Интегрированная система управления учетом и контролем энергоресурсов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат наук Пьо Хылам Хтут

• Пьо Хылам Хтут
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Пьо Хылам Хтут

ВВЕДЕНИЕ

Глава1. Концепция энергосбережения, учета и контроля потребляемых энергоресурсов

1.1.Общие понятия о энергосбережении

1.2. Анализ потерь в промышленности и бытовом секторе

1.3. Основы энергосберегающего потребления в быту

1.3.1. Рациональное освещение квартиры

1.3.2. Экономия электроэнергии при использовании электроплит

1.3.3. Снижение энергопотребления при использовании бытовых приборов

1.4. Обзор обобщенных задач решаемых корпоративными системами контроля и учета энергоносителей (на примере электроэнергии)

1.5. Первичная датчиковая аппаратура контроля и учета потребления энергоносителей в бытовом секторе

1.5.1. Расходомеры - счетчики холодной и горячей воды

1.5.2. Счетчики электрической энергии

1.5.3. Автоматизация снятия показаний с импульсного выхода счётчиков электроэнергии, воды, тепла и газа

Выводы по первой главе:

Глава 2. Анализ существующих корпоративных автоматизированных систем контроля и учета энергоресурсов в промышленности и бытовом секторе

2.1. Современные системы учета потребления электроэнергии в промышленности

2.1.1. Анализ способов организации систем

2.1.2. Оборудование для построения АИИС КУЭ и его функции

2.1.3. Описание работы АИИС КУЭ (на примере э/с СЭТ-4ТМ.03)

2.1.4. Создание АИИС КУЭ на базе КТС «Энергия+»

2.2. Описание работы корпоративного центра оао «Кавказская энергетическая управляющая компания»

2.2.1. Описание функционирования корпоративного центра

2.2.2. Перечень оборудования для создания АСТУЭ и его функции

2.3. Системы учета потребления электроэнергии в бытовом секторе

2.3.1. Использование системы

2.3.2. Основные достоинства системы

2.4. Структура АСКУЭ

2.4.1. Аппаратные средства построения АСКУЭ

2.4.2. Программные средства построения АСКУЭ

2.4.3. Связь между программными компонентами АСКУЭ

2.4.4. Выводы и предложения по созданию тиражируемой системы коммерческого учета потребления электроэнергии

2.5. Обобщенные технические требования к элементам интегрированной автоматизированной системе учёта и контроля энергоносителей ИАСКУЭ

2.5.1.Назначение Системы

2.5.2. Дополнительные требования к трёхфазным счётчикам общедомового учёта, балансным счётчикам квартирных стояков и нежилых помещений

2.5.3. Требование к информационной магистрали

2.5.4. Требование к устройствам сбора и передачи данных (УСПД)

2.5.5. Требование к каналам связи

Выводы по второй главе

Глава 3. Математические модели систем и устройств управления и контроля в энергосбережени

3.1.Системы оптимального управления энергосбережением

3.1.1. Задачи оптимального управления в энергосбережении

3.1.2. Моделирование системы управления потреблением энергоносителей

3.1.3. Моделирование элементов и узлов интегрированной системы контроля и учета энергоносителей

3.1.4. Автоматическая беспроводная система управления бытовыми приборами

3.2. Моделирование каналов передачи данных многоуровневой интегрированной системыконтроля и учета энергоносителей

3.2.1.Особенности использования промышленных интерфейсов в многоуровневой интегрированной системе

3.2.2. Система удаленного мониторинга электрооборудования на основе GPRS

3.2.3. Система управления параметрами с использованием беспроводных технологий в диапазоне 433 МГц

3.3. Использование PLC технологий при организации каналов передачи данных

3.3.1.Методы обеспечения достоверности в каналах передачи данных интегрированной системы

3.4. Микропроцессорная система дистанционного контроля и управления с использованием GSM технологий

Выводы по третьей главе

Глава 4. Аппаратно-программная реализация интегрированной системы контроля и учета энергоносителей

4.1. Разработка структурной схемы интегрированной многоуровневой системы учета и контроля энергоносителей

4.2.Системы передачи данных и каналообразующая аппаратура

4.2.1. Практическая реализация канала передачи данных на основе протокола RS-485 в ИАСКУЭ

4.2.2. Канал передачи данных на основе PLC-канала

4.3. Особенности выбора и применения микроконтроллеров в АСКУЭ

4.3.1. Особенности архитектуры микроконтроллера

4.3.2. Основные характеристики микроконтроллера

4.3.3. Организация памяти программ и стека

4.3.4. Организация памяти данных

4.3.5. Счетчик команд

4.3.6. Модуль таймера и регистр таймера

Организация прерываний

4.4. Концептуальная структурная схема ИАСКУЭ

Выводы по четвертой главе

Глава 5. Консолидированные базы данных для систем учета и контроля бытовых потребителей

5.1. Предметная область консолидированной базы данных

5.2. Инфологическое моделирование консолидированных баз данных

5.3. Выбор и обоснование типа СУБД

5.4. Построение даталогической модели

5.5. Физическая модель

5.6. Расчет размера пространства, необходимого для хранения данных. 137 5.6.1. Расчет максимальной производительности сети АСКУЭ

5.6.2. Расчет размера пространства, необходимого для хранения данных.

5.7. Разработка Блок-схемы алгоритмов работы ЫЗЗрЬБегуег

Выводы по пятой главе:

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты работы

Ссылки и список использванных летератр

ПРИЛОЖЕНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Интегрированная система управления учетом и контролем энергоресурсов»

ВВЕДЕНИЕ

Любое современное промышленное предприятие потребляет значительный объем энергоресурсов в разных формах. Для обеспечения своей жизнедеятельности и технологических процессов, предприятия различных отраслей потребляют электроэнергию и трубные энергоресурсы (тепловую энергию, горячую и холодную воду, газ). Затраты на приобретение энергоресурсов составляют значительную затрат и долю в себестоимости готовой продукции, что обуславливает актуальность энергосбережения. В свою очередь, энергосбережение невозможно без точного учета. Учет энергоресурсов предусматривает построение автоматизированных систем первичного учета, которые измеряют потребление электроэнергии и тепловой энергии, холодной, горячей воды и природного газа в промышленности и жилищно-коммунальном хозяйстве. Существующие системы учета отдельных видов энергоносителей строятся сегодня как независимые корпоративные системы, включающие в свой состав многократно функционально, повторяющиеся подсистемы, каналы передачи данных и обработки данных, элементы хранения и.т.д., что приводит к избыточности технических средств и значительным экономическим затратам. Проведенный анализ систем учета и контроля позволяет сделать вывод о возможности создания консолидированной системы учета и контроля энергоресурсов различного вида с использованием унифицированных решений, методик и баз данных. В результате снабжающиее предприятия и потребители получают развернутую картину потребления энергоресурсов и значительный объем аналитической информации, необходимой для оптимизации потребления. Внедрение системы комплексного учета энергоресурсов имеет целый ряд преимуществ перед использованием отдельных систем для каждого конкретного вида ресурсов. Комплексная система обладает высокой иформативность и обеспечивает доступ к информации о потреблении ресурса (электроэнергия, газ, отопление, вода) на любом участке и потребителем в реальном времени, обеспечивает контроль за состоянием первичных приборов учета и контроля, обеспечивает хранение данных за текущий и прошлые периоды для последующего изучения, анализа и обработки.

Благодаря этим преимуществам комплексный учет энергоресурсов является более удобным в эксплуатации. Кроме 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.

Целью диссертационной работы является анализ и синтез интегрированной автоматической системы управления, контроля и учета потребляемых

энергоресурсов, снижение трудозатрат и сокращение продолжительности разработки средств обработки и передачи информации с помощью разработки методик и унификации средств сбора, контроля, хранения и автоматизации измерений.

Поставленная цель достигается благодаря решению следующих задач:

1) анализ существующих инструментальных средств и технологий в области учета и контроля за потреблением энергоресурсов в промышленности и бытовом секторе;

2) разработка методов автоматизации контроля, учета, обработки, хранения и передачи данных о потреблении энергоресурсов ;

3) разработка, архитектуры, структурных схем и интерфейсов автоматизированной системы управления процессом контроля и учета энергоресурсов;

4) разработка математических моделей средств обработки и передачи информации;

5) программная реализация методов и тестирование системы автоматизации и управления учетом и контролем;

6) исследования влияния различных факторов на производительность и достоверность каналов передачи данных, применяемых в автоматизированных системах контроля и учета энергоресурсов (АСКУЭ);

7) разработка практических рекомендаций по внедрению разработанной интегрированной системы, методик и технических средств автоматизации и контроля.

Методы исследования.

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 научнообоснованных разработок:

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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:

1. Прнципы 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.

2. Структурные и функциональные схемы системы автоматизации и управления процессом измерения и контроля энергоресурсов, позволяющие реализовать предложенную методику учета и контроля энергоресурсов.

3. 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.

4. 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 подтверждается данными

имитационного моделирования и экспериментальных исследований, а также

успешным применением разработанных методов при создании системы

автоматизации и управления процессом измерения и контроля производительности обработки и передачи информации.

Личный вклад автора. Все основные результаты получены автором лично.

Внедрение результатов. Отдельные результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс МИЭТ в рамках дисциплин «Информационно-промышленные сети», «Алгоритмические и технические средства обработки сигналов»

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.

На защиту выносятся следующие положения:

1. 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.

2. Разработанные структурные и функциональные схемы и алгоритмы обработки и передачи информации, программное обеспесение интегрированной системы управления учетом и контролем энергоресурсов.

3. 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.

4. Методы построения консолидированной базы данных интегрированной системы.

Публикации по работе. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 14 печатных работах, в том числе 4 работы в журналах, входящих в список, утвержденный 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, ссылки и списка литературы из 63 наименований, 2 приложений и два акта использования результатов диссертационной работы. Работа содержит 158 страниц основного текста и 16 страниц приложения, 90 рисунок и 18 таблиц из 174 страниц.

Глава1. Концепция энергосбережения, учета и контроля потребляемых энергоресурсов.

В большинстве случаев именно консолидация разрозненной информации в пределах централизованных систем хранения данных позволяет получить максимальный выигрыш.

Целью внедрения системы автоматизации деятельности предприятия является повышение эффективности этой деятельности, основанное на:

- информационной поддержке комплексной, целенаправленной работы по снижению коммерческих потерь;

- выявлении хищений энергоресурсов путём составления баланса;

- освобождении сотрудников от рутинной работы по поиску необходимой информации;

- снижении накладных расходов (за счет уменьшения затрат, связанных с обработкой информации);

- снижении риска злоупотреблений со стороны персонала при работе с системой, посредством аудита действий и разграничения прав доступа пользователей;

- повышении достоверности, полноты, своевременности и непротиворечивости поступающей информации;

- повышении уровня информационного обслуживания абонентов по вопросам состояния расчетов за энергоресурсы;

- автоматизации подготовки информации для Госкомстата, органов социальной защиты и др.

1.1.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 Ошгоп, 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.

1.2. Анализ потерь в промышленности и бытовом секторе.

Энергоемкость экономики России в настоящее время составляет в расчете на тысячу долларов ВВП около 3 т н.э.; при этом ее электроемкость -3,3 тыс. кВт^ч, а теплоемкость - 7,8 Гкал.[6].

В результате перестройки экономики и полного использования имеющегося потенциала энергосбережения, по оценке, содержащейся в Энергетической стратегии - 2020, при намечаемом росте ВВП 2,2-3,3 раза -в 2020 г. по сравнению с 2000 г., будет возможным удержать рост спроса на первичные энергоресурсы на внутреннем рынке страны всего 1,15-1,28 раза. Эти оптимистические оценки основаны на ожидании быстрых результатов структурных изменений в экономике и полной реализации за ближайшие 15 лет потенциала энергосбережения.

Параллельно с перестройкой структуры экономики необходимо устранить имеющиеся большие технологические потери в ТЭК. Прежде всего, это огромные потери электроэнергии и тепла при их транспортировке, что сразу бы дало целый ряд положительных эффектов: снизились загрузка генерирующих мощностей и эксплуатационные издержки, увеличилась возможность поставки энергии конечным потребителям и т.д.

Потери в централизованном теплоснабжении сегодня в среднем по стране составляют 31% от производства тепла. Это колоссальная величина, т.к. если пересчитать ее на перерасход топлива, то он составит 56 млн. т н.э. в год, или свыше 1,6 млрд. долл. дополнительных издержек. Этот потенциал можно реализовать за счет перехода к сооружению теплотрасс с современной, например пенополиуретановой, изоляцией. Тогда потери могут быть снижены до 3-5%. Если учесть потери тепла, которые приходятся на население и социальную сферу в системах централизованного теплоснабжения (СЦТ), то реально доставляемое в дома тепло составляет только 57% от тепла, произведенного для этой цели [6].

Россия, самая холодная страна мира, на теплоснабжение сегодня расходует 40-43% всех потребляемых первичных топливно-энергетических ресурсов. Только в жилых и общественных зданиях потенциал

первоочередной экономии энергии оценивается не менее чем в 70 млн. т н.э. Около 80% жилого фонда страны составляют теплорасточительные здания. Для инициирования мер по снижению затрат на топливо и энергию в 1996 г. был принят Федеральный закон «Об энергосбережении». Знание «слабых мест» в энергетическом хозяйстве необходимо для сведения к минимуму энергопотерь.

1.3. Основы энергосберегающего потребления в быту.

С каждым годом на бытовые нужды расходуется всё большая доля электроэнергии, газа, тепла, воды; в огромных масштабах растёт применение бытовой электрифицированной техники. Коммунально-бытовое хозяйство является на сегодня крупным потребителем топлива и энергии: на его долю приходится около 20% топливно-энергетических ресурсов. Потребление электроэнергии в жилом секторе достигает сейчас более 100 миллиардов кВт/ч, или 8% всей электроэнергии страны, что равно годовой производительности пяти Братских ГЭС; из них около 40% расхода электроэнергии приходится на электробытовые приборы, 30% расходуется на освещение и более 12% - на приготовление пищи [8]

Самыми крупными потребителями электроэнергии в коммунально-бытовом хозяйстве являются жилые дома. В них ежегодно расходуется в среднем 400 кВт/ч на человека, из которых примерно 280 кВт/ч потребляется внутри квартиры на освещение и бытовые приборы различного назначения и 120 кВт/ч - в установках инженерного оборудования и освещения общедомовых помещений. Внутриквартирное потребление электроэнергии составляет примерно 900 кВт/ч в год в расчёте на «усреднённую» городскую квартиру с газовой плитой и 2000 кВт/ч - с электрической плитой Установлено, что 15 - 20% потребляемой в быту электроэнергии пропадает из-за небережливости потребителей [8].

Среднее потребление электроэнергии бытовыми приборами (из расчёта на семью из 4 человек) приведено в таблице 1.1.

Таблица. 1.1. Потребление электроэнергии бытовыми приборами.

Прибор Установленная Годовое Среднее число

мощность, кВт потребление, кВт/ч часов работы в год

Электроплита 5,8 1100 1400

Холодильник 0,15 450 3000

Телевизор 0,2 300 1500

Утюг 1 100 200

Пылесос 0,6 60 100

Стиральная 0,35 45 120

машина

1.3.1. Рациональное освещение квартиры.

Общую освещённость можно считать достаточной, если на 1 кв.м площади приходится 1525 Вт мощности ламп накаливания. В таблице 1.2. приведены основные типы ламп и их области применения [8].

Таблица. 1.2.Основные типы ламп и их области применения.

Тип лампы по форме колбы Мощнос ть(Вт) Рекомендуемая область применения

Прямые 65 40 30 Общее освещение кухонь, кухонь-столовых, карнизное освещение вертикальных поверхностей, установка под полками и навесным оборудованием кухонь и др.

Малогабаритн ые прямые 20 16 13 8 Настенные светильники местного и комбинированного освещения, настольные и напольные светильники для освещения рабочих поверхностей, светильники для встраивания в мебель.

У-образные 30 22 Потолочные светильники общего освещения, настенные светильники для освещения рабочих поверхностей.

W-образные 30 Потолочные и подвесные светильники общего освещения жилых и вспомогательных помещений.

Кольцевые 40 32 22 Потолочные и подвесные светильники общего освещения, напольные и настенные светильники для освещения рабочих поверхностей.

Наиболее рациональным является принцип зонального освещения, основанный на использовании общего, комбинированного или местного освещения отдельных функциональных зон. Для такого зонального освещения подходят лампы в 1,5 или 2 раза менее мощные, чем в подвесных светильниках. В результате на комнату от 18 до 20 кв. м экономится до 200 кВт/ч в год.

Между отдельными источниками света существует большая разница в световой отдаче, лк/Вт:

- Лампа накаливания - 12

- Галогенная лампа - 22

- Люминесцентная лампа - 55

- Ртутная лампа высокого давления - 55

- Галогенная лампа высокого давления - 80

- Натриевая лампа высокого давления - 95

Более совершенными источниками света являются люминесцентные и светодиодные лампы. Такая лампа имеет по сравнению с лампой накаливания в 4 - 5 раз более высокую световую отдачу и в 5 - 8 раз больший срок службы. Например, светоотдача люминесцентной лампы 20 Вт равна светоотдаче лампы накаливания 150 Вт [8].

Как показывают исследования, средняя освещённость наших квартир ещё недостаточна. Это отражается на зрении, повышает утомляемость, снижает работоспособность, ухудшает настроение человека. Реальный путь к созданию необходимого уровня освещённости при значительной экономии электроэнергии - использование люминесцентного освещения и светодиодного освещения.

1.3.2. Экономия электроэнергии при использовании электроплит.

Правильная эксплуатация бытовых электроприборов заключает в себе большие резервы экономии электроэнергии. Самыми энергоёмкими потребителями являются электроплиты. Годовое потребление электроэнергии ими составляет 1200 - 1400 кВт. Большинство электроплит оснащены сейчас 4 - ступенчатыми регуляторами мощности; в результате при приготовлении пищи электроэнергия расходуется нерационально. Применение 7 - ступенчатых переключателей снизит затраты энергии на 5 -12%, а бесступенчатых - ещё на 5 - 10% [8].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Пьо Хылам Хтут, 2018 год

Источник

Приемник

Принимаемые

Канал

Удаление CP

ш s X еа о я S « Е X « V £ Я S « S s Ь V £ § та ы

s Ч о ¡а и £ I о %р V Е о ® н о и 8

■а ч

н ^-

Z 1 в. g, 1® | FFT

с» «4-

с

Рис. 3.21. Базовая модель PLC коммуникации с OFDM системой.

Кодер добавляет избыточную информацию к последовательности битов. Если имеется ошибка в цепы битов, то избыточная информация, может быть использована для обнаружения и коррекции ошибок с помощью обнаружения и исправления [26]. Схема кодирования предназначена для обнаружения и коррекции независимых ошибок. Схема не предназначена для обнаружения всех ошибок. Технологии перемежения используются для повторения всех ошибок во время передачи. Последовательную передачу данных получают из блока кодирования. Этот блок подключен к блоку отображения. В блоке отображения существует передача битов

последовательности в последовательность символов. Распределение символа является результатом отображения. Это распределение показано в диаграмме, и оно зависит от выбранной модуляции [26].

Пилот - сигналы необходимы для подключения в передачу в случае обнаружения непрерывной системы. Оценка важна для определения амплитуды и фазы созвездие карты каждой из поднесущих. Оценка канала передачи в системе OFDM требует вставки известных символов или структуры пилот- сигнала в сигнал OFDM. Полезные данные передаются в параллельный поток в S/P-преобразователе. Количество параллельных потоков соответствует количеству носителей [26]. Эти носители будут передавать полезные данные. Защитный интервал используется в OFDM для предотвращения интерференции внутреннего символа (ISI). Цикличное добавление (CP) создается с помощью нескольких последних образцов OFDM символов [26].

CP создает защитный интервал между соседними переданными символами OFDM во временной области. Это способ сохранения носителей в ортогональном положении [26]. IFFT блок передает данные от частоты во временную область. Помимо моделирования передаточной характеристики необходимо идентифицировать возможные источники помех, потому что у линии электропередачи есть значительное затухание сигнала, различные помехи и шумы. Поэтому при передаче данных имеет высокая погрешность без алгоритма проверки. Основное влияние на передачу данных по линии электропередач это в основном негативные характеристики электрических сетей [26].

Испытание различных видов модуляции и кодирования для передачи данных по линии электропередач были достигнуты на созданной модели [26]. На рис. 3.22. показано сравнение QPSK, 16-QAM, 64-QAM, 256-QAM и 1024-QAM модуляции в системе OFDM с точки зрения сравнения ошибочного бита (BER) с нормированным сигналом к шуму (Eb /N0) [26].

И Figure 2 — m ^E^H

jïile ¿dit View Insert Tools CLesktop Window jHelp

о & § ^ W® g п ШПГ" D

<Л% N Cite n ew toolbar b utto n s : data brushing Si linked plots Plavvideo Ж

ill"-i-i-iJ-s-Li--i-LI

0 6 10 16 20 26 30

SNR per bit (<Б)

Рис.3.22. BER зависимость от (Eb /N0) для конкретной модуляции в системе

OFDM.

Если мы устанавливаем нужное значение BER = 102, то есть менее одного неисправного бита на сто от общего значения [26], то искомое значение нормированного сигнала к шуму (Eb / N0) будет такое как показано в табл. 3.7.

Таблица. 3.7. приводятся требуемое значение нормализованного соотношения сигнал-шума для ошибок BER=10"2 для конкретных модуляций.

Модуляция QPSK 16-QAM 64-QAM 256-QAM 1024-QAM

Eb / No[dB] 5,1 9,9 14,8 19,8 24,9

Преимущество использования QAM, состоит в том, этот метод является формой более высокого порядка модуляции и в результате он способен нести больше битов информации на символ. Выбрая формат более высокого порядка QAM, можно увеличить скорость передачи данных [26].

Таблица.3.8. приводятся примеры скоростей битов различных форм QAM и PSK [26].

Модуляция Количествобитов Скорость

на символ символов

BPSK 1 1 на бит

QPSK 2 1 на 2 бита

8PSK 3 1 на 3 бита

16-QAM 4 1 на 4 бита

32-QAM 5 1 на 5 битов

64-QAM 6 1 на 6 битов

Рис. 3.23. Модель OFDM линии электропередачи с шумами в Matlab.

Существует один из возможных способов просмотра эффекта интерференции, а именно только через диаграмму созвездия. Поэтому влияние помех на символы моделируется в диаграмме созвездия для различных модуляций. В данной статье рассматривается моделирование эффекта интерференции QPSK и 16-QAM [26].

н a Dsk/Transmitted Signal """ If3 I1 И qpsk/Transmitted Signal

Transmitted Signal Transmitted Signal

0.8 0.6 i 0.2 £ < . ф 0 Irature Amplitude

4 ♦ ¥

о 04 ° -0.4 -0.6 -0.8

-0.6 -0.8

♦ ♦ » *

-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 ln-phase Amplitude -0.6 -8.6 -8.4 -8.2 8 0.2 8.4 0.6 0.8 n-phase Amplitude

Рис. 3.24. Влияние SNR на созвездие OFDM модуляции с QPSK.

Базовая схема символа в диаграмме созвездия и ее поведение для различных уровней отношения шума (SNR) [26], показана на рис. 3.24. для OFDM с QPSK модуляций. Видно, что чем больше расстояние отношения сигнал / шум (SNR) уменьшается, тем больше символы рассеяны в диаграмме созвездия. Можно увидеть, что модуляция относительно устойчива к помехам на рис. 3.25. Это связано с использованием меньшего числа состояний, которые есть у QPSK [26].

PO commhpgrlanJ/TranM i.aM«4j ^jntJ^ = £2

Перед ав аеыый сигнал

0.6 ^ 0.6 fr * * * *

Э о л E 0.2 я ° Ш ft 02 й * * *

- - - -

О-, О Ш Об

d 06 ■О.8

* , *

-О 8 О б -о. л -о : О 0.2 О.* О б О.в Амплитуда за одну фазу

а) Схема созвездия для 16-QAM

И ccfl4nhi{(«tnV2/ft«e<veiJ Swjrvai 1 Л;1 ЦУ

Flic Адех Channels ^'indow Help *

Полученный сигнал

| 1 * • • •

I . • . * л I *

|,S » *

*

.15 -1

5 -0 5 0 0 5 1 1.5 Амплитуда за одну фазу

И twrwhipeflanytecwv&d

Fife Axes Cbinnels Window Help

Полеченный сигнал

Амплитуда за одну фазу

б) ОСШ =5дБ

в) ОСШ =15 дБ

г) ОСШ =30 дБ д) ОСШ = 40 дБ

Рис. 3.25. Диаграмма влияния SNR на модуляцию созведия OFDM с 16-

QAM.

Базовая схема символа в диаграмме созвездия и ее поведение для различных уровней отношения шума (SNR) [26], показана на рис. 3.25 для OFDM с 16-QAM. Видно, что чем больше уменьшается расстояние сигнала к отношению сигнал-шум (SNR), тем больше рассредоточены символы в диаграмме созвездия. На рис. 6 показано, что модуляция 16-QAM очень чувствительна к помехам. Это связано с использованием большого количества состояний, которые имеет 16-QAM [26].

Статья посиящена методам обеспечения достоверности передачи информации в информационно-управляющих PLC сетях предприятий [26]. Она описывает основную модель сети электропередачи для узкополосной PLC коммуникации. В предложенной модели было смоделировано влияние интерференции на перестановку символов в диаграмме созвездия. Наиболее устойчивым методом против влияния интерференции была установленная модель OFDM с QPSK и QAM. Из результатов моделирования следует, что плохой выбор модуляции и кодирования коррекции ошибок может значительного влиять на результирующий сигнал. Из результатов моделирования следует, что неправильный выбор модуляции может существенно повлиять на результирующий сигнал. PLC модель может быть

использована для сравнения эффективности различных схем модуляции и для будущей стандартизации. Результаты моделирования, полученные на модели, могут быть использованы для сравнения с результатами измерений [26].

3.3.1.Методы обеспечения достоверности в каналах передачи данных интегрированной системы

Здесь описывается метод построения кода связанного с исправлением ошибок для передачи данных в одном канале с различной надежностью [27]: 10_6 и 10"9, и используемый подход и функциональную область. Показано, что для действующих одноранговых сетей наиболее эффективным подходом является использование каскадного кода и передачи информации с различной надежностью в одном пакете [27].

Одноранговые сети имеют широкую область применения: от космических систем до систем подводных коммуникациий и мониторинга. Большинство областей применения таких сетей допускает только очень небольшой процент ошибок в полученных данных [27]. В результате, сложность обеспечения надежной передачи цифровой информации, в нашем случае, видео данных, телеметрии и команд управления через каналы из-за шума повышается. В одноранговых сетях для обеспечения передачи различных видов информации невыгодно использовать два различных канала связи для передачи данных с различными требованиями к вероятности ошибки. Кроме того, тенденция к эффективному использованию радио частотных источников накладывают ряд ограничений на использование независимого канала для телеметрических данных и управляющих команд [27]. Таким образом, наряду с передачей видео информация пользователю необходимо передать телеметрические данные и команды управления.

По сравнению с видеоданными количество передаваемых телеметрических данных и управляющих команд незначительно, что позволяет передавать данные с различной надежностью без значительных потерь со скоростью передачи данных. К требованиям предъявляющимся к телеметрическим данным и командам управления относятся [27]:

- Передача с постоянной составляющей и медленно меняющемися данными;

- Передача измеряемых значений с низкой степенью битовой ошибки;

- Минимальная задержка от получения данных к передаче (в режиме реального времени связи);

- Высокая надежность передачи команд управления: ожидаемый уровень ложной команды не более 10_9.

Для повышения надежности передаваемой информации используется защитное кодирование [27]. В этой работе FPGA ХШпх Уйех-4 используется в качестве аппаратной платформы. При разработке системы связи было необходимо обеспечить два канала для передачи двух видов информации:

высокоскоростной передачи данных с надежностью не меньше 1 0 6 и телеметрическими данными с надежностью 1 0 _ 9 [27].

Для реализации надежности не менее 1 0 _ 6, как правило, используются каскадные структуры, в которых внутренний код - сверхточный, а внешний -блок кода: BCH код или код Reed-Solomon [27]. В работе используется FM-4-для улучшения канала данных. Расчеты показали, что для обеспечения требований к техническим характеристикам канала и обеспечения надежности 1 0 _ 6, в качестве внутреннего кода, можно использовать BCH код, а в качестве внешнего кода - Reed-Solomon (RS) код. Весь процесс декодирования выполняется посредством двоичного симметричного канала. В BCH был выбран код BCH (60,48,5), а в качестве наружного - RS (256,240,17) в GF (2 8). Общий уровень кода был 0,75, чтоотвечает требованиям. Усиление равно примерно 4 дБ. На рис. 3.26. показана схема декодера [27].

Рис. 3.26. Блок декодера 1 0 6.

Надежность передачи сообщений равная 1 0 _ 9 и требует разработки новой схемы кодирования исправления ошибок [27]: к схеме кодирования обсуждаемой выше необходимо добавить дополнительный внешний код (рис. 3.27), или «усложнить» структуру существующего кода, выбирая другие методы кодирования и переходя к новым методам декодирования [27].

Рис. 3.27. Блок декодера .

Это решение об использовании дополнительного демодулятора и отдельной бесшумной схемы кодирования приводит к двухкратному

увеличению спроса на имеющие FPGA ресурсы и рост потребления, который не приемлем для одноранговых сетей [27].

Чтобы решить проблему, описанную выше, был разработан метод инкапсуляции данных телеметрии (контроль Команд) в поток высокоскоростной передачи данных. Структура этого пакета показана на таблице. 3.9. Обработка данных кода коррекции ошибок проводится так же, как в режиме высокоскоростной передачи при обработке данных с несколькими незначительными дополнениями [27].

Таблица. 3.9. Структура пакетов.

Кодовое Стартовое Данные Флаг Данные Флаг Данные Окончательное

слово слово (видео) (телеметрия) (видео) слово

Схема декодера, который реализует созданный алгоритм показан на рис. 3.23 [27]. Для передачи с надежностью 10_6 используется сверхточный код (113221) с "мягкими" решениями с 8 уровнями квантования. Таким образом, как показано на рисунке 4 используются, только блок прямого исправления ошибок 1 (FEC1) и FEC2, а (FEC3 не используется). Для того, чтобы обеспечить надежность 10_9 дополнительно используется внешней Hamming код (8,4,4) (FEC3). Скорость бит ошибки Qbit = 2,8 * 10_11 [27].

Рассмотрим алгоритм более подробно [27]. Считают, что необходимо передавать только высокоскоростную информацию. Данные генерируются в блоке подготовки "высоко-скоростных данных" (BHSDP) и переведенных в буфер ТХ, в то же время устанавливая регистр состояния, который отвечает за тип передаваемых данных (высокоскоростной информации или телеметрии). Имея ключ высокоскоростной передачи данных с коммутацией К1, включенным в соответствии со статусом зарегистрируйтесь в нижнее положение, и данные из буфера TX поступают к FEC1 и FEC2 (в нашем случае, к сверточному кодеру). Если необходимо передача телеметрии в качестве дополнительной к высокоскоростной передаче данных, алгоритм выглядит следующим образом: данные телеметрии генерируется в блоке "подготовки телеметрии" (BTP), а затем переходит в буфер TX [27]. В этом случае, регистр состояния записывается соответствующим образом. Формирование высокоскоростной передачи данных аналогична предыдущему примеру. В соответствии со структурой пакета, вначале передаются высокоскоростные данные. После того, как завершена передача высоко-скоростных данных в пакет, регистр состояния переключает ключа К1 для передачи данных из буфера TX в исправляющии ошибки кодек FEC3 [27].

В то же время флаг (например, msequence) который однозначно идентифицирует начало телеметрии переходит на вход FEC2. По завершении передачи телеметрии, флаг переходит на вход FEC2 и ключи К1 и К2 включаются в их первоначальное состояние [27].

При отправке флаги канала кодируются только кодеками исправляющими ошибки FEC1 и FEC2, а телеметрия дополнительно кодируется FEC3 [27]. В приемнике весь поток данных из демодулятора декодируется декодерами FECI (dFECl) и dFEC2. Далее идет фильтр, совместимый с флагом. Пока фильтр не обнаруживает флага, весь поток данных классифицируется как поток высокоскоростных данных с точностью передачи 1 0 _ 6, и обрабатывается "блок обработки" (PU). Когда фильтр обнаруживает флаг, он переключает ключ K3, который направляет весь поток информации в декодер dFEC3. Таким образом, после обнаружения флага, поток информация классифицируется как поток телеметрии с надежность 1 0 _ 9, и обрабатывается в " блок обработки телеметрических данных"(TPU). Когда второй флаг обнаружен (в конце следующего блока телеметрии), ключ K3 переключается в исходное состояние, и все следующие данные будут классифицироваться как высокоскоростной поток данных, до тех пор, пока он не находит другой флаг, а затем весь процесс повторяет снова и снова [27].

Рис.3.28. Схема предлагаемого метода.

Преимуществом данного алгоритма является то, что мы избавились от необходимости создавать канал для телеметрии. Практика использования этого алгоритма может уменьшить используемые аппаратные ресурсы FPGA примерно на 50 % [27]. Предлагаемый метод позволяет отказаться от телеметрии особого назначения и управлять каналом команд, это позволит снизить сложность алгоритмов для среднего доступа к среде и упростить протоколы передачи данных [27].

3.4. Микропроцессорная система дистанционного контроля и управления с использованием GSM технологий.

Рассмотрена система дистанционного контроля и управления с использованием GSM модулей. Система реализована на базе PIC-микроконтроллера и используется для дистанционного управления техникой через GSM модуль [28].

В настоящее время дистанционное управление с помощью GSM канала становится стандартным решением при реализации систем контроля и сигнализации [28]. GSM сигнализации сегодня предлагают многие предприятия, торгующие системами обеспечения безопасности и сигнализации. Вместе с тем такие системы как правило являются системами контроля и управления с разомкнутой обратной связью. Наличие дистанционной обратной связи позволяет реализовать качественное управление на расстоянии параметрами объекта управления и обеспечивает новые функциональные возможности [28].

Целью данной работы является поиск новых, экономичных и эффективных решений, обеспечения дистанционного контроля и управления режимами работы систем удаленного объекта и обеспечения его безопасности, включая исключение несанкционированного доступа при использовании обратной связи [28]. В работе, в качестве модели, рассматривается структурная схема и физическая модель системы дистанционного контроля за расстоянием между объектом и нарушителем. Для связи в системе использованы микроконтроллер, GSM модули и датчик расстояния.

При получении сигнала от датчика расстояния микроконтроллер проводит обработку сигнала и через GSM модуль соединяется с определенным абонентом с заданным номером СИМ карты [28], который формирует сигнал обратной связи. В устройстве используются две СИМ карты пользователя. Сначала GSM модуль автоматически вызывает первый номер. Если он не отвечает или занят, то GSM модуль передает сигнал микроконтроллеру о том, что первый номер не отвечает. Микроконтроллер обрабатывает сигнал и автоматически вызывает второй номер. А если СИМ карта отвечает, тогда система передает необходимую информацию о объекте [28].

Структурная схема системы приведена на рисунке. 3.29.

I к

ацп

)s > мк GSMj, Об

) г

ос,

ос

Рис. 3.29. Структурная схема системы дистанционного контроля и

управления с GSM модулем.

I - уставка; £и s* - ошибки;

АЦП - аналого-цифровой преобразователь; МК - микроконтроллер; Об - объекты;

GSMne - GSM модуль передачи;

OCGSMne - обратная связь GSM модуля передачи;

ОС - обратная связь работы.

ЦГ _ _МК gsm„e Об__(1)

x( p1) 1 + (WWW ) * (W )

1 ^ W МКГГ gsmne W Об ) W OCgsmne )

W *W

W =-W^n Wx(p1)--(2)

1 + (WAn,nWx( p1) ) * (Woe ) Где; Wx(p) и Wx(p1) - передаточные функции по каналам проекций

соответственно, wma. - блок микроконтроллера; Wam -блок аналого-цифрового преобразователя, Wgsm - блок GSM модуля передачи; WOCgsm^ и Woc - блок выходного сигнала обратной связи [28].

Упрощенная структурная схема системы дистанционного контроля и управления с использованием микроконтроллера PIC16F887, GSM модулем G100 и датчиком расстояния 2D120X приведена на рисунке. 3.30 [28].

Рис. 3.30. Упрощенная структурная схема системы дистанционного контроля

и управления.

Общий вид стенда для физического моделирования и отладки системы дистанционного контроля и управления с использованием кита (отладочной платы) ME-EASYPIC6 и GSM модуля G100 приведен на рисунке. 3.31 [28]. Плата ME-EASYPIC6 универсальна и позволяет устанавливать микроконтроллеры в корпусах DIP8, DIP14, DIP18, DIP20, DIP28 и DIP40.

Рис. 3.31. Общий вид стенда для физического моделирования и отладки системы дистанционного контроля и управления с использованием кита (отладочной платы) ME-EASYPIC6 и GSM модуля.

На рис. 3.32 [28]. приведен алгоритмработы системы дистанционного контроля и управленияс использованием GSM модулей и датчика расстояния. В системе в качестве устройства отображения и управления используется контроллер и сотовый телефон. Алгоритм обеспечивает, автоматический вызов определенного номера пользователя через GSM модем, при получении сигнала от датчика расстояния [28]. В работе проанализированы преимущества и характеристики устройств и основные функции системы дистанционного контроля и управления с использованием GSM модулей. Датчик расстояния может считать объект (т.е. нарушитель) между расстоянием с 5 см до 600 см.Программирование микроконтроллера PIC16F887 осуществляется на языке Си. Ниже приведен текст программы [28].

Рис. 3.32. Алгоритм системы автоматического управленияGSM модулем с

использованием датчика расстояния.

const char atc1[] = "ATE0"; //disable command echo

const char atc2[] = "AT+CFUN=1"; // set full functionality

const char atc3[] = "ATD "; //place a call to phone number 89--/

while(1) {

send_atc("AT"); //send "AT" string untilgsm sets up its baud rade Delay_ms(100); // and gets it correctly

if (get_response() == GSM_OK) //if gsm says "OK" on our baud rate we got it

break; }

Таким образом [28], способ дистанционного контроля и управления с использованием GSM модулей становится стандартным при организации систем управления оборудованием удаленных объектов. Беспроводная система реализует удаленный мониторинг и управление рабочими параметрами в режиме реального времени с помощью GSM передачи данных технологии [28].

Выводы по третьей главе.

1. Предложена математическая модель канала передачи данных, позволяющая оценивать достоверность передачи данных в зависимости от использованного типа кодирования и эффективность алгоритмов, используемых при автоматизированном измерении, обработки и передачи информации.

2. Методами имитационного моделирования 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.

3. Методами физического моделирования показана возможность создания системы достоверного, дистанционного беспроводного контроля параметров энергопотребления объектов и управления приборами учета и мониторинга их состояния с использование GSM технологий.

Глава 4. Аппаратно-программная реализация интегрированной системы контроля и учета энергоносителей.

4.1. Разработка структурной схемы интегрированной

многоуровневой системы учета и контроля энергоносителей.

Автоматизированная система коммерческого учета ИАСКУЭ, [38] представляет собой информационно-измерительную систему для удаленного измерения расхода энергоресурсов. Она имеет иерархическую структуру, охватывающую несколько уровней - начиная от счетчиков электрической энергии, холодной, горячей воды, тепла и газа, измеряющих величины расхода по отдельной квартире, дому, производственному (подразделению, зданию и.т.д) и кончая центральной диспетчерской, централизованно учитывающей потребление по району, городу или области. В каждом конкретном случае уровни охвата системы могут быть ограничены, в зависимости от поставленных задач. Но всегда есть возможность впоследствии установить дополнительные модули и подсистемы, с целью охвата большего числа точек учета, расширения перечня измеряемых величин, либо введения дополнительных контролирующих функций (например, для локализации утечек при несанкционированном подключении) без изменения уже функционирующей части системы [38].

В общей структуре ИАСКУЭ можно выделить три уровня (подсистемы):

- подсистема измерения и учета (ИУ) - территориально сосредоточена на объектах учета;

- коммуникационная подсистема (КМ) - включает программно-технические средства обеспечивающие передачу информации от ИУ к СД по каналам связи различных типов;

- подсистема сбора и обработки данных (СД) - множество автоматизированных рабочих мест пользователей ИАСКУЭ и хранилищ данных.

На самом нижнем уровне находятся соответствующие аттестованные счетчики. Они имеют телеметрический выход, выдающий импульсы, число которых пропорционально количеству потребленной энергии или канал связи соответствующий протоколу. У всех потребителей электроэнергии

установлены счетчики электроэнергии. Импульсы со счетчиков поступают по протоколу RS-485 на плату контроля первого уровня. Импульсы обрабатываются встроенным в плату контроллером. Данные могут передаваться на следующий уровень либо храниться в энергонезависимой памяти модема несколько месяцев.

Для коммуникации в плату могут входить электросетевые модемы (далее ЭСМ). Модем использует провода электросетей для передачи команд и данных. На основе данной технологии строятся информационно -измерительные и управляющие сети, а также инфраструктура для предоставления телекоммуникационных услуг там, где отсутствует или перегружена традиционная кабельная сеть или затруднено по различным причинам ее создание.

Далее данные по одному из трех фазных проводов и проводу "нейтраль" силовой электросети с 220 В, и 50 Гц, передаются в локальный блок сбора данных (ЛБСД)-контроллер. Этот блок ставится в каждом доме. Передача осуществляется через PLС-сеть и дальность передачи без ретрансляции до 200 м. Информационное взаимодействие между электросетевыми модемами и ЛБСД осуществляется по схеме "Запрос -Ответ". Протокол обмена обеспечивает достоверный контроль принимаемой информации. Программная логика информационного обмена обеспечивает гарантированную доставку информации. В ЛБСД имеются встроенные ЭСМ, которые принимают данные от ЭСМ нижнего уровня. Блок производит сбор, обработку, накопление и хранение данных со счетчиков о потребленной электроэнергии и энергоносителях. Потребление измеряется по заданным тарифам на заданном интервале времени. Ведется поиск максимальных потреблений на заданных интервалах времени. Далее данные передаются на третий уровень - Центральную Диспетчерскую (для централизованных систем) либо возможен съем данных посредством подключения ноутбука (для децентрализованных систем) к плате 2-го уровня. Для взаимодействия с ними на выходе блок имеет COM-порт. В случае централизованной системы к COM-порту подключается модем. Обмен данными между блоком и модемом осуществляется по стандарту Fast Ethernet.

Обмен данных всегда происходит по инициативе верхнего уровня, который дает запрос для получения данных на интересующее время. ЛБСД обрабатывает команду и посылает запрос на контроллер первого уровня. Здесь необходимые параметры берутся из энергонезависимой памяти. После чего данные проходят обратный путь к системе сбора данных.

Сбор информации и передача команд управления осуществляется следующим образом:

- пределах объектов, питающихся от одной трансформаторной подстанции, по домовым электросетям 220/380 В;

- в пределах ЖЭК или другой административно-территориальной единицы возможны варианты при выборе системы передачи

информации (электросеть, телефонный канал, выделенная линия, радиомодем, сотовая связь, ноутбук);

- на уровне города - по высокоскоростным каналам связи;

- оперативная обработка информации осуществляется компьютерами, установленными в помещении оперативно-диспетчерской службы каждого предприятия (района) и диспетчерских службах поставщиков энергоресурсов.

4.2.Системы передачи данных и каналообразующая аппаратура.

Чтобы передавать информацию от одного уровня к другому, необходимы каналы связи. В данном проекте используются 3 вида канала связи, исходя из структуры АСКУЭ и их свойств.

4.2.1. Практическая реализация канала передачи данных на основе протокола RS-485 в ИАСКУЭ.

При расссмотрении выше, импульсы инзмерительных счетчиков поступают по протоколу RS-485 на плату контроля первого уровня. Рассмотриваем характеристики протокола RS-485: он обеспечивает передачу информации со скоростью до 10 Мбит/с в зависимости от максимальной дальности. На пример, при скорости 10 Мбит/с по максимальной длине линии — 120 м, а при скорости 100 кбит/с по максимальной длине линии — 1200 м. В нашем случае, контроллер рассчитывает на хранение показаний с восьми счетчиков. Интерфейс RS-485 не стандартизирует формат информационных кадров и обмена протоколов. Наиболее распространено для передачи байтов данных являются те же самые кадры, что и в интерфейсе RS-232: начальный бит, биты данных, бит четности (при необходимости), бит остановки.

Наиболее система обмена протоколов работают следовательно "ведущий" - "ведомый". Одно устройство на магистрали является ведущим (master) и инициирует обмен отравкой запросов на подчиненные устройства (slave), которые отличаются логическими адресами. Протокол Modbus RTU, являетшийся одним из самых популярных протоколов.

Тип разъемов и проводка также не указаны стандартом. Существуют разъемы DB9, клеммные разъемы и т. Д. Лучшим средством передачи сигнала является кабель с витой парой. Концы кабеля должны демпфированы с помощью резисторов 120 Ом, как обычно. Сеть должна проложена по топологии шины без ветвей. Устройства должны быть соеденены с кабелю с проводами минимальной длины.

Витая пара - это лучшее решение для прокладки сети, поскольку она имеет наименьшее паразитное излучение от сигнала. В условиях повышенных внешних помех кабели с экранированной витой парой при условии, что они подключены к защитным «заземленным» устройствам. Терминальные резисторы обеспечивают согласование «скрытых» концов кабеля с остальной частью линии, исключая отражение сигнала.

Номинальное сопротивление резисторов соответствует волновому сопротивлению кабеля, а для кабелей на основе витой пары обычно составляет с 100 Ом или 120 Ом. Например, широко используемый кабель UTP-5 для маршрутизации Ethernet имеет импеданс 100 Ом. Специальные кабели для марки RS-485 Beiden 9841, .., 9844 -120 Ом. Для других типов кабелей может потребоваться другой рейтинг.

Интерфейс стандарт RS-485 использует схему передачи сигнала с симметричным (дифференциальным) сигналом. Это означает, что уровни напряжения в сигнальных цепях. Передатчик должен обеспечивать уровень сигнала 1,5 В при максимальной нагрузке (8 стандартных входов и 2 терминальных резистора) и не более 6 В на холостом ходу, что легко реализовать в системе IASQA. Уровни стресса измеряются по разному. На стороне приемника RS-485 минимальный уровень принимаемого сигнала должен быть не менее 200 мВ.

4.2.2. 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 ИошеР1и§ 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 ИошеР1и§ 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.

Рис.4.1. Адресация абонентов.

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.

Конфигурация выводов

еиз:[7

Имя Назначение

ЕРЯ2 Флаг двойной ошибки ео время приема информации (устанавливается в высокий уровень если была обнаружена двойная ошибка ео время приема информации]

РАТА Порт обмена данными с внешним контроллером

С1К Вхсд пробирующего сигнала гри обмене данными с внешним контроллером

Вход сигнала установки режима программирования приемопередатчика

0иТ2 Выход частотно-манипулированного сигнала [инверсный)

оип Выход частотно мзнипулированного сигнала

ш Вход частотно-манипулированного сигнала

Вход сигнала запу:ка передачи в сеть

И1/Н Вход установки режима чтенк^запись

Флаг приема новой информации из сети (устанавливается е высокий уровень при получении новой информации)

Рис.4.2. Микросхема и выводы, используемые при формировании протокола обмена электросетевого модема КР1446ХК1.

Структурная схема модема показана на рисунке 4.3.

Рис.4.3. Структурная схема модема КР1446ХК1.

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,

93

скорости и частоты устанавливаются в свое значение по умолчанию равное 01h. Затем выдать сигнал START. Посланная таким образом информация 01 h, 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.

Рис.4.4. Диаграмма передачи информации.

A[0:7] - адрес приемника

A[8:15] - первый байт передаваемой информации

A[16:23] - второй байт передаваемой информации

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 01 h, частоту передачи равную 100 КГц, скорость передачи равную 248 бит/сек, устанавливает в буфере передачи следующие значения: адрес передачи равным 01 h, 1-й байт данных равным 01 h, 2-й байт данных равным 01 h.

Диаграмма программирования приемопередатчика изображена на рисунке 4.5.

Рис. 4.5. Диаграмма программирования приемопередатчика.

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).

Преамиулл Слога синироричцхи Адрес плзты 1г0уровня Собственный адрес платы 2го уровня

баш длины* 2(i отданных

Прянмбула Слово синхрон и эацьчт Адрес пляты 1roypo»nn м N

1й баЙ1 данных lit Giifli данных

Преамбула СЛОВО Адрес платы 1 го уровня 00h z

lit iSafil длнных 2ii байт данных

Преамбула Слово снгоср окнзадои Адрес пляты 1го уровня I Контрольная <yuu,i

1й öafii данных 2й вштд&рньш

Рис. 4.6. Запрос от платы 2-го уровня.

95

После прихода этих данных плата первого уровня обрабатывает запрос и высылает ответ. Здесь возможны несколько вариантов:

- нет ответа от платы первого уровня. В случае отсутствия ответа контроллер 2го уровня через 0,5 секунды повторно посылает запрос. Запросы посылаются до тех пор, пока что не будет выслан ответ с данными. Если данные так и не последуют, то после 100 опросов контроллер 2го уровня воспринимает это как неисправность платы. И переходит к опросу платы следующего этажа.

- данных на запрашиваемый интервал времени в памяти нет, соответственно плата первого уровня предоставить данные не может.

- запрос на повторную передачу. Шлется в том случае, если не сошлась контрольная сумма.

- ответ, несущий сами данные по расходу электроэнергии. В этом случае высылаются несколько пакетов. Первый из них состоит из трех кадров и является служебным. Остальные пакеты отводятся под данные о потребленной электроэнергии, и их количество зависит от числа абонентов подключенных к плате обработки первичной информации и указывается в служебном пакете. Это число варьируется от 1 до 8. В случае отсутствия запрашиваемых данных шлется пакет (рис.4.7.).

Преамбула син1рднп}9чни Ддрес ПЛАТЫ 2 го уровня Собственный адрес пллты 1го уровня

1н байт данных 2м байт данных

Прч пыйул » Слово -Г ин * р О н И1 Ыж ^лясе пллты РРЬ РРЬ

"111 й,11Р[ Л<1ННЫ1 2и Т1Й1ДМ1МЯ

СЛ«4« ГЫн |р«|И|Ц| Адрес ШИЦГ 2 го уровня РРЬ РРЬ

1И 0,Ш'Н 2Й о.ии Дчтнныгк

Рис. 4.7. Нет данных. Запрос на повторную передачу изображен на рис.4.8.

Преамбула Слове сим* но нн^ции Лдрес плзты 2го уровня Собственный адрес платы 1 го уровня

1й байт данных 2й байт данных

Пр1 пыйул» Слове (■нняренИ!-»«™ Ащюс пготы 2п) уро»ия РРЬ РРЬ

1Й ДГШНЫХ 2м д-шныи

С по во твдстищщ Адрес плиьг 2 ПО урппия 00 ь РРЬ

байт длниькк гй байтлшиых

Рис. 4.8. Запрос на повторную передачу.

В обоих этих случаях шлется три кадра. Смысл посылки 3х кадров следующий. Как будет видно ниже, поле данных первого кадра передаваемой информации занимает собственный адрес первого уровня. Значение собственного адреса может достигать значения FFh, поэтому для того чтобы приемник не воспринял такой кадр как обычный (несущий данные о потреблении), высылаем еще один кадр. Кадр заполняется единицами либо полностью, либо наполовину (см. Рис. 3.10, 3.11). Это уже однозначно определяет пакет как служебный, т.к. значения полей передаваемых в байтах этого пакета (номер квартиры или временного интервала) не могут достигать значения FFh . И, наконец, передача данных о потреблении. В первом кадре служебного пакета отсылается собственный номер платы 1го уровня (он же номер лестничной клетки дома), во втором количество пакетов, в третьем контрольная сумма.

Каждый пакет данных состоит из 4х кадров:

- в первом кадре передается энергия, потребленная соответствующим абонентом;

- во втором - порядковый номер квартиры К и номер получасового интервала M;

- в третьем - день месяца N и номер месяца Z;

- в четвертом - контрольная сумма пакета.

В поле адреса каждого кадра прописывается адрес контроллера 2го уровня.

Выбор энергонезависимой памяти

Как уже упоминалось, одной из задач выполняемых платой обработки первичной информации, является учет получасовых потреблений электроэнергии обслуживаемыми абонентами. Поэтому плата должна обеспечивать хранение данных о потреблении энергии по получасовым интервалам. Во-первых, плата должна накапливать данные на глубину не менее одного месяца. Во-вторых, хранение этих данных должно быть независимо от электропитания. Т.е. критериями выбора памяти являются достаточный объем и энергонезависимость.

В микроконтроллере есть энергонезависимая память. Возникает вопрос - достаточна ли она для хранения данных в нашем проекте? Оценим минимально необходимый объем памяти:

- Храним данные на глубину месяц - 31 день;

- В одном дне 48 получасовых интервалов;

- Храним данные о потреблении энергии абонентами количеством до 8ми абонентов;

- Под каждый получасовой интервал необходимо отвести 16 бит памяти (т.е. максимальное значение электроэнергии, выраженное в импульсах счетчиков с телеметрическим выходом: 216 = 65536 импульсов).

Получаем формулу:

31 х 48 х 8 х 31 х 16 = 190464 бита.

Это немного меньше 24 КБайт. Память микроконтроллера всего 2 КБайта. Его объёма в нашем случае явно не достаточно. Поэтому необходимо ввести внешнюю энергонезависимую память. В качестве такой памяти выбираем микросхему EEPROM памяти AT25HP512 производства ATMEL.

Описание микросхемы:

- Последовательный интерфейс SPI

- Потребление питания стандартное и низковольтное

- (VCC = 2.7V to 5.5V)

- 1.8 (VCC = 1.8V to 5.5V)

- частота работы: 10 MHz (5V), 5MHz (2.7V) and 2 MHz (1.8V)

- поблочная защита от записи

Микросхема AT25HP512 представляет собой 524288 бит последовательной электрически стираемой, программируемой памяти (EEPROM), организованную как 65536 слов, по восемь бит каждое. Устройство рассчитано для использования во многих промышленных и коммерческих приложениях, где необходимы высокая скорость и низкое электропотребление.

Все команды в микросхеме выполняются через 8-ми битный регистр инструкций. Набор инструкций и коды операций показаны в таблице 5. Во всех инструкциях, адресах и данных наиболее значимый бит пересылается первым, с предварительным переключением уровня сигнала высокий -низкий на выводе CS. Выводы микросхемы и их назначение изображены на рисунке 4.9.

Pin Name Function

us Выбор микросхемы

SCK Вывод синхронизации

SI Вход данных

so Выход данных

GND Земля

VCC Питание

WP Защта от записи

From Приостановка на SI

Корпус

CSC

so с

nccqî

I.C 1

tJCCj! МС ГГ I WP7 GMDC

усс HOLD NC NC NC ^NC

sen; si

Рис. 4.9. Назначение выводов микросхемы АТ25НР512.

Как уже было сказано, сначала рассматривался вариант хранения всех данных в виде сложной структуры:

a[k].flat = k - номер квартиры a[k].power = Ь[Ц - количество импульсов

98

a[k].time = time - время a[k]. date = date -дата

Таблица. 4.2. Хранение показаний счетчиков.

Flat (k) Power (b[k]) Time Date

1 1 B1 Time[x] Date[y]

2 2 B2 Time[x] Date[y]

3 3 B3 Time[x] Date[y]

4 4 B4 Time[x] Date[y]

5 5 B5 Time[x] Date[y]

6 6 B6 Time[x] Date[y]

7 7 B7 Time[x] Date[y]

8 8 B8 Time[x] Date[y]

И такая таблица для каждого интервала времени и даты. Но так получается большой набор матриц (их число 48 х 62 - 62 дня по 48 получасовых интервалов). С такими матрицами сложно работать и требуется много места для хранения.

Поэтому был выбран более простой вариант хранения данных. Храним лишь количество потребленной энергии за получасовой интервал, т.е. элемент массива ЭДУ. А разбиение по конкретному времени, дню и месяцу выполняется размещением в разные ячейки памяти. Т.е. в памяти микроконтроллера мы всегда работаем с восемью переменными массива. Каждые полчаса значения переменных обнуляются и накапливаются опять. Перед обнулением их заносим в EEPROM по очередному адресу.

Под каждое значение отводится две ячейки памяти. Т.к. разрядность памяти - 8 бит, а значения получасовых мощностей могут достигать 20000. Для хранения таких чисел необходимо 16 разрядов. Всю память делим на блоки разных размеров. Самый малый блок - хранит данные по потребленной энергии для 8 квартир за полчаса (рис.4.10). Его размер:

8 квартир * 2 ячейки = 16 ячеек

8 kb

1я KB

Рис.4.10. Самый малый блок хранения данных.

Следующий блок хранит значения мощностей всех получасовых интервалов за сутки (рис.4.11). Его размер:

16 ячеек * 48 интервалов = 768 ячеек

Рис. 4.11. Блок хранения значения мощностей всех получасовых интервалов

за сутки.

Затем идет блок хранения месячных данных (рис.4.12). Он может состоять из различного числа предыдущих блоков. Ведь в месяце может быть 28, 29, 30 или 31 день. Но максимальное его значение и соответственно верхняя граница 1го банка памяти:

768 ячеек * 31 день = 23808 ячеек

Рис. 4.12. Блок хранения месячных данных.

С 23809ой ячейки (т.е. с адреса 5D00h) начинается 2й банк памяти. Два банка памяти нам необходимы для хранения данных о электропотреблении за два месяца - текущий и предыдущий. Этого требует законодательство, согласно которому устройство должно хранить данные на глубину не менее одного месяца (согласно законодательству).

Таким образом, получаем всю структуру хранения данных. Организация памяти изображена на рисунке (рис. 4.13):

Рис. 4.13. Организация памяти под нашу задачу.

Запись в банки производится циклически. Т.е. по достижении вершины второго банка данные записываются поверх тех, что хранились в первом. Т.к. верхний уровень может запрашивать данные на текущий месяц и на предшествующий, а в памяти EEPROM эти данные могут в момент запроса находиться, как в первом, так и во втором банке, следует ввести указатель текущего банка. Для этого используется переменная index:

Index = 0 - для первого банка

Index = 1 - для второго банка

Изначально значение index присваивается 0. А затем, с каждым месяцем, т.е. с переходом из банка в банк она меняет свое значение на противоположное согласно формуле.

Index = 1,если была 0

0, если была 1.

Поэтому, считав значение этой переменной, контроллер всегда будет знать в каком из банков хранятся показания текущего месяца.

Размер банка рассчитан на хранение значений для 31 дня. При этом, после первого полного заполнения банка (для месяца с 31 днем) ячейки не обнуляются. Так например, если в данный момент банк заполняется для февраля, а до этого был заполнен для января, то в нем все равно будет заполнено 31 ячейка, а не 28. Возникает проблема хранения избыточных и при этом ошибочных данных. Эту проблему решает протокол обмена с

101

микросхемой модема. Он определяет к каким именно ячейкам необходимо обратиться для считывания нужной информации.

Решили, что хранить будем только информацию о количестве потребленной энергии. Решили так же, что её будем хранить по определенным адресам. Теперь надо решить задачу вычисления адреса для записи и для считывания данных.

Адреса ячеек памяти вычисляются следующим образом.

Addr[k] = 2 * k + (16 * m) + (768 * N') + (23808 * index)

Где index = 0 или 1.

Например:

С модема пришел запрос на данные с 4й квартиры, на время 04:30, 12 день, 8го месяца.

Т.е. значения переменных, являющихся коэффициентами для вычисления адреса следующие:

K' = 3

M' = 10 N'= 11

Z' = 8

Теперь пускай сейчас 9й месяц. Согласно алгоритму, программа проверяет равен ли номер запрашиваемого месяца номеру установленному на внутреннем счетчике. Как видно эти значения не равны. Тогда происходит проверка - не равен ли запрашиваемый номер номеру предыдущего месяца. Как видим да. Значит надо брать данные не из рабочего банка памяти. Меняем переменную index на противоположную. Т.е если мы работали со вторым банком, то меняем единицу на ноль и обращаемся по адресу.

Addr[k ] = 2 • к + (16 • M') + (768 • N') + (23808 • index) Addr[3] = 2 • 3 + (16 • 10) + (768 • 10) + (23808 • 0) = 8614

Команды работы с памятью

В таблице 4.3. изображены команды работы с памятью.

Таблица 4.3 Набор инструкций для AT25HP512.

Инструкция Формат Операци

WREN 0000x110 Утановить бит разрешения записи

WRDI 0000 x 100 Сбросить бит разрешения записи

RDSR 0000x101 Чтать регистр STATUS

WRSR 0000x001 Запись в регистр STATUS

READ 0000x011 Читать данные из памяти

WRITE 0000x010 Записать данные в память

Описание инструкций:

Writeenable (WREN): Все инструкции должны предваряться командой WriteEnable.

Writedisable (WRDI): Для защиты памяти от непреднамеренной записи, инструкция WRITEDISABLE запрещает всякую запись. Инструкция WRDI не зависит от состояния вывода WP.

Readstatusregister (RDSR): Инструкция ReadStatusRegister обеспечивает доступ к регистру Status. Состояния «ГОТОВ/ЗАНЯТ» (READY/BUSY) и «Запись разрешена» (WriteEnable) определяются командой RDSR. Также можно прочитать биты установки поблочной защиты от записи, показывающие размер защищенной части. Сами биты устанавливаются командой RDSR.

Формат регистра STATUS