Автоматизированная система контроля и учета энергоресурсов
Для систем сбора данных и управления в настоящее время одним из самых распространенных является протокол ZigBee, разработанный и поддерживаемый большой группой компаний-производителей электроники, объединившихся в организацию ZigBee-альянс. Основными достоинствами этого протокола, с точки зрения разработчика, являются такие его свойства, как самоорганизация сети, ее самовосстановление в случае отказа одного или нескольких узлов, а также возможность работы отдельных узлов в условиях жестких ограничений потребляемой мощности.
Последняя особенность делает реальным длительное автономное функционирование таких узлов, что является необходимым условием для целого ряда автоматизированных систем, к которым в первую очередь относятся системы пожарно-охранной сигнализации, системы мониторинга объектов строительства, архитектурных памятников и некоторые другие.
Для ускорения процесса разработки и внедрения автоматизированных систем, базирующихся на беспроводных технологиях, большинство современных разработчиков применяет готовые радиомодули с предустановленным в них стеком протокола ZigBee. Такой подход позволяет им целиком сосредоточиться на реализации целевой функции системы, оставляя за скобками все сложности и нюансы проектирования высокочастотных схем и создания специализированного микропрограммного обеспечения.
Модули производства компании СМК находят применение в самых различных системах: управлении освещением, мониторинге зданий, пожарно-охранных сигнализациях, системах типа «Умный дом». Одной из областей, где продукция «СМК» наиболее востребована, являются автоматизированные системы учета энергоресурсов (АСКУЭ).
В качестве примера можно привести описанный ниже опыт проектирования и развертывания сети сбора показаний электросчетчиков для коттеджных поселков.
Как видно из иллюстрации, центром системы является диспетчерский пункт, который ответственен за сбор данных, управление беспроводной сетью и связь с офисом управляющей или энергосбытовой компании.
В состав оборудования диспетчерского пункта обычно входят персональный или промышленный компьютер, подключенный с одной стороны к GSM- или 3G-модему, а с другой - через специальное интерфейсное устройство к модулю MBee. Интерфейсное устройство выполняет функции конвертора внешнего интерфейса компьютера (COM или USB) в интерфейс UART, используемый модулями MBee. В качестве такого устройства, как правило, применяется хорошо зарекомендовавший себя RFSerialBridge, разработанный и производимый компанией «СМК». Радиомодуль, установленный на диспетчерском пункте (для повышения надежности канала связи разработчики предпочитают более мощные MBee v2.1), выполняет сетевую роль «Координатор» (в соответствии с терминологией стандарта ZigBee). В круг его задач входит первоначальная организация сети (автоматический выбор частотного канала, распределение адресов, ключа шифрования и т. д.) и управление сетью (подключение новых узлов или отключение выбывших, переход на свободную частоту и тому подобное). При таком построении сети «Координатор» является также концентратором - узлом, предназначенным для сбора данных.
В коттеджных поселках современного типа приборы учета электроэнергии располагаются, как правило, за пределами жилых строений вне жилой зоны участка. Широко распространена установка их в специализированных защищенных шкафах, расположенных на столбах линий электропередач. Наличие постоянного электропитания, защищенность оборудования от внешних воздействий, легкость установки выносной антенны делают такое расположение практически идеальным для размещения узлов беспроводной сети. Для взаимодействия со счетчиками удобно использовать узлы с сетевой ролью «Маршрутизатор», поскольку функционирование таких узлов невозможно без постоянного электропитания, которое легко организуется в местах установки счетчиков. Все «Маршрутизаторы» самостоятельно прокладывают оптимальный маршрут к концентратору. В качестве источника питания можно применить отдельный блок, размеры которого будут крайне невелики вследствие небольшой мощности, потребляемой модулями MBee. Альтернативой этому является использование встроенного источника, предназначенного для питания внешних устройств, который имеют многие модели современных счетчиков. Модуль MBee подключается к счетчику через конвертор UART-интерфейса, конструкция которого зависит от типа счетчика. Такие конверторы разрабатываются, как правило, непосредственно разработчиками систем в соответствии со своими предпочтениями. В арсенале фирмы «СМК» имеются несколько типовых вариантов конверторов, а ее специалисты всегда помогут при разработке такой платы или предложат готовое решение. Наличие в радиусе действия нескольких «Маршрутизаторов» обеспечивает самовосстановление сети в случае выхода из строя одного из них. При этом окажутся недоступными только данные от вышедшего из строя узла. Данные же от прочих узлов, которые ранее проходили через вышедший из строя узел, направятся на концентратор по новым автоматически проложенным маршрутам. В качестве «Маршрутизаторов» также предпочтительнее использовать модули MBee v2.1.
Описанный выше подход предполагает подключение каждого электросчетчика к индивидуальному модулю-«Маршрутизатору». Такой способ очень удобен с точки зрения развертывания и поддержания системы, так как значительно упрощает ведение таблиц соответствия сетевых адресов модулей с заводскими номерами счетчиков и местами их установки. Однако такой подход может быть неприемлем при монтаже в одном шкафу приборов учета принадлежащим нескольким потребителям. В этом случае потребуется установка модулей по числу счетчиков в шкафу, а, кроме того, монтаж нескольких антенн. Специалистами «СМК» разработан вариант организации связи с диспетчерским пунктом с использованием единственного радиомодуля с несколькими подключенными к нему счетчиками. При этом для взаимодействия со счетчиками необходимо использовать протоколы с физическим уровнем, допускающим подключение нескольких узлов к общей шине (RS-485, RS-422 или CAN).
Тем самым достигается снижение цены и упрощение монтажа шкафа, однако несколько усложняется процедура развертывания сети, за счет введения дополнительных полей в упомянутых выше таблицах соответствия. Кроме этого, увеличиваются накладные расходы при передаче данных и меняется алгоритм взаимодействия концентратора со счетчиками.
Основная функция описываемой автоматизированной системы - сбор показаний электросчетчиков, но дополнительно она может решать целый ряд задач, состав которых зависит только от того, насколько их поддерживает установленное абонентское оборудование. Например, возможно дистанционно ограничить мощность индивидуально для любого абонента вплоть до полного отключения. Также система может быть дополнена для решения задач, не связанных с индивидуальным учетом энергоресурсов. Например, она может использоваться для управления уличным освещением, включая его только там, где это необходимо в текущий момент в соответствии с заданным расписанием.
Помимо функций, связанных с учетом электроэнергии, подобные системы способны выполнять целый спектр иных функций, таких как сбор показаний с газо- и водосчетчиков, установленных в домах абонентов, пожарная и охранная сигнализации и т. п. В отличие от электросчетчиков, приборы учета воды и газа не требуют внешнего электропитания. Соответственно, для беспроводного сбора показаний, модуль ZigBee который к ним подключается, должен иметь автономный источник питания, обеспечивающий работу узла в течение длительного времени. Как правило, заказчик требует, чтобы это время было соизмеримо с межповерочным интервалом соответствующего счетчика. Немаловажным для заказчика в данном случае является и ценовой аспект. Для обеспечения длительных сроков службы при минимальной цене оптимально подходят маломощные модули серии MBee v3.0. Узлы подобного типа большую часть времени находятся в режиме сна и передают данные через заранее установленные промежутки, используя ближайший «Маршрутизатор», подключенный к электросчётчику. Интервалы могут быть настроены индивидуально для каждого модуля с помощью диспетчерского ПО. Помимо передачи данных через заданный интервал времени модуль способен информировать об изменениях на любом из заранее назначенных цифровых входов, к которым могут быть подключены датчики присутствия, задымления, протечек и тому подобные. Существует также возможность организации и обратного канала – от концентратора к спящему узлу. Скорость получения ответа от узла или время реакции на команду зависит от установленного периода сна и может быть изменена с помощью диспетчерского ПО.
