Комплексная система учета энергоресурсов в квартирах жилых домов на основе сети MicroLAN

В.С. Казачков,
А.Г. Шахнович

Исследования последних лет показывают, что в России потенциал энергосбережения в жилом секторе достигает 40—50%. Проблема энергосбережения приобретает все большее значение в связи с уменьшением дотаций государства в жилищную сферу и ростом цен на энергоносители. Неразрывно с проблемой энергосбережения связана и проблема учета энергоресурсов.

Реформирование жилищно-коммунального хозяйства порождает необходимость в комплексных автоматизированных системах учета всех энергоресурсов (газ, электроэнергия, холодная и горячая вода, тепло), поставляемых жильцам квартир. Растет интерес и самих квартиросъемщиков к учету потребляемых энергоресурсов. Коммерческому квартирному и домовому учету потребления энергоресурсов в последнее время уделяется повышенное внимание. Проводятся работы по созданию и внедрению автоматизированных систем учета энергоресурсов в Москве, Санкт-Петербурге, Омске и других городах.

Для реализации современных требований, предъявляемых к автоматизированным системам, предлагается построить систему как однородную сеть однотипных элементов. Такая система может быть создана на основе технологии MicroLAN, разработанной фирмой Dallas Semiconductor Inc. К настоящему времени разработана широкая гамма элементов систем сбора данных: счетчиков, датчиков температуры, электронных ключей и т.п. с интерфейсом 1-Wire.

Сеть передачи данных 1-WireR^® Net, известная так же под именем MicroLAN, — дешевая шина обмена данными между ПК или промышленным контроллером и сетевыми устройствами 1-Wire. Один и только один узел сети является ведущим, все остальные — ведомые. Все узлы подключены к общей шине, образуемой витой неэкранированной парой. Ведущий узел подключается к шине через транзистор с открытым коллектором. Коллекторное сопротивление соединяет шину с источником постоянного напряжения 5 В.

Рис. 1.

Система, основанная на сети 1-Wire, состоит из трех основных элементов: контроллера сети, соединительных проводов и устройств, разработанных для работы в среде 1-Wire. Одно из главных достоинств представленной сети — простота управления. Никакое сетевое устройство не может передавать данные, пока к нему не поступит запрос от ведущего узла. Обмен данными между устройствами также возможен только через ведущий узел. Типичная диаграмма сигналов на шине сети 1-Wire приведена на рис.1

Сетевой протокол 1-Wire основан на уровнях сигналов, совместимых с логическими уровнями КМОП/ТТЛ — логики, где напряжение не превышающее 0,8 В соответствует логическому нулю, а напряжение не меньше 2,2 В — логической единице. Допустимое напряжение питания должно находится в диапазоне от 2,8 до 6 В. Как ведущий, так и ведомый узлы имеют двунаправленные шинные формирователи, но в каждый момент времени передача может идти только в одном направлении. Другими словами, в сети 1-Wire данные передаются в полудуплексном режиме; протокол передачи — последовательный битовый. Для передачи сигналов в сети 1-Wire рекомендуется использовать неэкранированную витую пару 5 категории.

Физический уровень протокола передачи данных основан на широтно-импульсной манипуляции. В отсутствии сигнала ведущий узел поддерживает на шине уровень напряжения 5 В, что обеспечивает питание ведомых узлов сети. Логическая единица передается отрицательным импульсом длительностью не более 15 мкс, логический ноль — импульсом длительностью не мене 60 мкс. Канал передачи синхроимпульсов не требуется, т.к. каждое устройство имеет встроенный генератор, синхронизируемый каждым отрицательным фронтом, сформированным ведущим узлом.

Каждое устройство для шины 1-Wire имеет уникальный 48-битный сетевой адрес, записанный в прожигаемом при его изготовлении 64-битном ПЗУ. В ПЗУ также записаны 8-битный код типа устройства и 8-битный циклический контрольный код, сформированный по остальным 7 байтам кода
(/html.cgi/txt/ic/Maxim/ibutton/start.htm).

Как показано на рис.1, цикл обмена данными в сети 1-Wire начинается с передачи ведущим узлом импульса сброса, длительностью не мене 480 мкс. В ответ на этот импульс каждое устройство, подключенное к сети, производит сброс своих внутренних цепей и передает импульс подтверждения (presence pulse). Обнаружив этот импульс, ведущий узел передает 8-битный код команды адресации (ROM function) и сетевой адрес выбираемого устройства. Все устройства, адрес которых не совпал с переданным, логически отключаются от сети. Выбранному устройству передается код операции обмена данными (Memory function) и данные для записи или последовательность логических единиц необходимой длины, если нужно прочитать данные из устройства. По окончании операции ведущий узел генерирует новый импульс сброса и начинается новый цикл обмена.

Как было указано выше, ведомые узлы сети получают питание непосредственно от линии передачи данных. С этой точки зрения каждое сетевое устройство может быть представлено эквивалентной схемой, приведенной на рис.2.

Рис. 2.

В периоды простоя шины данных, конденсатор емкостью 800 рФ заряжается. Во время передачи данных, когда напряжение на линии падает до нуля, диод препятствует разряду конденсатора. Отсутствие линии передачи синхроимпульсов и шины питания объясняет принятое название сети — 1-Wire («однопроводная»).

Разработчик сети 1-Wire, фирма Dallas Semiconductor Inc., производит широкий спектр устройств, поддерживающих протокол 1-Wire. Сюда входят счетчики, датчики температуры, элементы памяти (типа RAM и EEPROM), электронные ключи и т.д. (http://www.rtcs.ru/a_inform.htm) Как показал анализ, этот набор компонентов позволяет построить полнофункциональную систему учета расхода энергоресурсов в многоквартирном доме.

Описание полной структуры и программного обеспечения такой системы требует отдельной статьи, здесь же мы рассмотрим основной модуль системы — квартирный прибор учета (КВП). КВП обеспечивает сбор данных о потреблении энергоресурсов в одной квартире. В большинстве современных систем рассматриваемый модуль строится на базе микропроцессора. Использование преимуществ сети 1-Wire позволило разработать КВП без использования микропроцессора, что обеспечивает повышение надежности и снижение стоимости всей системы в целом. Структура КВП приведена на рис.3.

Рис. 3.

Основным элементом КВП является электронный переключатель DS2409. Фактически это двухпортовый сетевой хаб, позволяющий подключить к шине данных DATA либо шину MAIN, либо шину AUX. Если хаб не выбран, оба его выхода закрыты и все устройства, присоединенные к КВП, отключены от основной сети. Таким образом, в любой момент времени максимальное число сетевых устройств, подключенных к ведущему узлу, равно сумме всех КВП и устройств, установленных в одной квартире. Даже для самых больших жилых комплексов это число не превысит максимальных значений допустимых для сети 1-Wire. К выходу AUX хаба подключен счетчик, обеспечивающий подсчет импульсов, поступающих с телеметрических выходов счетчика электроэнергии и газового. К этому же выходу подключается электрически перепрограммируемое ПЗУ («флэш-память»). ПЗУ содержит всю информацию необходимую для расчета потребления энергоресурсов в данной квартире: расположение датчиков температуры, типы и площади радиаторов центрального отопления, заводские номера и начальные показания счетчиков электроэнергии, расхода газа и расхода горячей и холодной воды. Как уже упоминалось, в КВП установлен счетчик, принимающий импульсы только от счетчиков расхода электроэнергии и газа. Устройства того же типа (DS2423), подсчитывающие импульсы от счетчиков горячей и холодной воды устанавливаются непосредственно на вводах, и подключаются к КВП через разъем CONNECTOR1.

К выходу MAIN подключаются только цифровые датчики температуры (DS18S20 или DS1920/1921. Описание имеется в интернете по адресу /html.cgi/txt/ic/Maxim/sensor/term_dig/ds18s20.html или /html.cgi/txt/ic/Maxim/ibutton/start.htm). Это сделано для того, чтобы можно было передать команду запуска АЦП одновременно на все устройства DS18S20. Время выполнения указанной команды составляет примерно 500 мс и ее выполнение отдельно для каждого устройства, привело бы к недопустимому увеличению времени опроса квартиры.

Для нормальной работы датчиков температуры DS18S20 во время выполнения команды преобразования на них необходимо подать постоянное напряжение номиналом 5 В. Эту задачу решает электронный ключ, управляемый линией CONTROL хаба DS2409. Эта линия активизируется автоматически, когда принятой DS2409 командой выбирается шина MAIN.

Все датчики температуры подключаются к КВП через разъем CONNECTOR2.

Структура системы сбора данных о расходе ресурсов приведена на рис. 4. На этом рисунке введены следующие сокращения: КВП — квартирный прибор, позволяющей строить сложные сети MicroLAN общей протяженность до 600 метров и включающий сотни компонентов; ДТ — датчики температуры на основе DS18S20 и СЧ — счетчики импульсов, реализованные на DS2433. Пунктирная линия охватывает элементы, размещенные в одной квартире. Все КВП подъезда управляются контроллером, в качестве которого используется промышленный контроллер ICP7188. Подъездные контроллеры (ПК) между собой связаны по интерфейсу RS485. В свою очередь они управляются от домового контроллера (ДК), также реализованного на ICP7188. КВП содержит два электронных ключа, управляемых контроллером. К каждому ключу подключается отдельная ветвь сети. Физически эти две ветви объединены в один кабель — витая пара. В каждый момент времени, КВП включаются таким образом, чтобы к контроллеру был подключен только один фрагмент сети, объединяющей датчики одной квартиры и одного типа.

Решение задачи измерения тепла в конкретно взятой квартире в многоквартирном доме состоит в применении такого способа учета, который не зависит от разводки труб теплоснабжения. Суть его в следующем: в каждой квартире однотипно устанавливается по одному термодатчику на все батареи. Для определения разности температур на уровне пола каждой отапливаемой комнаты в квартире также однотипно устанавливаются термодатчики. Все датчики подключаются к линии MAIN КВП (Рис.3, 4). Зная разность температур и площадь батарей, можно определить величину тепловой энергии.

Способ определения количества тепла основан на использовании закона Ньютона — Рихмана, согласно которому

где:
Q — количество тепла, использованное потребителем тепла;
a — коэффициент теплоотдачи;
s — площадь поверхности теплоотдачи объекта;
Т₁ — температура поверхности теплоотдачи объекта;
Т₂ — температура охлаждающей среды;
t — время потребления тепла.

Для определения расхода тепла, например, в отдельно взятой квартире в многоэтажном многоквартирном доме с вертикальной (традиционной) или горизонтальной разводкой труб отопления сначала определяют расход тепла по всему дому по домовому тепловому счетчику. С тепловым счетчиком связан ДК, в котором хранится информация о площади поверхности теплоотдачи по каждой квартире. ДК получает от ПК в определенные моменты времени данные о разности температур. ПК через КВП постоянно фиксирует температуру на поверхности теплоотдачи отопительных приборов (батарей) и температуру охлаждающей среды ( воздуха на уровне пола в помещении ).

Зная расход тепла по дому за конкретное время (по показаниям домового теплового счетчика), ДК определяет средний коэффициент теплоотдачи по объединенной системе потребителей тепла. Этот коэффициент ДК передает всем ПК. С помощью этого коэффициента каждый ПК определяет расход тепла по конкретному локальному потребителю. Искомая величина вычисляется как произведение среднего коэффициента теплоотдачи по объединенной системе потребителей тепла и площади теплоотдачи этого локального потребителя, умноженного на разницу температур на поверхности теплоисточника и охлаждающей среды локального потребителя и на время, за которое был учтен расход тепла по объединенной системе.

Таким образом, можно определить расход тепла по каждому локальному потребителю, входящему в объединенную систему потребителей тепла.

Из приведенной на рис. 4 схемы оборудования видно, что на весь дом устанавливают один электронный тепловой счетчик. В каждой квартире установлен КВП, задачей которого является измерение разности температур и передача этой информации ПК.

Предлагаемый «Способ определения расхода тепла локальными потребителями осуществляет расчет тепла следующим образом.

Зарегистрированное тепловым счетчиком количество тепла, использованное всей объединенной системой на данный конкретный момент времени, полагают равным сумме расходов тепла в каждой квартире с учетом потерь в доме:

где:
Q — расход тепла объединенной системой потребителей за конкретное время теплоотдачи теплоисточником;
Q_i — расход тепла локальным потребителем за конкретное время;
а i=1 - n, где n — количество локальных потребителей тепла.

Исходя из равенства теплового баланса, ДК определяет средний коэффициент теплоотдачи по объединенной системе потребителей тепла по формуле:

где:
a — средний коэффициент теплоотдачи по объединенной системе потребителей тепла;
S_i — площадь поверхности теплоотдачи теплоисточника локального потребителя тепла;
ΔТ_i — разность температур на поверхности теплоисточника локального потребителя тепла и охлаждающей среды локального потребителя тепла;
t — время теплоотдачи теплоисточником.

На основе найденного среднего коэффициента теплоотдачи по объединенной системе потребителей тепла все ПК определяют количество тепла, использованное каждой квартирой соответствующего подъезда. Например, квартирой номер i это потребление за конкретное время t составит:

Вычислив количество тепла по каждой квартире, ПК передает эту информацию ДК.

Из приведенных соотношений видно, что потери тепловой энергии распределяются пропорционально площадям батарей и разнице температур каждой квартиры.

Предлагаемый способ определения тепла в квартирах легко поддается автоматизации.

В автоматизированной системе имеются аппаратные и программные средства защиты от несанкционированного доступа ко всем датчикам и линиям связи.

Предлагаемая автоматизированная система отличается:

• невысокой стоимостью (до 150руб. на квадратный метр);
• измерением тепла в квартире, независимо от разводки труб отопления;
• окупаемостью при существующих тарифах 1,5 — 2 года.

Такая система установлена в общежитии завода «Релеро» г. Омск. Ее испытания подтвердили перечисленные достоинства принятых схемных и алгоритмических решений и позволили сделать вывод о перспективности этой системы для производства и использования в жилищно-коммунальном хозяйстве России.

По данной системе имеются положительные решения Госэнергонадзора РФ, Госстроя РФ, РЭК по Омской области и других организаций.

Использование такой системы на промышленном предприятии позволяет оценить стоимость удельных потерь по каждому виду продукции и заставляет экономить энергоресурсы.

Рис. 4.Структура системы сбора данных по дому