Титульный лист

Содержание 

Введение 3

Обзор готовых решений 5

Счетчики электроэнергии 5

Датчики тока 7

Системы контроля освещения производства 8

Системы контроля температуры и влажности 10

Выбор и обоснование структурной схемы 13

Интерфейс подключения модулей сбора информации 13

Модуль сбора данных 19

Контроллер сети 21

Методика  расчета мощности 22

Выбор элементной базы 25

Выбор микроконтроллера 25

Выбор аналогово-цифрового преобразователя 29

Описание используемых микросхем 30

Описание работы системы 35

Заключение 36

Список использованной литературы 37

Введение

     В последнее время активно развивается  ниша автоматизированных компьютерных систем контроля различных параметров внутри помещений, таких как температура, влажность, освещенность и др. Подобные системы обобщенно называют «умный дом», однако их в основно используют именно в жилых домах или квартирах  для повышения качества жизни.  С другой стороны подобные системы контроля можно эффективно применять и на производстве, например для экономии, как электроэнергии в общем виде, так и мощностей отопительных систем.

     Вопросы экономного потребления электроэнергии актуальны сегодня как никогда. С ростом экономики в крупных  городах все чаще ощущается нехватка энергии в периоды пикового потребления. Эта проблема наиболее актуальна  именно сейчас, так как цены на энергоносители неуклонно растут.

     Один  из путей снижения расходов - это  внедрение автоматизированных систем учета электроэнергии. Установка  АСКУЭ позволяет решить следующие  задачи: оперативный контроль  потребления  электроэнергии; снижение технических  потерь электроэнергии; автоматизация  составления балансов электроэнергии и мощности; защита данных от несанкционированного доступа и т. д. Внедрение системы  позволяет также оптимально использовать основное оборудование, сделает возможными анализ и планирование производства и потребления электроэнергии. Потери снижаются благодаря повышению  точности и достоверности учета  электроэнергии, сокращению времени  сбора и обработки данных.

     При эксплуатации технической системы  АСКУЭ экономический эффект достигается  за счет жесткого контроля за потреблением цехов, ограничения потребления  активной мощности в часы максимума  энергосистемы, а часто и просто воровства электроэнергии в сетях.

     Добавление  в систему учета электроэнергии функций контроля и управления освещением и климатом в помещении (температура  и влажность) позволит создать комплексную  систему учета затрат электроэнергии.

     В данном курсовом проекте стоит задача разработать подобную систему комплексного контроля, которая будет как отслеживать  потребление электроэнергии, так  и поддерживать оптимальный уровень  температуры влажности и освещенности в пределах рабочего места оператора.

Обзор готовых  решений

Счетчики  электроэнергии

     Специализированные  интегральные микросхемы измерения  мощности очень широко распространены на рынке и применяются во многих счетчиках мощности[15,12,10]. Выходная информация представлена в виде последовательности импульсов со средней частотой, пропорциональной произведению входных аналоговых напряжений. Рассмотрим более подробно работу таких счетчиков на примере ИС ADE7755, одной из наиболее популярных микросхем-счетчиков, предназначенной для работы в однофазной сети и имеющую импульсный выход для подключения электромеханического счетного устройства.

     Два имеющихся в ИС АЦП преобразуют  сигналы напряжения, поступающие  от преобразователей в цифровой код. Эти АЦП представляют собой 16-разрядные  дельта-сигма АЦП второго порядка  с частотой дискретизации 900 кГц. Такая  структура аналоговых входов обеспечивает высокую точность, линейность и динамический диапазон, а также упрощает устройство фильтра. Фильтр высокой частоты  в токовом канале устраняет составляющую постоянного тока из токового сигнала. Этим исключается погрешность при  подсчете активной мощности, связанная  с наличием постоянного смещения в сигналах напряжения или тока.

     Активная  мощность вычисляется из сигнала  мгновенной мощности. Сигнал мгновенной мощности вычисляется прямым перемножением  сигналов тока и напряжения. Для  того чтобы получить сигнал активной мощности (т.е. постоянную составляющую сигнала мгновенной мощности), сигнал мгновенной мощности пропускается через  низкочастотный фильтр . Эта схема позволяет корректно вычислять активную мощность при токе и напряжении несинусоидальной формы и при любом сдвиге фаз между ними (при любых коэффициентах мощности). Вся обработка сигналов осуществляется в цифровом виде, что обусловливает максимальную температурную и временную стабильность[17]. Функциональная схема счетчика представлена на рисунке 1.1.

     На  выходе ИС генерирует низкочастотные импульсы. Каждый импульс соответствует  некоторому накопленному количеству электроэнергии. Таким образом, выходная частота  пропорциональна средней активной мощности.

     Использование ИС  ADE7755, а также других подобных микросхем- счетчиков весьма эффективно, однако ограничивает возможности расширения и не позволяет связать несколько счетчиков в единую измерительную сеть.  Решить эту проблему можно, если использовать вместо специализированной микросхемы счетчика отдельный микроконтроллер, который будет выполнять все функции счетчика, а также даст возможность организовать передачу данных между датчиком мощности и контроллером сети для центролизированного учета потребляемой энергии.

     Если  в качестве датчиков напряжения на входе счетчика обычно используются простые резистивные делители, то с датчиками тока дело обстоит  сложнее, поэтому рассмотрим их отдельно.

Датчики тока

    Существует  несколько методов измерения тока, наиболее часто используемые в промышленности:

    Шунты;

    Датчики на основе эффекта Холла;

    Трансформаторы тока;

    Катушки Роговского;

    Магниторезистивные  датчики тока.

    Датчики тока, реализованные на базе указанных методов, имеют свои достоинства и недостатки, определяющие области их применения. В таблице 1.1 представлены основные характеристики перечисленных методов измерения. 

Таблица 1.1 –  Сравнение характеристик датчиков тока

    Анализ  особенностей датчиков различных типов  позволяет выделить датчики на основе эффекта Холла как оптимальные  для решения поставленной задачи. Все остальные датчики имеют  различные недостатки, делающие невозможным  их применение в данном проекте. Резистивные  датчики не обеспечивают гальваническую развязку измерительной цепи, а главное  не позволяют измерять большие токи (более 50 А) с необходимой точностью. Трансформаторы тока и катушки Роговского не имеют возможности измерять постоянный ток. Магниторезистивные датчики тока лишены описанных недостатков, однако их рыночная  стоимость достаточно высока. Датчики тока на основе эффекта Холла наиболее универсальны, поэтому рассмотрим их более детально.

Системы контроля освещения  производства

     Рассмотрим  в качестве примера готовую систему  для управления освещением на предприятии, производства «Связь инжиниринг М».

     Назначение  системы и её экономическая  эффективность.

     Система контроля освещения производства предназначена  для дистанционного контроля и управления освещением на удалённых или ответственных  объектах. С помощью данной Системы  можно:

     - удалённо включать/выключать освещение  автоматически или по команде  диспетчера,

     - использовать Систему как дублирующую  для систем включения/выключения  освещения по реле времени  или по фотоэлементам,

     - удалённо контролировать количество  вышедших из строя ламп (любых  однотипных) на каждой фазе подключения  для их оперативной замены;

     - отслеживать несанкционированное  подключение к системе электропитания  ламп;

 
- удалённо контролировать энергопотребление ламп освещения;

     - передавать данные об энергопотреблении  в энергоснабжающую организацию (по желанию Заказчика);

     - строить собственную систему  технического учёта потребления  электроэнергии (АСТУЭ) и/или систему  коммерческого учёта с сертификацией  (АИИС КУЭ).

     Экономическая эффективность системы определяется следующими факторами: 
- главное - позволяет обеспечивать постоянный контроль состояния освещения на ответственных объектах (мосты, населённые пункты, виадуки, режимные объекты) и тем самым помогает обеспечивать 100% выполнение задачи освещения регламентируемых законодательством объектов;

     - позволяет экономить ГСМ и  рабочее время персонала при  выездах для осмотра удалённых  объектов на предмет наличия  перегоревших (разбитых) ламп и снятия  показаний с электросчётчиков;

     - позволяет получать денежную  экономию при выполнении требований  энергоснабжающих организаций по установке электросчётчиков с передающими GSM-модемами – можно использовать обычные цифровые электросчётчики, которые в комбинации с нашим УСПД стоят 15 тыс. рублей (вместо 18-20 тыс. рублей, которые стоит, например, Меркурий с GSM-модемом);

     - позволяет экономить электроэнергию  при выходе из строя локальной  системы автоматики контроля  освещения за счёт дистанционного  управления;

     Аналогичные существующие на рынке системы автоматического включения/выключения освещения (щиты автоматики) выше по цене, больше по габаритам и при этом не имеют системы дистанционного управления/мониторинга, проигрывая по функциональности/качеству и масштабам внедрения (на нашем оборудовании работает 17 тысяч удалённых объектов);

     Структурная схема работы.

     Структурная схема представлена на рисунке

     Состав  системы.

Система в базовой комплектации состоит  из:

      - аппаратно-программного комплекса  с принимающим GSM-модемом (устанавливается в диспетчерской Заказчика);

     - щита автоматики производства  «Связь инжиниринг М» (устанавливается  на требуемом удалённом объекте)  с автоматическим электроподогревом и степенью защиты IP55. Возможно антивандальное исполнение.

Системы контроля температуры  и влажности

     В качестве примера подобной системы  рассмотрим  систему контроля температуры  и влажности Sensatronics.

     Контроллеры  (мониторы) окружающей среды “Sensatronics”, осуществляющие компьютерный мониторинг на основе IP-протокола - это современное, эргономичное и малобюджетное решение, обеспечивающее полный контроль над состоянием окружающей среды (температура, влажность, утечки влаги) там, где такой контроль особенно важен. Естественными потребителями этого решения являются компании, обладающие серверными помещениями и высокоточным оборудованием, которому требуется особый температурный режим и которое может вывести из строя попадание либо конденсация влаги. Контроллеры “Sensatronics” незаменимы и на предприятиях, производящих продукты питания, где постоянный, точный и надежный мониторинг состояния окружающей среды критичен для технологического процесса. Контроллеры “Sensatronics”  являются также хорошим решений для сетей супермаркетов, продуктовых магазинов, складов, ресторанов и кафе. Так же оборудование мониторинга окружающей среды “Sensatronics” не заменимо для автоматизированного контроля температуры и влажности на подземных стоянках автотранспорта и тоннелях.

     Благодаря разумным ценам контроллеры “Sensatronics” доступны и для частных лиц, которым по тем или иным причинам может понадобиться мониторинг (в том числе удаленный) состояния окружающей среды.  

     Температурные датчики

     Стандартные температурные датчики представляют собой 24-дюймовый кабель AGW с сенсором, расположенным в небольшой (0,826 см в диаметре и 1,46 см в длину) нейлоновом корпусе на конце кабеля. Датчик подходит для работы в закрытых помещениях, где условия окружающей среды не требуют специальных мер защиты.

     Датчики имеют длину 7.5, 15, 30, 60 и 90 метров.

Рабочая температура: от -40 до 60С 
Размеры наконечника сенсора: 0,436 х 0,521’’ 
Максимальная длина: примерно 300 м 
Точность: 0,3 С. в диапазоне от -20 до 49С  
0,9 С в диапазоне от -40 до 60С  
Совместим с контроллерами:  Е4/Е16, ЕМ1, U4/U16. 

     Датчики температуры и  влажности 

     Этот  специальный датчик,  представляет из себя совмещенный датчик температуры и относительной влажности и применяется  в помещениях где отсутствует конденсат (серверные комнаты, склады, строительные объекты, пищевое производство, заморозка продуктов и т.д.). .

     Футляр  размерами чуть больше спичечного коробка (6,5х4,8х2,9) содержит несколько вентиляционных слотов для движения воздуха к внутренним сенсорам относительной влажности. К датчику может быть подсоединен температурный сенсор с помощью 7,5-метрового специального кабеля для работы в условиях максимальной нагрузки, чтобы Вы могли вовремя отреагировать на нежелательное изменение температурного режима. 

     Датчики имеют длину 3, 22.5, 30, 60 и 90 метров. 

Анализ приведенных  систем позволяет сделать несколько  выводов:

• На рынке наблюдается потребность в комплексных системах учета как параметров электросети так климата и освещенности рабочих мест;
• Большинство систем требуют наличия оператора, осуществляющего анализ и собственно контроль. Однако современная вычислительная база позволяет выполнить автоматизированную систему, которая в соответствии с заданной программой следует определенному алгоритму управления заданными параметрами, предоставляя одновременно всю необходимую информацию.

Выбор и обоснование  структурной схемы

     Анализируя  готовые решения, можно предложить следующую схему устройства. Устройство состоит из ПК, подключаемого к нему контроллера сети (КС) и ряда модули сбора данных (МСД). Для связи контроллера сети и модулей используется двухпроводная линия. Связь ПК и КС осуществляется посредством интерфейса RS-232. Модули обеспечивают сбор и первичную обработку получаемой информации, и ее своевременную передачу контроллеру сети. КС выступает посредником между модулями и ПК, осуществляя также резервное хранение информации.

Интерфейс подключения модулей  сбора информации

Интерфейс CAN

     CAN протокол получил всемирное признание  как очень универсальная, эффективная,  надежная и экономически приемлемая  платформа, предназначенная для  почти любого типа связи данных  в передвижных системах, автомобилях,  техническом оборудовании и индустриальной  автоматизации. Основанная на базе протоколов высокого уровня, CAN-технология успешно конкурирует на рынке распределенных систем автоматизации. Под терминами "CAN стандарт" или "CAN протокол" понимаются функциональные возможности, которые стандартизированы в ISO 11898. Этот стандарт объединяет физический уровень (Physical Layer) и уровень канала данных (Data Link Layer) в соответствии с 7-ми уровневой OSI моделью. Таким образом, "CAN стандарт" соответствует уровню сетевого интерфейса в 4-х уровневой модели TCP/IP. Однако практическая реализация даже очень простых распределенных систем на базе CAN показывает, что помимо предоставляемых сервисов уровня канала данных требуются более широкие функциональные возможности: передача блоков данных длиной более чем 8 байтов, подтверждение пересылки данных, распределение идентификаторов, запуск сети и функции супервизора узлов. Так как эти дополнительные функциональные возможности непосредственно используются прикладным процессом, вводится понятие уровня приложений (Application Layer) и протоколов высокого уровня. Обычно их и называют термином "CAN протоколы". 

     Топология сети CAN. В любой реализации CAN - носитель (физическая среда передачи данных) интерпретируется как эфир, в котором контроллеры работают как приемники и передатчики. При этом, начав передачу, контроллер не прерывает слушание эфира, в частности он отслеживает и контролирует процесс передачи текущих, предаваемых им же, данных. Это означает, что все узлы сети одновременно принимают сигналы передаваемые по шине. Невозможно послать сообщение какому-либо конкретному узлу. Все узлы сети принимают весь трафик передаваемый по шине. Однако CAN-контроллеры предоставляют аппаратную возможность фильтрации CAN-сообщений[19].

     CAN сеть предназначена для коммуникации  так называемых узлов. Каждый  узел состоит из двух составляющих. Это собственно CAN-контроллер, который  обеспечивает взаимодействие с  сетью и реализует протокол  и микропроцессор (CPU). CAN контроллеры  соединяются с помощью шины, которая  имеет как минимум два провода  CAN_H и CAN_L , по которым передаются  сигналы при помощи специализированных  ИМС приемо-передатчиков.

     Наиболее  широкое распространение получили два типа приемоперадатчиков (трансиверов):

     "High Speed" приемопередатчики,

     "Fault Tolerant" приемопередатчики.

     Трансиверы, выполненные в соответствии со стандартом "High-Speed" (ISO11898-2), наиболее просты, дешевы и дают возможность передавать данные со скоростью до 1 Мбит/c. "Fault-Tolerant" приемопередатчики (не чувствительные к повреждениям на шине) позволяют построить высоконадежную малопотребляющую сеть со скоростями передачи данных не выше 125 кбит/c.  

     Физический  уровень канала CAN. Физический уровень (Physical Layer) протокола CAN определяет сопротивление кабеля, уровень электрических сигналов в сети и т.п. Существует несколько физических уровней протокола CAN (ISO 11898, ISO 11519, SAE J2411). В подавляющем большинстве случаев используется физический уровень CAN, определенный в стандарте ISO 11898[19].

     Максимальная  скорость сети CAN в соответствии с  протоколом равна 1 Mbit/s. При скорости в 1 Mbit/sec максимальная длина кабеля равна примерно 40 метрам. Ограничение на длину кабеля связано с конечной скоростью распространения сигнала и механизмом побитового арбитража (во время арбитража все узлы сети должны получать текущий бит передачи одновременно, т.е. сигнал должен успеть распространится по всему кабелю за единичный отсчет времени в сети).

     Соотношение между скоростью передачи и максимальной длиной кабеля приведено в таблице 1.2:

     Таблица 1.2 – Зависимость скорости передачи от расстояния

     Разъемы для сети CAN до сих пор не стандартизированы. Каждый протокол высокого уровня обычно определяет свой тип разъемов для CAN-сети.

     Логический  ноль регистрируется, когда на линии CAN_H сигнал выше, чем на линии CAN_L. Логическая единица - в случае когда сигналы CAN_HI и CAN_LO(передаваемые по линиям CAN_H и CAN_L соответственно) одинаковы (отличаются менее чем на 0.5 В). Использование такой дифференциальной схемы передачи делает возможным работу CAN сети в очень сложных внешних условиях.

     Логический  ноль является доминантным битом, а  логическая единица - рецессивным. Эти  названия отражают приоритет логической единицы и нуля на шине CAN. При  одновременной передаче в шину логического  нуля и единицы, на шине будет зарегистрирован  только логический ноль (доминантный  сигнал), а логическая единица будет  подавлена (рецессивный сигнал).  

     Арбитраж  шины CAN. Быстродействие CAN сети (до 1 Мбит/с) достигается благодаря механизму недеструктивного арбитража шины посредством сравнения битов конкурирующих сообщений. Если случится так, что одновременно начнут передачу несколько контроллеров, то каждый из них сравнивает бит, который собирается передать на шину с битом, который пытается передать на шину конкурирующий контроллер. Если значения этих битов равны, то оба контроллера пытаются передать следующий бит. И так происходит до тех пор, пока значения передаваемых битов не окажутся различными. Теперь контроллер, который передавал логический ноль (более приоритетный сигнал) будет продолжать передачу, а другой(другие) контроллер прервёт свою передачу до того времени пока, шина вновь не освободится. Если шина в данный момент занята, то контроллер не начнет передачу до момента её освобождения.

     Эта спецификация CAN исходит из предположения, что все CAN контроллеры принимают  сигналы с шины одновременно, то есть в одно и то же время один и тот же бит принимается всеми контроллерами в сети. С одной стороны, такое положение вещей делает возможным побитовый арбитраж, с другой стороны, ограничивает длину CAN bus. Сигнал распространяется по CAN bus с огромной, но конечной скоростью и для правильной работы CAN нужно, чтобы все контроллеры "услышали" его почти одновременно, потому что каждый контроллер принимает бит в течении определённого промежутка времени, отсчитываемого системным часам. Таким образом, чем выше скорость передачи данных, тем меньшая длина CAN bus возможна.

Интерфейс RS-485