جودة النقل ومراعاة التحكم الشبكي الموفر للطاقة الكهربائية

تحليل جودة النقل ومراعاة التحكم الشبكي الموفر للطاقة الكهربائية

التنمية الصناعية الموفرة للطاقة مطلوبة بشدة، ومع ذلك؛ فإن النظم الصناعية الحديثة تدمج تقنيات المعلومات والاتصالات (ICT) مثل الحوسبة عالية الأداء والشبكات التي زادت من استهلاك الطاقة، على وجه الخصوص؛ فقد زاد استهلاك الطاقة لشبكات الاتصالات بشكل مستمر، بحيث أصبحت كفاءة استخدام الطاقة للأنظمة المتصلة بالشبكة قضية مهمة، ونتيجة لذلك تم تطوير العديد من تقنيات الشبكات الموفرة للطاقة وتوحيدها.

يعتبر (Ethernet) الموفر للطاقة (EEE) هو بمثابة بروتوكول اتصال موفر للطاقة يستخدم آلية السكون لتقليل استهلاك الطاقة الكهربائية، كما تم تطبيق (EEE) على تطبيقات (Ethernet) الصناعية التي تتطلب اتصالات في الوقت الفعلي، كما تم اقتراح الشبكات الضوئية المنفعلة الموفرة للطاقة (PONs) لشبكات الوصول البصري عريض النطاق، وذلك لتقليل استهلاك الطاقة في وحدة الشبكة الضوئية لنظام (PON)، بحيث يتم اعتماد آلية سكون دورية تدخل فيها واجهة الشبكة فترة سكون عندما لا يتم نقل أي بيانات.

كما يمكن أن تأخذ فترة النوم قيمة في حدود عشرات الملي ثانية، كما ويتم تعيين الحد الأدنى لفترة السكون في الاعتبار لوقت إيقاظ أجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية، بحيث تعمل فترة النوم الأطول على تحسين كفاءة الطاقة على حساب زمن الوصول الأطول، ومع ذلك من المحتمل أن يكون للكمون المتزايد تأثير سلبي على الأنظمة الصناعية المتصلة بالشبكات.

كذلك نظام التحكم المتصل بالشبكة (NCS) هو نوع من الأنظمة الصناعية المتصلة بالشبكة الكهربائية، وعلى وجه الخصوص في نظام التحكم في المحركات المتصل بالشبكة، يتم توصيل أجهزة التحكم والمحركات بواسطة شبكة اتصالات، وفي السنوات الأخيرة حققت الدراسات في كفاءة الطاقة لمحطات التحكم بالشبكة نحو تطوير أنظمة صناعية مستدامة.

كما أن نقل البيانات المُستحث بواسطة الحدث في واجهات الشبكة يقلل بشكل فعال من كمية حركة الاتصالات، وبالتالي يقلل من استهلاك الطاقة الكهربائية، كذلك أخذ عينات الإرسال على دلتا (SoD) هو أسلوب لأخذ العينات يتم استخدامه لتقليل معدل الاتصال في نظام التحكم في التغذية الراجعة عبر الشبكة.

لذلك تستخدم طرق أخذ العينات القائمة على (SoD) عتبة لتحديد ما إذا كان سيتم أخذ عينات إشارة، كما يمكن تعيين هذه العتبة ديناميكياً اعتماداً على معدل نقل الشبكة للتكيف مع بيئة شبكة متغيرة بمرور الوقت، كذلك تم تطبيق طرق أخذ العينات القائمة على (SoD) على إشارات المستشعر وإشارات التحكم في محطات التحكم بالشبكة.

التحكم الشبكي الموفر للطاقة الكهربائية

يصف هذا القسم أولاً نظام التحكم في المحركات المتصل بالشبكة الكهربائية، وبعد ذلك يتم وصف تكوين (NCS) الموفر للطاقة لتمكين التحكم في وضع السكون لواجهات الشبكة، وأخيراً تم وصف (MCDOB) للتعويض عن التأخيرات الزمنية التي تحدثها الشبكة وفقدان البيانات الناجم عن الإيقاف.

نظام التحكم في المحركات الشبكي: تتناول هذه الدراسة نظام التحكم في المحركات الكهربائية المتصلة بالشبكة والذي يمكن تطبيقه على أنظمة التحكم في الروبوت عن بعد والتشغيل عن بعد، كما يوضح الشكل التالي (1) مخطط كتلة (NCS)، بما في ذلك محرك (DC).

كما ينقسم هذا النظام إلى جهاز التحكم وجانبي المحرك وكلاهما متصل بشبكات اتصال، بحيث يتم تعريف تأخيرات الإرسال للمسيرات الأمامية والتغذية المرتدة على أنها (T1 و T2) على التوالي، كما وتعتبر هذه التأخيرات قيماً ثابتة عن طريق إدخال مخازن اهتزاز في المستقبلات لقمع تغيرات التأخير.

يشتمل جانب وحدة التحكم على وحدة تحكم مشتق نسبي [(PD) Gc] يتم التعبير عنها كـ:

حيث تشير (τn و Kn و Kp و Kd و s) إلى ثابت الوقت الاسمي للمحرك وكسب الحالة المستقرة الاسمي للمحرك والكسب النسبي والكسب المشتق ومشغل لابلاس على التوالي، كما تحسب وحدة التحكم مرجع الجهد الكهربائي (u) بناءً على الأمر الزاوي (θcmd) والإشارة المتأخرة للاستجابة الزاوية (θres).

كما يشتمل جانب المحرك الكهربائي على محرك (DC) ومراقب اضطراب (DOB)، بحيث يتم التعبير عن وظيفة النقل لمحرك (DC) كـ:

هنا تكون (K) و (τ) بمكان المعلمات الفعلية لـ (Kn و n) على التوالي، علاوة على ذلك يتم التعبير عن النموذج الاسمي لمحرك (DC Pn) على أنه:

(NCS) مع أجهزة الإرسال والاستقبال: يوضح الشكل التالي (2) تكويناً لمحطة التحكم بالشبكة الموفرة للطاقة مع أجهزة إرسال واستقبال تدعم وضع السكون، كما يتم تمثيل نظام محرك (DC) المثالي المعوض تماماً بواسطة (DOB ، Gp) على النحو التالي:

لذلك يوضح الشكلان (3-a) و (3-b) على التوالي تشغيل أجهزة الإرسال والاستقبال الممكّنة من وضع السكون للمسارات الأمامية والتغذية المرتدة.

العملية للمسار الأمامي كما يلي:

يتم تعريف تأخير الإرسال على أنه (T1 = kt1tc)، حيث يشير (kt1 و،c) إلى عدد العينات خلال (T1) وفترة التحكم على التوالي، كما تصل حزمة البيانات المرسلة من جانب جهاز التحكم إلى جهاز الاستقبال على جانب المحرك بعد مرور (T1)، وذلك عندما يكون المرسل مستيقظاً؛ فإن مرجع الجهد (u) المحسوب بواسطة وحدة التحكم يساوي مرجع الجهد المرسل.

وعلى النقيض من ذلك، عندما يكون جهاز الإرسال ساكناً، لا يمكن لجهاز الإرسال إرسال مرجع الجهد (u)، لذلك يستخدم جهاز الاستقبال على جانب المحرك أحدث قيمة تم استلامها قبل دخول فترة السكون لـ (Ts1 = ks1tc)، حيث يشير (ks1) إلى عدد العينات أثناء (Ts1).

كما أن عملية مسار التغذية الراجعة هي على النحو التالي:

يتم تعريف تأخير الإرسال على أنه (T2 = kt2tc)، حيث يشير (kt2) إلى عدد العينات أثناء (T2)، بحيث تصل حزمة البيانات المرسلة من جانب المحرك إلى مستقبل جانب وحدة التحكم بعد مرور (T2)، لذلك عندما يكون المرسل مستيقظاً؛ فإن الاستجابة الزاوية (θres) تساوي الاستجابة الزاوية المرسلة (θress)، وعلى النقيض من ذلك، عندما يكون جهاز الإرسال ساكناً، بحيث لا يمكن لجهاز الإرسال إرسال الاستجابة الزاوية (θres).

وأخيراً اقترحت هذه الدراسة طريقة التحكم في النوم المدركة لـ (QoP) لواجهات الشبكة لأنظمة التحكم في المحركات الشبكية الموفرة للطاقة، بحيث لا يمكن أن تضمن طريقة التحكم في السكون التقليدية القائمة على (SoD) أخطاء التتبع (أي ISE وخطأ الحالة المستقرة)، وذلك لأنها حددت توقيت السكون بناءً على اختلافات البيانات المراد نقلها.

وعلى النقيض من ذلك، حافظت طريقة التحكم في النوم المدركة لـ (QoP) المقترحة على أخطاء التتبع عند مستوى ثابت من خلال تحديد توقيت النوم بناءً على الخطأ بين الأمر الزاوي والاستجابة الزاوية، كما أكدت النتائج التجريبية أن الطريقة المدركة لـ (QoP) حافظت على أخطاء التتبع عند مستوى ثابت على حساب زيادة معدل الاتصال مقارنةً بالطريقة القائمة على (SoD) بغض النظر عن فترة السكون.