Рубрики

| индикация | события | инструменты | беспроводная связь | датчики | источники питания | компоненты | корпуса | микроконтроллеры | приборы | промышленная мебель | прочее | сетевые решения | силовая электроника | средства разработки | новые технологии |

Интересные статьи

Рубрика: прочее

Цифровые технологии в энергосбережении

15.05.2008 На примере реализованного энергосберегающего проекта приводится описание основных элементов двухуровневой АСУ ТП, реализующей за счёт применения современных цифровых технологий эффективную и надёжную систему отопления.

Концепция

Сложившаяся во многих регионах России ситуация с отоплением характеризуется ростом числа аварий в отопительных системах городов и посёлков, что связано, прежде всего, с отсутствием должного финансирования профилактики, капитального ремонта и восстановления теплотрасс и отопительных систем ЖКХ. Восстановительные работы на отопительных системах в различных регионах страны очень дороги, трудоёмки и не всегда оправданы. Выходом из сложившейся ситуации может быть применение на наиболее важных объектах (в больницах, школах, административных зданиях и т.д.) альтернативных систем энергосберегающего отопления.

При построении таких систем применяется информационный подход, основанный на строгом учёте электроэнергии и целевом регулировании подачи электроэнергии к высокоэффективным обогревателям – инфракрасным потолочным излучателям. В данной статье описывается пример реализации подобной системы с использованием современных цифровых технологий в здании Волгоградского универсального спортивно-зрелищного комплекса (УСЗК) [1], где после аварии на теплоцентрали традиционная система отопления была заменена электрическим отоплением от управляемых датчиками инфракрасных потолочных обогревателей с суммарной мощностью около 1 МВт.

История

В середине 1990-х годов появились цифровые датчики температуры фирмы Dallas Semiconductors [2]. Прибор DS1820 – это представитель первого поколения цифровых датчиков, которые не требуют калибровки, обладают достаточно высокой точностью измерения температуры, работают в широком диапазоне температур и, главное, оборудованы уникальным од-нопроводным интерфейсом MicroLan (1-WIRE) [3], предложенным фирмой Dallas Semiconductors. Применение цифрового датчика температуры DS1820 (DS18S20) показало его высокую эффективность, и он стал широко использоваться при построении цифровых регуляторов температуры [4].

Вторым фактором, во многом определившим структуру энергосберегающей АСУ ТП, явился появившийся примерно в то же время микроконтроллер (МК) фирмы Microchip Technology Incorporated (далее Microchip) PIC16C84 (PIC16F84A) [5]. От МК типа PIC16C54 он отличался наличием встроенной флэш-памяти и сохранял в себе все преимущества идеологии PIC-контроллеров, в корне отличавшихся от господствовавших в то время микропроцессоров семейств MCS-48/51: во-первых, RISC (а не CISC) архитектура (соответственно, сокращённый в три раза набор команд), во-вторых, улучшенные нагрузочные параметры портов ввода-вывода и, наконец, низкая стоимость многократно программируемых МК.

Постоянная длина команды PIC-контроллеров позволяла создавать очень компактный код. Миниатюрность корпуса, хорошее быстродействие, встроенный таймер WATCHDOG, низкий ток потребления, доступное программное обеспечение, простота системы команд (всего лишь три десятка) – вот основные параметры, определившие выбор PIC-контроллеров для построении цифровых распределённых АСУ ТП модульного типа.

К середине 1990-х годов отопительная система централизованного теплоснабжения здания УСЗК пришла в негодность. Встал вопрос либо о полном капитальном ремонте традиционной конвективной системы, либо о переходе на отопительную систему нового типа на основе новых энергосберегающих технологий. При этом оказалось, что затраты на техническое перевооружение отопительной системы с использованием энергосберегающей системы и её эксплуатация существенно меньше, чем вложения в капитальный ремонт, что обусловлено высокой материалоёмкостью конструкции и большими объёмами строительно-монтажных работ. К тому же на время проведения капитального ремонта надо было бы приостанавливать деятельность УСЗК.

Следует также учитывать, что спортивные сооружения УСЗК, кроме основного функционального назначения, стали местом проведения общественных мероприятий, театрально-эстрадных представлений, коммерческих и технических выставок-ярмарок. Помещения сдаются в аренду под деловые и коммерческие офисы, магазины, склады и пр. Подобная универсальность необходима в условиях рыночной экономики. Поэтому предоставление отопительных услуг требовало индивидуального подхода к конкретному месту, конкретному времени и конкретному пользователю. Все эти соображения были положены в основу построения отопительной системы УСЗК многоцелевого назначения.

В феврале 1999 г. энергосберегающая система «Синтал Термолинк» была введена в эксплуатацию и заменила традиционную конвективную систему отопления. За несколько лет эксплуатации АСУ ТП был накоплена ценная информация о применении цифровых датчиков температуры, микроконтроллерных устройств и сетевых технологий. За это время появилось новое поколение цифровых датчиков температуры, расширился выбор микроконтроллеров, но опыт создания и эксплуатации цифровой распределённой АСУ ТП показал все преимущества концепции информационных, программируемых, распределённых систем.

Распределённая АСУ ТП может быть модернизирована уже на этапе испытаний с целью корректировки непредвиденных проблем или для улучшения тактико-технических характеристик. Другим преимуществом программируемой модульной АСУ ТП является способность к глубокой самодиагностике как всей системы, так и отдельных модулей, что повышает надёжность изделий при минимальном обслуживании [5].

Позже, в 2003 г., все эти преимущества проявились при модернизации системы, направленной на расширение её информационных возможностей (объединение компьютеров в сеть, добавление GSM-модема для передачи экстренных сообщений, использование новой операционной системы LINUX).

Энергосберегающая АСУ ТП Волгоградского УСЗК

Модульная архитектура распределённой системы «Синтал Термолинк» реализована в г. Волгограде в четырёхэтажном Дворце спорта, включающем в себя, кроме главного спортивного зала, множество других помещений. Система работает, используя два уровня автоматического регулирования температуры объектов. Верхний уровень обслуживается центральными компьютерами и имеет наивысший приоритет над подключенными к сети локальными терморегуляторами, определяющими температуры нижнего уровня управления. Такая структура АСУ ТП, в отличие от централизованной, обладает повышенной надёжностью и сохраняет работоспособность даже при выходе из строя компьютеров верхнего уровня и/или локальной сети. Около 100 цифровых датчиков DS1820 установлены непосредственно в помещениях, в которых необходимо поддерживать заданную температуру. Каждая группа из восьми датчиков связана однопроводным цифровым интерфейсом MicroLan с локальным модулем управления, установленным в силовом шкафу. Расстояние от наиболее удалённого датчика до локального модуля управления может достигать 300 м. Каждый локальный модуль управления принимает сигналы от датчиков и формирует управляющие сигналы для семисторных ключей, через которые запитываются нагревательные элементы инфракрасного типа. Каждый локальный модуль управления обеспечивает автономный режим регулирования температуры объекта и связан цифровым интерфейсом с центральным компьютером.

В здании УСЗК используется 17 локальных модулей управления и два центральных компьютера. На компьютерах обрабатываются данные, поступающие от локальных модулей управления. Состояние объектов отображается в удобном для оператора виде на экране монитора. При этом кроме формуляров температуры и температурных уставок (с месячным программированием) по каждому локальному модулю, выводятся поэтажные графические планы с температурами всех датчиков.

Следует отметить, что команды управления, вырабатываемые центральными компьютерами, имеют наивысший приоритет и передаются соответствующим локальным модулям управления. Основной энергосберегающий эффект системы достигается за счёт целевого автоматического выбора более низких температурных уставок в отдельных помещениях в определённые дни текущего месяца. Система энергосберегающего терморегулирования распределёнными объектами по месячной программе поддерживает заданные температуры в большом числе помещений комплекса с учётом времени суток и лимитов электроэнергии, выделяемых на теплоснабжение.

Дополнительный интерфейс центральных компьютеров подсоединён к двум тарифным счётчикам электроэнергии. Локальные модули управления состоят из двух компонентов: восьмиканальных цифровых регуляторов температуры и семисторных коммутаторов. Цифровые регуляторы температуры имеют следующие технические характеристики:

• диапазон регулируемых температур 0...30°С;
• шаг установки температуры 0,5°С;
• частота опроса датчиков 1 Гц;
• восемь цифровых датчиков температуры, одновременно подключаемых к одному регулятору;
• восемь выходных каналов управления, использующих оптронные ключи с контролем перехода фазы через ноль;
• однопроводной последовательный интерфейс к центральному компьютеру для повышения надёжности и помехозащищённости реализован по четырёхпроводной схеме;
• энергонезависимая память в цифровых регуляторах для сохранения температурных уставок.

Электрическая схема цифрового регулятора температуры локального модуля управления приведена на рисунке 1. Схема содержит два МК, работающих в режиме master (D7) – slave (D8). Функции между МК разделены следующим образом: D7 опрашивает клавиатуру, управляет ЖКИ через дешифраторы D1 – D5, осуществляет обмен данными с компьютером; D8 принимает цифровые коды температуры от восьми датчиков, сравнивает их с температурными уставками и вырабатывает сигналы управления семисторами V1 – V8. Текущая температура отображается на семисегментном ЖКИ. Для просмотра температуры восьми каналов следует нажимать на кнопки «+» или «–». Выбрав таким образом канал и нажав на кнопку « », можно увидеть температурную уставку этого канала, переданную из компьютера или, при работе без компьютера, с помощью кнопок «+»/«–» установить новую температурную уставку.

При обрыве или коротком замыкании датчиков на дисплей выводится сообщение ErrX, где X – номер канала. С помощью четырёх светодиодов индицируются наличие встроенного питания +5 В, работа интерфейса, состояние выхода каждого канала и неисправности контроллера и датчиков. Конструктивно цифровой регулятор выполнен в корпусе, закрепляемом на стандартную рейку.

Учитывая большую протяжённость соединений между центральными компьютерами и локальными модулями управления, большое внимание было уделено построению однопро-водных удлинителей интерфейса. На рисунке 2 изображена схема передатчика последовательного интерфейса, подключаемого к разъёму последовательного порта центрального компьютера. На рисунке 3 показана схема приёмника последовательного интерфейса с преобразователем в интерфейс MicroLan. Для связи компьютера с локальными регуляторами используется четырёхпроводная схема на базе ИС типа ST485E. Проводка была выполнена двойным телефонным проводом типа ТРП. Силовые коммутаторы локальных модулей управления были применены двух типов: однофазные (25 А, 400 В) и трёхфазные (50 А, 600 В).

Дополнительной функцией АСУ ТП является пожарная сигнализация, т.е. формирование сигнала тревоги при превышении температуры 60°С любым датчиком, с автоматическим определением местоположения этого датчика. Для передачи экстренных сообщений в виде SMS используется GSM-модем сотового телефона Sony-Ericsson [6].

Рис. 1. Электрическая схема восьмиканального локального регулятора температуры

Управляющая программа АСУ ТП

Энергосберегающий эффект системы «Синтал Термолинк» складывается из двух факторов: высокой эффективности инфракрасных потолочных обогревателей и цифровых информационных технологий, положенных в основу работы АСУ ТП [7]. Инфракрасных обогреватели – это уникальные электрические отопительные приборы, действующие по принципу лучистого тепла. В отличие от традиционных конвекторов, потолочные обогреватели не используют воздух в качестве теплоносителя. Длинноволновые лучи теплового спектра почти беспрепятственно проходят через воздух и преобразуются в тепло только при попадании на какую-либо поверхность. Таким образом, около 90% тепловой энергии передаётся преграждающим поверхностям (полу и мебели), которые, в свою очередь, отдают вторичное тепло в воздух. В этом случае наиболее комфортный тепловой режим сохраняется на уровне человеческого роста, что позволяет исключить обогрев бесполезного, с эргономической точки зрения, пространства под потолком. Необходимая тепловая мощность для обогрева помещений с высотой потолков 3...20 м снижается как минимум на 30% по сравнению с традиционными системами отопления. Уместно отметить и ряд специфических свойств таких обогревателей: пожаробезопасность, эколо-гичность, высокую надёжность (гарантийный срок эксплуатации 25 лет), отсутствие переноса пыли, равномерный поверхностный нагрев, возможность работы в среде с повышенной влажностью (в здании УЗСК обогреватели установлены даже в душевых).

И всё-таки основной вклад в энергосбережение вносят информационные технологии. Именно с помощью цифровой реализации, сетевых решений и управляющей функции компьютерной программы реализуется наилучшим образом основополагающая концепция энергосбережения, основанная на адресном учёте энергозатрат и целевом регулировании подачи тепла потребителям по месячной программе.

Значительный вклад в энергосберегающий эффект вносит компьютерная программа TLINK.EXE. Функциями этой управляющей программы являются:

• адресное оперативное управление подачей тепла всем потребителями от центрального компьютера через сеть контроллеров, установленных в силовых шкафах, в автоматическом режиме по месячной программе; запись в память контроллеров температурных уставок, имеющих наивысший приоритет;
• приём от контроллеров данных о температурах и состоянии всех цифровых датчиков;
• учёт энергозатрат при помощи интерфейса к электросчётчикам потребителей.

После запуска программы TLINK.EXE производится тестирование и перезапись температурных уставок всех каналов в память контроллеров системы. Затем осуществляется переход программы в основной режим работы, когда производится считывание данных, передаваемых контроллерами, и отображение текущей информации на дисплее компьютера. При этом возможно отображение информации по каждому локальному модулю управления (всего их 17) или поэтажного плана с графической прорисовкой всех помещений (4 плана).

В основном режиме работы программа производит периодическую диагностику контроллеров системы, а также настройку уставок каналов контроллеров и отображение температур. Состояние каналов выбранного локального модуля управления – температура и текущая уставка – отображаются в верхнем окне с полной идентификацией пользователей. Если температура выводится красным шрифтом, это является сигналом неисправности соответствующего канала (каналов).

В случае неисправности связи компьютера с выбранным контроллером на экран выводится дополнительное сообщение об ошибке (Err). При нажатии клавиш 1 – 4 можно отобразить на экране компьютера соответствующие планы этажей и температур непосредственно в местах установки датчиков.

Рис. 2. Передатчик последовательного интерфейса

Рис. 3. Приёмник последовательного интерфейса

В режиме записи параметров [CHANGE] выбирается канал интересующего локального модуля управления, в который будет производиться запись новой уставки. После ввода температурной уставки предоставляется возможность выбрать время суток для действия данной уставки и дни текущего месяца, в которые данная уставка будет автоматически записана в выбранный канал. Часы и дни энергосбережения (отмечаются зелёным цветом) выбираются для каждого температурного канала и выбранного контроллера, в который будет производиться запись нового значения уставки.

Рис. 4. Распределение экономического эффекта от внедрения энергосберегающей АСУ ТП по годам

Чтобы проиллюстрировать эффективность работы программы, достаточно рассмотреть отопление большого спортивного зала УЗСК, который потребляет на отопление примерно половину всей электроэнергии объекта. Обычно в большом зале проводилось 5 – 6 спортивных или культурных мероприятий в месяц, все остальные дни батареи нагревали пустой зал. Сейчас это полностью исключено, так как температурный режим зала отслеживается месячной программой работы системы с учётом часов и дней проводимых в нем мероприятий. Об эффективности реализованной энергосберегающей системы терморегулирования говорят и первые оценки экономического эффекта от её внедрения.

Важно подчеркнуть, что корректность сравнения обусловлена, прежде всего, тем, что до 1999 г. в здании УСЗК использовалась традиционная система отопления и все отчётные документы сохранились. Расчёты показывают, что даже при неоднократном росте тарифов на электроэнергию экономический эффект от использования энергосберегающей системы только за период с октября 1999 г. по март 2004 г. составил свыше миллиона рублей (на рисунке 4 показано распределение экономии по годам). Таким образом, главный итог нескольких лет эксплуатации энергосберегающей отопительной системы «Синтал Тер-молинк» состоит в том, что, несмотря на использование дорогостоящего источника энергии - электричества, новые цифровые технологии позволили создать более эффективную и надёжную систему отопления.

Литература

1. Бартенев В., Бартенев Г. Распределённая модульная система терморегулирования «Синтал Термолинк». Chip News. 1997. №9
2. Бартенев В., Бартенев Г. Технология PLUG & PLAY в технике измерения температуры. Контрольно-измерительные приборы и системы. 1997. № 2.
3. Бартенев В., Бартенев Г. Новое поколение цифровых датчиков температуры от фирмы Dallas Semiconductors. Электронные компоненты. 1997. №3.
4. Бартенев В. Цифровые датчики температуры и их применение. Датчики и системы. 2004. № 12.
5. Бартенев В., Бартенев М. Энергосберегающая модульная АСУ ТП для распределённых объектов «Синтал телетерм». Датчики и системы. 2005. № 2.
6. Бартенев В. Регулятор температуры с дистанционным управлением по GSM-кана-лу. Современная электроника. 2006. № 9.
7. Бартенев В. Способ регулировки мощности электроотопительной системы. Патент № 2308823 по заявке № 2005130643 от 04.10.05. Опубликован 20.10.07. Бюл. № 29 ФИПС.

Владимир Бартенев (Москва), Современная электроника № 4 2008 (c)

другие статьи

Комментарии

Комментариев нет. Ваш комментарий будет первым.

Чтобы оставить свой комментарий Вам необходимо зарегистрироваться.