Nel seguente paragrafo viene descritto l’hardware di controllo, in particolare le schede di controllo e la sensoristica. In Figura 145 è mostrato lo schema a blocchi del sistema integrato, completo di linee pneumatiche, sensori, attuatori, schede di controllo.
L’architettura è costituita da 2 schede: una dedicata al controllo della microturbina, una dedicata al sistema integrato che comunica con questa. Vengono di seguito descritte le caratteristiche principali delle due schede e successivamente le caratteristiche dei sensori utilizzati.
Figura 145 - Schema a blocchi del sistema Sea WHAM
177 da due parti fondamentali, il SeaSpoon, che produce aria compressa, e la microturbina pneumatica, che genera elettricità. Per poter ottimizzare l’interazione tra i due sistemi si è pensato ad un dispositivo con un accumulatore pneumatico intermedio ed un accumulatore finale elettrico costituito da una batteria al litio. Per poter gestire l’interazione tra le varie parti del sistema è necessaria un’intelligenza onboard, rappresentata da una scheda elettronica di supervisione definita in Figura 145 con il nome di “Scheda sistema integrato”. Compito della scheda, oltre alla gestione delle varie parti dell’impianto, è anche il log dei dati prodotti dal sistema con lo scopo di ottimizzare, nel corso della ricerca, l’intero sistema. Le interazioni della scheda con le sottoparti del Sea WHAM, sono quelle evidenziate dalle linee tratteggiate. Nello specifico la scheda si occupa di caratterizzare in primo luogo lo stato di lavoro del SeaSpoon ed in particolare:
- Eventuale profondità di lavoro
- Posizione della pala in funzione del tempo - Coppia sull’albero durante il funzionamento - Eventuale allagamento della navicella
Il tutto è caratterizzato in funzione dell’onda di lavoro e pertanto la scheda acquisisce anche un sensore di livello sonico con sufficiente datarate (le onde prodotte dall’ondogeno hanno un periodo molto minore delle onde marine).
Ulteriori letture vengono dalle acquisizioni dei sensori presenti nella parte “asciutta”. - Pressione nel serbatoio di accumulo
- Pressione all’ingresso della turbina
- Informazioni disponibili dalla scheda della microturbina
Oltre alle letture, la scheda può pilotare le valvole del sistema e ricaricare il pacco di batterie al litio. La logica implementata nel sistema, nell’ottica di usare il Sea WHAM come docking station di ricarica per di mezzi autonomi marini, è la gestione ottimizzata dell’accumulo di energia nei due storage del sistema (serbatoio e batteria). Dal momento che l’erogazione elettrica di una batteria è molto più intensa di quella generabile dalla turbina alla sua massima potenza, il sistema partirà dalla valutazione dello stato di carica del pacco batterie. Durante la fase di carica, la scheda gestirà la pressione in ingresso alla turbina in modo da portare il punto di lavoro della stessa alla massima efficienza. Per poter inseguire nel tempo questo parametro, la parte di scheda che gestirà la ricarica sarà equipaggiata con un convertitore DC/DC che può accettare in ingresso un ampio intervallo di tensioni. Una volta raggiunto il punto di accumulo massimo nella batteria il sistema si occuperà di accumulare ulteriore energia sotto forma di aria compressa nel serbatoio a valle del SeaSpoon. Anche qui, raggiunta la pressione massima, che dipende fortemente dalla coppia fornita dal SeaSpoon (quindi dallo stato del mare) e dai requisiti di sicurezza del serbatoio stesso, il sistema piloterà la valvola di troppo pieno. A questo punto il sistema si porterà in uno stato di “folle” fino alla connessione di un AUV a valle del pacco batterie.
Dovendo svolgere molti compiti ed interfacciarsi con sensori e schede, la “scheda sistema integrato” possiede molti canali di input/output e interfacce di comunicazione; deve infine integrare una memoria di storage per l’archiviazione dei dati acquisiti e sufficiente potenza di calcolo per implementare le logiche di lavoro. La scheda è dunque progettata ad hoc grazie ad un microcontrollore Atmel, l’Atmega2560.
Sulla scheda è stato possibile implementare le logiche di funzionamento enunciate sopra lasciando aperta la possibilità di caricare diverse versioni di firmware. Il firmware permette l’acquisizione in automatico dei dati dei sensori, l’eventuale trasmissione degli stessi via
178 ethernet e la gestione dei controlli e della diagnosi real time, tramite un’interfaccia web. Si tratta di un microcontrollore a bassissimi consumi pertanto ideale per sistemi di monitoraggio all’aperto o in mare come in questo caso. In Tabella 12 sono riportate le caratteristiche principali del microcontrollore scelto.
Caratteristiche microcontrollore:
Larghezza bus dati: 8 bit
Frequenza di clock massima: 16 MHz
Dimensioni memoria di programma: 256 kB
Dimensioni RAM dati: 8 kB
Risoluzione ADC: 10 bit
Numero di I/O: 86 I/O
Tensione di alimentazione di lavoro: 2.5 V to 5.5 V Temperatura di lavoro massima: + 85 C
Marchio: Microchip Technology / Atmel
Tipo di RAM dati: SRAM
Dimensioni ROM dati: 4 kB
Tipo di ROM dati: EEPROM
Tipi di interfaccia: 2-Wire, SPI, USART
Temperatura di lavoro massima: 70°C
Temperatura di lavoro minima: - 40°C
Numero di canali ADC: 16
Numero di timer/contatori: 6 Timer
Tabella 12 – Caratteristiche microcontrollore
Come anticipato in precedenza, insieme alla scheda del sistema integrato è stato necessario pensare una scheda dedicata alla microturibina. La scheda di controllo della microturbina ha la funzione di condizionare la tensione e corrente AC a frequenza variabile (in funzione della velocità) prodotta dalla microturbina. Il generatore della microturbina produce una potenza in AC trifase a frequenza variabile. La sua velocità di rotazione dipende dalla pressione a monte che alimenta la microturbina e dal carico. La potenza meccanica prodotta della turbina viene bilanciata dalla potenza elettrica richiesta dal carico e dalle perdite meccaniche ed elettriche nella microturbina e dal generatore.
La scheda, in particolare, permette la ricarica della batteria e la gestione di un carico con duty cycle variabile (ad esempio, sensori o altro) attraverso l’intervento di una resistenza di frenatura (da collegarsi ai morsetti esterni) su cui viene modulata corrente con continuità, in modo da creare l’effetto di un carico costante equivalente e quindi minimizzare l’effetto dovuto al periodico stacco batteria necessario per implementare la logica di controllo della carica.
Le principali caratteristiche funzionalità della scheda sono le seguenti:
- Stadio di rettificazione in ingresso tramite ponte a diodi trifase (Figura 133) - Circuito di carica delle batterie a 12 V
- Controllo di velocità della microturbina tramite una resistenza di frenatura su cui viene modulata una corrente. In caso di sovravelocità della macchina, l’energia in eccesso viene dissipata sulla resistenza esterna
179 - Link seriale RS485 con protocollo Modbus RTU cui sono disponibili tensioni e
correnti sulla batteria e sul carico
- Un’uscita relè che può essere usata per esempio pilotare un’eventuale elettrovalvola.
Sull’esterno della scheda sono stati inoltre installati dei LED che si accendono e spengono a seconda dei vari stati in cui si trova la scheda. In particolare
- LED carico - LED batteria - LED relè
- LED resistenza di frenatura
- LED +5V, la tensione ha raggiunto i 5 V necessaria per alimentare l’elettronica interna
L’intero sistema di controllo è stato sviluppato in collaborazione con l’azienda genovese TECHCOM [58].