Содержание к диссертации
Введение
Глава1. Концепция энергосбережения, учета и контроля потребляемых энергоресурсов 10
1.1. Общие понятия о энергосбережении 10
1.2. Анализ потерь в промышленности и бытовом секторе 13
1.3. Основы энергосберегающего потребления в быту 15
1.3.1. Рациональное освещение квартиры. 15
1.3.2. Экономия электроэнергии при использовании электроплит. 16
1.3.3. Снижение энергопотребления при использовании бытовых приборов 17
1.4. Обзор обобщенных задач решаемых корпоративными системами контроля и учета энергоносителей (на примере электроэнергии) 19
1.5. Первичная датчиковая аппаратура контроля и учета потребления энергоносителей в бытовом секторе. 20
1.5.1. Расходомеры – счетчики холодной и горячей воды 20
1.5.2. Счетчики электрической энергии 22
1.5.3. Автоматизация снятия показаний с импульсного выхода счётчиков электроэнергии, воды, тепла и газа. 24
Выводы по первой главе: 25
Глава 2. Анализ существующих корпоративных автоматизированных систем контроля и учета энергоресурсов в промышленности и бытовом секторе . 25
2.1. Современные системы учета потребления электроэнергии в промышленности 25
2.1.1. Анализ способов организации систем. 25
2.1.2. Оборудование для построения АИИС КУЭ и его функции. 26
2.1.3. Описание работы АИИС КУЭ (на примере э/с СЭТ–4ТМ.03) 28
2.1.4. Создание АИИС КУЭ на базе КТС «Энергия+» 32
2.2. Описание работы корпоративного центра ОАО «Кавказская энергетическая управляющая компания» 33
2.2.1. Описание функционирования корпоративного центра 34
2.2.2. Перечень оборудования для создания АСТУЭ и его функции 35
2.3. Системы учета потребления электроэнергии в бытовом секторе 37
2.3.1. Использование системы. 37
2.3.2. Основные достоинства системы. 38
2.4. Структура АСКУЭ. 39
2.4.1. Аппаратные средства построения АСКУЭ. 40
2.4.2. Программные средства построения АСКУЭ 41
2.4.3. Связь между программными компонентами АСКУЭ. 42
2.4.4. Выводы и предложения по созданию тиражируемой системы коммерческого учета потребления электроэнергии. 43
2.5. Обобщенные технические требования к элементам интегрированной автоматизированной системе учёта и контроля энергоносителей ИАСКУЭ 44
2.5.1.Назначение Системы. 44
2.5.2. Дополнительные требования к трёхфазным счётчикам общедомового учёта, балансным счётчикам квартирных стояков и нежилых помещений 44
2.5.3. Требование к информационной магистрали. 45
2.5.4. Требование к устройствам сбора и передачи данных (УСПД) 45
2.5.5. Требование к каналам связи 45
Выводы по второй главе. 47
Глава 3. Математические модели систем и устройств управления и контроля в энергосбережения 47
3.1.Системы оптимального управления энергосбережением 47
3.1.1. Задачи оптимального управления в энергосбережении. 51
3.1.2. Моделирование системы управления потреблением энергоносителей. 52
3.1.3. Моделирование элементов и узлов интегрированной системы контроля и учета энергоносителей . 55
3.1.4. Автоматическая беспроводная система управления бытовыми приборами. 60
3.2. Моделирование каналов передачи данных многоуровневой интегрированной системыконтроля и учета энергоносителей. 64
3.2.1.Особенности использования промышленных интерфейсов в многоуровневой интегрированной системе. 64
3.2.2. Система удаленного мониторинга электрооборудования на основе GPRS. 69
3.2.3. Система управления параметрами с использованием беспроводных технологий в диапазоне 433 МГц. 72
3.3. Использование PLC технологий при организации каналов передачи данных. 73
3.3.1.Методы обеспечения достоверности в каналах передачи данных интегрированной системы 79
3.4. Микропроцессорная система дистанционного контроля и управления с использованием GSM технологий 82
Выводы по третьей главе. 86
Глава 4. Аппаратно-программная реализация интегрированной системы контроля и учета энергоносителей . 87
4.1. Разработка структурной схемы интегрированной многоуровневой системы учета и контроля энергоносителей. 87
4.2.Системы передачи данных и каналообразующая аппаратура. 89
4.2.1. Практическая реализация канала передачи данных на основе протокола RS–485 в ИАСКУЭ 89
4.2.2. Канал передачи данных на основе PLC–канала . 90
4.3. Особенности выбора и применения микроконтроллеров в АСКУЭ. 108
4.3.1. Особенности архитектуры микроконтроллера. 113
4.3.2. Основные характеристики микроконтроллера. 114
4.3.3. Организация памяти программ и стека 116
4.3.4. Организация памяти данных. 117
4.3.5. Счетчик команд. 118
4.3.6. Модуль таймера и регистр таймера. 119
Организация прерываний 119
4.4. Концептуальная структурная схема ИАСКУЭ 123
Выводы по четвертой главе. 124
Глава 5. Консолидированные базы данных для систем учета и контроля бытовых потребителей . 125
5.1. Предметная область консолидированной базы данных 125
5.2. Инфологическое моделирование консолидированных баз данных. 129
5.3. Выбор и обоснование типа СУБД. 130
5.4. Построение даталогической модели. 133
5.5. Физическая модель 134
5.6. Расчет размера пространства, необходимого для хранения данных. 137
5.6.1. Расчет максимальной производительности сети АСКУЭ. 137
5.6.2. Расчет размера пространства, необходимого для хранения данных 139
5.7. Разработка Блок-схемы алгоритмов работы MSSQLServer. 152
Выводы по пятой главе: 154
Заключение 154
Основные результаты работы. 154
Ссылки и список использованной литературы 155
Приложение 1. 158
Приложение 2. 174
- Общие понятия о энергосбережении
- Моделирование элементов и узлов интегрированной системы контроля и учета энергоносителей
- Канал передачи данных на основе PLC–канала
- Расчет размера пространства, необходимого для хранения данных
Введение к работе
Актуальность темы. Рыночные методы хозяйствования
предъявляют все более жесткие требования к обеспечению
эффективности расходования энергоресурсов, обеспечению
достоверности и оперативности учета потребляемой электрической и тепловой энергии, холодной, горячей воды и природного газа. Затраты на приобретение энергоресурсов составляют значительную долю в себестоимости готовой продукции, что обуславливает актуальность энергосбережения. В свою очередь, энергосбережение невозможно без точного учета. Первым шагом для снижения затрат является внедрение систем учета и контроля энергоресурсов.
Комплексный учет энергоресурсов предусматривает построение
интегрированной автоматизированной системы, которая собирает
показания со всех приборов первичного учета, которые измеряют
потребление электроэнергии и других ресурсов. Внедрение системы
комплексного учета энергоресурсов имеет целый ряд преимуществ
перед использованием отдельных систем для каждого конкретного вида
ресурсов. Прежде всего, это более экономичное решение за счет
использования единой инфраструктуры сбора данных от приборов учета
разных ресурсов, общим является: информационное пространство, базы
данных, каналы передачи данных, алгоритмы и методы обработки и.т.д.
Помимо этого, интегрированная система дает следующие преимущества
эксплуатационного характера: высокую информативность и
унификацию аппаратно–программных средств. Система обеспечивает
возможность получения данных о потреблении на любом из объектов
или структурных подразделений. Кроме того, обеспечивается
возможность контроля показаний счетчиков энергоресурсов различного вида (электроэнергия, газ, отопление, вода и т.д.); Интегрированная система позволяет контролировать потребление энергоресурсов в режиме реального времени.
Обеспечивается:
накопление информации за прошлые периоды для последующего изучения и анализа;
полная автоматизация процесса сбора информации, что имеет большое значение для предприятий со сложной структурой и
большим количеством приборов учета потребления
энергоресурсов;
- высокий уровень достоверности получаемой информации о
потреблении. Благодаря этим преимуществам комплексный
учет энергоресурсов является более удобным в эксплуатации.
Более того, система позволяет обеспечить по–настоящему эффективный контроль энергопотребления, что дает возможность выявлять проблемные места и изыскивать новые возможности для экономии ресурсов. Это позволяет существенно снизить затраты времени и средств на создание легитимных систем коммерческого учета энергоресурсов для промышленных предприятий и ЖКХ.
При правильной организации, процессы объединения
различных локальных баз данных в общие системы хранения помогают
добиться значительной экономии. Консолидация позволяет, в
частности:
упростить и централизовать администрирование системы;
сократить усилия и затраты на ее поддержку;
повысить показатели готовности и скорости доступа к данным для пользователей и приложений;
улучшить масштабируемость систем хранения данных и вычислительных систем;
уменьшить нагрузки на локальные сети при резервном копировании данных;
- создать решения высокой готовности без единой точки отказа.
В большинстве случаев именно консолидация разрозненной
информации в пределах централизованных систем хранения данных позволяет получить максимальный выигрыш.
Цель и задачи диссертационной работы. Целью данной работы
является анализ систем учета и синтез интегрированной
автоматизированной системы управления, контроля и учета
потребляемых энергоресурсов, снижение трудозатрат и сокращение
продолжительности разработки средств обработки и передачи
информации с помощью разработки и унификации средств сбора, контроля, хранения и автоматизации измерений.
Поставленная цель достигается благодаря решению следующих задач: - анализ существующих инструментальных средств и технологий в
области учета и контроля за потреблением энергоресурсов в
промышленности и бытовом секторе;
разработка методов автоматизации контроля, учета, обработки, хранения и передачи данных о потреблении энергоресурсов;
разработка, архитектуры, структурных схем и интерфейсов автоматизированной системы управления процессом контроля и учета энергоресурсов;
разработка математических моделей средств обработки и передачи информации;
аппаратно-программная реализация методов и систем автоматизации и управления учетом и контролем;
исследования влияния различных факторов на производительность и достоверность каналов передачи данных, применяемых в автоматизированных системах контроля и учета энергоресурсов (АСКУЭ);
разработка практических рекомендаций по внедрению разработанных структур и аппаратно-программных средств сбора, контроля, хранения и автоматизации учета и контроля потребления энергоресурсов. Методы исследований. Для решения поставленных задач в
диссертации использовались методы теории автоматического
управления, методы математического моделирования, теории
вероятностей, математической статистики, теории алгоритмов. При
реализации задачи использовались современные компьютерные
технологии, средства разработки и отладки ПО.
Научная новизна диссертации состоит в создании, проведении и реализации научно–обоснованных разработок:
-
Предложена концепция построения интегрированной системы управления контролем и учетом энергоресурсов, обеспечивающая создание распределенного аппаратно-программного комплекса на базе широкой номенклатуры первичных преобразователей, систем сбора и преобразования, баз данных и аттестованных методик измерения и контроля, позволяющая сократить трудозатраты и сроки разработки и производства средств управления, контроля и учета энергоресурсов.
-
Проведены исследования и анализ архитектур, структурных схем и интерфейсов систем контроля и учета энергоресурсов. Даны, теоретически обоснованные, рекомендации по составу и типу аппаратно-программных средств автоматизации контроля и учета потребления энергоресурсов.
-
Предложена математическая модель канала передачи данных, позволяющая оценивать достоверность передачи данных в зависимости от использованного типа кодирования и оценивать эффективность алгоритмов, используемых при автоматизированном измерении, обработке и передаче данных; проведено исследование достоверности и помехоустойчивости PLC канала передачи данных в системе и влияние интерференции на перестановку символов в диаграмме созвездия. Показано, что наиболее устойчивым к интерференции методом является OFDM с QPSK и QAM.
-
Разработана модель консолидированной базы данных, отражающая логические взаимосвязи между элементами данных безотносительно их содержания и физической организации с учетом специфики конкретной предметной области на основе ее инфологической модели. Определены внешние ключи для правильного построения связей.
-
Разработаны алгоритмы взаимодействия с сервером базы данных, процессов входа в систему и обработки запросов и программное обеспечение элементов в многоуровневой интегрированной системе; осуществлен выбор элементной базы и сформулированы тактико-технические требования к узлам и системе учета и контроля энергоресурсов.
Практическую значимость работы имеют:
-
Принципы построения интегрированной системы управления контролем и учетом энергоресурсов, позволяющие в два три раза сократить трудозатраты, сроки разработки и производства средств управления контролем и учетом энергоресурсов.
-
Структурные и функциональные схемы системы автоматизации и управления процессом измерения и контроля энергоресурсов, позволяющие реализовать предложенную методику учета и контроля энергоресурсов.
-
Результаты имитационного моделирования PLC канала передачи данных в системе учета и контроля энергоресурсов, исследования достоверности и помехоустойчивости канала и влияние интерференции на перестановку символов в диаграмме созвездия с использованием QAM модуляции.
-
Алгоритмы и программное обеспечение многоуровневой интегрированной системы, осуществлен выбор элементной базы и
сформулированны тактико-технические требования к узлам и
системе. 5. Модель консолидированной базы данных учета энергоресурсов.
Достоверность полученных результатов теоретических
исследований и выводов подтверждается результатами имитационного моделирования и результатами успешных проверок и испытаний экспериментальных узлов автоматизированной системы контроля и учета энергоресурсов.
Личный вклад автора. Все основные теоретические и
практические результаты получены автором лично.
Внедрение результатов.
Отдельные результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс МИЭТ в рамках дисциплин «Информационно– промышленные сети в системах управления», «Алгоритмические и технические средства обработки сигналов».
На защиту выносятся следующие положения:
-
Модель интегрированной системы управления контролем и учетом энергоресурсов, обеспечивающая создание распределенного аппаратно-программного комплекса на базе широкой номенклатуры первичных преобразователей, систем сбора и преобразования, баз данных и аттестованных методик измерения и контроля, позволяющая сократить трудозатраты и сроки разработки и производства средств управления, контроля и учета энергоресурсов.
-
Разработанные структурные и функциональные схемы и алгоритмы обработки и передачи информации, программное обеспечение интегрированной системы управления учетом и контролем энергоресурсов.
-
Разработанная математическая модель PLC канала передачи данных и результаты математического моделирования в MATLAB, позволяющие оценивать достоверность передачи данных в зависимости от использованного типа кодирования и алгоритмов, используемых при передаче в системах сбора и преобразования первичного уровня.
-
Методы построения консолидированной базы данных интегрированной системы.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
-
Система управления и контроля электроэнергии. // Микроэлектроника и информатика – 2013. 20-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов. – М.: МИЭТ, 2013г., с.210.
-
Использование промышленных интерфейсов в системах учета и контроля электроэнергии. // Микроэлектроника и информатика. 6-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов. – М.: МИЭТ, 2013г., с.94.
-
Система управления параметрами с использованием беспроводных технологий в диапазоне 433 МГц. // Микроэлектроника и информатика. 21-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов. – М.: МИЭТ, 2013г., с.163.
-
Система удаленного мониторинга электрооборудования на основе GPRS сети. // Актуальные проблемы информатизации в науке образовании и экономике. 7-я Всероссийская межвузовская научно-практическая конференция. – М.: МИЭТ, 2014г., с.171.
-
Использование периферийных интерфейсных контроллеров в интегрированной системе. // Актуальные проблемы информатизации в науке образовании и экономике - 2015. 8-я Всероссийская межвузовская научно-практическая конференция. – М.: МИЭТ, 2015г., с.179.
-
Микропроцессорная система дистанционного контроля и управления с использованием GSM модулей. // Международная конференция «Инновационные подходы к решению технико-экономических проблем» Сборник трудов. г. Москва 2014, с.238.
-
Автоматическая беспроводная система управления бытовыми приборами. // Международная конференция «Инновационные подходы к решению технико-экономических проблем» Сборник трудов. г. Москва 2014, с.218.
-
Интегрированная система мониторинга и контроля для электростанции с комбинированным циклом. // Микроэлектроника и информатика – 2016. 23-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов. – М.: МИЭТ, 2016г., с.220.
Публикации по работе.
Основные положения диссертационной работы опубликованы в 14 печатных работах, в том числе 4 работы в журналах, входящих в список, рекомендованных ВАК. Без соавторов опубликовано 7 работ. Получено
два авторских свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 63 наименований, 2 приложений и 2 актов использования результатов диссертационной работы. Работа содержит 158 страниц основного текста и 16 страниц приложений, 90 рисунков и 18 таблиц из 174 страниц.
Общие понятия о энергосбережении
Количество потребляемых населением Земли энергоресурсов постоянно возрастает, однако эффективность использования их остается достаточно низкой. По данным Европейской комиссии ООН, уровень полезного использования энергоресурсов составляет лишь 40%, доля полезного конечного использования топлива – менее 20% [4]. Вместе с тем обостряется проблема загрязнения окружающей среды, быстро уменьшаются запасы высокоэнергетического сырья, и растет стоимость получения энергии.
Возрастающая стоимость энергоресурсов привела к необходимости повышения эффективности их использования. Быстрый рост тарифов на электроэнергию, газ, тепло, воду в последние годы особенно заметен и можно, с большой вероятностью, предположить, что тенденция роста сохранится. Рост тарифов обусловлен в основном увеличением стоимости энергоносителей, износом генерирующих источников и транспортных коммуникаций энергоносителей. Энергосбережение сейчас становится одним из приоритетов политики любой компании, работающей в сфере производства или сервиса. По данным специалистов, доля энергозатрат в себестоимости продукции в России достигает от 30% до 40%, что значительно выше, чем, например, в западноевропейских странах. Одной из основных причин такого положения являются устаревшие энергорасточительные технологии, оборудование и приборы. Очевидно, что снижение таких издержек позволяет повысить конкурентоспособность бизнеса.
В России до 75% всей потребляемой электроэнергии на производствах используется для приведения в действие всевозможных электроприводов.
Как правило, на большинстве предприятий установлены электродвигатели с большим запасом по мощности в расчете на максимальную производительность оборудования, несмотря на то, что часы пиковой нагрузки составляют всего от 15% до 20% общего времени его работы. В результате электродвигателям с постоянной скоростью вращения требуется значительно (до 60%) больше энергии, чем это необходимо [5].
Комплексно подойти к решению этой проблемы предлагает, например, японский концерн Omron, специализирующийся на выпуске продукции для автоматизации технологических и производственных процессов.
В частности [5], хорошо себя зарекомендовали частотно-регулируемые электроприводы со встроенными функциями оптимизации энергопотребления. Суть заключается в гибком изменении частоты их вращения в зависимости от реальной нагрузки, что позволяет сэкономить до 30 % или 50 % потребляемой электроэнергии. Режим энергосбережения особенно актуален для механизмов, которые часть времени работают с пониженной нагрузкой, конвейеры, насосы, вентиляторы и т.п. Кроме снижения расхода электроэнергии, экономический эффект от применения частотно–регулируемых электроприводов достигается путем увеличения ресурса работы электротехнического и механического оборудования, что становится дополнительным плюсом.
По различным источникам, в европейских странах до 80% запускаемых в эксплуатацию электроприводов уже являются регулируемыми. В России пока их доля гораздо ниже [5].
Существуют и другие пути рациональнее использовать электроэнергию, причем не только на производстве, но и в быту. Так, уже давно известны "умные" системы освещения, широко внедряемые в странах Западной Европы, США и особенно в Японии. По расчетам специалистов российской компании "Светэк", разрабатывающей такие решения в нашей стране, энергосберегающие системы освещения позволяют снизить затраты на освещение до 8 или10 раз [5].
Энергосберегающий эффект основан на том, что свет включается автоматически, именно когда он нужен и использовании энергосберегающих ламп на основе светодиодов, предназначенных для освещения офисов, торговых площадок, кафе, и ламп со стандартными цоколями для использования в квартирах. Экономия электроэнергии с применением таких ламп достигает 80%, а "время их жизни" во много раз больше. По оценкам специалистов, в России более трети всех энергоресурсов страны расходуется на отопление жилых, офисных и производственных зданий [5]. Поэтому все выше перечисленные технологии и методы энергосбережения будут малоэффективны без борьбы с непродуктивными потерями тепла.
Выделяют три основных направления тепло энергосбережения [5].
- снижение потерь на этапе выработки и транспортировки;
- повышение энергоэффективности зданий за счет комплексного применения теплоизоляционных решений для наружных ограждающих конструкций (в первую очередь, фасадов и кровель) ;
- использование радиаторов отопления с автоматической регуляцией и систем вентиляции с функции рекуперации тепла.
Отечественный и зарубежный опыт свидетельствуют, что все эти меры позволяют сократить расход тепла на обогрев зданий не менее, чем на 40%. А, в соответствии с проведенными расчетами, затраты на повышение энергоэффективности окупаются за 7 или 8 лет в новостройках и за 12 или 15 лет при реконструкции старых зданий [5].
В последние годы все энергоэффективные технологии объединяются в концепцию так называемого пассивного дома, то есть жилища, максимально дружелюбного окружающей среде. В Западной Европе сейчас строятся пассивные дома с энергопотреблением не более 15 Квт, ч/м3 год, что более чем в 10 раз экономичнее типовой "хрущевки" [5]. Можно сказать, что такие здания – это будущее мирового строительства, ведь они фактически отапливаются за счет тепла, выделяемого людьми и электроприборами.
По некоторым данным потенциал энергосбережения России составляет не менее 400 миллионов тонн условного топлива в год или 30-40% всего энергопотребления страны.
Таким образом [5], энергосберегающие технологии позволяют решить сразу несколько задач: сэкономить существенную часть энергоресурсов, решить проблемы отечественного ЖКХ, повысить эффективность производства и уменьшить нагрузку на окружающую среду.
В рамках разработанной программы «Энергосбережение» России многие регионы разработали свою концепцию энергосбережения, отличающуюся отдельными разделами, отражающими специфику региона, муниципального образования [5].
Основными направлениями можно рассматривать следующие:
- перевод городских предприятий на дифференцированную по времени суток форму расчетов за электроэнергию;
- устройство автоматических систем учета тепла, воды, газа;
- внедрение систем управления и распределения тепла в зданиях различного назначения;
- устройство локальных тепловых узлов с электронагревом, работающих в зоне льготных режимов с теплонакопителями;реконструкция и техническое перевооружение энергогенерирующих источников, коммуникаций сетей тепло, электро и водоснабжения;
- устройства электронной пускорегулирующей аппаратуры (ЭПРА) для газоразрядных ламп освещения и устройств автоматического управления городским освещением;
- устройство систем частотно – регулируемых приводов для двигателей используемых в городском коммунальном хозяйстве;
- диспетчеризация учета энергоносителей в масштабах города;
- внедрение высокоэффективных источников энергии.
Моделирование элементов и узлов интегрированной системы контроля и учета энергоносителей
Новая эра технологий способствовала пересмотру отношения к проблеме связи [16]. В настоящее время большинство людей имеют доступ к мобильным телефонам и, таким образом, мир действительно стал глобальной деревней. В любой момент, любой человек может общаться по мобильному телефону, но использование мобильного телефона не может просто быть ограничено отправкой СМС, такая функция есть на большинстве цифровых мобильных телефонов, и которая позволяет отправлять СМС и называется службой обмена текстовыми сообщениями. Новые инновации и идеи могут быть получены с её помощью, что может еще больше повысить её возможности. Система дистанционного управления на основе GSM является предметом растущего интереса и она нашла применение в различных областях [16].
Использование электроэнергии очень важно, как одного из главных источников энергии в современной жизни [16]. В настоящее время электрическая энергия часто используется в качестве одного из основных источников энергии для работы любого электрического устройства или приборов бытовой техники. Неравномерное распределение электроэнергии приводит к тому, что некоторые пользователи забывают выключать бытовые приборы, а это может привести к потери энергии, когда свет горит непрерывно. Механизм управления информационными технологиями можно было бы использовать, чтобы снизить потери при потреблении электроэнергии. Таким образом, был разработан прототип на основе микроконтроллера используя СМС, который автоматически управляет электрическими приборами в доме с помощью мобильного телефона дистанционо с любого расстояния. Поэтому, ежедневная экономия электрической энергии становится более эффективной и действенной [16].
Как показано на рис. 3.5 [16], система была разработана как блок-схема, первая мобильная станция используется в качестве передающей секции, из которой абонент посылает сообщения, содержащие команды и инструкции для второй мобильной станции, которая расположена в конкретной области, где находится система управления. Полученное СМС сообщение хранится в памяти телефона, а затем экстрагируется с помощью микроконтроллера и, соответствующим образом, обработывается для выполнения конкретных операций. Схема управления используется для привода цепей реле, которое переключает разные приборы, подключенные к интерфейсу. Светодиодный индикатор используется для указания статуса операции, осуществляемой микроконтроллером, а также его включение делает в целом систему удобной [16].
На рис. 3.6 [16] представлена структурная схема для этой работы. СМС от пользователя сотового телефона было передано через чип GSM в микроконтроллер и после чего микроконтроллер выполнял необходимые инструкции, согласно указаниям пользователей.
Если предположить, что на блок управления подается напряжение и он работает должным образом, то процесс управления устройством, подключенным к интерфейсу, будет осуществляться в следующей последовательности [16];
- удаленный пользователь отправляет текстовые сообщения, включая
- команды на приемник.
- GSM приемник получает сообщения, отправленные с мобильного телефона пользователя.
- GSM приемник декодирует отправленное сообщение и отправляет команды к микроконтроллеру.
- Микроконтроллер дает команды подключенным прибором и устройствам, ВКЛ / ВЫКЛ.
Программное обеспечение было разработано с использованием простого инструмента языка высокого уровня Си [16]. С помощью программного обеспечения извлекается отправленное сообщение от местоположения SIM с регулярным промежутком времени и обрабатывается для того, чтобы управлять различными приборами, подключенными через интерфейс. Протокол F–Bus использовался для связи с мобильным телефоном. Большинство телефонов имеют F–Bus и M–Bus соединения, которые можно использовать для подключения телефона к компьютеру или, в данном случае, к микроконтроллеру [16].
При кодировании и передаче, использовали код ASCII в СМС сообщениях. Чтобы разделить СМС прерывание от предыдущего сообщения, используется СМС кодирование. Это происходит, когда микроконтроллер выполнил инструкцию и сообщение удаляется [16].
Было проведено несколько испытаний для обеспечения надлежащего исполнения и получения желаемого результата [16]. Чтобы получить СМС от пользователя мобильным телефоном на мобильный телефон, подключенный к цепи PIC16F877A, который действует как GSM модем, была разработана данная система. Это может быть выполнено путем набора номера мобильного телефона, который был задан в PIC16F877A. Входящее сообщение было удалено с помощью микроконтроллера после завершения запрашиваемого процесса, и сообщение стирается в подключенном мобильном телефоне, который действует как GSM модем [16].
Затем система отвечает, посылая сообщение пользователю мобильного телефона и сообщает о состоянии устройств, ВКЛ или ВЫКЛ [16]. Сообщение о состоянии должно напомнить пользователю о текущем состоянии приборов. В таблице 3.1. представлена нумерация для каждого устройства; 0 представляет ИУ 1, 1 представляет ИУ 2 и так далее.
Также в Таблице 3.2. дано резюме различных команд [16], которые могут быть отправлены пользователями и соответствующие ответы в системе управления. Когда выдается команда, такая как ha.0 1,4 1,9 1.end 0 #, ИУ, соответствующие номерам, указанным в команде ее выполняют.
В командах, преведенных в таблице 3.2 [16], последняя 1 или 0 до # представляют ОТВЕТ или НЕТ ОТВЕТА соответственно, а 1 или 0 (после каждого номера ИУ, начиная слева) представляют ВКЛ или ВЫКЛ.
Проект [16], который является разработкой системы управления электрическими приборами на основе GSM. Рабочие характеристики после испытания соответствовали проектным спецификациям.
Канал передачи данных на основе PLC–канала
Контроллеры первого уровня и контроллеры второго уровня могут быть соединены через канал Power Line Communication (PLC) – связь по электросетям. Сегодня технология Power Line полностью стандартизирована в виде документов Home Plug 1.0, одобренных Home Plug Powerline Alliance (входит более 90 мировых компаний).
Стандарт Home Plug 1.0 гарантирует совместимость устройств от разных производителей, а также максимальную скорость передачи по электропроводке до 14 Мб/с. Дальность связи зависит от состояния электропроводки и нагрузки. Тем не менее стандарт Home Plug 1.0 предполагает максимальную скорость передачи информации по сети длиною до 90 метров. В общем же случае средняя "дальнобойность" Power Line составляет порядка одного километра. А со специальными повторителями (усилителями) удается передавать данные до 10 км. В Home Plug 1.0 решен вопрос передачи данных по электропроводке. Для этого в системах используются специальные фильтры, которые отделяют низкочастотную (50 или 60 Гц) синусоиду электричества от высокоскоростного трафика данных, передаваемых в диапазоне между 1,6 МГц и 30 МГц. Этот диапазон оказался наиболее подходящим с точки зрения затухания сигнала и скорости передачи.
Практически работа всех современных устройств Power Line основывается на технологии доступа OFDM (ортогональное частотное разделение каналов с одновременной передачей данных на разных несущих).
К слову, технология OFDM хорошо себя зарекомендовала в высокоскоростных Wi-Fi сетях 802.11 a/g.
Технология OFDM разбивает исходный поток данных на пакеты, которые кодируются (способы DBPSK или DQPSK) и передаются в диапазоне частот с 1,6 и 30 МГц на отдельных несущих частотах (их максимальное количество может достигать 84). На приеме эти пакеты опять собираются в единый поток и поступают на контроллер второго уровня. Общая скорость передачи суммируется из скоростей всех пакетов, передаваемых на несущих. При этом максимальная информационная скорость может достигать 20 Мб/с, однако для снижения вероятности ошибки в устройствах стандарта HomePlug 1.0 применяется 14 Мб/с. На скорость и достоверность передачи информации сильно влияют помехи от различных бытовых электроприборов. Причем наиболее вредны импульсные помехи от СВЧ–печей, электродвигателей и др. Поэтому для борьбы с помехами в устройствах HomePlug 1.0 используются так называемые адаптивные механизмы. Они позволяют без потери данных автоматически отключать несущие частоты (любые из 84), пораженные помехами, а также переходить на менее скоростное кодирование сигнала.
Протокол обмена данными.
На электросетевой модем платы от контроллеров верхних уровней поступает запрос на передачу собранных данных. В ответ на эти запросы от платы первого уровня в сеть 220В последовательно высылаются пакеты с данными по расходу электроэнергии от каждой квартиры. Так как, система должна отражать потребление каждого абонента необходимо привязать информацию с телеметрического выхода электросчетчика к номеру обрабатываемой квартиры.
Адресация реализуется следующим образом. Каждая квартира имеет свои счетчики электроэнергии и ресурсов. Выход каждого счетчика соединяется с портом ввода/вывода микроконтроллера. Возникают два варианта учета номера потребителя:
- хранить в плате обработки первичной информации все реальные подконтрольные ей номера квартир;
- каждая плата работает с порядковыми номерами – от 1 до 8ми. Для наглядности это изображено на рисунке 4.1.
В первом варианте придется при начальном программировании вносить в память микроконтроллера реальные номера квартир. В другом варианте при адресации можно ограничиться лишь адресом всей платы (а не каждой отдельной квартиры), а уже второй уровень по этому адресу определяет от каких именно квартир пришли данные. Т.о. в плату второго уровня просто вносится таблица соответствия между номерами плат первого уровня и реальными номерами квартир контролируемых этой платой. Тем самым упрощается протокол обмена и алгоритм записи во внешнюю энергонезависимую память.
Выбор электросетевого модема
В разрабатываемой плате первого уровня используется электросетевой модем КР1446ХК1 производства ОАО «Ангстрем». Микросхема и выводы, используемые при формировании протокола обмена изображены на рисунке 4.2.
Передача информации осуществляется с помощью частотной манипуляции с сигналом – «1» и «0», и передаются разными частотами, несколько отличными от центральной к верхней и нижней. Сигнал с регулированием частоты передается через разделительный трансформатор на линию с 110 В до 380 В.
Прием данных
Приемник постоянно анализирует данные, приходящие на вход. Если приходит код слова синхронизации, а за ним код адреса, который совпадает с собственным адресом (или с общим адресом = 10111001мл), то следующие за ними 2 байта информации считаются предназначенными данному приемопередатчику. Они записываются в буфер приема, а на выходе RX приемопередатчик выставляет высокий уровень, что является флагом того, что получена новая информация. В результате помех в сети возможно искажение информации. Полученная информация будет храниться в буфере приема и может быть прочитана однократно или многократно в любое удобное время независимо от работы блоков приемника и передатчика.
Передача данных
Чтобы выполнить процедуру записи информации в буфер передачи необходимо выставить на входе W/R низкий уровень и выдать 24 импульса CLK. Срез W/R необходим для правильного выполнения процедуры чтения, поэтому если вход W/R уже находился в низком уровне до этого, то необходимо установить его в «1» а затем установить «0». После того, как информация записана в буфер передачи, она может быть выдана однократно или многократно в сеть. Передача запускается фронтом импульса START. Время передачи зависит от запрограммированной скорости. Во время процесса передачи на выходе BUSY устанавливается «1», а работа приемника блокируется. В простейшем случае возможно передать сигнал от одного приемопередатчика другому без предварительной записи буфера передачи и программирования установок. Для этого нужно обнулить все приемопередатчики сигналом RESET, после чего все адреса, данные, скорости и частоты устанавливаются в свое значение по умолчанию равное 01h. Затем выдать сигнал START. Посланная таким образом информация 01h, 01h по адресу 01h будет принята всеми приемопередатчиками в данной сети что будет отмечено появлением флага RX. Сброс RX выполняется сигналом RESET. или 1-м импульсом CLK во время чтения буфера приема.
Ограничение на времена во время выполнения записи в СПП показаны на рисунке 4.4.
Начальная установка.
После включения питания необходимо установить все блоки приемопередатчика в исходное состояние низким уровнем сигнала RESET. Длительность сигнала RESET должна быть не менее 1 мс. Сигнал RESET сбрасывает флаги RX, ERR2 , устанавливает собственный адрес приемопередатчика равным 01h, частоту передачи равную 100 КГц, скорость передачи равную 248 бит/сек, устанавливает в буфере передачи следующие значения: адрес передачи равным 01h, 1-й байт данных равным 01h, 2-й байт данных равным 01h.
Диаграмма программирования приемопередатчика изображена на рисунке 4.5.
Чтобы выполнить процедуру программирования необходимо выставить на входах PROG и W/R низкий уровень и выдать 12 импульсов CLK. Для того чтобы приемопередатчики в сети "слышали друг друга" они должны быть запрограммированы одинаковыми значениями частоты и скорости передачи.
Разработка передаваемых кадров
Формат передачи данных организован таким образом, что в одном пакете можно передавать 2 байта данных. В этих двух байтах будут последовательно выдаваться данные о потребленной мощности, времени и дате. Обращение к платам производится по индивидуальному адресу, присваиваемому при начальном программировании. Всего таких адресов будет (Кол–во этажей) х (Кол–во подъездов). Каждая же плата выдает в сеть информацию о всех своих контролируемых квартирах. Плата второго уровня опрашивает платы первого уровня с интервалом в 30 минут. Взаимодействие всегда происходит по инициативе 2 го уровня.
Плата второго уровня для опроса лестничной клетки высылает в сеть 4 кадра. В первом кадре прописывается адрес контроллера 2го уровня. Во втором кадре поле данных занимает указатель на интересуемый момент времени и номер дня. В третьем кадре содержится указатель на номер месяца. В последнем кадре отсылается контрольная информация (рис 4.6).
Расчет размера пространства, необходимого для хранения данных
Пусть число УСПД нижнего уровня, которые собирают и хранят показания электроэнергии 8ми квартир = 32. А число УСПД верхнего уровня = 100. Для оценки размера пространства, требуемого для хранения данных, можно использовать следующую процедуру.
Определить количество строк в таблице - Num_Rows.
Num_Cols - общее количество столбцов (фиксированной и переменной длины).Часть строки, называемая битовой картой NULL, зарезервирована для управления свойством столбца принимать значение NULL. Ее размер:
Null_Bitmap = 2 + ( ( Num_Cols + 7 ) / 8 ) .
Следует использовать только целую часть этого выражения и отбросить остаток.Размер, занимаемый каждой из групп столбцов в строке данных, который зависит от типа данных и длины.
Row_Size = Fixed_Data_Size + Variable_Data_Size + Null_Bitmap + 4 Значение 4 в формуле – это служебные данные заголовка строки данных.
Количество строк на страницу (8 096 свободных байт на страницу):
Rows_Per_Page = 8096 / (Row_Size + 2) .
Так как размер строк не приводит к разрыву страниц, общее количество строк на страницу необходимо округлить до меньшего целого значения целой строки. Значение 2 в формуле соответствует записи строки в массиве областей памяти страницы.
Количество страниц, необходимое для хранения всех строк: Num_Pages = Num_Rows / Rows_Per_Page .
Вычисленное количество страниц должно быть округлено в большую сторону до ближайшей целой страницы.
Размер пространства, требуемого для хранения данных (всего 8192 на страницу):
V = 8192 Num_Pages / 220 Мб .
Размер таблиц консолидированной базы данных для системы контроля и учета бытовых потребителей, которые рассчитываются согласно формулам, приведенных выше, представлены в таблице 5.2 и Приложениях 1-14.
Типы данных, используемые в таблицах:
- nchar [ ( п) ] - символьные данные;
- nvarchar [ ( n max ) ] - символьные данные;
- Размер хранилища в байтах вдвое больше числа введенных символов + 2 байта. Значения типа datetime хранятся в компоненте Microsoft SQLServer 2005 DatabaseEngine в виде 4-байтных целых чисел. Первые четыре байта содержат количество дней до или после даты отсчета: 1 января 1900 года. Дата отсчета является системной датой. Вторые четыре байта содержат текущее значение времени, представленного в виде количества миллисекунд, прошедших после полуночи.
Row Size = ( 50 х2 + 2 )хЮ + ( 20х2 + 2 ) + ( 10x2 + 2 ) + 12 х2 + + 10x2 + 8 + 4 + 4 = 1144 байт
RowsPerPage = 8096 / ( RowSize + 2 ) = 8096 / ( 1144 + 2 ) = 7;
NumPages = NumRows / RowsPerPage = 25600 / 7 = 3658;
V = 8192 x 3658 / 220 = 28,579 Мб.
Суммируя объемы пространства, требуемые для хранения данных всех таблиц, получим объем всей базы данных:
V = 28,579 + 77,422 + 1,563 + 1,032 + 1,985 + 20,079 + 5,43 + 206922,8 +ё + 28,688 + 8,032 + 0,032-5 = 207095,77 Мбайт = 203 Гбайт
Таким образом, пространство, необходимое для хранения соответствует требованиям, предъявляемым к жесткому диску сервера.