АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА

Полезная модель относится к области энергетики, а именно к энергосбережению в сфере жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ).
В настоящее время на различных технологических объектах промышленности интенсивно внедряются системы контроля и учета потребляемых энергоресурсов (газа, электричества, воды, тепла и др.).
Известны автоматизированные системы сбора и обработки данных потребления энергоресурсов в различных отраслях.
В разных отраслях создаются сложные многоуровневые распределенные автоматизированные системы учета, контроля, обработки и анализа информации.
Так известна автоматизированная информационно-измерительная система (АИИС) завода БК. ОАО «Нижнекамскнефтехим», представляющая собой комплекс программно-технических средств из двух уровней - нижнего и верхнего. Нижний уровень обеспечивает непрерывный сбор аналоговой информации с первичных измерительных преобразователей. Здесь же производятся вычисления расхода энергии, массы и объема потоков энергии и далее передача этих данных на верхний уровень. Верхний уровень АИИС предназначен для непосредственного использования полученной информации инженерно-техническим персоналом завода. Здесь производится сбор, накопление, обработка, отображение и хранение информации. Система передает текущие, трехминутные, среднечасовые и суммарные значения расходов за прошлые сутки через локальную вычислительную сеть. Передача данных возможна также по запросу в АСУ объединения.
Недостатком прототипа является недостаточная точность измерений.
Заявленная система направлена на улучшение качества измерений различных параметров.
Заявленная автоматизированная информационно-измерительная система «АСКУРДЗ «НИИ ИТЗСКО» (далее - система), предназначена для:
- измерения количества теплоносителя (массы и/или объема холодной и горячей воды);
- измерения тепловой энергии, количества и параметров теплоносителя;
- измерения количества и параметров потребления электроэнергии;
- обеспечения автоматизированного сбора, обработки, учета, передачи и регистрации измерительной информации с объектов производства, распределения и потребления параметров энергоресурсов;
- регулирования потребления количества тепловой энергии и температуры горячей воды;
- хранения и ведения баз данных параметров энергоресурсов.
- обеспечения автоматизированного контроля параметров энергоресурсов на объектах учета и мониторинга за состоянием оборудования.
- предоставления измерительной информации в формах коммерческого учета заинтересованным организациям и в другие существующие автоматизированные системы учета энергоресурсов.
Область применения системы - промышленность и жилищно-коммунальное хозяйство для коммерческого и технологического учета на объектах распределения и потребления энергоресурсов.
Система представляет собой многофункциональную, трехуровневую иерархическую структуру, состоящую из измерительных, связующих и вычислительных компонент, которые образуют измерительные каналы (ИК).
Первый уровень состоит из первичных измерительных компонент, осуществляющих измерение параметров теплоносителя, электроэнергии, непрерывно или дискретно, с требуемым интервалом времени.
На втором уровне системы применяются измерительные преобразователи (тепловычислители, счетчики испульсов-регистраторы, концентраторы электросчетчиков и регуляторы потребления тепловой энергии) предназначенные для приема измерительной информации от первичных измерительных компонент и имеющие выход RS-232 или RS-485, с последующей передачей данных по радиоканалам, линиям связи промышленной сети и сети Ethernet их архивации и передачи по запросу на сервер и (автоматизированное рабочее место) АРМ.
Третий уровень системы представляет собой сервер и/или АРМ оператора с функцией сервера-архивной базы данных на базе ПЭВМ со специализированным программным обеспечением.
Структура и состав системы
Основу системы, как измерительной системы составляют подсистемы ИК с измерительными компонентами, представляющие собой конструктивно или функционально выделяемую часть, выполняющую законченную функцию от восприятия измеряемой величины до получения результата ее измерений, выраженного в виде числа единиц измеряемой величины.
Система комплектуется измерительными, связующими, вычислительными и вспомогательными компонентами.
Измерительные компоненты системы:
- теплосчтечики ЭСКО-Т, ЭСКО-МТР, ТЭМ-104 с преобразователями расхода, датчиками давления, температуры.
- регистраторы импульсов «Пульсар» с импульсными водосчетчиками расхода.
- концентраторы «Меркурий» с электросчетчиками «Меркурий».
- регуляторы ЭСКО-РТ с датчиками температуры и исполнительными устройствами (клапан и насос).
Система может состоять из нескольких однотипных измерительных, связующих, вспомогательных компонентов, либо в их составе могут отсутствовать какие-то компоненты.
В качестве связующих компонентов системы могут применяться:
- проводные линии связи (RS-485, RS-422, RS-232);
- проводные и беспроводные линии связи стандарта Ethernet;
- стандартные телефонные коммутируемые каналы;
- радио каналы через радиомодемы;
- сеть GSM (по стандартам CSD и GPRS-интернет);
Вычислительные компоненты системы состоят из сервера сбора данных и автоматизированных рабочих мест (АРМ) оператора с программным обеспечением АСКУРДЭ «НИИ ИТ-ЭСКО» обработки результатов измерений. В АРМ должны осуществляться окончательные измерительные преобразования, вычислительные и логические операции, предусмотренные процессами измерений и алгоритмами обработки результатов измерений, а также выработка управляющих воздействий. АРМ построено на базе персонального компьютера, обеспечивающего слежение за состоянием системы, анализ поведения системы, распечатку отчетов и передачу информации по иерархической структуре. Вычислительные компоненты могут работать как под управлением оператора,
так и автономно. Сервер и/или АРМ по всей иерархической структуре системы изготавливаются на базе ПЭВМ и стандартных электронных модулей.
В качестве вспомогательных компонентов системы применяются устройства:
- контроллер полевых приборов учета
- портативная химическая лаборатория
- конвертеры интерфейсов
- принтеры, блоки бесперебойного питания и т.п.
Описание работы
Принцип работы системы состоит в измерении параметров ресурса (теплоносителя, электроэнергии) и в преобразованиях измерительной информации в цифровые сигналы измерительными компонентами, далее ее передаче по связующим компонентам в вычислительные компоненты (сервер). На сервере сбора данных и АРМ системы различных уровней иерархии осуществляются окончательные преобразования, Т.е. вычислительные и логические операции, предусмотренные процессом измерений и алгоритмами обработки результатов измерений, а также выработка и принятие управляющих воздействий, и вывод информации о состоянии объектов.
Измерительные компоненты
Сигналы с первичных преобразователей (преобразователи расхода, датчики давления, температуры, счетчики) поступают в регистрирующие устройства, где происходит их обработка, накопление и вычисление вторичных параметров. В регистрирующих устройствах осуществляется накопление комплекса измеренных и вычисленных параметров с дискретизацией час, сутки, месяц. Устройства позволяют произвести последовательное считывание накопленных данных, а так же текущие мгновенные значения через внешние интерфейсы связи.
В самом простом случае устройство или сеть устройств напрямую подключаются к связующим компонентам.
Контроллер является опциональным устройством, предназначенным для выполнения вспомогательных и сервисных функций на уровне внутренней сети устройств (полевых приборов учета). Контроллер включается в сеть как промежуточный элемент между приборами учета и основным каналом связи (связующими компонентами) с сервером обработки данных. Проводное соединение с приборами обеспечивает: бесперебойность связи, помехозащищенность, защиту информации от вмешательства злоумышленников.
Основные функции контроллера:
7. Мгновенное оповещение о нештатной ситуации
В стандартном случае опрос параметров производится по инициативе диспетчера. Т.е. с помощью мониторинга в последовательном режиме. Но при возникновении аварийной ситуации, диспетчер узнает об этом только через продолжительное время, которое зависит от количества устройств, скорости и времени доступа через коммутируемые каналы связи. При использовании контроллера, узел учета «сам» устанавливает соединение с сервером обработки данных и оповещает о нештатной ситуации, или напрямую отправляет SMS диспетчеру на мобильный телефон.
2. Ведение архива мгновенных значений
устройства не производят накопление текущих мгновенных значений. При анализе качества, необходимо иметь полный и равномерный архив мгновенных значений (например, раз в минуту), для более точного определения штрафных санкций. Контроллер считывает необходимые значения с прибора учета и хранит в своей памяти для последующей передачи на сервер обработки данных. Использование архива мгновенных значений позволяет про водить детальный анализ изменения параметров.
3. Шифрование данных при взаимодействии узла учета с сервером
Контроллер шифрует все данные, передаваемые между узлом учета и сервером обработки данных через любые каналы связи. Злоумышленник не может изменять данные и использовать их в своих целях. Ключ шифрования можно устанавливать дистанционно с рабочего места оператора и при необходимости оперативно сменить.
4. Ведение копии архива устройства
Для устройств с низкоскоростным интерфейсом обмена контроллер может автономно считывать архивные данных и сохранять у себя в буфере. Затем, эта порция данных единым массивом передается по скоростному каналу связи. Это позволяет достичь 10-кратного уменьшения времени требуемого для получения большой порции данных с устройства.
5. Оперативное чтение блока данных
По запросу сервера обработки данных, контроллер считывает данные с устройства и подготавливает к отправке в сжатом виде. Это так же позволяет достичь 10-кратного уменьшения времени обработки запроса и 20-кратное уменьшение затрат на средства связи с тарификацией по трафику.
6. Безопасность устройств и защита «от дурака»
Контроллер отслеживает запросы к устройствам и их состояние, и позволяет предотвратить ситуации нештатной работы узла учета. Например, если кто-то переведет регулятор в работу в ручном режиме и закроет регулировочный клапан, то контроллер отследит эту ситуацию и вернет систему в штатный режим работы.
7. Установка дополнительных датчиков и управление исполнительными устройствами
Поддерживается установка различных датчиков и измерительных устройств, для контроля дополнительных параметров, не учитываемых штатными приборами учета.
Можно подключить исполнительное устройство - например, электрический замок в шкафу. Диспетчер может дистанционно открывать шкаф для обслуживания.
8. Синхронизация внутренних часов устройства
Контроллер позволяет автоматически синхронизировать внутренние часы устройства своей сети. Это особенно полезно для своевременного перехода на летнее время часов устройств, не имеющих такой функции.
9. Оптимизация топологии сети
Контроллер позволяет объединять устройства с разными интерфейсами, а так же осуществлять высокоскоростное взаимодействие внутри сети при низкоскоростном канале связи с сервером обработки данных. Подключение к основному каналу связи с сервером осуществляется через любой из интерфейсов RS-232, RS-485, Ethernet.
10. Обработка результатов химического анализа к контроллеру в оперативном режиме подключается портативная химическая лаборатория. Измеренные параметры автоматически передаются в контроллер, идентифицируются в соответствии с требованиями контроля качества и сохраняются там до передачи их на сервер сбора данных.
Выполнение контроллером ряда функций (1, 6, 7, 8) возможно в автономном режиме в случае использования автоматизированной системы без сервера обработки данных.
Системой может контролироваться качество множества ресурсов: горячее, холодное водоснабжение, отопление, электроснабжение, газоснабжение в соответствии с постановлением Правительства РФ от 23.03.2006 NQ307 «О порядке предоставления коммунальных услуг гражданам» система позволяет проводить контроль параметров качества предоставляемых услуг и расчет изменения платы за предоставление услуг ненадлежащего качества или с перерывами, превышающими установленную продолжительность»
Контроль качества ведется по следующим параметрам:
- бесперебойность. Для горячего, холодного водоснабжения, отопления, газоснабжения, электроснабжения производится расчет периодов перерыва подачи на основе данных непрерывного учета параметров ресурса.
- соответствие метрологических параметров заданным интервалам. Для горячего, холодного водоснабжения, отопления, газоснабжения производится контроль давления. Для горячего водоснабжения газоснабжения производится контроль температуры. Для электроснабжения производится контроль напряжения и частоты действующим федеральным стандартам.
- соответствие свойств воды санитарным нормам и правшам. Руководствуясь действующим СанПиН 2.1.4.1074-01 осуществляется контроль за наиболее распространенными отклонениями в составе воды горячего и холодного водоснабжения.
Контроль бесперебойности и значений метрологических параметров осуществляется штатными приборами учета с использованием архива мгновенных значений накопленных контроллером. Контроллер, совместно с прибором учета позволяет накапливать детализированные данные (архивы мгновенных значений), на основе которых сервер сбора данных максимально точно вычисляет периоды и объемы отклонений по качеству ресурса и рассчитывает размер «штрафных санкций».
Контроль соответствия воды санитарным нормам и правилам осуществляется несколькими методами:
- Автоматизированный - используется портативная химическая лаборатория, совмещающая в себе фотометрический метод анализа концентрации вещества с использованием индикаторных порошков. Метод позволяет вести периодический контроль содержания широкого спектра веществ в воде (органические и неорганические
соединения, тяжелые металлы, нефтепродукты, и др.).
- Автоматический - для непрерывного контроля воды в точке разбора воды. Используются различные датчики, например амперометрические. Такими датчиками можно осуществлять мгновенный контроль содержание хлора в воде, рН, окислительно-восстановительный потенциал.
Связующие компоненты
Допускается использование разнообразных каналов связи с применением интерфейса RS232, RS-485, Ethernet (при использовании контроллера или специализированного порта) на стороне измерительных компонент(узла учета). Проводные линии связи (RS-485, RS-422, RS-232)
При использовании интерфейса RS-485 (RS-422) длина линий связи может достигать 1200 метров. Скорость обмена по сети обратно пропорциональна длине линии. При большой длине линии проявляется зависимость от типа кабеля и качества его прокладки.
Использование линий связи Ethernet возможно при использовании контроллера или с применением шлюза RS-232/Ethernet.
Сеть GSM (по стандартам CSD и GPRS-интернет)
Использование сети GSM возможно в двух вариантах:
CSD: один GSM-модем устанавливается на сервере сбора данных и по одному модему устанавливается на узлах учета. Для подключения сети устройств к модему используется контроллер или конвертер интерфейсов. Расходы на связь исчисляются исходя из повременной стоимости использования голосового канала сотового оператора.
GPRS: на узлах учета устанавливаются GSM/GPRS-модемы со встроенным TCPIIP-стеком. На сервере организуется постоянное Интернет-соединение со статическим внешним IP-адресом. Для подключения сети устройств к модему используется контроллер или конвертер интерфейсов. GPRS-модем самостоятельно устанавливает и поддерживает связь с сервером сбора данных. Расходы на связь исчисляются исходя из объема данных, проходящих через GPRS канал сотового оператора и не зависят от продолжительности подключения.
Вычислительные компоненты
Сервер сбора данных системы обеспечивает автоматическое считывание имеющейся в энергонезависимой памяти измерительного компонента (тепловычислителя, счетчика, концентратора) информацию за все время отсутствия обмена, которое не должно превышать 30 суток, а так же считывание мгновенных значений параметров в реальном режиме времени. Эти действия могут осуществляться контроллером полевых приборов учета для последующей передачи в упакованном виде на сервер сбора данных.
На сервере предусмотрена защита от несанкционированного доступа, реализованная с помощью программных средств кодирования информации и идентификации доступа. Возможно назначение различных прав доступа к выполняемым в системе действиям. Так же имеется аппаратная защита от нелегального использования программного обеспечения сервера и контроль за параметрами лицензии.
Клиентские АРМ обеспечивают отображение данных, получаемых с сервера, выработку управляющего воздействия для подключенных устройств, управление настройками и администрирование системы