Комплексная система учета энергоресурсов в квартирах жилых домов на основе сети
В.С. Казачков,
А.Г. Шахнович
Исследования последних лет показывают, что вРоссии потенциал энергосбережения вжилом секторе достигает 40—50%.Проблема энергосбережения приобретает все большее значение всвязи суменьшением дотаций государства вжилищную сферу иростом цен наэнергоносители. Неразрывно спроблемой энергосбережения связана ипроблема учета энергоресурсов.
Реформирование жилищно-коммунального хозяйства порождает необходимость вкомплексных автоматизированных системах учета всех энергоресурсов (газ, электроэнергия, холодная игорячая вода, тепло), поставляемых жильцам квартир. Растет интерес исамих квартиросъемщиков кучету потребляемых энергоресурсов. Коммерческому квартирному идомовому учету потребления энергоресурсов впоследнее время уделяется повышенное внимание. Проводятся работы посозданию ивнедрению автоматизированных систем учета энергоресурсов вМоскве, Санкт-Петербурге, Омске идругих городах.
Для реализации современных требований, предъявляемых кавтоматизированным системам, предлагается построить систему как однородную сеть однотипных элементов. Такая система может быть создана наоснове технологии MicroLAN, разработанной фирмой Dallas Semiconductor Inc. Кнастоящему времени разработана широкая гамма элементов систем сбора данных: счетчиков, датчиков температуры, электронных ключей ит.п.синтерфейсом 1-Wire.
Сеть передачи данных 1-WireR® Net, известная также под именем MicroLAN,— дешевая шина обмена данными между ПКили промышленным контроллером исетевыми устройствами 1-Wire. Один итолько один узел сети является ведущим, все остальные— ведомые. Все узлы подключены кобщей шине, образуемой витой неэкранированной парой. Ведущий узел подключается кшине через транзистор соткрытым коллектором. Коллекторное сопротивление соединяет шину систочником постоянного напряжения 5В.
1.
Система, основанная насети 1-Wire, состоит изтрех основных элементов: контроллера сети, соединительных проводов иустройств, разработанных для работы всреде 1-Wire. Одно изглавных достоинств представленной сети— простота управления. Никакое сетевое устройство неможет передавать данные, пока кнему непоступит запрос отведущего узла. Обмен данными между устройствами также возможен только через ведущий узел. Типичная диаграмма сигналов нашине сети 1-Wire приведена на1
Сетевой протокол 1-Wire основан науровнях сигналов, совместимых слогическими уровнями КМОП/ТТЛ— логики, где напряжение непревышающее 0,8Всоответствует логическому нулю, анапряжение неменьше 2,2В— логической единице. Допустимое напряжение питания должно находится вдиапазоне от2,8до6В.Как ведущий, так иведомый узлы имеют двунаправленные шинные формирователи, новкаждый момент времени передача может идти только водном направлении. Другими словами, всети 1-Wire данные передаются вполудуплексном режиме; протокол передачи— последовательный битовый. Для передачи сигналов всети 1-Wire рекомендуется использовать неэкранированную витую пару 5категории.
Физический уровень протокола передачи данных основан наширотно-импульсной манипуляции. Вотсутствии сигнала ведущий узел поддерживает нашине уровень напряжения 5В,что обеспечивает питание ведомых узлов сети. Логическая единица передается отрицательным импульсом длительностью неболее 15мкс, логический ноль— импульсом длительностью немене 60мкс. Канал передачи синхроимпульсов нетребуется, т.к.каждое устройство имеет встроенный генератор, синхронизируемый каждым отрицательным фронтом, сформированным ведущим узлом.
Каждое устройство для шины 1-Wire имеет уникальный 48-битный сетевой адрес, записанный впрожигаемом при его изготовлении 64-битном ПЗУ. ВПЗУ также записаны 8-битный код типа устройства и8-битный циклический контрольный код, сформированный поостальным 7байтам кода
(http://news.rtcs.ru/html.php/txt/Dallas/ibutton/start.htm?fid=2).
Как показано на1,цикл обмена данными всети 1-Wire опять начинается спередачи ведущим узлом импульса сброса, длительностью немене 480мкс. Вответ наэтот импульс каждое устройство, подключенное ксети, производит сброс своих внутренних цепей ипередает импульс подтверждения (presence pulse). Обнаружив этот импульс, ведущий узел передает 8-битный код команды адресации (ROM function) исетевой адрес выбираемого устройства. Все устройства, адрес которых несовпал спереданным, логически отключаются отсети. Выбранному устройству передается код операции обмена данными (Memory function) иданные для записи или последовательность логических единиц необходимой длины, если нужно прочитать данные изустройства. Поокончании операции ведущий узел генерирует новый импульс сброса иопять начинается новый цикл обмена.
Как было указано выше, ведомые узлы сети получают питание непосредственно отлинии передачи данных. Сэтой точки зрения каждое сетевое устройство может быть представлено эквивалентной схемой, приведенной на2.
2.
Впериоды простоя шины данных, конденсатор емкостью 800рФзаряжается. Вовремя передачи данных, когда напряжение налинии падает донуля, диод препятствует разряду конденсатора. Отсутствие линии передачи синхроимпульсов ишины питания объясняет принятое название сети— 1-Wire («однопроводная»).
Разработчик сети 1-Wire, фирма Dallas Semiconductor Inc., производит широкий спектр устройств, поддерживающих протокол 1-Wire. Сюда входят счетчики, датчики температуры, элементы памяти (типа RAM иEEPROM), электронные ключи ит.д. (http://www.rtcs.ru/a_inform.htm) Как показал анализ, этот набор компонентов позволяет построить полнофункциональную систему учета расхода энергоресурсов вмногоквартирном доме.
Описание полной структуры ипрограммного обеспечения такой системы требует отдельной статьи, здесьже мырассмотрим базовой модуль системы— квартирный прибор учета (КВП). КВП обеспечивает сбор данных опотреблении энергоресурсов водной квартире. Вбольшинстве современных систем рассматриваемый модуль строится набазе микроциклора. Использование преимуществ сети 1-Wire позволило разработать КВП без использования микроциклора, что обеспечивает повышение надежности иснижение стоимости всей системы вцелом. Структура КВП приведена на3.
3.
Основным элементом КВП является электронный переключатель DS2409. Фактически это двухпортовый сетевой хаб, позволяющий подключить кшине данных DATA либо шину MAIN, либо шину AUX. Если хаб невыбран, оба его выхода закрыты ивсе устройства, присоединенные кКВП, отключены отосновной сети. влюбой момент времени максимальное число сетевых устройств, подключенных кведущему узлу, равно сумме всех КВП иустройств, установленных водной квартире. Даже для самых больших жилых комплексов это число непревысит максимальных значений допустимых для сети 1-Wire. Квыходу AUX хаба подключен счетчик, обеспечивающий подсчет импульсов, поступающих стелеметрических выходов счетчика электроэнергии игазового. Кэтомуже выходу подключается электрически перепрограммируемое ПЗУ («флэш-память»). ПЗУ содержит всю информацию необходимую для расчета потребления энергоресурсов вданной квартире: расположение датчиков температуры, типы иплощади радиаторов центрального отопления, заводские номера иначальные показания счетчиков электроэнергии, расхода газа ирасхода горячей ихолодной воды. Как уже упоминалось, вКВП установлен счетчик, принимающий импульсы только отсчетчиков расхода электроэнергии игаза. Устройства тогоже типа (DS2423), подсчитывающие импульсы отсчетчиков горячей ихолодной воды устанавливаются непосредственно навводах, иподключаются кКВП через разъем CONNECTOR1.
Квыходу MAIN подключаются только цифровые датчики температуры (DS1820 или DS1920/1921. Описание имеется винтернете поадресу http://news.rtcs.ru/pdf/Dallas_Sem/sensor/DS1820.pdf?fid=2 или http://news.rtcs.ru/html.php/txt/Dallas/ibutton/start.htm?fid=2).Это сделано для того, чтобы можно было передать команду запуска АЦП одновременно навсе устройства DS1820. Время выполнения указанной команды составляет примерно 500мсиеевыполнение отдельно для каждого устройства, привелобы кнедопустимому увеличению времени опроса отдельной квартиры.
Для нормальной работы датчиков температуры DS1820 вовремя выполнения команды преобразования наних необходимо подать постоянное напряжение номиналом 5В.Эту задачу решает электронный ключ, управляемый линией CONTROL хаба DS2409. Эта линия активизируется автоматически, когда принятой DS2409 командой выбирается шина MAIN.
Все датчики температуры подключаются кКВП через разъем CONNECTOR2.
Структура системы сбора данных орасходе ресурсов приведена на 4.Наэтом рисунке введены следующие сокращения: КВП— квартирный прибор, позволяющей строить сложные сети MicroLAN общей протяженность до600метров ивключающий сотни компонентов; ДТ— датчики температуры наоснове DS1820 иСЧ— счетчики импульсов, реализованные наDS2433. Пунктирная линия охватывает элементы, размещенные водной квартире. Все КВП подъезда управляются контроллером, вкачестве которого используется промышленный контроллер ICP7188. Подъездные контроллеры (ПК)между собой связаны поинтерфейсу RS485. Всвою очередь они управляются отдомового контроллера (ДК),также реализованного наICP7188. КВП содержит два электронных ключа, управляемых контроллером. Ккаждому ключу подключается отдельная ветвь сети. Физически эти две ветви объединены водин кабель— витая пара. Вкаждый момент времени, КВП включаются чтобы кконтроллеру был подключен только один фрагмент сети, объединяющей датчики одной отдельной квартиры иодного типа.
Решение задачи измерения тепла вконкретно взятой квартире вмногоквартирном доме состоит вприменении такого способа учета, который независит отразводки труб теплоснабжения. Суть его вследующем: вкаждой квартире однотипно устанавливается поодному термодатчику навсе батареи. Для определения разности температур науровне пола каждой отапливаемой комнаты вквартире также однотипно устанавливаются термодатчики. Все датчики подключаются клинии MAIN КВП (3, 4).Зная разность температур иплощадь батарей, можно определить величину тепловой энергии.
Способ определения количества тепла основан наиспользовании закона Ньютона— Рихмана, согласно которому
где:
Q— количество тепла, использованное потребителем тепла;
a— коэффициент теплоотдачи;
s— площадь поверхности теплоотдачи объекта;
Т1— температура поверхности теплоотдачи объекта;
Т2— температура охлаждающей среды;
t— время потребления тепла.
Для определения расхода тепла, например, вотдельно взятой квартире вмногоэтажном многоквартирном доме свертикальной (традиционной) или горизонтальной разводкой труб отопления сначала определяют расход тепла повсему дому подомовому тепловому счетчику. Степловым счетчиком связан ДК,вкотором хранится информация оплощади поверхности теплоотдачи покаждой квартире. ДКполучает отПКвопределенные моменты времени данные оразности температур. ПКчерез КВП постоянно фиксирует температуру наповерхности теплоотдачи отопительных приборов (батарей) итемпературу охлаждающей среды ( воздуха науровне пола впомещении ).
Зная расход тепла подому законкретное время (попоказаниям домового теплового счетчика), ДКопределяет средний коэффициент теплоотдачи пообъединенной системе потребителей тепла. Этот коэффициент ДКпередает всем ПК.Спомощью этого коэффициента каждый ПКопределяет расход тепла поконкретному локальному потребителю. Искомая величина вычисляется как произведение среднего коэффициента теплоотдачи пообъединенной системе потребителей тепла иплощади теплоотдачи этого локального потребителя, умноженного наразницу температур наповерхности теплоисточника иохлаждающей среды локального потребителя инавремя, закоторое был учтен расход тепла пообъединенной системе.
можно определить расход тепла покаждому локальному потребителю, входящему вобъединенную систему потребителей тепла.
Изприведенной на 4схемы оборудования видно, что навесь дом устанавливают один электронный тепловой счетчик. Вкаждой квартире установлен КВП, задачей которого является измерение разности температур ипередача этой информации ПК.
Предлагаемый «Способ определения расхода тепла локальными потребителями осуществляет расчет тепла следующим образом.
Зарегистрированное тепловым счетчиком количество тепла, использованное всей объединенной системой наданный конкретный момент времени, полагают равным сумме расходов тепла вкаждой квартире сучетом потерь вдоме:
где:
Q— расход тепла объединенной системой потребителей законкретное время теплоотдачи теплоисточником;
Qi— расход тепла локальным потребителем законкретное время;
аi=1-n,где n— количество локальных потребителей тепла.
Исходя изравенства теплового баланса, ДК определяет средний коэффициент теплоотдачи пообъединенной системе потребителей тепла поформуле:
где:
a— средний коэффициент теплоотдачи пообъединенной системе потребителей тепла;
Si— площадь поверхности теплоотдачи теплоисточника локального потребителя тепла;
ΔТi— разность температур наповерхности теплоисточника локального потребителя тепла иохлаждающей среды локального потребителя тепла;
t— время теплоотдачи теплоисточником.
Наоснове найденного среднего коэффициента теплоотдачи пообъединенной системе потребителей тепла все ПКопределяют количество тепла, использованное каждой квартирой соответствующего подъезда. Например, квартирой номер iэто потребление законкретное время tсоставит:
Вычислив количество тепла покаждой квартире, ПКпередает эту информацию ДК.
Изприведенных соотношений видно, что потери тепловой энергии распределяются пропорционально площадям батарей иразнице температур каждой отдельной квартиры.
Предлагаемый способ определения тепла вквартирах легко поддается автоматизации.
Вавтоматизированной системе имеются аппаратные ипрограммные средства защиты отнесанкционированного доступа ковсем датчикам илиниям связи.
Предлагаемая автоматизированная система отличается: - невысокой стоимостью (до150руб. наквадратный метр);
- измерением тепла вквартире, независимо отразводки труб отопления;
- окупаемостью при существующих тарифах 1,5— 2года.
Такая система установлена вобщежитии завода «Релеро» г.Омск. Ееиспытания подтвердили перечисленные достоинства принятых схемных иалгоритмических решений ипозволили сделать вывод оперспективности этой системы для производства ииспользования вжилищно-коммунальном хозяйстве России.
Поданной системе имеются положительные решения Госэнергонадзора РФ,Госстроя РФ,РЭК поОмской области идругих организаций.
Использование такой системы напромышленном предприятии позволяет оценивать стоимость удельных потерь покаждому виду продукции изаставляет экономить энергоресурсы.
4.Структура системы сбора данных по дому
Источник: rtcs.ruЧитайте далее: Электрический паяльник инженера Сакса. История и современность., Схемотехника при разработке устройств на микроконтроллерах, Конфигурируемая система на кристалле Е5 — первое знакомство, IR21571— контроллер электронных балластов нового поколения, Однокристальные системы сбора данных семейства ADuC8xx, «NO EXCUSES» — специальная программа компании MOTOROLA, Встречайте, R100-XP !!!, Микроконтроллеры фирмы NEC. Часть 1., ШИМ-контроллеры малой мощности TinySwitch от Power Integrations, Микроконтроллеры фирмы AMD, Схема сброса и Watcdog-таймер, ГЛЮКИ МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ PIC, Технологии и компоненты передачи данных по линиям электропитания, НАБОР КОМАНД PIC МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ СЕМЕЙСТВА PIC18XXXX, Подключение светодиодов с использованием минимального количества портов микрокон, Работа с EEPROM типа 24LCxx., Полезные подпрограммы для PIC-контроллеров, Интерфейс USB: описание и основы устройств сопряжения, История радиоактивного бойскаута,
|
