Информационная квартирная сеть как базовое звено автоматизированной системы учета и контроля бытового потребления энергоносителей

Система централизованного поквартирного учета и контроля потребления энергоносителей включает в себя:

-   набор унифицированных счетчиков и датчиков для измерения параметров потребления энергоносителей одним абонентом (то есть в пределах одной квартиры);

-   квартирный контроллер с системой внутриквартирного обмена информации с датчиками, буферными элементами памяти и автономным источником питания;

-   домовой компьютер с линиями связи, объединяющими квартирные контроллеры, и соответствующим программным обеспечением для организации информационного обмена, формирования домового банка данных, а также распознавания аварийных ситуаций и своевременной сигнализации на центральный диспетчерский пункт или непосредственно в аварийные службы района;

-   центральный диспетчерский пункт с мощным компьютером (рабочей станцией), объединяющий домовые компьютеры города или района через модемные линии связи, имеющий прямой выход на жилищно-коммунальные службы и обеспечивающий регулярное формирование аналитических данных для соответствующих муниципальных подразделений.

Построение системы с тремя основными информационными уровнями (квартира, дом, район) наиболее целесообразно как с позиции организации информационных потоков с тремя узлами сбора, форматирования и анализа первичных данных, так и с позиции поэтапного внедрения системы с возможностью ее наращивания, расширения функциональных возможностей и модернизации отдельных частей без нарушения работоспособности в целом. Три информационных узла системы позволят значительно сократить потоки данных, поступающих на следующий уровень, за счет проведения их соответствующего обобщения и анализа, повышения информативности, а также выполнения ряда общих функций системы (то есть функций, свойственных высшему иерархическому уровню), в том числе, буферирование данных, а в аварийных случаях (и в процессе внедрения системы) их представление в виде отчетной документации для оплаты.

Для работы в составе системы используются счетчики, имеющие встроенные электронные схемы, обеспечивающие прием, преобразование и обработку информации с первичных устройств, запоминание результата косвенного измерения, его индикацию и передачу на квартирный контроллерный блок.

Базовым звеном системы, определяющим во многом ее функциональные возможности и потребительскую ценность, является локальная информационная квартирная сеть, которая строится на основе специализированного квартирного контроллера.

Квартирный контроллер обеспечивает сбор информации с расходомеров-счетчиков потребления энергоносителей, контроль их нормального функционирования, предварительную обработку данных для формирования ограниченных по объему информационных блоков, передаваемых на домовой контроллер, обмен с домовым контроллером по заданному протоколу с возможностью экстренной передачи сообщения об аварийной ситуации с пульта вызова помощи или по результатам анализа первичных данных.

Квартирные контроллеры предполагают возможность расширения числа подключаемых первичных информационных устройств, что позволит в перспективе развернуть на базе имеющейся информационной сети системы пожарной и охранной сигнализации при минимальных дополнительных затратах. Они включают в себя элементы буферной памяти для автономного сбора информации по каждой квартире при нарушениях в работе домовой информационной сети, а также увеличения периода обмена с домовым компьютером. Кроме этого, контроллеры осуществляют контроль за работой счетчиков, фиксируя нештатные и аварийные ситуации и осуществляя запрос в режиме прерывания в домовой компьютер.

Выбор типа базового микроконтроллера (МК) для создания квартирной информационной сети во многом определяет эффективность функционирования системы. Концепция выбора МК состоит в том, что основные его характеристики должны быть тесно увязаны с функциональными возможностями сети и областью ее применения. К числу основных характеристик МК относятся: разрядность, быстродействие, вычислительная мощность, простота программирования, объем ОЗУ, наличие стековой памяти, прерывания, раздельность ША, ШУ, ШД, флаги, энергопотребление, стоимость, наличие БИС сопряжения и памяти.

ля решения поставленной задачи наиболее существенными критериями являются стоимость и доступность. Остальные характеристики можно перевести в разряд ограничительных. То есть необходимы и достаточны следующие характеристики: восьмиразрядность; быстродействие не меньше 1 простой операции в 1 мкс; наличие прерываний по изменению внешних условий, по времени; наличие не менее четырехуровневого стека; наличие таймера; низкое энергопотребление, небольшой корпус; ПЗУ не менее 1024 слов программы; развитый ввод- вывод, наличие команд обработки битов; высокая надежность, защита питания, автоматический перезапуск при сбое; наличие развитого программного обеспечения, средств отладки.

Микроконтроллеры американской фирмы Microchip Technology Inc. характеризуются наиболее подходящими функциональными возможностями, развитой периферией, широкой номенклатурой, высоким быстродействием и умеренной ценой, что и определило выбор такого типового изделия.

Существенным при создании информационной сети является организация связи между ее элементами, протяженность линий связи, небольшой объем передаваемых данных, возможность изменения скорости передачи данных. Большинство существующих стандартов локальных сетей неприемлемо для решения нашей задачи из-за затруднений в поддержании необходимой длины линий, ограниченного адресного пространства, требований слишком больших инвестиций для установки, обслуживания. В квартирной информационной сети предложено использовать адаптированный сетевой стандарт MicroLan, разработанный фирмой Dallas Semiconductor. Сеть допускает работу на расстояниях до 300 метров без использования дополнительных повторителей сигналов, требуется для осуществления связи только один проводник и заземленный провод. Таким образом, может использоваться неэкранированная витая пара или телефонный провод.

Сеть образуют параллельно подключенные к проводнику многочисленные "ведомые" - встроенные контроллеры счетчиков с записанными в ПЗУ идентификационными номерами и связанные через этот проводник с ведущим шины - квартирным контроллером. Ведомые приборы могут использовать режим питания от линии связи, так как создают небольшие нагрузки.

Логика обработки временных интервалов основывается на измерении и генерировании цифровых импульсов различной длительности. Передача данных асинхронная и полудуплексная. Данные могут интерпретироваться как команды в соответствии с заранее определенным форматом, которые сравниваются с информацией в приборе для принятия решения или могут быть просто сохранены для последующего использования.

Функции получения и обработки информации разделены между периферийными контроллерами (ПК) (локальными, встроенными) в расходомере-счетчике и квартирным контроллером (КК) следующим образом. ПК обеспечивает получение первичной информации; вычисление расхода потребляемого энергоносителя за период дискретизации; вывод на индикацию; накопление и хранение результата (также возможность хранения в течение 3-х суток на случай выхода из строя КК); передачу информации по запросу от КК; встроенный контроль счетчиков.

Квартирный контроллер выполняет циклический опрос счетчиков с умеренной частотой и периодом дискретизации, например, Т= 10 с; обрабатывает полученную информацию - вычисляет стоимость израсходованного энергоносителя с учетом текущих тарифов; оценивает работу сети; обеспечивает возможность накопления информации в течение 3…5 суток; передает информацию по запросу домового контроллера, например, один раз за 30 мин или по срочному требованию (с учетом приоритета прерывания); осуществляет контроль счетчиков, посылку сигнала в домовой контроллер об аварийных и нештатных режимах работы; вызывает через домовой контроллер дежурные службы; ведет отсчет и фиксацию реального времени суток; идентифицирует номер квартиры.

Узел управления квартирного контроллера должен содержать: порты ввода/ вывода, ОЗУ, ПЗУ, РПЗУ данных, схему управления, времязадающую схему. В ПЗУ хранится программа управления, таблицы данных; в ОЗУ находится оперативная информация на текущий момент, РПЗУ необходим для хранения информации по аварийным ситуациям, идентификационного кода, соответствующего номеру квартиры. Схема управления согласно записанной в ПЗУ программе обрабатывает и логически управляет работой всей сети. Блок питания содержит основной источник питания и резервный.

Домовой контроллер (ДК) с определенной частотой опрашивает периферийные квартирные контроллеры с целью запоминания и регистрации данных. Оператор с пульта может изменить последовательность и частоту опроса. От домового контроллера могут передаваться команды об изменении установок, тарифов, аварийных ограничений, дистанционного включения и выключения исполнительных устройств. ДК проводит обработку данных, полученных от квартирных контроллеров как по израсходованным энергоносителям, так и по состоянию квартирных сетей, их составляющих, средств передачи информации, форматировании для пересылки информации в центральную диспетчерскую; обеспечивает взаимодействие с оператором, при котором оператор может выбрать для идентификации периферийный пункт, переменную, параметр, дистанционно менять параметры управляемых процессов, выводить на печать интересующие его данные (счета-квитанции, сводки) и т.д.

К домовому контроллеру предъявляются требования достаточной операционной мощности и возможности обеспечивать протоколы передачи информации. Обмен информации в домовой сети осуществляется кадрами, содержащими в себе информационные пакеты. Начало кадра обозначается преамбулой. Затем следует заголовок кадра, в котором указываются номера квартир абонентов.

Информационная квартирная сеть автоматизированной системы учета и контроля бытового потребления энергоносителей реализована и испытана в макетном варианте. В настоящее время идет подготовка экспериментального образца системы для установки и опытной эксплуатации в квартирах жилого дома, прошедшего капитальный ремонт. При успешном проведении испытаний в 2004 году планируется оснащение системой вновь строящегося жилого дома и решение вопросов сертификации системы, ее эксплуатационного обслуживания, широкого внедрения элементов системы в серийное производство.

Источник: www.energosovet.ru/stat238.html

Ференец А.В., Урманчеев В.Л., Рахматуллин Р. Р., Гильманшин И.Р., КГТУ им. А.Н. Туполева, г. Казань

Материалы Четвертой Российской научно-технической конференции “Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике, промышленности”, Ульяновск, 24-25 апреля 2003 г.