V spanning van de microcontroller is een ‘buck’- of ‘step-

down’ convertor gebruikt. Voor de elektrische kring die het vermogen naar de motoren verzorgt

is eveneens een ‘buck-convertor’ aanwezig. De gestabiliseerde uitgangsspanning van deze

omvormer bedraagt 15V.

Hoofdstuk 4: ZONNEMODULE 26

Figuur 24: Stuurprint zonnemodule

De stuurprint bevat 18 communicatiesignalen naar de PLC, de bedieningssignalen en de nodige

signalen voor de H-bruggen. Omdat de microcontroller onvoldoende in- en uitgangspinnen ter

beschikking heeft, wordt er gebruik gemaakt van zogenoemde ‘I/O Expanders’. Deze

uitbreidingschips bezitten 8 in- of uitgangen, het is mogelijk om deze pinnen als ingang én als

uitgang te gebruiken. Dit is een vrij courante functionaliteit, omdat het hierdoor mogelijk is om

zeer flexibel om te springen met digitale signalen.

Hoofdstuk 4: ZONNEMODULE 27

4.2.5 VOEDING De onderste helft van de printplaat in Figuur 24 is uitsluitend bedoeld om de microcontroller en

de motoren te voeden. Het vermogen is afkomstig van de transformator die aan de primaire zijde

met de netspanning verbonden is. Er zijn 3 aparte secundaire windingen die 24V, 12V en 7V ter

beschikking stellen. Dit zijn RMS-waarden (Root Mean Square). Zowel de 12V- als de 7V-winding

wordt naar buiten gebracht. De spanning van deze twee windingen doorloopt elk een aantal

stappen alvorens de gewenste spanning beschikbaar staat voor de overige elektronica. De stappen

die deze twee spanningen doorlopen zijn dezelfde. Het enige verschil zijn de waarden die de

componenten hebben. Zo worden bijvoorbeeld elektrolytische condensatoren gebruikt die een

hogere maximale spanning hebben bij de 12V-rail ten opzichte van de 7V-rail. In Figuur 25 staat

een overzicht van de verschillende stappen die gevolgd worden.

Figuur 25: Overzicht Voedingsgedeelte

4.3 PROGRAMMATIE Om een cyclisch programma in de microcontroller te krijgen, wordt een C-programmeertaal

gebruikt. Er is geprogrammeerd in de programmeeromgeving van Atmel. Zoals reeds aangehaald

is de Arduino IDE compatibel met de IDE van Atmel. De programmeertaal die Atmel hanteert

gebruikt dezelfde syntax, bestandstypes en functies als de C-programmeertaal. De toolchain van

Atmel is ‘open-source’, dit wilt zeggen dat alle informatie en programma’s vrijgegeven zijn onder

een welbepaalde licentie. Deze licentie ondersteunt het gratis verspreiden hiervan. Hierdoor zijn

programma’s zoals de Arduino IDE mogelijk zijn. De C-taal, wordt geïnterpreteerd en doorloopt

diverse stappen die uitkomen tot een bestand waarin alle instructies voor de microcontroller

aanwezig zijn. In Figuur 26 staat een overzicht van dit proces.

Figuur 26: Toolchain

Hoofdstuk 4: ZONNEMODULE 28

4.3.1 REGISTERS De microcontroller heeft meerdere registers aan boord. Deze registers hebben een lengte van 8-

bit. Hieruit komt de naam 8-bit microcontroller.

Figuur 27: 8-bit registers

In Figuur 27 staat een voorbeeld van twee registers. Zoals je merkt is de grootte van elk register

8 bit en heeft elk register een welbepaald adres. De adressering is eigen aan de architectuur van

de microcontroller. Het bezitten van SRAM (Static Random Acces Memory), EEPROM of een ander

type bepaalt de geheugencontroller, die op zijn beurt een welbepaalde adressering vergt. Een

voorbeeld van hexadecimale notering van adres 0x05 en 0x04 kan je terugvinden in Figuur 27.

Door de prefix ‘0x’ voor een welbepaalde hexadecimale waarde te zetten, wordt er gedefinieerd

dat het om een hexadecimale notatie gaat. Het aantal cijfers na de prefix bepaalt de bitlengte van

de adresseringsregisters. Het adres 0x00 tot en met het adres 0xFF kan in een 8-bitswaarde

opgeslagen worden. Een 16-bitsregister heeft adresseringen van 0x0000 tot en met 0xFFFF.

De weergegeven registers in Figuur 27 die PORTB en DDRB genoemd worden hebben als functie

de pinconfiguratie in te stellen. De notatie B slaat op het register dat bij de pin-bank B hoort. De

status van pin PB0 staat dus op bit 0 van register PORTB. Een voorbeeld: PIND0 bevat de status

van fysieke pin PD0. Analoog hiermee staat de status van pin PD6 op bit 6 van het register PIND.

DDRx is de afkorting voor ‘Data Direction Register’.

PINx register: Bevat de status van de fysieke pin.

DDRx register: Configuratie of een fysieke pin een in-of uitgang is.

PORTx register: Dubbele functie. Indien een pin geconfigureerd is als ingang, komt de

instelling van deze bit overeen met het activeren van een pullup-weerstand op de fysieke

pin. Als de pin geconfigureerd is als een uitgang, heeft het schrijven naar dit register het

resultaat dat de spanning op de uitgang 5V is bij een logische 1, of 0V bij een logische 0.

Het manipuleren van deze registers gebeurt op een welbepaalde manier. Er wordt gebruik

gemaakt van zogenaamde ‘bitwise operations’. Een voorbeeld van een ‘bitwise operation’ is

. Deze uitdrukking komt overeen met de binaire waarde 0010 0000. Het aantal stappen

waarmee de linkerwaarde verschoven wordt, is bepaald door de rechterwaarde. Stel: register

DDRB heeft als inhoud 0000 0000. Om van de 5e pin op de pin-bank B een ingang te maken voeren

we een logische-of functie uit met register DDRB en de pin die we hoog willen zetten. Concreet

geeft dit de logische-of functie van binaire waarde 0000 0000 en 0010 0000. Het resultaat van

deze logische-of functie is 0010 0000 en dit is de nieuwe waarde van het register. Analoog hiermee

kan een uitgang ook laag gezet worden. Stel: de inhoud van register DDRB heeft een binaire

Hoofdstuk 4: ZONNEMODULE 29

waarde van 1111 1111. Het inverse van 0010 0000 samen met de logische-en vergelijking met

het register heeft als resultaat het laag zetten van een welbepaalde bit. Concreet is dit de logische

en-functie van de binaire waarde 1101 1111 en 1111 1111. Het resultaat van deze bewerking is

dus 1101 1111.

Deze bewerkingen worden gebruikt om een specifieke bit in te stellen in een register, met de

behoud van de informatie die in de andere bits aanwezig is. De of-functie wordt met operand “|”

uitgevoerd, de inverse functie met de operand “~”, de logische-en functie wordt met “&”

beschreven en de exclusieve of-functie wordt met de operand “^” uitgevoerd.

Als alles op een rijtje wordt gezet, komt alles neer op de bewerkingen in Figuur 28. De waarde 5

wordt vervangen door een variabele. Hierdoor kan er gewerkt worden met namen in plaats van

getallen.

Figuur 28: Bewerkingen met bits

4.3.2 I/O EXPANDERS Het aantal fysieke in-en uitgangen van de microcontroller zijn beperkt. Voor de stuursignalen van

de communicatie, de aansturing van de H-bruggen en de signalen van het interfacepaneel zijn

extra in- en uitgangen nodig. Deze extra uitgangen zijn verwezenlijkt met een welbepaalde IC.

Deze chip heeft de mogelijkheid om 8 pinnen afzonderlijk te configureren. Hierop kunnen er

verschillende dingen ingesteld worden. De keuze of een pin een in- of uitgang is kan geselecteerd

worden, interne pullup-weerstanden kunnen gebruikt worden, … De communicatie tussen de

MCP23S08-chip en de microcontroller verloopt via een serieel protocol. Een SPI-bus wordt

hiervoor gebruikt. Er bestaan ook I/O-uitbreidingschips die via een I2C-bus werken. De SPI-bus

gebruikt dezelfde draden die eveneens gebruikt worden om de programmatiecode naar de

microcontroller door te sturen. Een SPI-bus vergt een extra datalijn waarbij geselecteerd wordt

dat de chips aangesproken worden met seriële data. Een SPI-bus gebruikt één datalijn minder dan

de I2C-bus.

Zoals in 4.2.2 Microcontroller aangehaald is, heeft een SPI-bus de volgende configuratie:

SPI: MOSI (PB3), MISO (PB4), SCK (PB5)

De CS-lijn wordt zelf gekozen op de microcontroller en heeft geen vaste aansluiting. Een overzicht

van de datalijnen kan je vinden in Figuur 29. Hierbij is de microcontroller de ‘master’ en 4 I/O

expanders zijn de ‘slaves’. Er zijn 4 datalijnen. Op de SCK-lijn (Serial Clock) wordt de SPI-klok

gezet. De MOSI-lijn (Master Out Slave In) wordt gebruikt om data van de ‘master’ naar de ‘slaves’

te sturen. De MISO-lijn (Master In Slave Out) dient om data van de ‘slaves’ naar de ‘master’ te

sturen. De CS-lijn (Chip Select) werkt als een ‘enable-pin’ voor de slaves. Deze lijn is laag-actief.

Als de spanning op de CS-lijn van 5V naar 0V overgaat, weten de ‘slaves’ dat SPI-communicatie

gaat beginnen. De MCP23S08-chip bezit twee pinnen die dienen als adressering. Op deze pinnen

Hoofdstuk 4: ZONNEMODULE 30

komt 0V overeen met een logische 0 en 5V overeen met een logische 1. Hiermee is het mogelijk

om 1 van de 4 adressen in te stellen.

Figuur 29: SPI communicatiestructuur

Als de CS-lijn laag gebracht wordt, kan de microcontroller met de I/O expanders communiceren.

Via de SPI-data stuurt de microcontroller een adres uit, zodat de gewenste ‘slave’ geselecteerd kan

worden. Dankzij de adressering kunnen er zich 4 ‘slaves’ een CS-lijn delen, zij kunnen zich van

elkaar differentiëren door de adressering. Als een 5-de ‘slave’ nodig is, dient deze op een aparte

CS-lijn aangesloten te worden. De SCK-, MISO- en MOSI-lijnen zijn wel gemeenschappelijk.

De I/O expanders bezitten 11 registers. De registers vindt je in Figuur 30 . Hierbij zie je de

‘POR/RST value’, dit is de waarde die de registers innemen als de microcontroller opgestart of

gereset wordt.

Figuur 30: Registers MCP23S08

De adressering van de I/O expanders gebeurt met pin A1 en pin A0 op de chip. In het aanspreken

van de chip wordt dit gebruikt. Hieraan wordt in de ‘Opcode’ een referentie toegevoegd waarmee

de ‘slave’ weet of er data uit de registers gelezen of geschreven wordt. In Figuur 31 zie je transitie

van de CS-lijn. Op de MOSI-lijn wordt vervolgens via het volgende protocol data uitgeklokt. Een

logische 0 komt hier wederom overeen met 0V en een logische 1 met 5V. Eerst dient de ‘Opcode’

verstuurt te worden, waarna gespecifieerd wordt welk register de ‘master’ wilt aanspreken. Na

deze twee bytes wordt bij een uitlezing een lege byte verstuurd en bij een schrijfactie de gewenste

Hoofdstuk 4: ZONNEMODULE 31

data voor dat register. De afbakening van een bit gebeurt met de SCK-lijn. Als de transitie op de

SCK-lijn een negatieve of positieve flank heeft, wordt er naar de MOSI-lijn gekeken door de ‘slave’.

Figuur 31: SPI data op de MOSI-lijn

Deze beschrijving van de SPI-bus dient omgezet te worden in programmatie. Concreet betekent

dit dat enkele stappen gevolgd dienen te worden. Vooraleerst dienen in de microcontroller enkele

instellingen te gebeuren aangaande SPI. Erna wordt iedere I/O expander aangestuurd om de

nodige registers goed in te stellen. Dit houdt bijvoorbeeld in dat de juiste pinnen als een in-of

uitgang ingesteld worden. Na deze actie zijn de I/O expanders klaar voor gebruik. Je vindt een

programmatorisch voorbeeld van de SPI-configuratie voor de microcontroller in Figuur 32.

Figuur 32: SPI-configuratie

In Figuur 33 is een voorbeeld gegeven van de commando’s die

uitgevoerd worden bij de initialisatie van de ‘slaves’. De CS-lijn

wordt laag gezet, waarna de microcontroller de SPI-

communicatie start, gevolgd door de ‘Opcode’ van de specifieke

‘slave’. Het adres van register ‘IODIR’ wordt doorgestuurd

gevolgd door de standaard inhoud van het register ‘IODIR’. Na

deze 3 bytes wordt de CS-lijn terug hoog gezet en is de

communicatie beëindigd. Om eventuele fouten te voorkomen

wordt er 10 milliseconden gewacht alvorens nieuwe pakketten

te sturen. In Figuur 34 is een voorbeeld van deze communicatie

gegeven. Kanaal 1 komt overeen met de SCK-lijn en kanaal 2

komt overeen met de MOSI-lijn.

Figuur 33: Configuratie MCP23S08

Hoofdstuk 4: ZONNEMODULE 32

Figuur 34: SPI-bus SCK-lijn en MOSI-lijn

De SPI-bus werkt in het eindresultaat met een frequentie van 8MHz. Een bewijs hiervan is terug

te vinden in Figuur 35. Hier wordt de frequentie van de SCK-lijn gemeten.

Figuur 35: Klokfrequentie SPI-bus

Hoofdstuk 4: ZONNEMODULE 33

4.3.3 AANSTURING STAPPENMOTOREN De stappenmotoren worden via de L298P chip aangestuurd. In deze chips zitten twee H-

brugschakelingen in.

Om de tijd te bepalen die gewacht dient te worden tussen twee stappen, wordt er gebruik gemaakt

van timers. De timers hebben in de microcontroller specifieke registers om ze in te stellen. Zo kan

er gespecifieerd worden aan welke frequentie deze timers werken. Dit kan ingesteld worden door

middel van ‘clock dividers’. In dit project is de klokfrequentie van het oscillatorkristal de basis

voor de timers. De basisklokfrequentie wordt met 1024 gedeeld. Deze verlaagde kloksnelheid

dient als klokfrequentie voor de timers.

De wachttijd tussen het schakelen van de stappen is de eerste 10 stappen variabel. De eerste stap

duurt 16ms. Dit loopt steeds op, tot een staptijd wordt bereikt op de 11e stap van 2ms. Er dient

wel bij vermeld te worden dat de motor in halve-stapmodus werkt, ook gekend als 8-

stapssequentie.

4.4 KOSTPRIJS De zonnemodule heeft een prijskaartje van € 144,13. Dit omvat de fabricagekost van de 2 PCB’s

en de componenten.

Een gedetailleerd overzicht is terug te vinden in Tabel 2.

Tabel 2: Overzicht gebruikte materialen

Item Referentienummer Aantal PPE incl BTW Prijs totaal

PCB 250mm*93mm 1 € 56,271 € 56,27

PCB 100mm*50mm 1 € 2,401 € 2,67

Microcontroller ATMEGA328P-AU-ND 1 € 3,134 € 3,13

I/O Expander MCP23S08-E/SO-ND 4 € 1,100 € 4,40

Crystal 535-10226-1-ND 1 € 0,424 € 0,42

Weerstanden KIT-RMCF0603FT-04-ND 100 € 0,024 € 2,42

Condensatoren MLLC 709-1110-ND 24 € 0,040 € 0,96

Condensatoren ELCO 338-2222-ND 6 € 0,535 € 3,21

Optocouplers 859-LTV-816S 18 € 0,149 € 2,68

L298N 497-3624-1-ND 2 € 5,760 € 11,52

Inductoren SDR-LAB2-ND 2 € 0,368 € 0,74

LED 511-8003-KIT-ND 9 € 0,306 € 2,76

IC SMPS 2 497-12083-1-ND 2 € 2,214 € 4,43

Schottky Diode RB056L-40TE25CT-ND 18 € 0,284 € 5,11

Diodebrug 905-KBL408G 2 € 0,692 € 1,38

Zonnecel 619-750-00030 1 € 29,990 € 29,99

Soldeerpasta SMD291AX10-ND 0,5 € 20,413 € 10,21

Power LED 720-LRTBC9TPCWD5725A 3 € 0,220 € 0,66

DIP switch 506-1825360-3 2 € 0,584 € 1,17

€ 144,13

Hoofdstuk 4: ZONNEMODULE 34

4.5 REALISATIE In Figuur 36 vindt je een foto van de afgewerkte zonnemodule.

Figuur 36: Zonnemodule

35

HOOFDSTUK 5: PLC & INTERFACE

5.1 ALGEMEENHEDEN De opleiding elektromechanica optie proces automatisering is gericht op de industrie. In deze

industrie, hetzij voeding, chemie, petrochemie of farmaceutische industrie, worden welbepaalde

elektromagnetische componenten gebruikt in de automatisering van het productieprocedé. Deze

automatisering wordt voornamelijk verwezenlijkt door diverse PLC’s die met elkaar verbonden

zijn in een welbepaald netwerk. Om de rekeneenheid, het aan te sturen systeem en de bediening

op verschillende locaties te kunnen plaatsen, wordt er gebruik gemaakt van een

datacommunicatie waarbij de rekeneenheid, het aan te sturen systeem en de bediening een

welbepaalde afstand van elkaar geplaatst kunnen worden. De rekeneenheid is in dit geval de PLC,

het systeem is de zonnemodule en de bediening wordt verzorgd door de HMI. In een werkelijke

situatie zijn meerdere systemen met lokale bediening, een controleruimte waarbij het hele proces

geobserveerd en aangestuurd wordt en een ruimte waar de PLC’s gehuisvest zijn geen

uitzondering. In werkelijke situaties wordt er ook gebruik gemaakt van stuurkasten die in de

omgeving van het aangestuurde systeem gepositioneerd zijn. Om net deze netwerkstructuur te

simuleren is er gebruik gemaakt van een centrale eenheid met decentrale periferie. Dit alles is in

een stuurkast gemonteerd.

5.2 NETWERK Bij de keuze van het systeem dient er rekening gehouden te worden met de compatibiliteit tussen

de verschillende componenten. Hierbij dient zowel het communicatiemiddel als de software

waarin de programmatie gebeurd compatibel te zijn. Er is gekozen voor een ‘S7-1200’-PLC. De

decentrale periferie wordt verzorgd door een ‘ET200S’-module waar meerdere

uitbreidingsmodules aan gekoppeld zijn. De HMI is een ‘KTP600’-model, die een 6” scherm bezit.

Elk element heeft een Profinet-interface, waarmee een netwerk gemaakt kan worden.

Een voorloper van Profinet is Profibus. Profibus is een tweedraads-netwerk waarbij RS-485 als

basis gebruikt wordt. RS485 is een differentiële databus, waarbij de signalen naar elkaar

gerefereerd zijn. Dit is een voordeel bij installaties waarbij er storing van kabels die vermogen

transporteren zich op de datalijnen overzet. Als er een referentie naar de massa gebruikt wordt,

veranderd bij een seriële datalijn de potentiaal, wat een laag signaal een hoog signaal kan

Samenvatting 36

maken. Bij differentiële datalijnen is enkel de verschilspanning tussen de lijnen van belang. Als er

een spanning geïnduceerd wordt op een datakabel van RS-485, verhoogt de potentiaal van beide

datalijnen. Hierdoor is er geen verschil in differentiële spanning, wat de data niet compromitteert.

Een voorbeeld van een datacommunicatie op het RS-485 principe vindt je in Figuur 37.

Figuur 37: RS-485 voorbeeld

Naar profinet wordt ook gerefereerd als industriële ethernet. In feite is dit een zeer goede

benaming, omdat het ethernet-principe als basis is genomen. De compatibiliteit van

aansluitconnectoren en kabels zorgt ervoor dat van de reeds bestaande netwerk-materialen

gebruik kan worden gemaakt. Industriële ethernet hanteert echter strenge normen aangaande

data-integriteit, waardoor de kwaliteit van de kabels hoog ligt. Concreet betekent dit dat CAT5-

kabels niet voldoende zijn, maar afgeschermde CAT6-kabels dienen gebruikt te worden. De

diverse componenten hebben ook een hogere weerstand tegen hoge temperatuurverschillen,

chemicaliën, extreme vibratie en vochtige omgevingen. De aansluitingen, het protocol, de snelheid

van transmissie, bedrijfszekerheid en veiligheid verschillen bij industriële ethernet echter van

traditionele ethernet. Hierdoor is het noodzakelijk om speciale apparatuur te gebruiken die

gebruikt worden om het aantal aansluitingen uit te breiden.

De belangrijkste elementen van industriële ethernet zijn bedrijfszekerheid en het ‘real-time’

doorsturen van data. Het laatste bedoelt dat de data overgestuurd wordt met een vertraging die

een maximale tijd heeft zodat de informatie die de ontvanger ontvangt nagenoeg op hetzelfde

moment wordt verzonden bij de verzender. Hier is de temperatuursregeling van een oven een

voorbeeld. Als de temperatuur er te lang over doet om tot bij de ontvanger, wat in dit geval de

regelaar is, toe te komen, kan er geen stabiele regelkring verwezenlijkt worden.

Samenvatting 37

5.3 PLC Het volledige zonvolgsysteem is opgebouwd rond de ‘S7-1200’-PLC. In Figuur 38 vindt je hiervan

een foto. De PLC heeft digitale in-en uitgangsbanken en een analoge uitbreidingsmodule. In dit

project worden deze in-en uitgangen niet gebruikt, omdat de decentrale opstelling gesimuleerd

is. Hierdoor verloopt alle aansturing via het Profinet-netwerk. De zonnemodule wordt

aangestuurd via de in- en uitgangen die aanwezig zijn op de ET200S-periferie. Hierbij zijn diverse

modules aangekoppeld die ofwel ingangen of uitgangen bezitten. Het ET200S-geheel bestaat uit

deze uitbreidingsmodules, een voedingsmodule en een interfacemodule. Dit alles is ingebouwd in

de stuurkast.

Figuur 38: 'S7-1200'-PLC

Figuur 39: ET200S decentrale periferie

Samenvatting 38

5.3.1 PROGRAMMATIE De programmatie die geschreven wordt voor de PLC heeft een welbepaalde structuur. Om hier

een concreet voorbeeld van te geven, wordt er kort een overzicht gegeven van de stappen die

genomen worden.

Er is gedifferentieerd tussen omzettingen, wiskundige berekeningen, parameters, HMI-

programmatie en automatisering. De omzettingen houden functies in die gegevens omvormen van

formaat. Bijvoorbeeld een omzetting van radialen naar graden. Verder zijn er de wiskundige

berekeningen die algemene berekeningen maken. Bij de parameters worden alle

zonneberekeningen berekend. Voor iedere formule die terug te vinden is in Bijlage A:

Zonneberekeningen bestaat een ‘FC’-functie. Deze ‘FC’-functies worden door een enkele ‘FB’-

functie samengehouden, in deze ‘FB’ functie wordt iedere parameter berekend en weggeschreven

naar een merker. Verder bestaan er ‘FB’-functies die de afhandeling van de HMI-functies voor hun

rekening nemen en als laatste is er een ‘FB’-functie die de automatisering voor zijn rekening

neemt.

5.3.1.1 Omzettingen en algemene berekeningen

In Figuur 40 zie je een overzicht van de functies die

toegewijd zijn aan de omzettingen van diverse waarden

en functies die welbepaalde berekeningen uitvoeren. In

deze functies wordt er steeds een parameter ingegeven,

waar na berekening een of meerdere parameters ter

beschikking staan voor verder gebruik in de

programmatie.

Figuur 40: Omzetting- en berekeningsfuncties

5.3.1.2 Parameters

In

Figuur 42 is een deel van de functies terug te vinden die

de parameters bevatten. Deze functies berekenen de

waarden die noodzakelijk zijn voor de ingestelde hoek te

berekenen. In Figuur 41 is de ‘FB’-functie terug te vinden

waar alle parameters in verzameld zijn. Deze functie

schrijft de berekende waarde weg naar merkers.

Figuur 41: Algemene functieblok parameters

Figuur 42: Parameterfuncties

De inhoud van deze ‘FC’-functies is vergelijkbaar. De eerste stap is het berekenen van de nodige

variabelen die gebruikt worden in de functie. Hierbij is als voorbeeld de functie ‘EQ OF TIME’

genomen. Zoals in Figuur 43 zichtbaar is, wordt er een andere ‘FC’-functie gebruikt omdat deze

Samenvatting 39

waarde nodig is in de functie. Na deze stap wordt de effectieve berekening uitgevoerd. Door

berekeningsblokken te gebruiken is er een eenvoudige programmatiestructuur verkregen zoals

zichtbaar is in Figuur 44. De diverse parameters worden hier ingegeven en hebben een interne

referentie IN1, IN2, … De berekeningsblok heeft een uitkomst waarmee verdere berekeningen

kunnen uitgevoerd worden. De berekening die in deze blok uitgevoerd is gaat als volgt:

(SIN(IN1)*IN2)-(SIN(IN3)*IN4)+(SIN(IN3)*COS(IN1)*IN5*IN6*IN2)-(SIN(IN7)*IN8*IN9)-

(SIN(IN10)*IN11*IN12). Door deze structuur te gebruiken is het voor de programmeur

gemakkelijk om het overzicht te behouden en aanpassingen zijn eenvoudig te maken.

Figuur 43: Voorbeeld berekenen nodige variabelen

Figuur 44: Berekeningsblok parameterfunctie

5.3.1.3 HMI-programmatie

Voor de programmatie van de HMI is er een gedeelte van het TIA-programma waarin de GUI

ontworpen wordt. Om de functionaliteit van de interface te verwezenlijken zijn er echter

berekeningen nodig die uitgevoerd dienen te worden. Deze gebeuren in de ‘FB’-blokken die terug

te vinden zijn in Figuur 45.

Figuur 45: HMI-blokken

Samenvatting 40

5.3.1.4 Automatisering

Om het automatiseringsgedeelte af te handelen is er één enkele blok gedediceerd voor de

automatisering. Deze is terug te vinden in Figuur 46.

Figuur 46: Automatiserings-blok

5.3.1.5 Datablokken

Verder is er gebruik gemaakt van diverse datablokken die specifieke parameters bevatten, dit is

terug te vinden in Figuur 47. Hierbij is het mogelijk om startparameters bij te houden, maar ook

een locatie verschaffen voor waarden die tijdens de werking van het systeem opgeslagen dienen

te worden.

Figuur 47: Datablokken

5.4 HMI De KTP-600 werkt met een resistief aanraakscherm. Hierbij wordt er voor de X- en de Y-as een

circuit gemaakt waarbij de aangeraakte positie een analoge waarde teruggeeft naar de HMI. Dit is

hetzelfde principe als bij de potentiometer, waarbij een spanningsdeler gecreëerd wordt. Een

algoritme in de PLC koppelt deze positie dan aan een actie. Deze actie is zelf in te stellen. In Figuur

48 vindt u een foto van de HMI met het beginscherm. Een overzicht van de verschillende schermen

is te vinden in Bijlage B: Gebruikersbundel.

Figuur 48: HMI

Samenvatting 41

5.5 REALISATIE De stuurkast waar alle componenten in gemonteerd zijn vindt je in Figuur 49.

Figuur 49: Stuurkast zonvolgsysteem

Samenvatting 42

BESLUIT Het is mogelijk om de zon te volgen met een combinatie van de PLC en stappenmotoren. Het

project ter afsluiting van mijn opleiding heeft in totale tijdspanne 6 maanden in beslag genomen.

Hierbij was planning een zeer groot aspect. Het proces dat nodig was om tot het eindresultaat te

komen is uiterst interessant gebleken, waarbij mijn persoonlijke technische kennis een serieuze

‘boost’ gekregen heeft. De voorbije 3 jaar heeft perspectief gebracht en op technisch en

academisch vlak deuren geopend.

BIBLIOGRAFIE http://en.wikipedia.org/wiki/Coordinate_system

http://en.wikipedia.org/wiki/Spherical_coordinate_system

http://nl.wikipedia.org/wiki/Foton

http://nl.wikipedia.org/wiki/Band_gap

http://en.wikipedia.org/wiki/RS-485

http://www.nrel.gov/

http://pranjalchaubey.wordpress.com/2010/11/25/tool-chain/

Cisco - Industrial Ethernet: A Control Engineer’s Guide

Solar Energy Engineering - Processes and Systems

Malestrom

ISBN 978-0-12-374501-9 2009

Physics of Solar Energy

C. Julian Chen

ISBN 978-0-470-64780-6 2011

ALGEMENE REFERENTIES

Siemens - http://www.siemens.com/entry/cc/en/

Altium Designer - http://www.altium.com/

Atmel - http://www.atmel.com/

National Oceanic and Atmospheric Administration - http://www.noaa.gov/

Inkscape - http://inkscape.org/

Kleurpalletten - http://www.colourlovers.com/

LIJST VAN GRAFIEKEN/ TABELLEN/ FIGUREN Grafiek 1: Zonneconstante van 1366,1W/m2 ........................................................................................................ 8

Grafiek 2: Insolatie bij volledige zonnevolger ..................................................................................................... 17

Grafiek 3: Insolatie bij azimut-volger ...................................................................................................................... 18

Tabel 1: Stapsequenties bipolaire stappenmotoren ......................................................................................... 24

Tabel 2: Overzicht gebruikte materialen ............................................................................................................... 33

Figuur 1: Topologie netwerk ........................................................................................................................................ 2

Figuur 2: Inhoud van de zonnemodule .................................................................................................................... 3

Figuur 3: Sequentie automatische modus ............................................................................................................... 4

Figuur 4: Principe van een potentiometer .............................................................................................................. 5

Figuur 5: Resolutie van een meetwaarde ................................................................................................................ 5

Figuur 6: Geografische coördinatenstelsel ............................................................................................................. 7

Samenvatting 43

Figuur 7: Verschillende energieopbouw tussen geleider, halfgeleider en isolator .............................. 10

Figuur 8: Bandkloven bij enkele halfgeleiders .................................................................................................... 10

Figuur 9: Overzicht van de verschillende zonnecellen .................................................................................... 11

Figuur 10: Opbouw van verschillende zonnecellen .......................................................................................... 11

Figuur 11: Verschil tussen mono- en polykristallijne modules ................................................................... 12

Figuur 12: Technologische evolutie van de zonnecel ....................................................................................... 13

Figuur 13: Cosinusverliezen ....................................................................................................................................... 14

Figuur 14: Zonneparameters ...................................................................................................................................... 15

Figuur 15: Jaarlijkse variatie van declinatie ......................................................................................................... 15

Figuur 16: Zenit ϕ van de zon .................................................................................................................................... 16

Figuur 17: Zonvolgsystemen ...................................................................................................................................... 17

Figuur 18: Communicatielijnen ................................................................................................................................. 20

Figuur 19: Opto coupler ingang ................................................................................................................................. 21

Figuur 20: Opto coupler uitgang ............................................................................................................................... 21

Figuur 21: ATmega328p-AU pinout ........................................................................................................................ 23

Figuur 22: Principe dubbele H-brug ........................................................................................................................ 24

Figuur 23: Bedieningsprint zonnemodule ............................................................................................................ 25

Figuur 24: Stuurprint zonnemodule ........................................................................................................................ 26

Figuur 25: Overzicht Voedingsgedeelte ................................................................................................................. 27

Figuur 26: Toolchain ...................................................................................................................................................... 27

Figuur 27: 8-bit registers ............................................................................................................................................. 28

Figuur 28: Bewerkingen met bits ............................................................................................................................. 29

Figuur 29: SPI communicatiestructuur .................................................................................................................. 30

Figuur 30: Registers MCP23S08 ................................................................................................................................ 30

Figuur 31: SPI data op de MOSI-lijn ......................................................................................................................... 31

Figuur 32: SPI-configuratie ......................................................................................................................................... 31

Figuur 33: Configuratie MCP23S08 ......................................................................................................................... 31

Figuur 34: SPI-bus SCK-lijn en MOSI-lijn ............................................................................................................... 32

Figuur 35: Klokfrequentie SPI-bus ........................................................................................................................... 32

Figuur 36: Zonnemodule .............................................................................................................................................. 34

Figuur 37: RS-485 voorbeeld ..................................................................................................................................... 36

Figuur 38: 'S7-1200'-PLC ............................................................................................................................................. 37

Figuur 39: ET200S decentrale periferie................................................................................................................. 37

Figuur 40: Omzetting- en berekeningsfuncties................................................................................................... 38

Figuur 41: Algemene functieblok parameters ..................................................................................................... 38

Figuur 42: Parameterfuncties .................................................................................................................................... 38

Figuur 43: Voorbeeld berekenen nodige variabelen ........................................................................................ 39

Figuur 44: Berekeningsblok parameterfunctie ................................................................................................... 39

Figuur 45: HMI-blokken ............................................................................................................................................... 39

Figuur 46: Automatiserings-blok .............................................................................................................................. 40

Figuur 47: Datablokken ................................................................................................................................................ 40

Figuur 48: HMI .................................................................................................................................................................. 40

Figuur 49: Stuurkast zonvolgsysteem .................................................................................................................... 41

Bijlagen 44

6 BIJLAGEN

6.1 BIJLAGE A: ZONNEBEREKENINGEN

6.1.1 INLEIDING Verschillende zonneparameters zijn nodig om de azimut en zenit te berekenen. Deze zijn

hieronder te vinden. De formules zijn uit een Excel-bestand van het NOAA (National Oceanic And

Atmospheric Administration) gehaald.

Om deze waarden een grootteorde mee te geven, is voor iedere waarde een berekening uitgevoerd

voor de drie parameters datum, tijd en locatie. Ze bedragen 1/09/2013, om 12:00:00 met als

coördinaten 51,017723NB en 4,479227OL. Dit zijn de coördinaten van CVO Crescendo.

Na de omzetting van de gregoriaanse tijdsrekening naar de Juliaanse, zijn alle gegevens aanwezig

om de berekeningen uit te voeren. Juliaanse dag: 2456536,96. Juliaanse eeuw: 0,13667237.

Enkele opmerkingen bij de berekeningen:

Er wordt gebruik gemaakt van een bewerking MOD(x;y). Dit doelt op een deling van x/y

waarvan de restwaarde het resultaat is.

De bewerking x ∗ is een omzetting van graden naar radialen. Terwijl x ∗

een omzetting van radialen naar graden is.

‘Julian Century’ staat voor Juliaanse Eeuw, ‘Julian day’ staat voor Juliaanse dag. De huidige

tijdsrekening is in gregoriaanse tijd. Iedere gregoriaanse tijd heeft een overeenkomstige

dag in de juliaanse kalender. Bij de omzetting van de gregoriaanse naar de juliaanse is er

echter een tijdspanne van 10 dagen waar er geen juliaanse dag bestaat. Het gemak bij het

formaat van de Juliaanse tijdsrekening in berekeningen, is de reden van het gebruik van

deze oude tijdsrekening.

De astronomische eenheid [AU] is de gemiddelde afstand tussen de aarde en de zon. Deze

bedraagt 149 597 870 700 meter.

Bijlage A: Zonneberekeningen 45

6.2 BEREKENINGEN

6.2.1.1 Geometric mean longitude from the Sun [GRADEN] 280,46646 + ∗ 36000,76983 + ∗0,0003032$%; 360

Berekende waarde: 160,777019°

6.2.1.2 Geometric mean anomaly of the sun [GRADEN] 357,52911 + ∗ 35999,05029 − 0,0001537 ∗ $

Berekende waarde: 5277,604647°

6.2.1.3 Sun equation of center sin -./ ∗ 01 ∗ 1,914602 − ∗ 0,004817 +0,000014 ∗ $% + sin - 2 ∗ ./$ ∗ 01 ∗2 0,019993 − 0,000101 ∗ $ + sin - 3 ∗ ./$ ∗ 013 ∗ 0,000289

Berekende waarde: -1,59803883

6.2.1.4 True longitude of the sun [GRADEN] ../ + /45

Berekende waarde: 159,1789801°

6.2.1.5 True anomaly of the sun [GRADEN] ./ + /45

Berekende waarde: 5276,006608°

6.2.1.6 Radial vector of the sun [ASTRONOMISCHE EENHEDEN] ,∗ 678879:7;<:=><?@:∗78879:7;<:=><?@:$%A78879:7;<:=><?@:∗BCD-EF9:<F7;9>G∗ HIJK1

Berekende waarde: 1,009146 AU

1,009146 AU * 149 597 870 700m = 150 966 092 825,4222 meter.

6.2.1.7 Apparent longitude of the sun [GRADEN] /. − 0,00569 − 0,00478 ∗ sin - 125,04 − 1934,136 ∗ $ ∗ 01

Berekende waarde: 159,17641°

6.2.1.8 Mean oblique ecliptic [GRADEN]

23 + LMANI,OOJPQRSTUVWXVYRZ[∗O\,JI]^QRSTUVWXVYRZ[∗ K,KKK]_PQRSTUVWXVYRZ[∗K,KKIJI`$%\KM

Berekende waarde: 23,4375138°

6.2.1.9 Oblique correction [GRADEN]

Bijlage A: Zonneberekeningen 46

a4b + 0,00256 ∗ cos2125,04 − 1934,136 ∗ ∗ e1803

Berekende waarde: 23,4355729°

6.2.1.10 Sun right ascension [GRADEN]

ftan6 BCD-ijklmnioo∗ pIJK1∗Dqr-stuvwwkiux∗ pIJK1BCD stuvwwkiux∗ pIJK$ y ∗ 0

Berekende waarde: 160,7630078°

6.2.1.11 Sun declination [GRADEN] sin6 sin -a ∗ 01 ∗ sin -/bb. ∗ 01 ∗ 0

Berekende waarde: 8,128020092°

6.2.1.12 var y (tussenwaarde)

tan -ijklmniooL ∗ 01L

Berekende waarde: 0,04302049

6.2.1.13 Equation of time [MINUTEN]

4 ∗ f2z ∗ sin 22 ∗ - ../$ ∗ 013 − 2 ∗ a ∗sin - ./$ ∗ 01 + 4 ∗ a ∗ z ∗sin - ./$ ∗ 01 ∗ cos22 ∗ - ../$ ∗ 013 −0,5 ∗ zL ∗ sin 24 ∗ - ../$ ∗ 013 − 1,25 ∗aL ∗ sin22 ∗ - ./$ ∗ 0133 ∗ 0 y

Berekende waarde: 0,032713084 minuten. ≅ 2seconden.

6.2.1.14 HA sunrise [GRADEN]

cos6 f BCD- ,~~$∗ pIJK1BCD- kvlt$∗ pIJK1 ∗ cos - /$ ∗ 01 − tan - $ ∗ 01 ∗tan - /$ ∗ 01y ∗ 0

Berekende waarde: 101,5267919°

6.2.1.15 Solar noon [LOKALE STANDAARD TIJD] L6∗kiuxlt6milAliu∗M$

Berekende waarde: 12:42:03

Bijlage A: Zonneberekeningen 47

6.2.1.16 Sunrise time [LOKALE STANDAARD TIJD] sikvouiiu6vstuols∗

Berekende waarde: 5:55:57

6.2.1.17 Sunset time [LOKALE STANDAARD TIJD] sikvouiiuAvstuols∗

Berekende waarde: 19:28:10

6.2.1.18 Sunlight duration [MINUTEN] 8 ∗ //

Berekende waarde: 812,2143349 minuten ≅ 13u 32min 13seconden.

6.2.1.19 True solar time [MINUTEN] ∗ 1440 + 45 + 4 ∗ . − 60 ∗ $; 1440$

Berekende waarde: 677,944713 ≅ 11u 17min 57seconden.

6.2.1.20 Hour angle [GRADEN] 5 otsikvol > 0 otsikvol + 180/ otsikvol − 180

Berekende waarde: -10,5138217°

6.2.1.21 Solar zenith angle [GRADEN] cos6 sin - $ ∗ 01 ∗ sin - /$ ∗ 01 + cos - $ ∗ 01 ∗cos - /$ ∗ 01 ∗ cos - .$ ∗ 01 ∗ 0

Berekende waarde: 43,76305192°

6.2.1.22 Solar elevation angle [GRADEN] 90 − /. Berekende waarde: 46,2369481°

Bijlage A: Zonneberekeningen 48

6.2.1.23 Solar azimuth angle [GRADEN KLOKSGEWIJS VANAF HET NOORDEN] 5 . > 0$

fcos6 fDqr- kvlt$∗ pIJK1∗BCD- sikvoulvuxk$∗ pIJK16Dqr- stunklu$∗ pIJK1BCD- kvlt$∗ pIJK1∗Dqr- sikvoulvuxk$∗ pIJK1 yy ∗0 + 180 ; 360

/

540 −fcos6 fDqr- kvlt$∗ pIJK1∗BCD- sikvoulvuxk$∗ pIJK16Dqr- stunklu$∗ pIJK1BCD- kvlt$∗ pIJK1∗Dqr- sikvoulvuxk$∗ pIJK1 yy ∗0 ; 360

Berekende waarde: 164,8609943

6.2.1.24 Refraction

Bij het neervallen van de zonnestralen op het oppervlakte van het zonnepaneel, weerkaatst een

stuk van de zonnestralen. Om dit fenomeen te compenseren, worden er extra berekeningen

uitgevoerd. De ‘Solar Elevation Angle’ wordt hierop aangepast. Een geoptimaliseerde waarde

wordt hierdoor berekend. Omdat de nauwkeurigheid van de opstelling dit niet verlangt is dit niet

omgezet.

Bijlage B: Gebruikersbundel 49

6.3 BIJLAGE B: GEBRUIKERSBUNDEL Om het onderhoud en de eventuele aanpassingen van het systeem naar de gebruiker toe te

vergemakkelijken, zijn de schema’s, de programmatuur en de handleiding apart gebundeld.

De schema’s omvatten de elektrische en elektronische schema’s.

De handleiding is een aanvulling op de paper. Hierin is de praktische informatie gespecifieerd voor

de correcte bediening van het geheel. Voor details en werking wordt er verwezen naar de paper.

De elektrische schema’s bevatten de schema’s van de stuurkast. Deze schema’s zijn in het

softwarepakket Eplan P8 1.7 gemaakt.

De elektronische schema’s zijn gemaakt met het softwarepakket Altium Designer 10. De nodige

bestanden om de printplaten opnieuw te kunnen fabriceren zijn eveneens bijgevoegd. RS-274X

Extended Gerber-bestanden samen met de ‘drill-files’ worden gebruikt om de PCB-fabrikant de

nodige informatie te verschaffen. Uiteraard zijn de digitale versies op de bijgevoegde CD-ROM

terug te vinden.

Op softwarematig niveau is er enerzijds de programmatie van de PLC in het softwarepakket TIA

Portal 11 V2. Dit omvat de volledige configuratie van het netwerk en uitbreidingsmodules. Bij

aanpassing van de hardware is het mogelijk om de software up-to-date te maken met de nieuwe

infrastructuur. Anderzijds is er de programmatie van de microcontroller.

Het is niet noodzakelijk dat de microcontroller op een later tijdstip aangepast wordt, deels omdat

dit niet in de eindtermen van de opleiding zit. Er dient wel vermeld te worden dat voor de

aanpassing van deze software er een specifieke programmeermodule nodig is. Deze

programmeermodule vormt de nodige signalen van de PC om naar een formaat dat aangepast is

voor de microcontroller. Het is mogelijk om hiervoor een ontwikkelbord van het type ‘Arduino’ te

gebruiken. De programmeercode bevat het hoofdbestand, waarbij een ‘header-file’ en een ‘C-file’

zijn ingevoegd. Dit zijn drie verschillende bestanden die op een specifieke wijze gestructureerd

zijn om een overzicht te behouden over het geheel.