Messtechnikprojekt für Prüfstand/Windenergieanlage

[Köpke]

Hallo Leute,

nachdem ich die wichtigsten Teile u.a. den Temperaturfühler LM75 nochmals bestellt habe - und jetzt ist er tatsächlich angekommen, geht es nun richtig zur Sache. Ich schließe mit dem Folgenden direkt an mein letztes Post vom 29.11. an (Herbert, diese Sache mit der Fräse und den Steppern sollten wir vielleicht auslagern - damit wir hier nicht durcheinander geraten, oder? ).

Das Temperatur-Modul sieht aus wie auf dem Bild unten. Der Temperaturfühler sitzt neben drei kleinen SMD-Widerständen auf der Platine. An einem Pin ist ein kleiner weißer Punkt. Das ist das Bein Nr.1. Die Tabelle gibt die Funktion der Pins an:

• 1 SDA = I2C-Bus
• 2 SCL = I2C-Bus
• 3 OS = Programmierbarer Schaltausgang
• 4 GND = Masse
• 5 A2 = Pin zur Einstellung einer Adresse
• 6 A1 = Pin zur Einstellung einer Adresse
• 7 A0 = Pin zur Einstellung einer Adresse
• 8 +Vs = Versorgungsspannung

Die Platine selber besitzt jedoch nur eine 5-polige Stiftleiste, die so verdrahtet ist, das sie direkt auf die GPIO des Raspberry aufgesteckt werden kann. Pin 1 der GPIO (3,3V) ist dann mit Pin 1 (das ist der einzige eckige Pin auf der Lötseite) der LM-Platine verbunden und dieser Pin nun wieder mit Pin 8 des LM75.

Pin 3 der GPIO ist mit Pin 2 der Platine und dieser nun wieder mit Pin 1 des LM75 verbunden. Und so weiter. Also - vor Draufstecken mal ganz in Ruhe nachvollziehen. Falls ihr den LM auf dem Steckbrett anschließen wollt (siehe mein Bild aus November) dann unbedingt auf der 3,3V-Seite des Levelschifter (der Chip links im Novemberbild). Im Schaltplan seht ihr das nochmal genauer. Dort sind auch die Farben der Steckleitungen zu sehen Rot, lia, grün und schwarz müssen angeschlossen werden.

Falls ihr schon I2C-Bausteine in Betrieb habt stellt bitte sicher, das keiner die Adresse 48 belegt. Wie ihr das herausfindet habe ich auch schon weiter oben beschrieben (Tipp: i2cdetect -y 1). Der LM ist leider fest auf 48 eingestellt. Wollten wir das ändern, müssten die Widerstände von der Platine gelötet werden und die Pins (je nach Wunschadresse) an +Vs oder GND gelegt werden. Das sollten wir uns sparen.

Jetzt: LM draufstecken, anschließen, RP einschalten, Konsole öffnen und i2cdetect -y 1 eintippen, gefolgt von [RETURN]. Jetzt sollte mindestens die 48 als Adresse auftauchen. Wenn ja ist alles bereit für den nächsten Schritt, und der heißt Temperatur auslesen mit folgendem Befehl auf der Konsole:

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i2cget -y 1 0x48 0x00 w [RETURN]

Auf Deutsch heißt das "Hole aus dem Register 0x00 des Bausteins mit der Adresse 0x48 zwei Bytes und zeige sie her". Das Ergebnis sieht ungefähr so aus (je nachdem wie warm es in eurem Zimmer bei euch ist...):

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0x001e

Das ist die Temperatur in hexadezimaler Schreibweise! 1e steht in diesem Fall für 20°C. Wie die Umrechnung von Hexdezimalzahlen von Hand möglich ist steht z.B. hier: https://www.marco-burmeister.de/helferl ... oktal.html

Die bis hier beschriebene Vorgehensweise könnt ihr im Detail hier http://vitech-blog.de/raspberry-pi-temp ... -dem-lm75/ nachlesen. Das Pythonscript auf der Seite hat allerdings einen Fehler - zumindest funktioniert es bei mir erst nach einer Korrektur (siehe Bild).

Wenn ihr das Script auf der Konsole mit dem Befehl

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python Lm75.ph [RETURN]

startet, wird im Abstand von 30 Sekunden die aktuelle Temperatur angezeigt. Abbruch des Scriptes mit STRG + C.

Jetzt haben wir zumindest schon mal einen Sensor am I²C-Bus angeschlossen und ausgelesen - bei Sensoren für Strom und Spannung funktioniert das ganz genau so. Als nächstes speichern wir die Daten in eine SQL-Datenbank und verarbeiten sie weiter... das kommt dann bald im nächsten Post.

Windige Grüße
Siegfried

[Köpke]

Hallo Leute,

Grundlage für das weitere Vorgehen ist der folgende Blogbeitrag: http://vitech-blog.de/lm75-temperaturve ... alisieren/

Ich verwende ihn als Anleitung weil das Thema für mich Einiges enthält, womit ich mich nicht auskenne. Ich arbeite zwar bei meiner Wetterststation mit einer MySQL-Datenbank - mit SQLite-Datenbanken hatte ich bisher aber nichts zu tun. Gute Gelegenheit von Vitali zu lernen - ich halte mich also kurz, wenn bei Vitali alles beschrieben ist und gebe nur meine Hinweise, wenn ich auf Probleme stoße:

Erster Schritt: Paketlisten auf dem Raspberry aktualisieren und die SQLite Datenbank installieren.
Ich mache das auf der Konsole mit root-Rechten ud trenne die beiden Befehle auf (beide zusammen haben bei mir zu Fehlermeldungen geführt). Also

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sudo apt-get update [RETURN]

und dann

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sudo apt-get install sqlite3 [RETURN]

Zweiter Schritt: Datenbank anlegen und Skript erstellen.
Dann muss die Datenbank angelegt werden. Ich empfehle zunächst die exakten Vorgaben von Vitali zu verwenden, weil sie auf das Skript passen. Ihr spart euch dann viele Änderungen.

Das Skript auf der Seite muss zuerst mit meinen Korrekturen (siehe letzter Post) überarbeitet werden, dann die gelb hinterlegten Zeilen ergänzen. Tipp: Wenn ihr es nicht per Copy&Paste erstellt, verwendet einen Editor, der die Syntax von Python erkennt und verarbeitet. Verändert beim Tippen keine automatisch erzeugten Einrückungen - Python ist da wohl sehr empfindlich. Ich hatte diesbezüglich mangels Erfahrung mit Python so meine Schwierigkeiten.

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#!/usr/bin/python

from subprocess import Popen , PIPE
from time import sleep
import sqlite3
import time

SLAVE_ADDR = 0x48
DELAY1 = '30' #in seconds
DELAY2 = 30
DBFILE = 'lm75_measured_values.db'
DBNAME = 'temperatures'

def main():
    try:
        while True:
            p = Popen(['i2cget' , '-y' , '1' , str(SLAVE_ADDR) , '0x00' , 'w'] ,\
             stdout=PIPE)
            output = p.stdout.read()
            temperature = getTemperature(int(output , 16))

            writeIntoDB(str(temperature))
           
            print "Aktuelle Temperatur %s Grad Celsius." % (str(temperature))
            print "Warte " + DELAY1 + " Sekunden, oder Abbruch mit STR+C..."

            sleep(DELAY2)
    except KeyboardInterrupt:
        print "Abbruch durch User..."

def getTemperature(rawData):
    degrees = rawData & 0xFF #cut highbyte off, get lowbyte000
    degreesAfterDecimal = rawData >> 15 #shift msb to lsb place
    if (degrees & 0x80) != 0x80:  #msb in low byte is 0 -> positive temperature
        return degrees + degreesAfterDecimal * 0.5
    else: #msb in low byte is 1 -> negative temperatur
        #calc two's complement
        degrees = -((~degrees & 0xFF) + 1)
        return degrees + degreesAfterDecimal * 0.5

def writeIntoDB(temp):
    try:
        dbCon = sqlite3.connect(DBFILE)
        cursor = dbCon.cursor()
        timestamp = int(time.time()) * 1000

        record = (timestamp , temp)
        sqlQuery = "insert into " + DBNAME + " (date , temperature) values(? , ?)"
        cursor.execute(sqlQuery , record) #execute query

        dbCon.commit() #commit transaction
        dbCon.close()

    except sqlite3.Error , e:
        print "SQLite error occured: " , e
       


if __name__ == "__main__":
    main()

Dritter Schritt: Skript starten.
Dazu ist es notwendig, das die Datendankdatei "lm75_measured_values.db und das Skript im gleichen Verzeichnis liegen. Bei meinem Raspberry habe ich momentan alles auf dem Desktop. Das Skript heißt bei mir "Lm75sqlite.py"
Der Aufruf erfolgt dann auf der Konsole mit dem Befehl:

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python Lmsqlite.py [RETURN].

Und das Ergebnis müsste in etwa so aussehen wie in unten stehendem Bild.
Wenn ihr genug Temperaturen gemessen habt, dann brecht ihr das Sript mit STRG + C ab.

Falls bis hier alles geklappt hat, besitzt ihr nun einen Raspberry der Messwerte in regelmäßigen Abständen in eine Datenbank schreibt - es ist sozusagen ein Datenlogger.
Im nächsten Schritt werden die Daten ausgegeben und vIsualisiert - das kommt im nächsten Beitrag dran.

Windige Grüße
Siegfried

[Köpke]

Hallo Leute,

jetzt wird es nochmal etwas kompliziert. Einrichten des Webservers, PHP installieren, die Software zur Messwertdarstellung installieren, alles anpassen.
Los geht's:

Für die Verwendung des Apache2-Webservers brauchen wir die entsprechenden Nutzergruppen. Auf der Konsole des raspberry folgende zwei Befehle eingeben:

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$ sudo groupadd www-data [RETURN]
$ sudo usermod -a -G www-data www-data[RETURN]

Dann als nächstes das System aktualisieren mit den Befehlen:

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$ sudo apt-get update[RETURN]
$ sudo apt-get dist-upgrade[RETURN]
$ sudo reboot[RETURN]

Jetzt werden die Pakete für den Webserver installiert - mit folgenden Befehlen:

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$ sudo apt-get install apache2 [RETURN]
$ sudo apt-get install php5 [RETURN]
$ sudo apt-get install libapache2-mod-php5 [RETURN]
$ sudo apt-get install php5-sqlite [RETURN]

Jetzt in dem Verzeichnis /var/www/ die Datei index.html löschen und eine neue leere Datei mit dem Namen index.html ablegen. In diese Datei mit einem einfachen Texteditor den Text „Es wirkt. Meine Startseite“ (ohne Anführungszeichen) hineinschreiben. Auf einem entfernten Rechner im Browser folgendes eingeben „http://ipadresse-des-raspi/index.html“. Es sollte nun der Text aus der Datei„Es wirkt. Meine Startseite.“ im Browser angezeigt werden.

Jetzt testen wir ob auch PHP funktioniert. Wechseln in das Verzeichnis /var/www/html. Wieder Anlegen einer neuen leeren Datei mit dem Namen phpinfo.php. In die Datei schreiben wir:

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<?php
phpinfo();
?>

Jetzt starten wir den Apache neu mit dem Befehl:

Code: Alles auswählen

sudo service apache2 restart [RETURN]

In die Adresszeile eines Browser auf dem entfernten Rechner geben wir nun ein: http://ipadresse-des-raspi/phpinfo.php - und sehen dann eine ziemlich lange Tabelle:

php.png (17.09 KiB) 17047-mal betrachtet

Jetzt brauchen wir FLOT.
Wir downloaden die Software FLOT in der aktuelle Version 0.8.3 von der Seite ww.flotcharts.org als ZIP-File runter. Die Datei entpacken, dann folgende Dateien aus dem ZIP-File in das Verzeichnis /var/www/html kopieren:

• excanvas.min.js
• jquery.js
• jquery.flot.js
• jquery.flot.time.js
• examples/examples.css
• examples/axes-time/index.html

Zusätzlich wird in das Verzeichnis /var/www/html unsere Datenbank lm75_measured_values.db und das Script lm75_temperature_measurement.py kopiert. Anschließend wir die Datei index.html in index.php umbenannt (oder ihr kopiert die Datei index.html und benennt sie danach um.)
Alles zusammen sieht dann so aus:

konsole_01.png (8.86 KiB) 17047-mal betrachtet

Jetzt rufen wir um Browser die folgende Adresse auf: http://ip-Adresse-des-raspberry/index.php und erhalten folgendes Bild:

flot.png (51.33 KiB) 17044-mal betrachtet

Unter dem Diagramm sind ein paar Knöpfe zum probieren. Damit erhält man einen ersten Eindruck von der Leistungsfähigkeit der Software FLOT.

Jetzt ändern wir die Datei index.php schrittweise ab. (Anm. Bei Vitali auf dem blog steht index.html., er meint aber sicher die index.ph)
Ich empfehle zum Bearbeiten der Datei einen Editor (z. B. gedit) der Syntaxsensitiv ist. Dann ist das fehlerfreie Bearbeite einfacher. Nach dem ersten Schritt entsprechend auf Vitalis blog sieht die Datei so aus (der blaue Balken steht für den gelöschten Teil):

konsole_02.png (29.49 KiB) 17044-mal betrachtet

Statt zu tippen habe ich einfach alle Codeschnipsel vom blog untereinander in das Script kopiert – speichern nicht vergessen. Damit das Script nun auch Werte zum Anzeigen hat, muss unser Messscript als root gestartet werden. Nun werden wieder alle 30 Sekunden werte in die Datenbank geschrieben.

Code: Alles auswählen

$ sudo python Lm75sqlite.ph [RETURN]

Wenn wir jetzt mit „http://192.168.1.100/index.php“ im Browser unser Script index.php aufrufen, dann sehen wir eine Anzeige ähnlich wie diese:

flot_02.png (22.1 KiB) 17044-mal betrachtet

Bei mir sammeln sich die Werte zunächst alle auf der rechten Seite des Diagramms. Das hat was mit dem Zeitverhalten des FLOT-Scriptes zu tun, wie ich das genau ändern kann – ich weiß es noch nicht. Aber auch dafür gibt es sicher eine Lösung – und die zeige ich dann. Nach einer Weile aktualisiert sich das Diagramm selbstständig und dann sieht es so aus:

Flot_03.png (10.78 KiB) 17044-mal betrachtet

So! Wenn ihr bis hier ohne Probleme gekomemn seid. Dann habt ihr wirklich "Schwein" gehabt. Ich habe eine ganze Weile daran gewerkelt bis es endlich alles geklappt hat.

Die nächste Aufgabe wäre nun eigentlich die Diagramme so anzupassen, dass sich verschiedene Diagramme darstellen lassen. Also z. B. Leistung über Drehzahl oder Histogramme, oder Windgeschwindigkeit über Zeit oder Strom, SPannung über Drehzahl.

Und das mit verschiedenen Knöpfen das Diagramm hinsichtlich Skalierung anpassen läßt. Parallel müsste ich mich jetzt weiter um die Hardware sprich Sensoren, kümmern sonst haben wir ja nix zum darstellen.

Windige Grüße Siegfried

[Köpke]

Moin Leute,

ich habe mal überlegt welche Art von Diagrammen wir eigentlich benötigen. Wenn ich an das Messen einer Windenergieanlage denke fällt mir folgendes ein:

• Drehzahl des Rotors als Funktion der Windgeschwindigkeit
• Umfangsgeschwindigkeit des Rotors als Funktion der Windgeschwindigkeit (ergibt den Verlauf der Schnelllaufzahl)
• Strom, Spannung als Funktion der Generatordrehzahl
• Strom, Spannung als Funktion der Windgeschwindigkeit
• Leistung als Funktion derWindgeschwindigkeit (ergibt die typische Leistungskurve des Windrades)
• Elektr. Ausgangsleistung als Funktion der Rotorleistung (ergibt den Verlauf des Wirkungsgrades des Windrades)

Zur Windmessung selbst fällt mir ein:

• Windgeschwindigkeit als Funktion der Zeit
• Windgeschwindigkeit, klassifiziert nach Kategorien (ergibt das Histogramm / Verteilung)
• Windrichtung als Funktion der Zeit
• Windrichtung, klassifiziert (ergibt die Windrichtungsrose)

Ich denke wenn man diese acht Darstellungen live im Browser beobachten kann, und die Daten gleichzeitig für spätere Verwendung in der Datenbank liegen, wäre das schon ziemlich cool. Vielleicht ist es sogar hilfreich die Diagramme live manipulieren zu können: Zoom, Achsenskalierung, ...Fallen Euch darüber hinaus noch weitere Diagramme ein - die interessant oder notwendig wären?

Ich habe bis heute auch noch keine Ahnung wie FLOT (die Darstellungssoftware) entsprechend zu programmieren ist - vermutlich wie bei euch ..? Hat jemand Lust diesen Teil der Arbeit zu unterstützen?

Ich werde mich daran machen die Strom- und Spannungs- und Drehzahlsensoren aufzubauen - damit wir dann auch Messwerte aufnehmen können.

Windige Grüße
Siegfried

[herbk]

Hi Siegfried,
wäre das Verarbeiten der Messdaten auf einem externen Rechner (Lapi oder PC) nicht komfortabler?
Die Daten werden doch in einer SQL Datenbank gespeichert und lassen sich via Netzwerk über alle möglichen Programme auslesen.

Was ich wieder vermisse ist die Genitemperatur...

Wofür mir nach wie vor keine Lösung eingefallen ist: wie lassen sich Windgeschwindigkeit und Rotordrehzahl wirklich so darstellen dass sie zueinander passen?
So ein Rotor braucht so lange bis er auf einen Anstieg der Windgeschwindigkeit reagiert (nach unten geht es, zumindest unter Last, deutlich schneller), dass ich einfach keinen Weg sehe diese beiden Daten zu synchronisieren.

[Köpke]

Moin herb,

die Temperatur des Generators oder anderer Komponenten des WIndrades, einschließlich der Umgebuungstemperatur ist schon fest eingeplant mit dem LM75. Die ersten Messungen kannst du schon im vorherigen Beitrag sehen (auch wenn da noch meine Zimmertemperatur gemessen wird). Ich werde weitere LM75 vorsehen, dazu ist aber eine klein Manipulation der Adresse der Sensoren nötig (wie schon beschrieben). So ein LM75 könnte z.B. auf das Gehäuse des Generators geklebt werden. Genauer wäre direkt in die Statorwicklung PT100 oder PT1000 einzubringen - so wird das auch bei den großen Generatoren gemacht. Hast du in deinen Generatoren Sensoren in den Wicklungen oder am Gehäuse?

Bis der Rotor auf eine Windgeschwindigkeitsänderung reagiert vergeht eine Weile. Mathematisch bedeutet das, ich erhalte für eine bestimmte Windgeschwindigkeit unterschiedliche Drehzahlen: Die Windgeschwindigkeit ändert ich von v1 auf v2, dann beginnt, je nach Trägheit des Windrades die Drehzahl sich ebenfalls von n1 auf n2 zu ändern. Bleibt der Wind dann eine Weile stabil bei der Windgeschwindigkeit v2 häufen sich die Messwerte bei n2. Das kann mathematisch ausgewertet werden. Dann erhalten wir n2.

Wenn man die Leistungskurven großer Windenergieanlagen messtechnisch erfasst, geht man einen ähnlichen Weg, um die gerechnete Leistungskennlinie mit der gemessenen zu vergleichen.

Soeben bestellt (der entscheidende Hinweis kam von Totte - schönen Dank dafür ): ACS714 Stromsensor Breakout Board -5 to +5A
Es gibt eine Reihe weiterer Hallsensoren bei Watterott electronic mit anderen Messbereichen. Wenn es also mit dem ACS714 klappt funktioniert es auch problemlos mit anderen Sensoren. Da sie in jedem Fall an meinem ADC-Converter angeschlossen sind und der die Schnittstelel zum raspberry ist.

Die Berechnung und Auswertung der Daten auf dem raspberry ist nicht weiter schwierig. Der raspberry ist ja ein vollwertiger kleiner Computer, den ich entweder mit Maus, Tastatur und Bildschirm genau so verwende wie mein Notebook, oder über ssh, ftp und Filezilla aus der Ferne...

Windige Grüße
Siegfried

[herbk]

Hi Siegfried,
der erste Eigenbaugeni ist ja (immer noch...) erst im entstehen, aber da ist Platz für die Temperatursensoren direkt an den Spulen.

Bleibt der Wind dann eine Weile stabil bei der Windgeschwindigkeit v2

das ist das Problem...: das "bleibt der Wind dann eine Weile stabil" kommt bei mir so gut wie nie (und wenn, dann nur bei 1-2m/s) vor....

Der raspberry ist ja ein vollwertiger kleiner Computer

ja, das ist schon klar. Bei mir würde wohl die Faulheit siegen und nur das nötigste am Rasp installiert werden, auf den Lapis/Pc's hab ich die benötigte Software ja eh...

[Bernd]

Ich finde es eher gut und auch interessant wenn man in den Messkurven den Zeitversatz zwischen Rotordrehzahl und Windgeschwindigkeit erkennen kann.
Das weg zu bekommen würde ich gar nicht als erstrebenswert ansehen.

Grüße

Bernd

[Köpke]

Moin Bernd,

der zeitliche Versatz der beiden Größen Drehzahl und Windgeschwindigkeit zueinander liegt ja an der Trägheit der Anlage. Den Versatz "wegzubekommen" würde bedeuten die Windkraftanlage so zu konstruieren dass sie trägheitslos reagiert! Das wird wohl nix.

Grundsätzlich fallen mir zwei Möglichkeiten der Darstellung der Trägheit ein. Grafische Darstellung oder: Wenn wir die Windenergieanlage als Regelstrecke betrachten könnten wir die Sprungantwort berechnen. Das ist sicher herausfordernder - ich selber rechne jedenfalls nicht tagtäglich mit Laplace.

Eine clevere grafische Darstellung würde ich im Moment ebenfalls bevorzugen - ich nehme das mal mit auf.

Windige Grüße
Siegfried

[Bernd]

Den Versatz "wegzubekommen" würde bedeuten die Windkraftanlage so zu konstruieren dass sie trägheitslos reagiert! Das wird wohl nix.

Ja das ist logisch und so war es aber von mir nicht gemeint.
Was ich sagen wollte ist das ich die Darstellung des zeitlichen Versatzes gar nicht als veränderungswürdig empfinde.
Ein Rotor reagiert halt numal träge beim Beschleunigen als auch beim Auslaufen(!).
Herbert meinte sicher das dieser Umstand es z.B. schwierig macht genau darstellen zu können welcher Wirkungsgrad aktuell vorhanden ist wenn
beide Messwerte mit dem naturgemäßen Zeitversatz eintreffen. Das ist natürlich richtig.


Grüße

Bernd