Электронная приставка к механическим счетчикам газа и воды для автоматизированных систем

Полезная модель электронной приставки к механическим счетчикам газа и воды представляет собой устройство, реализованное на базе датчика Холла и микроконтроллера со встроенным радиомодемом и автономным источником питания, относится к электронно-измерительной технике, в частности к устройствам учета расхода газа и воды, и может быть использовано в качестве прибора первичного учета потребления газа и воды, а также совместно с абонентским счетчиком электрической энергии (АСЭЭ) с расширенными коммуникационными и функциональными возможностями [1, 2, 3] для построения единой системы автоматизированного (ЕАС) учета коммунальных услуг (энергопотребление, расход газа и воды) без специального сетевого оборудования, где коммуникационные и функциональные возможности АСЭЭ могут быть использованы для сбора учетной информации с электронных приставок к механическим счетчикам газа и воды по радиомодему и передачи этой информации в ЕАС.
Известен датчик импульсов IN-Z61 (https://www.saures.m/katalog/prochie-datchiki/datchik-impulsov-in-z61/), который может быть использован в автоматизированных системах сбора информации в качестве датчика учетной информации. Датчик предназначен для установки на газовые счетчики ELSTER модификации ВК. Для дистанционного съема показаний с газовых счетчиков по Wi-Fi датчик должен быть подключен к контроллеру SAURES. Один контроллер обслуживает до 8 счетчиков и датчиков.
Датчик состоит из двух герконов. Один используется для подключения магнитной вставки, встроенной в ролик младшего разряда отсчетного устройства счетчика, а второй контакт предназначен для сигнализации влияния на контакт внешним магнитным полем.
Основными недостатками датчика являются
низкая надежность, связанная с надежностью герконов;
отсутствие возможности прямого его использования в системах автоматизированного учета расхода газа и воды без дополнительных аппаратных доработок (должен быть подключен к контроллеру SAURES или контроллеру «Импульс Директ» (https://schetchiki-gaza.armagaz.ru/bloki-pitaniva-i-kommunikacionnye-moduli/direkt-dm-100);
высокая стоимость датчика с контроллером SAURES или с контроллером «Импульс Директ»;
отсутствие возможности защиты информации от НСД, предварительной обработки учетной и служебной информации и передачи учетных данных по беспроводному интерфейсу связи.
Также известен низкочастотный датчик Е1 IN-S10 (IN-S11, 12, Z61 и другие типы) - высокоточное устройство для удаленного получения данных с ротационных (RVG) и турбинных (TRZ) счетчиков расхода газа. Датчик предназначен для формирования и считывания импульсов, которые образовываются при прохождении газа через установленные на трубопроводе счетчики [https://teplovik-ural.ru/store/vtorichnoe-oborudovanie/datchiki-impulsov/].
Датчик состоит из двух герконов (язычковых контактов), которые имеют разное назначение: один из них срабатывает от магнитной вставки, встроенной в ролик младшего разряда отсчетного устройства механического счетчика газа или воды. Второй контакт предназначен для сигнализации влияния на контакт внешним магнитным полем, т.е. для защиты датчика от несанкционированного доступа.
Рассмотренные выше датчики импульсов могут быть использованы в автоматизированной системе по учету расхода газа и воды только после аппаратной доработки или через контроллер «Импульс Директ» (https://schetchiki-gaza.armagaz.ru/bloki-pitaniya-i-kommunikacionnye-moduli/direkt-dm-100), который подключается к любым бытовым счетчикам и расходомерам газа, воды, тепла и электроэнергии, оборудованным импульсным выходом. Контроллер непрерывно ведет накопительный счетчик и периодически сохраняет значение счетчика в энергонезависимой памяти в виде суточного архива глубиной 90 суток. Передача архивных и текущих данных на сервер ДП осуществляется не чаще одного раза в сутки по каналу GSM/GPRS. Контроллер «Импульс Директ» работает от одной LiSOC2-батареи емкостью 14 А⋅ч, рассчитанных на срок непрерывной работы устройства не менее 6 лет при частоте сеансов связи не более 1 раза в сутки и более 10 лет при сеансах связи не чаще одного раза в месяц.
Основными недостатками датчика являются:
низкая надежность, связанная с надежностью герконов;
отсутствие возможности прямого его использования в системах автоматизированного учета расхода газа и воды без дополнительных аппаратных доработок (должен быть подключен к контроллеру «Импульс Директ»);
высокая стоимость датчика с контроллером «Импульс Директ»;
отсутствие возможности защиты информации от НСД, предварительной обработки учетной и служебной информации и передачи учетных данных по беспроводному интерфейсу связи.
Недостатками контроллера «Импульс Директ» являются: отсутствие возможности получения архивных данных по запросу от системы автоматизированного учета расхода энергоносителей; отсутствие средств защиты от несанкционированного доступа и от вандалов; использование для подключения импульсного датчика (например, датчика импульсов IN-Z61) проводной линии связи, что создает возможность несанкционированного доступа к линии связи с целью искажения учетных данных.
Наиболее близким аналогом является блок электронный счетчика газа (патент РФ №126823, опубл 10.04.2013 Бюл. №10), включающий шину входного сигнала, усилитель, компаратор, вычислительный блок, жидкокристаллический индикатор, электроконтактный блок связи с системой поверки, оптоэлектронный блок связи с внешним контролирующим устройством, датчик температуры, источник питания гальванического типа, причем вход усилителя соединен с шиной входного электрического синусоидального сигнала, выход усилителя соединен со входом компаратора, выход компаратора соединен с первым входом вычислительного блока, второй вход вычислительного блока соединен с выходом датчика температуры, первый выход вычислительного блока соединен со входом жидкокристаллического индикатора, второй выход вычислительного блока соединен с входом электроконтактного блока связи с системой поверки, третий выход вычислительного блока соединен с входом оптоэлектронного блока связи с внешним контролирующим устройством, причем положительные и отрицательные шины питания усилителя, компаратора, вычислительного блока, жидкокристаллического индикатора, датчика температуры, соединены соответственно с положительными и отрицательными выводами источника питания гальванического типа, отличающийся тем, что вычислительный блок, блок коррекции характеристики преобразования, таймер, блок преобразования сигнала от датчика температуры конструктивно объединены в единый вычислительный блок, выполненный с использованием одного микропроцессора.
Основными недостатками являются:
отсутствие возможности использование блока электронного счетчика газа (БЭСГ) в системах автоматизированного учета расхода газа, связанное с отсутствием средств беспроводной связи для обмена учетной и служебной информацией в автоматизированной системе;
большие аппаратные затраты на построение БЭСГ и, как следствие, повышенное энергопотребление БЭСГ; отсутствие аппаратно-программных средств защиты БЭСГ от несанкционированного доступа;
необходимость демонтажа уже установленных счетчиков газа и воды для установки блока электронного счетчика газа с целью автоматизации учета расхода.
3
Отметим, что в настоящее время практически все механические счетчики газа и воды производятся с учетом требований систем автоматизированного учета расхода газа и воды, поэтому счетчики имеют встроенные в младший разряд счетного механизма счетчика магнитные вставки, которые могут быть использованы для преобразования оборотов диска в импульсы пропорционально расходу газа (воды) с точностью 0,001 м. Кроме того, современные абонентские счетчики электрической энергии построены на микроконтроллерах и снабжены беспроводными интерфейсами связи и имеют расширенные коммуникационные и функциональные, которые могут быть использованы и для решения задач считывания учетной информации с электронных приставок к механическим счетчикам газа и воды.
3
В связи с этим задача, решаемая полезной моделью, направлена на создание электронной приставки (ЭП) к механическим счетчикам газа и воды, которая устанавливается в специальное гнездо на внешней стороне корпуса счетчиков газа (воды) без их демонтажа и предназначена для преобразования магнитного воздействия на датчик Холла от магнитной вставки, встроенной в младший разряд счетного механизма счетчика газа (воды). Сигнал от датчика Холла может быть использован для преобразования количества оборотов диска в импульсы пропорционально расходу газа (воды) с точностью 0,001 м. Для подсчета количества импульсов, их предварительной обработки, хранения и передачи по радиоканалу в ЭП имеется микромощный микроконтроллер с автономным (аккумуляторным) источником питания и со встроенным радиомодемом.
Основным недостатком ЭП, при использовании ее как законченного прибора построения ЕАС, являются ограниченные возможности по питанию (аккумулятор) и небольшой радиус действия радиомодема для обмена данными с ЕАС. Поэтому, в проекте предложен вариант использования АСЭЭ с расширенными коммуникационными возможностями для съема учетной информации с ЭП и передачи этой информации в ЕАС. Кроме того, АСЭЭ не имеет такие жесткие требования к энергопотреблению, что позволит организовать на базе АСЭЭ самоорганизующиеся ячеистые сети, на основе которой можно построить ЕАС и сразу решить проблемы автоматизированного учета энергопотребления, учета расхода газа и воды. Причем в ЕАС могут быть интегрированы и уже установленные механические счетчики газа и воды без их демонтажа, так как ЭП устанавливается с внешней стороны корпуса счетчиков, что позволит существенно сократить расходы на автоматизацию, эксплуатацию, повысит живучесть и снизит стоимость системы.
Технический результат, достигаемый предлагаемой полезной моделью, заключается в реализации поставленной задачи путем:
обеспечения преобразования магнитного воздействия на датчик Холла от магнитной вставки, встроенной в младший разряд счетного механизма счетчика газа (воды);
обеспечения предварительной обработки учетной и служебной;
использования функциональных и коммуникационных возможностей абонентского счетчика электрической энергии, у которого отсутствуют жесткие ограничения на энергопотребление по питанию и который устанавливается близко к счетчикам газа и воды у одного того же абонента;
обеспечения возможности обнаружения внешних электромагнитных воздействий на датчик Холла с целью искажения информации;
обеспечения возможности интегрирования уже установленных счетчиков газа и воды в ЕАС без их демонтажа;
повышении удобства эксплуатации счетчика за счет обеспечения возможности бесконтактного дистанционного съема учетной информации с счетчика газа (воды);
снижения стоимости единой автоматизированной системы по учету электроэнергии, расхода газа и воды за счет уменьшения эксплуатационных расходов и сроков разработки и внедрения.
3
Поставленная задача решается тем, что блок электронный счетчика газа, включающий вычислительный блок, источник питания гальванического типа, отличающийся тем, что в отличие от аналогов выполнен с возможностью введения учета расхода газа (воды) и сохранения показаний в вычислительном блоке (ВК) с аналого-цифрового преобразователя, на аналоговый вход которого подключен выход аналогового датчика Холла, предназначенного для преобразования магнитного воздействия от магнитной вставки, встроенной в младший разряд счетного механизма счетчика газа (воды), в электрический сигнал, который обрабатывается ВК и преобразуется в количество импульсов, пропорциональных расходу газа или воды (один импульс равно 0,001 м), а цифровые выходы АЦП подключены к цифровым входам ВБ, на цифровые выходы которого подключены цифровые входы радиомодема, предназначенного для обмена данными с абонентским счетчиком электрической энергии (АСЭЭ), включенным в состав единой автоматизированной системы (ЕАС) по учету энергопотребления, расхода газа и воды; защиты информации от искажения посредством датчика несанкционированного доступа, выход которого подключен к входу ВК; индикации работы устройства точечным индикатором, подключенным к выходу ВК; обеспечения питанием устройства гальваническим элементом, выход которого подключен ко всем блокам шины питания.
Дополнительные отличия состоят в том, что
в частных случаях электронная приставка реализована на модуле Е70-868T14S2 на микросхеме CC1310F128RGZR и с возможностью взаимодействия с АСЭЭ по радиоканалу;
для защиты учетной информации от искажения или уничтожения использованы датчик Холла, реализованный на схеме DRV5055A1QLPG фирмы Texas Instruments, и датчик несанкционированного доступа, реализованный на тактильной кнопке SMD TD-02XA (DTSM-32N) фирмы Wealth Metal Factory.
Основная идея полезной модели ЭП заключается в использовании функциональных и коммуникационных возможностей абонентского счетчика электрической энергии (АСЭЭ), который устанавливается у потребителя электроэнергии, и предназначенного не только для учета энергопотребления, но и для съема учетной информации по радиомодему с механических счетчиков расхода газа и воды, которые будут снабжены электронными приставками (ЭП), построенными на датчике Холла и на микромощном микроконтроллере со встроенным радиомодемом.
Использование АСЭЭ в качестве ведущего устройства сбора учетной информации с ЭП к механическим счетчикам газа и воды позволит существенно сократить расходы на автоматизацию учета, решит проблему ограничений на энергопотребление ЭП, так как микромощный микроконтроллер ЭП со встроенным радиомодемом, в основном, находится в режиме энергосбережения, ведет только подсчет импульсов и периодически сохраняет их в энергонезависимой памяти, а передача осуществляется по запросу от АСЭЭ по радиоканалу не чаще одного раза в сутки.
Состав встроенных в АСЭЭ интерфейсов связи [1-3] - беспроводных в виде радиоканала, GSM-модема и проводных RS-485(CAN) и PLC-модема обеспечивает расширенный диапазон интегрирования АСЭЭ в ЕАС (практически во все существующие и вновь создаваемые ЕАС), причем с использованием одновременно не менее двух интерфейсов связи, что способствует повышению надежности связи и достоверности передаваемых данных. Такой подход позволяет существенно расширить возможности интеграции АСЭЭ в комплексе с ЭП в ЕАС, так как установка ЭП к механическим счетчикам газа и воды не требует демонтажа уже установленных механических счетчиков, повысить надежность сети обмена данными и, соответственно, достоверность учетных данных. Кроме того, разработка и внедрение одной ЕАС по учету энергопотребления, расхода газа и воды позволит многократно снизить расходы на разработку ЕАС с тремя независимыми базами данных по расчетам и общей базой данных абонентов, что также сократить расходы на обслуживание и эксплуатацию системы в целом.
На представленном чертеже (фигуре) дана структурная схема предлагаемой электронной приставки.
Предлагаемая электронная приставка содержит вычислительный блок 1, аналоговый датчик Холла 2, предназначенный для преобразования магнитного воздействия от магнитной вставки, встроенной в младший разряд счетного механизма счетчика газа (воды) в электрический сигнал, АЦП 3, который преобразует аналоговый сигнал с выхода датчика Холла в цифровой код, этот код поступает на вычислительный блок и обрабатывается им программно для подсчета количество оборотов счетного механизма с магнитной вставкой и формирования признака несанкционированного воздействия при наличии внешних электромагнитных воздействий на датчик Холла с целью искажения учетной информации, а защита от несанкционированного доступа к элементам ЭП производится посредством датчика несанкционированного доступа 4 (ДНС 4), подключенного к ВБ1, ВБ1 фиксирует признак несанкционированного доступа в энергонезависимой памяти, сохраняет показания, дату и время доступа, и по запросу от АСЭЭ передает эту служебную и учетную информацию по радиомодему 5, подключенному к цифровым выходам ВБ1, на один из выходов которого подключен точечный индикатор 6, который начинает мигать во время передачи данных по радиомодему; питание всех схем ЭП обеспечивается гальваническим элементом 7.
Вычислительный блок 1 с подключенными к нему радиомодемом 5 и АЦП 3, может быть реализован на модуле E70-868T14S2, который содержит микроконтроллер CC1310F128RGZR фирмы Texas Instruments, к аналоговому входу которого подключен аналоговый датчик Холла 2, к цифровому входу - датчик несанкционированного доступа 4, а к цифровому выходу - точечный индикатор 6 (светодиод), шины всех схем ЭП подключены по шинам питания к гальваническому элементу 7. Датчик Холла 2, предназначенный для преобразования внешнего магнитного воздействия в аналоговый электрический сигнал, может быть реализован на схеме DRV5055A1QLPG фирмы Texas Instruments. Датчик несанкционированного доступа может быть реализован, например, на тактильной кнопке SMD TD-02XA (DTSM-32N) фирмы Wealth Metal Factory
Изготовление предлагаемой ЭП не требует значительных капитальных финансовых вложений. Его производство может быть налажено на имеющихся производственных площадях с использованием универсального оборудования и широко известных и общедоступных комплектующих изделий. При этом на существующем в настоящее время рынке сбыта устройств учета и газа и воды имеется большой спрос на цифровые счетчики с достигаемыми при реализации полезной модели характеристиками.
Список источников информации
1. Магомедов И.А., Курбанов Д.С., Магомедов А.И. и др. / Цифровой счетчик электрической энергии с дистанционным управлением / Патент РФ на полезную модель №152096, опубликовано: 10.05.2015 Бюл. 1315
2. Магомедов И.А., Курбанов Д.С., Магомедов А.И. и др. // Многоабонентский цифровой счетчик электрической энергии с дистанционным управлением / Патент РФ на полезную модель №152097, опубликовано: 10.05.2015 Бюл. №13.
3. Магомедов И.А., Курбанов Д.С., Магомедов А.И. / Трехфазный балансовый счетчик электрической энергии с дистанционным управлением / Патент РФ на полезную модель 186740, Опубликовано: 31.01.2019, Бюл. №4.