Источник: Энергосбережение №1, 2003, с. 44-48

Комплексная система учета  энергоресурсов домов на снове сети MicroLAN

 

 

В. С. Казачков, доцент кафедры «Теоретическая электротехника» ОмГУПС, А. Г. Шахнович, начальник отдела разработки информационных систем АК «Омскэнерго»

 

Исследования, проводившиеся в последние годы в разных регионах России, показывают, что потенциал энергосбереже­ния в жилом секторе достигает 40-50%. Реализовать этот по­тенциал можно лишь в том случае, если создать заинтересо­ванность в экономии ресурсов у каждого жильца. Проблема энергосбережения приобретает все большее значение в свя­зи с уменьшением дотаций государства в жилищную сферу и ростом цен на энергоносители. Неразрывно с проблемой энер­госбережения связана и проблема учета энергоресурсов.

 

В связи с реформой жилищно-коммунального хозяйства возникла необходимость в автоматизированных системах учета всех энергоресурсов (газ, электроэнергия, холодная и горячая вода, тепло), поставляемых жильцам  квартир.  Растет интерес и самих квартиросъемщиков к учету потребляемых энергоресурсов.

Проблеме коммерческого квартирного и домового учета потребления энергоресурсов (тепла, газа, воды, элек­троэнергии) в последнее время уделяется повышенное внимание. Проводятся работы по созданию и внедрению авто­матизированных систем учета энергоресурсов в Москве, Санкт-Петербурге, Омске и других городах.

Основными требованиями, предъявляемыми к разрабатываемым системам учета расхода ресурсов для многоквартирных домов, являются:

а)        низкая стоимость элементов системы, устанавливаемых в квартире;

б)        все элементы системы должныотличаться высокой надежностью, обеспечивающей приемлемую величи­ ну наработки на отказ для всей систе­ мы в целом;

в)        небольшая протяженность кабельной системы, обеспечивающая низкую

стоимость монтажных работ;

г)        взаимозаменяемость элементов системы при выходе из строя;

д)        низкая стоимость изготовления и настройки системы в целом;

е)        простота технического обслуживания.

Преимущества внедрения системы:

·                    возможность для жильцов оплачивать фактически потребленные энергоресурсы;

·                    сокращение общего потребления расходов угля, мазута, газа на уровне города в связи с экономией энергоресурсов жильцами;

·                    оперативная передача информации о расходах на уровне дома и квартир энергоснабжающим организациям;

·                    введение  многотарифного учетапо каждому из измеряемых параметров при использования однотарифных приборов учета;

·                    преобразование работы службыединого заказчика:

·                    информированность ремонтных служб ЖКХ о неисправностях в оборудовании.

Кроме того, автоматизированная система учета энергоресурсов создается как инструмент для решения следующих задач:

-  повышение качества оперативного учета, планирования и распределения энергоресурсов;

-  улучшение системы контроля за использованием энергоресурсов;

-  построение единого информационно-телекоммуникационного пространства в интересах Комплекса городского хозяйства как составной части Общегородской информационной системы и объединения на его базе  имеющихся  информационных  ресурсов;

-           создание автоматизированной системы комплексной диспетчеризации инженерного оборудования зданий и сооружений;

-          создание  объективной  системырасчетов  между потребителями  и  поставщиками энергоресурсов.

Известные автоматизированные системы, за исключением [1], несмотря на все их достоинства, обладают одним существенным недостатком: не позво­ляют измерять тепловую энергию в квартирах многоэтажных жилых домов, если в них применена вертикальная раз­водка труб отопления.

Описанная в [1] автоматизирован­ная система учета всех видов энергоре­сурсов (газ, электроэнергия, холодная и горячая вода, тепло), потребляемых квартирами многоквартирного дома, выгодно отличается от известных по двум основным причинам: во-первых, позволяет очень дешевым способом из­мерять расход тепловой энергии (па­тент России № 21380219) в квартирах независимо от разводки труб отопле­ния и, во-вторых, обладает невысокой стоимостью. Учет любого из регистри­руемых параметров может произво­диться по многотарифной системе при использовании обычных однотарифных приборов.

Однако система [1] не отвечает тре­бованиям, предъявляемым по пунктам «в», «г», «д».

Так, несмотря на невысокую стои­мость комплектации КПУ, его изготовле­ние, а особенно настройка требует зна­чительных затрат. Это связано с на­стройкой каналов измерения температу­ры. Кабельная сеть, расположенная ваартире, требует больших затрат на монтаж. Например, одного 4-парного кабеля хватает только на 2 батареи, ес­ли они имеют разную площадь нагрева. Для реализации требований, предъ­являемых к автоматизированным систе­мам, предлагается избавиться от мик­ропроцессоров в квартирных приборах и построить систему как однородную сеть однотипных элементов Такая сис­тема может быть создана на основе технологии MicroLAN, разработанной фирмой Dallas Semiconductor Inc. К на­стоящему времени разработана широ­кая гамма элементов систем сбора дан­ных: счетчиков, датчиков температуры, электронных ключей и т. п. с интерфей­сом 1-Wire

Сеть передачи данных 1-Wire^s Net, известная также как MicroLAN, - деше­вая система обмена данными между ПК или промышленным контроллером и се­тевыми устройствами 1-Wire Только один узел сети является ведущим, все остальные - ведомые. Все узлы подклю-

чены к общей шине, образуемой витой неэкранированной парой. Ведущий узел подключается к шине через транзистор с открытым коллектором. Коллекторное сопротивление соединяет шину с источ­ником постоянного напряжения - 5 В. Система, основанная на сети 1-Wire, состоит из 3 основных элементов: кон­троллера сети, соединительных прово­дов и устройств, разработанных для ра­боты в среде 1-Wire Одно из главных достоинств представленной сети - про­стота управления Никакое сетевое уст­ройство не может передавать данные, пока к нему не поступит запрос от веду­щего узла Обмен данными между уст­ройствами также возможен только че­рез ведущий узел Типичная диаграмма сигналов на шине сети 1-Wire приведе­на на рис. 1

Сетевой протокол 1-Wire основан на уровнях сигналов, совместимых с логическими уровнями КМОП/ТТЛ - логики, где напряжение, не превышающее 0,8 В, соответствует логическому нулю, а напряжение не меньше 2,2 В-логиче­ской единице. Допустимое напряжение питания должно находиться в диапазоне от 2,8 до 6 В  Как ведущий, так и ведо-мый узлы имеют двунаправленные шин­ные формирователи, но в каждый мо­мент времени передача может идти только в одном направлении Другими словами, в сети 1-Wire данные переда­ются в полудуплексном режиме; прото­кол передачи - последовательный бито­вый. Для передачи сигналов в сети 1-Wire рекомендуется использовать неэк-ранированную витую пару 5 категории.

Физический уровень протокола пе­редачи данных основан на широтно-им-пульсной манипуляции. В отсутствие сиг­нала ведущий узел поддерживает на ши­не уровень напряжения 5 В, что обеспе­чивает питание ведомых узлов сети. Ло­гическая единица передается отрица­тельным импульсом длительностью не более 15 мкс, логический нуль - импуль­сом длительностью не менее 60 мкс. Ка­нал передачи синхроимпульсов не требу­ется, т. к каждое устройство имеет встроенный генератор, синхронизируе­мый каждым отрицательным фронтом, сформированным ведущим узлом

Каждое устройст­во имеет уникальный 48-битный сетевой адрес, записанный в прожигаемом при его изготовлении 64-бит­ном ПЗУ. В ПЗУ также записаны 8-битный код типа устройства у 8-битный циклический контрольный код сформированный по остальным 7 байтам кода

Как  показано  на

рис. 1, цикл обмена данными в сети 1-Wire начинается с передачи ведущим узлом импульса сброса длительностью не менее 480 мкс В ответ на этот им­пульс каждое устройство, подключенное к сети, производит сброс своих внутрен них цепей и передает импульс подтвер­ждения (presence pulse) Обнаружив этот импульс, ведущий узел передает 8 битный код команды адресации (ROM function) и сетевой адрес выбираемого устройства Все устройства, адрес кото­рых не совпал с переданным, логически отключаются от сети. Выбранному уст ройству передается код операции обме­на данными (Memory function) и данные для записи или последовательность ло­гических единиц необходимой длины, если нужно прочитать данные из устрой ства. По окончании операции ведущий узел генерирует новый импульс сброса и начинается новый цикл обмена

Как было указано выше, ведомые узлы сети получают питание непосред ственно от линии передачи данных С этой точки зрения каждое сетевое устройство может быть представлено эквивалентной схемой, приведенной на рис. 2.

В периоды простоя шины данных конденсатор емкостью 800 пФ заряжа­ется. Во время передачи данных, когда напряжение на линии падает до нуля, диод препятствует разряду конденсато­ра. Отсутствие линии передачи синхро­импульсов и шины питания объясняет принятое название сети - 1-Wire («одно-проводная»).

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 и EEPROM), элек­тронные ключи и т. д. Как показал ана­лиз, этот набор компонентов позволяет построить полнофункциональную систе­му учета расхода энергоресурсов в мно­гоквартирном доме.

Описание полной структуры и про­граммного обеспечения такой системы требует отдельной статьи, здесь же рассматривается основной модуль сис­темы - квартирный прибор учета (КВП). КВП обеспечивает сбор данных о по­треблении энергоресурсов в одной квартире. В системе, описанной в [1], так же, как и в большинстве аналогич­ных систем, рассматриваемый модуль строится на базе микропроцессора. Ис­пользование преимуществ сети 1-Wire позволило разработать КВП без исполь­зования микропроцессора, что обеспе­чивает повышение надежности и сни­жение стоимости всей системы в целом. Структура КВП приведена на рис. 3.

Основным элементом КВП является коммутатор DS2409. Фактически это двухпортовый сетевой хаб, позволяю­щий передавать данные с шины DATA либо на шину MAIN, либо на шину AUX. Если устройство не выбрано, оба его вы­хода закрыты и все узлы, присоединен­ные к КВП, отключены от основной се­ти. Таким образом, в любой момент вре­мени максимальное число сетевых уст­ройств, подключенных к ведущему узлу, равно сумме всех КВП и устройств, уста­новленных в одной квартире. Даже для самых больших жилых комплексов это число не превысит максимальных значе­ний, допустимых для сети 1-Wire. К выхо­ду AUX коммутатора подключен счетчик, обеспечивающий подсчет импульсов, поступающих с телеметрического выхо­да счетчика электроэнергии. К этому же выходу подключается электрически пе­репрограммируемое ПЗУ (флэш-па­мять). ПЗУ содержит всю информацию, необходимую для расчета потребления энергоресурсов в данной квартире: рас­положение датчиков температуры, типы и площади радиаторов центрального отопления, заводские номера и началь­ные показания счетчиков электроэнер­гии, расхода газа и расхода горячей и холодной воды. Как уже упоминалось, в КВП установлен счетчик, принимающий импульсы только от счетчиков расхода электроэнергии и газа. Устройства того же типа (DS2423), подсчитывающие им­пульсы от счетчиков горячей и холодной воды, устанавливаются непосредствен­но на вводах и подключаются к КВП че­рез разъем CONNECTOR1.

К выходу MAIN подключаются только цифровые датчики температуры (DS1820). Это сделано для того, чтобы можно было передать команду запуска АЦП одновременно на все устройства DS1820. Время выполнения указанной команды составляет примерно 500 мс, и ее выполнение отдельно для каждого устройства привело бы к недопустимому увеличению времени опроса квартиры.

Для нормальной работы датчиков температуры DS1820 во время выпол­нения команды преобразования на них необходимо подать постоянное напря-

жение номиналом 5 В. Эту задачу решает электронный ключ, управляемый линией CONTROL DS2409. Эта I линия активизируется автоматически, когда принятой DS2409 ко­мандой выбирается шина MAIN.

Все датчики темпе­ратуры подключаются к КВП через разъем CON­NECTORS.

Структура системы сбора данных о расходе ресурсов приведена на рис. 4.

На этом рисунке введены следующие со­кращения: КВП - квар­тирный прибор, позво­ляющий строить слож­ные сети MicroLAN об­щей протяженность до 600 м и включающий сотни компонентов; ДТ -датчики температуры на .  основе DS1820 и СЧ - счетчики импульсов, реализованные на DS2433. Пунктирная линия охватывает элементы, размещенные в одной квар­тире. Все КВП подъезда управляются контроллером, в качестве которого ис­пользуется промышленный контроллер ICP7188. Подъездные контроллеры (ПК) между собой связаны по интерфейсу RS485. В свою очередь, они управляют­ся от домового контроллера (ДК), также реализованного на ICP7188. КВП содер­жит 2 электронных ключа, управляемых контроллером. К каждому ключу подклю­чается отдельная ветвь сети. Физически эти 2 ветви объединены в 1 кабель - ви­тая пара. В каждый момент времени КВП включаются таким образом, чтобы к контроллеру был подключен только один фрагмент сети, объединяющей датчики одной квартиры и одного типа.

Решение задачи измерения тепла в конкретно взятой квартире в много­квартирном доме состоит в применении такого способа учета, который не зави­сит от разводки труб теплоснабжения. Суть его в следующем: в каждой кварти­ре однотипно устанавливается по одно­му термодатчику на все батареи. Для оп­ределения разности температур на уровне пола каждой отапливаемой ком­наты в квартире также однотипно уста­навливаются термодатчики. Зная раз­ность температур и площадь батарей, можно определить величину тепловой энергии.

Способ определения количества те­пла основан на использовании закона Ньютона-Рихмана, согласно которому