Рассмотрим решение для учета и контроля электропотребления в небольшом предприятии (в составе которого 3 цеха и 1 главное здание, где находится АРМ системы).

Решение задачи учета и контроля потребления электроэнергии в рамках небольшого предприятия

Так же при несовпадении данных с главного счетчика (на вводе в производственное предприятие) и суммы показаний данного рода ресурсов (со счетчиков в разных участках системы) система оповещает об этом. Исходя из этого сигнала, можно будет судить о том, что на определенном участке передачи ресурсов идет потеря потребляемого ресурса (если рассматривать водоснабжение, то это значит что где-то идет утечка воды).

С блока сбора и первичной обработки информация отправляется на АРМ (сервер) для получения этих данных сервером, их вторичной обработки, сбора данных в базу данных, для их дальнейшей обработки.

3) В зависимости от настроек программного обеспечения можно задавать настройки параметров потребления ресурсами (например, при достижении определенных значений за определенный промежуток времени – сигнализация оператору об этом), если в цеху после рабочего дня работает оборудование – а рабочего персонала на месте нет (рабочий перед уходом с рабочего места на проверил, отключен ли станок или нет) то при возможности, отключение данного цеха от электричества;

В итоге мы получили систему, которая ведет учет за показаниями разных датчиков (счетчиков). Достоинством является тот факт, что система является модульной, как программно, так и физически. В случае выхода из строя какого либо элемента замена реализуется за малые временные сроки. Программно эту систему можно использовать как дополнительную пожарную сигнализацию.

Рисунок 1.3. Общая сокращенная схема для АСКУ для контроля потребляемой электроэнергии

Рисунок 1.4. Упрощенная схема оборудования в производственном здании №1

Система для данного случая состоит из следующих элементов:

- счетчик потребления электроэнергии (играет роль датчика);

- переключатель для данной цепи (стоит после счетчика, играет роль исполнительного механизма; для основного счетчика оно не предусматривается, т.к. произойдет полное отключение предприятия от электричества);

- блок так называемой связи (для сбора данных со счетчика, их пересылке на АРМ, получения ответа от АРМ и его пересылке на исполнительный механизм – переключатель; в нашем случае расстояние между объектами не велико, поэтому ретрансляторы и дополнительные устройства не обязательно использовать);

- сам АРМ, играющий роль сервера, предназначается для управления исполнительным механизмом в зависимости от показаний счетчика. Так же это может быть стенд для учета и контроля за электропотреблением на территории предприятия. Здесь устанавливается соответствующее программное обеспечение (если это серверное оборудование), или стенд, на котором будет выводиться информация о работе системы - показания, состояния переключателей, индикаторы аварийного состояния, а так же другие элементы.

2. Выбор и обоснование технических средств

2.1 Выбор и обоснование технических средств автоматической системы контроля и учета электропотребления

Автоматизированная система контроля и учета за потребляемыми ресурсами должна иметь минимум 2 основных узла:

- узел счетчиков;

- пульт управления (АРМ, для хранения и обработки данных, полученных из счетчиков);

Рассмотрим сначала узел счетчиков на примере счетчика электрической энергии.

Структурная схема проектируемого блока счетчика электроэнергии для построения автоматизированной системы контроля и учета за потреблением электроэнергии представлена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 – Структурная схема узла счетчика

Рисунок 2.2 – Структурная схема узла приема/передачи и первичной обработки

Рисунок 2.3 – Структурная схема узла преобразования RS485 в COM-port АРМа

2.1.1. Параметры выбора датчиков.

Выбор датчиков связан как с техническими, так и с экономическими предпосылками. Поэтому должны быть приняты во внимание все аспекты их применения. Среди технических параметров особое внимание нужно уделить следующим:

- Электрические воздействия

- Механические воздействия

- Температурные воздействия

- Условия эксплуатации

На практике часто возникают комбинации нескольких факторов, которые должны оцениваться в совокупности для выбора наиболее подходящих вариантов датчиков.
При более сложных условиях применения датчика необходимо учесть такие факторы, как:

- Внешние магнитные воздействия

- Электромагнитные помехи

- Крутизна фронта импульсов

- Специальные требования по электрической прочности

- Совместимость с существующими стандартами

- Другие.

2.1.2. Выбор датчика тока

Расчет энергии, потребляемой за определенный промежуток времени любой нагрузкой, требует интегрирования текущих значений активных мощностей в течение всего времени измерения. В электромеханических СЭ это осуществляется механическим счетчиком. В цифровых СЭ необходимо реализовать постоянное суммирование вычисленной величины активной мощности за определенные промежутки времени.

В общем случае, значение потребленной энергии выражается формулой:

(1)

где p(t) значение мгновенной мощности в момент времени t; T время измерения.

При синусоидальных формах тока и напряжения в сети

где u(t) и i(t) мгновенные значения, соответственно, напряжения и тока в сети; U_m и I_m амплитудные значения напряжения и тока; U и I действующие значения напряжения и тока (U = U_m/ 2; I = I_m/ 2); j угол сдвига фаз между током и напряжением. Интегрирование выражения (2) по периоду дает значение активной потребляемой мощности:

где S = UI полная мощность потребления [ВА].

Реактивная мощность в этом случае определяется следующим образом:

Для вычисления любых мощностей (P, Q, S) в цифровых счетчиках необходимо измерять любые два значения из четырех величин P, Q, S, j. Это принципиально невозможно реализовать в электромеханическом СЭ из-за их конструктивных особенностей.

Из рассмотренных формул следует что для измерения обьема потребленной электроэнергии необходимо измерять моментальные значения тока (I) и напряжения (U).

Для измерения значения потребляемого тока можно использовать в качестве датчика тока один из трех видов датчиков:

—резистивные датчики (токовые шунты);
—датчики тока на эффекте Холла;
—трансформаторы тока;
—волоконно-оптические датчики тока (ВОДТ) на эффекте Фарадея;
—пояс Роговского;
—токовые клещи;

Каждый обладает своими достоинствами и недостатками, которые и ограничивают сферу его применения. Информация о видах датчиков тока указаны в таблице 2.1.

Таблица 2.1. характеристики датчиков тока

Главным недостатком резистивного датчика тока является необходимость подключать датчик непосредственно в цепь измерения.

Главным недостатком трансформатора тока является измерение только переменных токов промышленной частоты.

Датчик тока на основе эффекта Холла обладает рядом преимуществ, которые заключаются в возможности измерения как постоянных, так и переменных токов, и малых размерах. К их главным достоинствам следует отнести отсутствие вносимых с систему потерь мощности, широкий диапазон частот. Недостатком является необходимость внешнего источника питания и зависимость от температуры.

2.1.2. Выбор датчика напряжения

В качестве датчика напряжения будет использоваться делитель напряжения. А точнее, делитель напряжения уменьшает измеряемое напряжение (в зависимости от значения составных резисторов). Это необходимо для работы аналого-цифровых преобразователей как в составе интегральной микросхемы, так и в виде специализированного отдельного преобразователе на в устройствах.

2.1.3. Выбор микроконтроллера для вычисления мощности.

Для реализации проекта рассмотрим два микроконтроллера фирмы Atmel: ATmega8 и Atmega16.

Характеристика микроконтроллера atmega8.

Микроконтроллер ATmega8 выполнен по технологии CMOS, 8-разрядный, микропотребляющий, основан на AVR-архитектуре RISC. Выполняя одну полноценную инструкцию за один такт, ATmega8 достигает производительности 1 MIPS на МГц, позволяя достигнуть оптимального соотношения производительности к потребляемой энергии.

Технические параметры:

- Память для программ составляет 8 Кб с возможностью перезаписать 10 000 раз;

- 512 байт флеш-памяти для хранения переменных (100 000 циклов перезаписи);

- 1 Кб ОЗУ и 32 регистра общего назначения;

- Два 8-разрядных Таймера/Счетчика с раздельным прескалером, режим сравнения;

- 16-разрядный Таймер/Счетчик с раздельным прескалером, режим сравнения, режим захвата;

- Таймер реального времени с независимым генератором;

- 3 канала ШИМ;

- 6 каналов 10-разрядного АЦП;

- Двухпроводный последовательный интерфейс;

- Программируемый последовательный USART;

- Интерфейс SPI с режимами Master/Slave;

- Программируемый сторожевой таймер с отдельным независимым генератором;

- Встроенный аналоговый компаратор;

- Сброс при включении питания, программируемая защита от провалов питания;

- Встроенный калиброванный RC-генератор;

- Обработка внутренних и внешних прерываний;

- 5 режимов с пониженным энергопотреблением: Idle, ADC Noise Reduction, Power-save, Power-down, и Standby;

- Напряжение питания 4.5 - 5.5В;

- Тактовая частота 0-16 МГц

- 23 порта ввода/вывода, объединенных в 3 группы:

Порт В (PB0 - РВ7): Два вывода (РВ6 и PB7) используются для подключения кварцевого резонатора. Выводы РВ2 - РВ5 зарезервированы для внутрисхемного программирования. Таким образом, для общего применения остаются порты PB0 и PB1.

Порт С (PC0 - РС6: 7 выводов): Порты PC0 - РС5 можно использовать в качестве аналоговых входов. РС6 обычно используется для сброса.

Порт D (PD0 - PD7: 8 выводов): Эти порты можно использовать для общего применения.

Описание выводов микроконтроллера ATmega8:

Питание:

Порт B:

Порт C:

Порт D:

Характеристика микроконтроллера atmega16.

- AVR RISC-архитектура - архитектура высокой производительности и малого потребления;

- система команд содержит 130 инструкций, большинство которых выполняется за один машинный цикл;

- единый 16-разрядный формат команд;

- производительность 16 MIPS на частоте 16 Мгц;

- наличие аппаратного умножителя;

- 16 Кбайт Flash ПЗУ программ, с возможностью до 1000 циклов стирания/записи;

- 512 байт ЭСППЗУ (EEPROM) данных, с возможностью до 100000 циклов стирания/записи;

- Кбайт оперативной памяти (SRAM);

- возможность программирования непосредственно в целевой системе через последовательные интерфейсы SPI и JTAG;

- возможность самопрограммирования;

- возможность внутрисхемной отладки в соответствии со стандартом IEEE 1149.1 (JTAG);

- различные способы синхронизации: встроенный RC-генератор с внутренней и внешней задающей RC-цепочкой или с внешним резонатором (пьезокерамическим или кварцевым); внешний сигнал синхронизации;

- 6 режимов пониженного энергопотребления (Idle, ADC Noise Reduction, Power-save, Power-down, Standby и Extended Standby);

- детектор снижения напряжения питания (BOD);

- программное снижение частоты тактового генератора;

- 21 источник прерываний (внутренних и внешних);

- многоуровневая система прерываний, поддержка очереди прерываний;

- возможность защиты от несанкционированного чтения и модификации памяти программ и данных;

- загрузочный сектор с независимыми битами защиты;

- возможность чтения памяти программ во время ее записи;

- два 8-разрядных таймера/счетчика с предварительным делителем частоты и режимом сравнения;

- 16-разрядный таймер/счетчик с предварительным делителем частоты, режимом сравнения и режимом внешнего события;

- сторожевой таймер WDT;

- четыре канала генерации выходных ШИМ-сигналов;

- аналоговый компаратор;

- 8-канальный 10-разрядный АЦП как с несимметричными, так и с дифференциальными входами;

- полнодуплексный универсальный синхронный/асинхронный приемопередатчик USART;

- последовательный синхронный интерфейс SPI, используемый также для программирования Flash-памяти программ;

- последовательный двухпроводный интерфейс TWI (аналог I2C)

- 32 программируемые линии ввода/вывода с уровнями ТТЛ; на эти линии выведена также поддержка периферийных функций;

- напряжения питания 2.7 … 5.5 В.

В таблице 25.1 представлен электрический интерфейс микроконтроллера ATmega16. Тип вывода условно обозначен как: “I” – вход, “O”– выход, “I/O”– двунаправленный вывод, который может работать как вход или как выход в зависимости от режима или настройки, “P”– потенциальный вывод (например, напряжение питания). Номера выводов даны для корпусов типа DIP (продолговатый корпус с двухрядным расположением выводов) и TQFP (плоский квадратный корпус с расположением выводов по периметру).

Таблица 25.1 Описание выводов микроконтроллера AVR ATmega16(L)

Обозначение	Номер вывода	Тип вывода	Описание
XTAL1		I	Вход тактового генератора
XTAL2		O	Выход тактового генератора
		I	Вход сброса
AREF		P	Вход опорного напряжения для АЦП
AGND		P	Общий вывод (аналоговый)
AVCC		P	Вывод источника питания АЦП
GND		P	Общий вывод
VCC		P	Вывод источника питания
PA0 (ADC0) –– PA7 (ADC7)	40 – – 33	I/O	A0 – А7 (Вход канала 0–7 АЦП)
PB0 (T0/XCK)		I/O	B0 (Вход внешнего тактового сигнала таймера/счетчика Т0 / Вход/выход тактового сигнала USART)
PB1 (T1)		I/O	B1 (Вход внешнего тактового сигнала таймера/счетчика Т1)
PB2 (AIN0/INT2)		I/O	B2 (Положительный вход компаратора / Внешнее прерывание)
PB3 (AIN1/OC0)		I/O	B3 (Отрицательный вход компаратора / Выход таймера/счетчика Т0 (режимы Compare, PWM))
PB4 ()		I/O	B4 (Выбор Slave-устройства на шине SPI)
PB5 (MOSI)		I/O	B5 (Выход (Master) или вход (Slave) данных модуля SPI)
PB6 (MISO)		I/O	B6 (Вход (Master) или выход (Slave) данных модуля SPI)
PB7 (SCK)		I/O	B7 (Выход (Master) или вход (Slave) тактового сигнала модуля SPI)
PC0 (SCL)		I/O	C0 (Тактовый сигнал модуля TWI)
PC1 (SDA)		I/O	C1 (Линия данных модуля TWI)
PC2 (TCK)		I/O	C2 (Тактовый сигнал JTAG)
PC3 (TMS)		I/O	C3 (Выбор режима JTAG)
PC4 (TDO)		I/O	C4 (Выход данныхJTAG)
PC5 (TDI)		I/O	C5 (Вход данныхJTAG)
PC6 (TOSC1)		I/O	C6 (Выход для подключения резонатора к таймеру/счетчику Т2)
PC7 (TOSC2)		I/O	C7 (Вход для подключения резонатора к таймеру/счетчику Т2)
PD0 (RXD)		I/O	D0 (Вход USART)
PD1 (TXD)		I/O	D1 (Выход USART)
PD2 (INT0)		I/O	D2 (Вход внешнего прерывания)
PD3 (INT1)		I/O	D3 (Вход внешнего прерывания)
PD4 (OC1B)		I/O	D4 (Выход B таймера/счетчика Т1 (режимы Compare, PWM))
PD5 (OC1A)		I/O	D5 (Выход A таймера/счетчика Т1 (режимы Compare, PWM))
PD6 (ICP)		I/O	D6 (Вход захвата таймера/счетчика Т1 (режим Capture))
PD7 (OC2)		I/O	D7 (Выход таймера/счетчика Т2 (режимы Compare, PWM))

По характеристикам, а так же для минимизации цены при больших возможностях из рассмотренных вариантов более подходящим и целесообразным считается atmega16, поэтому в этом проекте будет использоваться именно она.

2.1.4. Выбор стандарта для обмена данными

Рассмотрим два стандарта физического уровня для обмена данными: RS 485 и RS422 в таблице 2.2

Таблица 2.2 сравнения параметров интерфейсов RS 422 и RS485

Стандарт RS485 определяет, что соединение между передающим и принимающим устройствами осуществляется с помощью двух или трех проводов: провод с данными, провод с инвертированными данными и, часто, нулевой провод (земля, 0 В). Два провода с данными представляют собой витую пару, которая заключена в металлический экран, который представляет собой нулевой провод. Использование такого кабеля позволяет уменьшить влияние помех и шумов.

Данные по линии пересылаются в виде последовательности импульсов высокого и низкого уровня. Считается, что по линии передается импульс высокого уровня в том случае, когда провод с данными находится под положительным потенциалом относительно провода с инвертированными данными. Аналогично считается, что по линии передается импульс низкого уровня в том случае, когда провод с данными находится под отрицательным потенциалом относительно провода с инвертированными данными. В некоторых системах нулевой провод используется только в качестве экрана и не подключается к схеме принимающего устройства.

Метод передачи, при котором по одному проводу пересылается нормальный сигнал, а по другому - инвертированный, называется балансированной передачей. Для декодирования сигнала принимающее устройство оценивает разность потенциалов между этими двумя проводами. Любое внешнее воздействие на кабель (электромагнитное и т.п.) будет в одинаковой мере влиять на оба провода, а следовательно будет игнорироваться принимающим устройством.

Два провода, по которым производится передача сигнала, скручены в витую пару для того, чтобы гарантировать, что влияние внешних возмущений в одинаковой мере скажется на обоих проводах. Использование витой пары для ослабления влияния помех является более эффективным, чем применение экрана. По этой причине, не рекомендуется использовать кабель, в котором два нескрученных провода находятся в экране. Такие кабели обычно используются для бытовой и аудио-аппаратуры. Уровни напряжений в соответствии со стандартом EIA485. Согласно стандарта EIA485 принимающее устройство должно определять разность потенциалов между двумя проводами с данными порядка 200 милливольт (200 мВ, 0.2 В). Это позволяет принимающему устройству корректно функционировать даже в том случае, когда на линии передачи сигнала имеет место большое падение напряжения.

Обратите внимание на то, что устройства, использующие оптическую изоляцию DOL, могут не отвечать этим требованиям. Светодиод, расположенный внутри изолятора, обычно требует для своей нормальной работы напряжения порядка 1 В. Это является еще одной причиной, по которой устройства DOL вызывают проблемы в сети и не рекомендуются для использования. Стандарт EIA485 также допускает, что оба провода с данными могут находиться под общим потенциалом смещения относительно нулевого (заземляющего) провода. Потенциал смещения должен находиться в пределах от +12 В до -7 В. Это означает, что нулевые точки передающего и принимающего устройств могут не соединяться непосредственно друг с другом в том случае, если разность потенциалов между ними постоянна и лежит в диапазоне от +12 В до -7 В.

Таблица 2. Значения уровней напряжения при передаче данных по каналу RS-485

Обратите внимание на то, что не допускается для одной линии иметь потенциал смещения +2.5 В, а потенциал смещения для другой линии изменять в пределах от 0 В до +5 В. Стандарт EIA485 требует, чтобы изменение разности потенциалов между нулевыми точками устройств не превышало 200 мВ. Максимально допустимые отклонения напряжений по стандарту EIA485 (измерения проводятся между любым из проводов с данными и экраном - штырек 1).

Если потенциал смещения проводов с данными выходит за указанные пределы, это может привести к повреждению электронной части принимающего и передающего устройств...

Исходя из рассмотренной информации более подходящим по параметрам является стандарт RS485. Так как для передачи данных в производственных цехах/ помещениях необходима высокая помехоустойчивость, необходимо иметь не малое количество приемников/передатчиков.

Для приема-передачи информации по RS485 требуется устанавливать специализированный приемо- передатчик. В своей работе я использовал MAX485.

Этот приемо-передатчик имеет следующие характеристики:

Блок-схема

Таблица 2. Основные параметры приемо-передатчика RS-485

Дата добавления: 2017-02-01; Просмотров: 75; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы!