Расчет и выбор системы автоматического управления общепромышленными механизмами и процессами на примере предприятия "ЖитикараКоммунЭнерго"

Волна компьютеризации привела к появлению и быстрой смене новых поколений АСКУЭ. Изменилась сама технология учета энергоресурсов: она становилась информационной. Информационные технологии вторглись в приборы учета электроэнергии, что привело к появлению микропроцессорных многофункциональных счетчиков электрической энергии и мощности, в которых используются измерительные СБИС и мощные микроконтроллеры с большим объемом памяти для хранения данных учета. В течение 90-х годов происходила достаточно быстрая смена поколений АСКУЭ, что отражало общую тенденцию появления более коротких (2-3 года) жизненных циклов в разработке микросхем и программного обеспечения. Из таблицы 1, в которой представлена классификация АСКУЭ с точки зрения совокупности наиболее характерных признаков, определяющих разбиение этого класса автоматизированных систем на основные типы, которые условно можно отнести к отдельным поколениям систем АСКУЭ, видно, что за последние годы каждые пять лет, происходит смена поколений АСКУЭ.

Таблица 1

Классификация АСКУЭ

Год появления на рынке	Основные особенности	Тип архитектуры, протоколы	Примеры реализации
1	2	3	4
Первое поколения АСКУЭ, 1980	Электроиндукционные счетчики классов 2.0 и 1.0, устройства формирования импульсов, счетчики импульсов	Два уровня, ПЭВМ отсутствует	ИИСЭ 1-48 (завод ВЗЭТ)
Второе поколения АСКУЭ, 1990	Электроиндукционные счетчики классов 2.0 и 1.0, электронные счетчики I поколения, устройства сбора данных, контроллеры, ПЭВМ, кабельные и телефонные линии связи. Применяются ОС MS-DOS, Windows, QNX, OS-9 и др.	Два и три уровня, ПЭВМ, архивы данных ведутся в ПЭВМ	ИИСЭ-3, 4 ЦТ-5000 (завод Точмаш), КТС «Энергия», ИВК «Метроника»
Третье поколения АСКУЭ, 1995	Электронные счетчики I I поколения, контроль качества и качества энергии, устройства сбора данных с архивами данных, контроллеры, ПЭВМ, кабельные, телефонные и оптоволоконные линии связи, развитые системы протоколов открытых систем - ОРС client/server, DDE client/server	Два и три уровня, на верхнем уровне сеть- ПЭВМ, две сети две ОС	АСКУЭ «Омь», АСКУЭ «Альфа СМАРТ», АСКУЭ КТС «Энергия», КТС «Сименс и «Лэндис и Гир», АСКУЭ «Сикон», КТС «Ток-3», КТС «Мегадата»
Четвертое поколение	Электронные счетчики I I I поколения, контроль качества и качества энергии, цифровые технологии, кабельные, телефонные, электрические, оптоволоконные и сотовые линии связи, развитые системы протоколов открытых систем для корпоративных СУ SQL/ODBC , Интернет/интранет. Поддержка астрономического времени, ФОРЭМ	Три и более уровней, на верхнем уровне сеть ПЭВМ, корпоративная сеть, дублированные каналы связи	АСКУЭ КТС «Энергия» Плюс, ПО в. 6.0 АСКУЭ «Альфа Центр», АСКУЭ ЭПР Москва, КТС «Ток-С»

Варианты организации и построения АСКУЭ систем учета электроэнергии следующие:

1. Организация АСКУЭ с проведением опроса счетчиков через оптический порт.

Это наиболее простой вариант организации АСКУЭ. Счетчики не объединены между собой. Между счетчиками и центром сбора данных нет связи. Все счетчики опрашиваются последовательно при обходе счетчиков оператором. Опрос производится через оптический порт с помощью программы размещенной на переносном компьютере, которая формирует файл результатов опроса. На компьютере центра сбора данных необходимы программные модули, формирующие файл-задание на опрос и загружающие информацию в основную базу данных (БД). Синхронизация времени счетчиков происходит в процессе опроса со временем переносного компьютера. Синхронизация времени переносного компьютера со временем центра сбора данных производится в момент приема файлов заданий на опрос счетчиков. Для максимальной экономии средств на создание АСКУЭ в этом варианте роль центра сбора данных можно возложить на переносной компьютер. Недостатками данного способа организации АСКУЭ является большая трудоемкость сбора данных со счетчиков и невозможность использования в системе индукционных или электронных счетчиков с импульсным выходом. Организация АСКУЭ с проведением опроса счетчиков через оптический порт позволяет решать следующие задачи:

- точное измерение параметров поставки/потребления;

- коммерческий и технический учет энергоресурсов по предприятию, его инфраструктурным элементам (котельная и объекты жилкомбыта, цеха, подразделения, субабоненты);

- контроль энергопотребления по точкам и объектам учета в заданных временных интервалах (30 минут, зоны, смены, сутки, декады, месяцы, кварталы и годы) относительно заданных лимитов и технологических ограничений мощности;

- обработка данных и формирование отчетов по учету электроэнергии;

- диагностика полноты данных;

- описание электрических соединений объектов и их характеристик;

- диагностика счетчиков;

- поддержание единого системного времени.

2. Организация АСКУЭ с проведением опроса счетчиков переносным компьютером через преобразователь интерфейсов, мультиплексор или модем, представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Организация АСКУЭ с проведением опроса счетчиков переносным компьютером

Счетчики, объединенные общей шиной RS-485, или по интерфейсу «токовая петля» на мультиплексор (типа МПР-16), или устройством сбора и подготовки данных (УСПД) могут располагаться в различных распределительных устройствах и опрашиваться один или несколько раз в месяц с помощью программы размещенной на переносном компьютере, которая формирует файл результатов опроса. Между счетчиками и центром сбора данных нет постоянной связи. УСПД выполняет роль коммуникационного сервера.

На компьютере центра сбора данных необходимы программные модули, формирующие файл-задание на опрос и загружающие информацию в основную БД. Синхронизация времени счетчиков происходит в процессе опроса со временем переносного компьютера. Синхронизация времени переносного компьютера со временем центра сбора данных производится в момент приема файлов заданий на опрос счетчиков.

Выделенный компьютер для центра сбора данных в этом варианте также может отсутствовать, его роль может выполнять переносной компьютер.

Организация АСКУЭ с проведением опроса счетчиков переносным компьютером через преобразователь интерфейсов, мультиплексор или модем позволяет решать следующие задачи:

- точное измерение параметров поставки/потребления;

- коммерческий и технический учет энергоресурсов по предприятию, его инфраструктурным элементам (котельная и объекты жилкомбыта, цеха, подразделения, субабоненты);

- контроль энергопотребления по точкам и объектам учета в заданных временных интервалах (30 минут, зоны, смены, сутки, декады, месяцы, кварталы и годы) относительно заданных лимитов и технологических ограничений мощности;

- обработка данных и формирование отчетов по учету электроэнергии;

- диагностика полноты данных;

- описание электрических соединений объектов и их характеристик;

- диагностика счетчиков;

- поддержание единого системного времени.

3. Организация АСКУЭ с проведением автоматического опроса счетчиков локальным центром сбора и обработки данных, приведена на рисунке 2.

Рисунок 2. Организация АСКУЭ с проведением автоматического опроса счетчиков

Счетчики постоянно связаны с центром сбора данных прямыми каналами связи и опрашиваются в соответствии с заданным расписанием опроса. Первичная информация со счетчиков записывается в БД. Синхронизация времени счетчиков происходит в процессе опроса со временем компьютера центра сбора данных. В качестве компьютера центра сбора данных используется локальная ПЭВМ. На ней же происходит обработка данных и ведение БД. В зависимости от количества пользователей, количества счетчиков и интервалов их профиля, квалификации пользователей, сложности математической обработки и т.д. локальная БД может функционировать либо под MS Access, либо под СУБД ORACLE8.X. Сбор данных в БД происходит периодически с заданными интервалами.

Организация АСКУЭ с проведением автоматического опроса счетчиков локальным центром сбора и обработки данных позволяет решать следующие задачи:

- точное измерение параметров поставки/потребления;

- комплексный автоматизированный коммерческий и технический учет энергоресурсов по предприятию, его инфраструктурным элементам (котельная и объекты жилкомбыта, цеха, подразделения, субабоненты);

- контроль энергопотребления и параметров качества электроэнергии (ПКЭ) по точкам и объектам учета в заданных временных интервалах (5 минут, 30 минут, зоны, смены, сутки, декады, месяцы, кварталы и годы) относительно заданных лимитов и технологических ограничений мощности;

- обработка данных и формирование отчетов по учету электроэнергии и контролю ПКЭ;

- фиксация отклонений контролируемых параметров энергоресурсов, их оценка в абсолютных и относительных единицах для анализа как энергопотребления, так и производственных процессов;

- сигнализация (цветом, звуком) об отклонениях контролируемых величин от допустимого диапазона значений;

- диагностика полноты данных;

- описание электрических соединений объектов и их характеристик;

- параметризация коммуникаций и характеристик опроса;

- диагностика системы;

- поддержание единого системного времени.

4. Организация многоуровневой АСКУЭ для территориально распределенного среднего и крупного предприятия или энергосистемы, приведена на рисунке 3.

Основная часть счетчиков постоянно связана с центрами сбора данных первого уровня прямыми каналами связи и опрашивается в соответствии с заданным расписанием опроса, как в третьем способе организации АСКУЭ. Между некоторыми счетчиками и центром сбора данных первого уровня может не быть постоянной связи, они могут опрашиваться с помощью переносного компьютера, как во втором способе организации АСКУЭ.

3.3 Особенности использования АСКУЭ

Система предназначена для построения автоматизированной системы коммерческого и технического учета пара, воды, газов, расхода тепла с паром и водой, расхода электроэнергии. Кроме того, система позволяет вести оперативный контроль технологических параметров: давления, температуры, мощности, мгновенных значений расхода энергоносителей и их тепловой энергии на предприятиях промышленности, энергетики, транспорта.

Согласно статистике, приведенной представителем Госстандарта России Геннадием Ворониным, в России в настоящий момент эксплуатируется более миллиона различных средств измерения. За один только 2006 год было зарегистрировано свыше полутора тысяч новых типов средств измерений. То есть сейчас уместно говорить о существовании специфической среды - мир измерений. Исходя из этого, встает глобальный вопрос - как объединить все источники измерения в некую систему для осуществления надежного контроля и учета различных физических компонентов, в том числе и энергоресурсов.

Переход на рыночные методы управления экономики предъявляет жесткие требования к достоверности и оперативности учета энергоресурсов. Эти требования могут быть удовлетворенны только путем создания автоматизированных систем контроля и учета энергоресурсов (АСКУЭ), естественно созданных на базе современных средств вычислительной техники, высокоточного оборудования для измерения и передачи информации.

Использование в составе АСКУЭ персональных компьютеров (ПК) со специализированным программным обеспечением (ПО) придает этим системам дополнительную гибкость и актуальность в применении. Помимо решения основной задачи по обеспечению функционирования АСКУЭ, эти ПК могут обеспечивать решение целого ряда прикладных, не менее важных задач, а именно:

- задачи по оценке состояния систем потребления энергоресурсов,

- задачи по достоверизации измерений и отдельных составляющих и всего комплекса в целом,

- своевременно выявлять потери и области нецелесообразного расходования тех или иных ресурсных компонентов и своевременной локализации мест этих потерь.

Внедрение системы является эффективной базой для проведения энергосберегающих мероприятий.

Задачи АКУЭ как измерительной системы: основной целью учета энергоресурсов является получения достоверной информации о количестве полученных от поставщика тех или иных энергоносителей (или каких либо расходных веществ) с тем, чтобы точно рассчитать или спрогнозировать объемы затрат (денежных средств), требуемых конкретному производству для оптимизации своих ресурсов, грамотного планирования своих производственных и общехозяйственных перспектив. Эта информация позволяет:

а) производить финансовые расчеты между участниками рынка;

б) управлять режимами энергоресурсного потребления;

в) определять и прогнозировать все составляющие баланса энергоресурсов: выработка (поставка), отпуск, потери и т.п.;

г) осуществлять финансовые оценки процессов производства, передачи и распределения энергоносителей;

д) контролировать техническое состояние систем энергоресурсов в технологических установках потребителя и их соответствие требованиям нормативно-технических документов.

Цель создания системы достигается выполнением функций:

- организации автоматизированного сбора, обработки и хранения коммерческой информации, привязанной к единому астрономическому времени;

- организации автоматизированного сбора, обработки хранения технической информации о приращениях перетоков электрической энергии, служащей для контроля достоверности коммерческой информации, актуализации расчетной модели и для решения других задач;

- организации автоматизированного сбора, обработки хранения вспомогательной информации («журналы событий» счетчиков электрической энергии и УСПД), необходимой для технического контроля состояния измерительных комплексов средств коммерческого учета;

- контроля достоверности поступающей коммерческой информации, основанного как на критериях избыточности данных, так и на других принципах;

- технического контроля состояния измерительных комплексов средств коммерческого учета с помощью вспомогательной информации;

- анализа качества электроэнергии с помощью параметров и средств обработки, регламентируемых действующими нормативными документами;

- организации и поддержки базы данных о схеме расстановки измерительных комплексов средств коммерческого учета на оптовом рынке, т.е. об их соответствии конкретным энергообъектам и принадлежности этих энергообъектов соответствующим субъектам рынка (функция необходима для привязки схемы расстановки средств расстановки коммерческой наблюдаемости к расчетной схеме определения объектов поставки и равновесных цен);

- организации и поддержки базы данных нормативно-справочной информации (НСИ) по техническим характеристикам эксплуатируемых измерительных комплексов средств коммерческого учета АСКУЭ уровней субъектов рынка, ОКУ и Региональных центров сбора информации;

- сведения системы балансов оптового рынка;

- определения фактических погрешностей измерительных каналов и АСКУЭ на основании текущих среднечасовых режимов оборота электроэнергии на рынке;

- организации эффективного администрирования базами данных, принятых от измерительных комплексов средств коммерческого и технического учета, и поступивших для технического контроля;

- организации удобного доступа пользователей к коммерческой и технической информации;

- администрирования технических средств системы сбора информации.

По учету неэлектрических энергоносителей:

- отображение технологических параметров: давления, температуры и расходов;

- расчет и отображение потребление (выработки) энергоносителей в заданные интервалы времени (час, сутки, месяц, год); давление, температуры, уровней и др.;

- расчет и отображение средних значений технологических параметров;

- коррекция расходов энергоносителей по температуре и давлению, а также расчет тепловой энергии;

- в случае использовании диафрагмы, расчет и отображение расходов энергоносителей по действующим ГОСТ 8.563.1-3-97;

- формирование и выдача необходимых рапортов и форм отчетной документации;

- отражение всех контролируемых параметров в виде гистограмм.

Контроль достоверности учета энергоресурсов достигается за счет ежемесячного составления баланса поступивших и отпущенных энергоресурсов с учетом потерь. Баланс составляется на основе показаний ряда счетчиков, которые снимаются в 24 часа местного времени последних суток каждого месяца. Принятая в настоящее время система ручной записи показаний счетчиков малоэффективна и дает дополнительные погрешности при расчете баланса, особенно если число контролируемых счетчиков довольно значительно.

Внедрение АСКУЭ дает возможность:

а) оперативно контролировать и анализировать режимы потребления энергоресурсов;

б) осуществлять оптимальное управление потребляющими системами внутри предприятий или иной структуры;

в) собирать и формировать банк данных отдельных энергообъектов.

С метрологической точки зрения АСКУЭ представляет собой специфический тип измерительной системы, которая реализует процесс измерения и обеспечивает автоматическое получение результатов измерений в удобной для Заказчика форме.

3.4 Технические средства АСКУЭ и их технические характеристики

В дипломном проекте предлагается модернизировать автоматизированную систему контроля и учета электроэнергии (АСКУЭ). Производители предлагают разнообразные по конфигурации и конструктивному исполнению и функциональным возможностям информационо-измерительные комплексы технических средств (КТС).

Несмотря на стремление создателей КТС придать комплексам универсальность, они характеризуются определенным ограничением размеров базы данных (БД) и жесткой структуры ее заполнения. Ограничения БД по размерам может быть снято не сложной доработкой программного обеспечения (ПО) и применения более мощного компьютера.

Каждому счетчику представленному АСКУЭ, выделен нумерованный канал-строка для записи сведений (например, паспортные характеристики счетчика, трансформаторов тока и напряжения) и регистрируемого расхода электроэнергии. Другая часть БД также имеет строчное построение, но служит для определения суммарного электропотребления по показания счетчиков нескольких присоединений.

Одним из способов преодоления функциональной ограниченности ПО типовых комплексов, которая сдерживала дальнейшее развитие АСКУЭ, заключается в изменении структуры учетной системы. Для этого верхний уровень иерархии типовой АСКУЭ дополняется еще одной (ВК БД) предназначенной для ведения единой БД. Создание станции не требует специальной техники. Функции ВК БД может выполнять обычный офисный персональный компьютер (ПК) (системные требования: Pentium 150, 16 Mb RAM, OC Windows 98). При наличии объединяющего сервера информационно - измерительный комплекс технических средств АСКУЭ приобретает следующий вид, представленный на рисунке 5.

Рисунок 5. Информационно-измерительный комплекс

Нижний (полевой) уровень АСКУЭ образуют счетчики электрической энергии и импульсным выходным сигналом. [7]

Средний (контроллерный) уровень занимают устройства сбора и передачи данных (УСПД), размещенные на подстанции и принимающие сигналы от счетчиков в импульсном или аналоговом виде. Все УСПД объединены локальной вычислительной сетью (ЛВС) в которую введена рабочая станция СВК БД, третьего (верхнего) уровня завершающая формирование второго уровня АСКУЭ. В туже сеть включены автоматизированные рабочие места (АРМ) специалистов, занимающихся планированием, расчетам, анализом электропотреблением. Размеры БД в ВК БД 2Gb (без сжатия).

Рисунок 6. Верхний и диспетчерский уровни АСКУЭ

Верхний и диспетчерский уровни представлены схемой информационной сети на рисунке 6. [8]

Краткая характеристика основных компонентов системы:

- электронные счетчики электроэнергии ЕвроАЛЬФА класса 0.5, измеряющие активную и реактивную электроэнергии в одном направлении с записью профиля нагрузки в память счетчика. Счетчики оснащены платой последовательного интерфейса RS485 (до 1200 м), предназначены для высокоточного коммерческого и технического учёта;

- МПР-16-2М предназначены для преобразования интерфейсов RS232 и/или RS422/RS485 в ИРПС с мультиплексированием на 16 каналов и возможностью каскадного включения;

- УСПД серии RTU-325 предназначены для автоматического сбора, обработки, хранения данных со счётчиков и передачи информации по телекоммуникационным каналам на верхний уровень АСКУЭ;

- АРМ АСКУЭ - автоматизированные рабочие места на базе персональных компьютеров с программным обеспечением SCADA;

- BACK-PRO - источник бесперебойного электропитания компьютера АРМ. Необходим для корректного завершения работы программного обеспечения АРМ при авариях в электропитании;

- инженерный пульт - переносной компьютер для наладочных и сервисных работ с программным обеспечением AlphaPlus-E;

Кроме основного оборудования используются некоторые вспомогательные технические средства - преобразователи интерфейсов и т.п., а также кабельная продукция.

На нижнем уровне системы учета установлены микропроцессорные счетчики ЕвроАЛЬФА (производитель ООО «СП АББ ВЭИ Метроник»). Многофункциональный микропроцессорный счетчик электрической типа ЕвроАЛЬФА, классов точности 0,2; 0,5; 1,0. предназначен для учета активной и реактивной энергии и мощности в цепях переменного тока, а также для использования в составе автоматизированных систем контроля и учета электрической энергии для передачи измеренных, вычислительных параметров на диспетчерский пункт по контролю, учету и распределению электрической энергии.

Результаты измерений получаются путем вычисления выходных сигналов тока и напряжения микропроцессорной схемой основной платы счетчика. Установка дополнительных плат, в зависимости от модификации, позволяет расширить возможности счетчика. Измеренные данные и другая информация отображается на жидкокристаллическом индикаторе (ЖКИ).

Применение ПО ALPHAPLUS_E позволяет создание и модификацию программ для нужной конфигурации счетчика, программирование, диагностирование и коммерческое чтение данных, вести журнал связей и выполнять другие задачи. При этом связь компьютера со счетчиком на месте может обеспечиваться с помощью оптического преобразователя через оптический порт.

Счетчики имеют возможность измерять и отображать некоторые параметры энергосистемы: фазные токи и напряжения, частоту сети, коэффициент мощности трехфазной сети и пофазно.

Расширенный объем памяти до 128 Kb на дополнительной плате позволяет значительно расширить глубину записи данных графика нагрузки.

Возможность измерения активной и реактивной энергии и мощности, наличие режима многотарифности, учет и глубина графика нагрузки, наличие дополнительных плат определяется модификацией счетчика.

Многофункциональный микропроцессорный счетчик э/э типа ЕвроАЛЬФА, классов точности 0,2; 0,5 и 1,0 предназначен для учета активной или активно-реактивной энергии в трехфазных цепях переменного тока, а также для использования в составе автоматизированных систем контроля и учета э/э (АСКУЭ) для передачи измеренных и вычисленных параметров на диспетчерский пункт по контролю, учету и распределению э/э.

Для построения систем АСКУЭ на базе счетчиков ЕвроАЛЬФА могут использоваться интерфейсы (импульсные выходы, ИРПС, RS-232, RS-422/485). Счетчики имеют современный безопасный корпус, позволяющий проводить установку практически в любой электрический шкаф, используя стандартное расположение монтажных отверстий.

Результаты измерений получаются путем обработки и вычисления входных сигналов тока и напряжения микропроцессорной схемой основной платы счетчика. Применения ПО ALPHAPLUS_E позволяет производить создание и модификацию программ для нужной конфигурации счетчика, программирование, диагностическое и коммерческое чтение данных.

Рисунок 7. Электронный счетчик ЕвроАЛЬФА

Возможность изменения активной и реактивной э/э и мощности, наличие режима многотарифности, учет и глубина графика нагрузки, наличие дополнительных плат определяется модификацией счетчика.

Жидкокристаллический индикатор.

Жидкокристаллический дисплей используется для отображения измеренных величин или других вспомогательных данных. Для измеряемых величин используются семь разрядов ЖКИ.

Конструкция дисплея:

Индикатор активной энергии.

Индикатор наличия напряжения.

Индикатор отсутствия/наличия ошибки.

Индикатор расчета энергии по первичной стороне.

Индикатор нажатия кнопки.

Индикатор реактивной энергии.

Индикатор действующего тарифа.

Индикатор вспомогательного режима работы дисплея.

Индикатор отсутствия/наличия нагрузки.

Индикатор измеряемой энергии.

В нормальном режиме на дисплее отображается следующая информация: измеряемые величины, действующий тариф, наличие фазных напряжений, символ OK или Error, отсутствие/наличие нагрузки, вид измеряемой энергии (активная, реактивная), символ измерения по первичной стороне (для счетчиков трансформаторного включения).

Измеряемые величины отображаются последовательно в течении определенного времени, обычно равного 6 секундам. Нажатие кнопки SCROLL (или подсветка светочувствительного элемента SCROLL, например фонариком) замораживает «прокрутку» показаний, при повторном нажатии отображается следующая величина и далее «прокрутка» осуществляется в ручном режиме.

При измерении по вторичной стороне отображение энергии производится в kWh (kvarh) с одним знаком после запятой.

При измерении по первичной стороне с учетом коэффициентов трансформации отображение величин производится следующим образом: Во вспомогательном режиме количество знаков после запятой больше на единицу.

Для многотарифных счетчиков энергия отображается вместе с индикатором тарифа 7, при этом действующий тариф индицируется миганием индикатора, например Т1 для первого тарифа.

Стрелки индикатора нагрузки 9 начинают вращаться, как только ток нагрузки превысит порог чувствительности счетчика. Если ток нагрузки меньше этой величины, то индикатор светится постоянно (стрелки неподвижны).

Основные элементы счетчика ЕвроАЛЬФА. Электронные элементы счетчика расположены на одной основной печатной плате с планарно-поверхностным и навесным монтажом. На печатной плате установлены следующие компоненты: трехфазный источник питания, резистивные делители напряжения, нагрузочные резисторы для трех датчиков тока, кварцевый генератор мегагерцового диапазона, измерительная СБИС, микроконтроллер, схема сброса, память EEPROM, импульсный индикатор LED, жидкокристаллический индикатор (ЖКИ).

Структурная схема счетчика приведена на рисунке 8.

Рисунок 8. Структурная схема счетчика ЕвроАЛЬФА

Токи и напряжения в линии переменного тока измеряются при помощи специальных датчиков тока и резистивных делителей напряжения.

Измерительный процессор. В счетчиках ЕвроАЛЬФА используется такая же микропроцессорная схема измерения, как и многофункциональных счетчиков АЛЬФА.

Измеренные величины вычисляются путем умножения сигналов, поступивших с датчиков напряжения и тока с помощью измерительной СБИС. СБИС содержит программируемый цифровой сигнальный процессор с тремя встроенными аналого-цифровыми преобразователями.

Микроконтроллер вычисляет интегрированные значения, обрабатывая сигналы активной и реактивной энергии и, кроме того, обеспечивает фиксацию отсутствия фазных напряжений.

Все необходимые данные для обеспечения достоверности результатов многотарифных вычислений содержатся в памяти EEPROM. Эти данные включают: конфигурацию, постоянные, активную энергию по тарифам и суммарная энергия (kWh), реактивная по тарифам и суммарная энергия (kvarh).

Выводы:

Основные параметры, на которых был обоснован выбор счетчиков ЕвроАЛЬФА следующие:

Точность. Счетчик ЕвроАЛЬФА удовлетворяют и превосходят требования, содержащихся в основных государственных стандартах для классов 0,5. Электронные устройства счетчика измеряют и индуцируют потребленную/выданную э/э и мощность с требуемой точностью в широком диапазоне изменения токов, напряжений, коэффициентов мощности и температуры окружающей среды.

Надежность. Счетчик ЕвроАЛЬФА является полностью электронным. В отличии от электрических счетчиков он не имеет движущихся частей, что повышает эксплуатационную надежность прибора и обеспечивает его многолетнюю работу. В схеме используется энергонезависимая память EEPROM и оперативная память (RAM).

Гибкость. Счетчик ЕвроАЛЬФА легко адаптируется к различным требованиям по учету э/э. Он обеспечивает широкий диапазон многотарифных функций, что позволяет вводить необходимые расписания тарифных зон с учетом типов дней и сезонов.

Доступная цена. За последние десять лет парк электронных счетчиков существенно расширился, причем покупатели все больше отдают предпочтение этим надежным и пригодным для эксплуатации на десятки лет без обслуживания и ремонта счетчикам. В настоящее время их цена по сравнению с аналогичными приборами электромеханических на 30 % выше и имеет тенденцию к постоянному снижению.

16-канальный мультиплексор-расширитель МПР-16-2M предназначен для создания систем АСКУЭ на базе счетчиков электроэнергии семейства АЛЬФА и преобразования уровней сигналов различных интерфейсов и может устанавливаться на коммунальных и промышленных объектах.

Мультиплексор содержит:

- преобразователь сигналов интерфейса RS232 в сигналы интерфейсов ИРПС и RS422/485 и обратно с гальванической развязкой;

- преобразователь сигналов интерфейса RS422/485 в сигналы интерфейсов ИПРС и RS422/485 и обратно с гальванической развязкой.

Каждый МПР позволяет подключать на общие шины «запись/чтение» до 16-ти счетчиков семейства АЛЬФА через интерфейс ИРПС «токовая петля», и объединять до 16-ти мультиплексоров через интерфейс RS422/485. Передача информации от счетчиков на персональный компьютер может осуществляться по интерфейсу RS232 от МПР-16-2(М) через нуль-модемный кабель, на расстояние до 15 м., или по интерфейсу RS422/485 на расстояние не более 1,2 км. Передачу информации от счетчиков на расстояния свыше 1,2 км следует производить через телефонный модем, подключаемый к разъему интерфейса RS232 МПР-16-2(М), причем используется только один модем на всю объединенную группу мультиплексоров.

Одновременное присутствие линий связи всех счетчиков на общих шинах увеличивает эффект влияния помех на качество приема или передачи информации счетчик-мультиплексор‚ что в ряде случаев делает практически невозможным обмен информацией между этими устройствами. Для уменьшения влияния различных помех на каналы связи в МПР-16-2(М) введена функция по канальной коммутации, обеспечивающая подключение в данный момент времени к общим шинам мультиплексора только одного опрашиваемого счетчика со своими линиями связи.

Технические характеристики 16-канального мультиплексора - расширителя МПР-16-2M приведены в таблице 4.

Таблица 4

Технические характеристики мультиплексора - расширителя

Наименование величины	Значение
Количество подключаемых счетчиков по ИРПС «токовая петля»	до 16
Количество подключаемых счетчиков по RS 422/485 (разъем Х2)	до 16
Количество каскадно подключаемых мультиплексоров в систему АСКУЭ	до 16
Количество интерфейсов RS 232	1
Количество портов интерфейса RS 422/485	2
Вид линии связи для ИРПС «токовая петля»	4-х проводная
Вид линии связи по интерфейсу RS 422/485	2-х проводная или 4-х проводная
Максимальное удаление счетчиков от мультиплексора, км	0,5
Возможность подключения локального компьютера	есть
Максимальное удаление локального компьютера от мультиплексора	1,2 км-RS 422/485 15 м - RS 232
Возможность подключения модема	есть
Напряжение питания (однофазное), В	220 ± 20%
Частота сети, Гц	50 ± 3
Потребляемая мощность, ВА, не более	10
Рабочий диапазон температур, єС	От -10 до +50
Влажность (не конденсирующаяся) %	0 ч 95
Габаритные размеры, мм	200 х 112 х 50
Масса, кг, не более	2,0

Конструктивное отличие МПР-16-2(М) от предыдущих модификаций

МПР-16 заключается в наличии дополнительной платы с микроконтроллером (РК)‚ которая и обеспечивает коммутацию каналов мультиплексора.

Мультиплексор состоит из следующих функциональных блоков:

- узел интерфейса RS232;

- узел интерфейса ИРПС «токовая петля»;

- 2 канала интерфейса RS422/485;

- блок по канальной коммутации (РК);

- ключи конфигурации SW1(плата МПР), П1 и П2 (плата PK);

- источник питания.

Структурная схема мультиплексора представлена на рисунке 9.

Рисунок 9. Структурная схема мультиплексора

Сигналы RS232 через разъем X4 поступают на драйвер узла интерфейса RS232 и далее через элементы гальванической развязки и ключи конфигурации подаются на 16 канальный узел интерфейса ИРПС и блок поканальной коммутации (РК).

Узел интерфейса ИРПС «токовая петля» (разъемы X5,X6) содержит 16 идентичных каналов, каждый из которых включает в себя источники тока приемника и передатчика. Все каналы приемников интерфейса объединяются в общую шину «чтение», а каналы передатчиков в общую шину «запись». Обобщенные шины «чтение/запись» нормализуются в сигналы уровня CMOS-логики и поступают на ключи конфигурации. Управление состоянием каналов (on/off) осуществляется блоком РК. Два канала интерфейса RS422/485 включают в себя драйверы уровня, элементы гальванической развязки и узел арбитража потока данных. Канал интерфейса «slave» (разъем Х2) предназначен для подключения счетчиков или мультиплексоров (в случае объединения нескольких мультиплексоров каскадом в одну группу). Второй канал интерфейса «host» (разъем Х3) предназначен для подключения к устройству сбора данных или объединения нескольких «ведомых» мультиплексоров в одну группу при параллельной схеме соединений.

Блок РК осуществляет функцию разделения каналов и реализован на базе микроконтроллера. Блок поддерживает два режима работы:

- основной - подключение канала производится по команде коммуканикационного протокола АВВ «who are you». В этом режиме блок прослушивает через свой канал UART команды, выдаваемые системой опроса на мультиплексор. В режиме сеанса связи определяется связной номер опрашиваемого счетчика и открывается канал мультиплексора, номер которого равен связному номеру счетчика, при этом все остальные каналы отключаются. После окончания сессии обмена все каналы переводятся в состояние «off».

- пассивный - подключены все каналы мультиплексора. Режим по канальной коммутации отключен.

Ключи конфигурации SW1 (плата МПР), П1 и П2 (блок РК) представляют собой DIP-переключатели предназначенные для задания различных режимов работы МПР и блока РК. Положения ключей при задании режимов работы мультиплексора представлены в таблице 5.

Источник питания (ИП) мультиплексора состоит из трансформатора напряжения, выпрямителей и параметрических стабилизаторов. ИП осуществляет питание интерфейсов и внутренней схемы МПР по пяти гальванически развязанным каналам.

Таблица 5

Положения ключей при задании режимов работы мультиплексора

Номер разряда переключателя SW1	Режим работы мультиплексора
1	2	3	4
on	off	off	off	Преобразование RS232 - ИРПС «Токовая петля»
on	on	off	off	Преобразование RS232 - ИРПС «Токовая петля» Преобразование RS232 - RS422/485 (X2) счетчики
on	off	off	on	Преобразование RS422/485 (X3) компьютер - ИРПС «Токовая петля»
off	off	off	on	Преобразование RS422/485 (X3) компьютер - RS422/485 (X2) счетчики
on	on	off	on	Все режимы работы (использование группы мультиплексоров в составе системы)

Мультиплексор состоит из основной электронной платы, дополнительной электронной платы (платы РК), пластмассового корпуса с крепежными ушками.

На основной плате размещены:

- источник питания мультиплексора с клеммником для подключения сети 50 Гц, 220 В (разъем Х1) и светодиодом индикации наличия питания;

- схемы интерфейсов ИРПС “токовая петля” RS 232 и RS422/485 с разъемами серии DB;

- ключи конфигурации SW1;

- специальный разъем для подключения платы РК.

Электронная плата мультиплексора помещена в прямоугольный пластиковый корпус, выполненный из ударопрочной и термохимически стойкой пластмассы. Корпус имеет крышку, основание и специальные ушки крепления его к плоскости. Все детали корпуса соединяются между собой винтами - саморезами. Разъемы интерфейсов “токовая петля” (X5, X6), RS422/485 (X2, X3) и RS232 (X4), клеммник подключения питания и светодиод индикации наличия питания, располагаются на боковых поверхностях корпуса.

Одним из самых современных и технически совершенных УСПД, соответствующим всем требованиям по организации коммерческого учета электроэнергии является УСПД RTU-325 семейства RTU-300 серийно выпускаемого компанией АББ ВЭИ Метроника. RTU-325 - это УСПД повышенной функциональности, надежности и точности, предназначенное для построения цифровых, пространственно-распределенных, проектно-компонуемых, иерархических, многофункциональных, автоматизированных систем коммерческого учета электроэнергии и мощности (АСКУЭ) с распределенной обработкой и хранением данных. УСПД RTU-325 обеспечивает максимальную гибкость схемы сбора, обработки, хранения и передачи данных. Измерительная информация RTU-325 в части коммерческих данных может служить основанием для проведения коммерческих расчетов между электропотребляющими и электропоставляющими организациями в соответствии с действующими договорными правилами и тарифами. УСПД может также использоваться для построения систем технического учета электроэнергии и мощности.

Функции, реализуемые УСПД RTU-325:

1. Сбор, обработка, накопление, хранение и отображение данных по электроэнергии, мощности и параметрам электросети с электросчетчиков, в том числе через каскадно-подлеченные УСПД.

2. Преобразование данных по электроэнергии и мощности, полученных от счетчиков, в именованные физические величины.

3. Подключение до 256 счетчиков, от 1 до 24 последовательных линий RS-232/RS-485.

4. Объединение измерений, полученных со счетчиков, в групповые измерения, определяемые пользователем при параметрировании УСПД.

5. Считывание со счетчиков (технического) графика нагрузки (1, 3, 5, 15, 30, 60 мин), приведение его к единым интервалам профилей счетчиков. В памяти УСПД сохраняются как технический, так и коммерческий учет потребленной и выданной активной и реактивной энергии за расчетный период для счетчиков и групп суммарно, и по тарифным зонам.

6. Хранение считанных со счетчиков и рассчитанных значений по точкам учета и группам в энергонезависимой памяти с глубиной хранения не менее (глубина хранения программируется):

- средних мощностей на технических (менее чем 30-минутных) интервалов - 2 часа,

- средних мощностей по точкам учета на коммерческих (30-минутных) интервалах - 45 суток,

- средних мощностей по группам учета на коммерческих (30-минутных) интервалах - 3 месяца,

- расход электроэнергии за месяц по каждому каналу - 18 месяцев,

- расход электроэнергии за месяц по группам - 3 года.

7. Многопользовательская, независимая передача данных по различным коммуникационным каналам, работа в сети.

8. Широкий диапазон рабочих температур - от минус 25 (40) до плюс 60 (70) єС.

9. Защитное промышленное исполнение.

10. RTU-325 выпускаются в заказных исполнениях, в зависимости от требуемого объема энергонезависимой памяти для хранения данных, набора каналов сбора и передачи данных. По специальному заказу выпускаются исполнения с расширенным диапазоном температур эксплуатации и поддержкой бесперебойного электропитания на базе внешнего аккумулятора.

Линии связи от УСПД собираются на монтажной панели, оснащенные розетками типа DB-37 F. Принципиальная схема подключения к ней специализированных вычислительных комплексов 1 и 2 (СВК 1 и СВК 2) представлена на рисунке 10. При выводе одного из комплексов в ремонт шлейфы цепей учета, подключенные к установленным платам ввода, закорачиваются штекерами типа DB-37P. СВК 1 и СВК 2 базируются на персональных компьютерах с процессорами Intel Pentium 166 MMX с ОЗУ 64 Mb. В каждом из них установлены по две одновекторные 16-канльные платы ввода НЕКМ. 426419.002. Оба комплекса работают круглосуточно с перерывами на техобслуживание (1 раз в 6 мес.): СВК 1 - основной, данные с него в масштабе реального времени передаются в энергоснабжающую организацию (ЭСО), СВК 2 - резервный.

Рисунок 10. Принципиальная схема подключения СВК 1 и СВК 2

Локальная вычислительная сеть бюро эксплуатации АСКУЭ построена в соответствии со стандартами IEE 802.3 (Ethernet) с выделенным сервером. Рабочие станции и СВК подключены к серверу передачи данных (СПД) и к станции резервного копирования (СРК) через 16-портовый коммутатор ЛВС кабелями типа UTP категории 5. В корпоративную ЛВС ЭСО, территориальную (на n километров) от ЛВС бюро эксплуатации АСКУЭ, данные передаются по выделенной паре при помощи модемов SBNI 12-10 (производитель -новосибирская НПФ «Гранч») установленных в СПД. Передача данных другим потребителям информации организована через роутер типа SBIC4-14 «Гранч».

Сервер передачи данных имеет процессор Intel Pentium 3, 600 МГц, ОЗУ DIM 128 Mb, 2 винчестера по 4 Гб (или более) каждый, рекомендуется вариант с двумя накопителями для организации системы защиты от сбоя типа RAID-контроллер Fast Trak 100 для зеркалирования дисковой памяти, сетевой адаптер Ethernet 100/10 и модем для выделенной медной пары SBNI 12-10. СПД выполняет функции файлового сервера, сервера преобразования протокола и сервера приложений.

Станция резервного копирования имеет процессор Intel Pentium 3, 866 МГц, ОЗУ DIMM 256 Мb, винчестер 20 Гб, винчестер для записи/перезаписи компакт-дисков CD-WR 24 IDE. СРК является рабочим местом программиста бюро эксплуатации АСКУЭ и выполняет функции межсетевого экрана во время сеанса Ethernet.

Рабочие станции, подключенные к ЛВС бюро эксплуатации АСКУЭ, предназначены для получения документов и контроля мощности предприятия. Такая система позволяет: устанавливать параметры настройки, формировать любой вид документов с помощью программы “супергениратор документов”, контролировать суточные графики потребления, передавать информацию в ЛВС для пользователей, расход электроэнергии за разные периоды времени, суммарный расход энергии за указанный месяц, квартал, год и смену, число используемого максимума нагрузки, косинус ц за разные периоды и т.д.

Перечисленная информация может быть представлена в любом виде, удобном для использования при расчетах за электропотребление, определение технико-экономических показателей системы электроснабжения предприятия с учетом функциональных производственных задач, решаемых пользователем системы. В СВК формируются суточные графики потребления электроэнергии и мощности, сводные ведомости, таблицы и т.д.

Так как в системе АКУЭ имеются удалённые устройства, применяется кабель марки AWG-24 Ї это кабель балансной системы на основе витой пары. Кабель называется балансной системой, так как сигнал на одной проводящей жиле является абсолютно таким же что на другой, но этот сигнал инверстен. Для тог чтобы сигнал от счётчика прошёл до УСПД и вследствие отражения не вернулся обратно необходимо согласовать нагрузку кабеля согласующими резисторами величиной в 120 Ом. Но это условие не диктуется, а рекомендуется. В кабеле при передаче сигнала на значительные расстояния (1200 м.) возникает рост разности потенциалов на конце линии в виду быстрых переходных процессов которые порождают электромагнитные помехи (ЭМП) эти помехи могут привести к ошибкам в данных. Для устранения этих помех используется согласование нагрузки, а так же витых проводов, суть которых расположение их максимально близко друг к другу.

Балансная система устраняет две проблемы - это инодуцирование ЭМП (наводка) и излучение ЭМП. В первом случае проводник играет роль антенны принимает электромагнитные волны при этом на проводниках наводится ЭДС которая препятствует нормальному прохождению сигнала. В балансной системе шум наведенный на одном проводе является тем же шумом, что и на другом проводе, таким образом, эти шумы гасится друг относительно друга и при этом шум является общим для всей системы. При втором случае излучение на одном проводе поглощается другим излучением ЭМП другого провода, т.е. есть тенденция к поглощению помех, что делает систему не эффективным излучателем.

Вывод: АСКУЭ предназначена автоматизированного коммерческого и технического учета расхода электроэнергии. Для АСКУЭ выбраны счетчик электроэнергии типа ЕвроАЛЬФА, УСПД RTU-325 семейства RTU-300 и кабель марки AWG-24.

4 СИСТЕМА УЧЕТА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ. ВЫБОР ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

4.1 Общие сведения о системе SCADA

SCADA - это программный продукт для создания систем мониторинга, управления и сбора данных, под управлением операционной системы Windows.

Этот продукт много лет успешно эксплуатируется АСУТП на современных предприятиях СНГ по переработке нефти и газа, в энергетике, химической промышленности и многих других отраслях производства.

Программное обеспечение SCADА имеет мощную базу данных, удобный и простой графический интерфейс, модульную среду исполнения и современные средства экспорта импорта данных.

SCADA дает предприятию:

- Точное соблюдение технологических нормативов и регламента. Значительное уменьшение процента брака, автоматическое повешение качества;

- Устранение ошибок допускаемых операторами путем полной автоматизации процессов управления;

- Установление непосредственных взаимосвязей между производством, отделом планирования, складом и поставщиками;

- Точный учет количества выпущенной продукции на всех стадиях про изводства, не зависящий от действия оператора;

- Предупреждение аварий на производстве;

- Комплексный статический анализ причин, влияющий на качество выпускаемой продукции;

- Автоматическая и современная генерация отчетов для руководящего персонала.

Решение этих и большинства других задач работы предприятия может базироваться исключительно на внедрении современных систем автоматизации, поскольку именно они могут дать наиболее быстрый эффект в расчете на единицу капитальных вложений.

Основой для внедрения промышленных автоматизации служат так называемые системы SCADA - это сокращенное английского термина Supervisory Control And Data Acquisition -диспетчерское управление и сбор данных. До настоящего времени большинство SCADA - пакетов применялось, как правило, для создания интерфейса оператора и регистрации, данных производственного процесса. В редких случаях к этому добавлялись возможности по автоматическому управлению и генерации отчетов. Основными причинами, сдерживающее комплексное внедрение SCADA - систем на промышленных объектах, были недостаточная надежность таких систем, низкая производительность, трудности в наращивании и интеграции SCADA с корпоративными системами управления и сложности адаптации с появлением SCADA - пакетов нового поколения фирмы, занимающихся промышленной автоматизацией, отделы АСУТП на предприятиях и компании - системные интеграторы получили возможность использовать на практике огромный потенциал, предлагаемый такими системами. Отсутствие в новых SCADA - системах недостатков, сдерживающих их внедрение в прошлом, позволяет на их основе строить интегрированные системы управления как для очень больших, так и компактных систем АСУТП в любой области промышленности.

4.2 Сруктурная схема управления аппаратурой

Первое, и самое важное обстоятельство - SCADA пакеты, в отличии от большинства программ, непосредственно связанны с процессами, происходящими на предприятии, поскольку через системы серверов ввода-вывода подключаются к разнообразнейшей аппаратуре, управляющей и контролирующей производственный процесс.

Основная роль человеко-машинного интерфейса - обеспечить взаимодействие пользователя с устройствами ввода/вывода и через них с контролируемым оборудованием. Программный SCADA - пакет Citect обеспечивает взаимодействие не только с устройствами ввода/вывода, но и с другими источниками информации типа баз данных, Windows-программ и внешних компьютерных систем. Вся информация с датчиков, управляющих механизмов и промышленных контроллеров в реальном масштабе времени поступает в SCADA -системы. Для обеспечения простоты подключения этих устройств в Citect включены сотни готовых серверов ввода/вывода, ориентированных на конкретные типы оборудования. Кроме того, наличие стандартных интерфейсов, таких как ОРС, DDE, ActiveX, TCP/IP и других позволяет применять серверы, разработанными другими компаниями, что гарантирует открытость решения.

Поступающие в SCADA - систему данные не только сохраняются во внутренней базе данных, но и могут обрабатываться согласно определенными инженерами алгоритмам, то есть управление без участия оператора. Конечно, наиболее ответственные задачи, такие как система противоаварийной защиты, должны, по крайней мере, дублироваться на уровне контроллера, но большинство супервизорных алгоритмов может быть реализовано в системе SCADA.

4.3 Особенности схемы сигнализации

Наряду с алгоритмами в современной SCADA - системе предусмотрена возможность автоматической генерации сигналов тревоги в соответствии с заданными инженерами или технологами критериями. Возникающие сигналы тревоги могут отображаться на экране, записываться в журнал и быть доступны одновременно для нескольких рабочих мест оператора. Подтверждение этих сигналов, или квитирование осуществляется операторами, имеющими соответствующие права доступа к системе. С каждой тревогой можно связать определенное действие, которое будет выполняться при выполнении этой тревоги (например, запуск звукового файла).

Средством информации оператора о возникновении каких-либо аварийных ситуаций и неисправностей являются конфигурируемые тревоги. Система тревог может контролировать всё: переменные, группы переменных, выражения, результаты расчетов и т.д. Например, можно выводить сообщение, когда уровень жидкости в резервуаре станет слишком высоким, когда двигатель перегреется и т.д.

Очень большое значение имеет быстрое распознавание и идентификация тревог. SCADA - пакет Citect выводит информацию о тревогах в специализированные окна, однако самые свежие данные видны в каждом окне. Тревоги можно группировать по цвету, шрифту и порядку вывода в зависимости от приоритета, категории и времени возникновении. В SCADA - пакете Citect специальное итоговое окно тревог, куда выводится вся их предыстория.

Регистрация информации в основном заключается в сборе и записи определенных аналоговых и дискретных параметров контролируемого оборудования или процесса. Программное обеспечение SCADA - Citect не накладывает никаких ограничений на тип регистрируемых данных и представляет широкий выбор функций регистрации:

- события регистрируются в момент возникновения (например, тревоги, этапы процесса, сигналы датчиков и т.д.);

- регистрируются все действия оператора (типа ручного запуска процесса, аварийной остановки, изменение контрольных показателей и т.д.);

- регистрируются все ошибки и события внутри системы управления (аппаратные тревоги, сведения об обмене данными, ошибки сети и т.д.).

Очень часто назначением системы автоматизации является сбор и хранение информации, как в качестве архива, так и для дальнейшего анализа. SCADA - система Citect позволяет архивировать данные самого разного типа без каких-либо ограничений на тип и местонахождение выводного устройства. С каждым событием может быть связанно действие, которое будет выполняться в момент возникновения этого события. Например, при завершении какого-либо процесса об этом можно уведомить оператора и выполнить некоторую последовательность завершающих действий.