Стенд тестирования приборов учета электроэнергии

Предлагаемая полезная модель относится к устройствам автоматизированного тестирования, в частности к системам тестирования программного обеспечения (ПО) приборов учета (ПУ) электроэнергии. Стенд для функционального тестирования ПО одно- и трехфазных ПУ позволяет проводить автоматизированное полное функциональное тестирование на реальном физическом устройстве без модификации его аппаратной части.
Известно изобретение «Программно-аппаратный стенд для диагностики цифровых и микропроцессорных блоков» [RU 2324967, опубликовано 20.05.2008, МПК G05B 23/02], содержащий компьютер с программным обеспечением, моделирующим функции формирования тестовых сигналов, сравнения тестовых сигналов с сигналами, формируемыми на выходах диагностируемого блока, визуализации и регистрации результатов контроля, а также блок дискретного ввода-вывода, содержащий подключенную к системной шине ISA компьютера схему сопряжения с шиной ISA по магистралям данных и управления. К шине подключена схема дешифрации адреса блока дискретного ввода-вывода, предназначенная для выбора порта схемы внешнего параллельного интерфейса, через который осуществляется обмен информацией между компьютером и диагностируемым блоком. При этом к схеме дешифрации подсоединены схемы внешнего параллельного интерфейса и схема коммутации, предназначенная для направления передачи портов. Диагностируемые блоки подключены к компьютеру через переходные устройства, которые выполнены в виде шлейфа с разъемами для подключения диагностируемых блоков и блока дискретного ввода-вывода, а блок дискретного ввода-вывода обеспечивает работу стенда в режиме эмуляции реальных условий функционирования диагностируемых блоков.
Недостатком указанного решения является невозможность диагностики блоков цифровой обработки сигналов с аналого-цифровым преобразованием, поскольку тестовый сигнал на вход диагностируемых блоков может подаваться только в цифровом виде.
Известно изобретение «Комплекс отладки» [RU 2448363, опубликовано 20.04.2012, МПК G06F 15/00], содержащий управляющую вычислительную машину (УВМ), пульт управления и ЭВМ общего назначения, группу имитаторов входной информации, подключенных входами к ЭВМ общего назначения, а выходами - к УВМ, синхронизирующий выход которой подключен к синхронизирующему входу пульта управления, который через первую магистральную шину подключен к УВМ, а через вторую - к ЭВМ общего назначения, сигнальный вход которой объединен с управляющим входом УВМ и подключен к выходу пульта управления.
Такое построение обеспечивает стабильность и повторяемость результатов вычислений УВМ от «прогона» к «прогону», обеспечивает имитацию отказов путем формирования соответствующей входной информации, но требует предварительной подготовки массивов входной имитирующей информации и контрольных результатов для проверки с применением модели внешней среды (объекта управления) и алгоритмов управления, для чего создается отдельный моделирующий комплекс, что увеличивает сроки и стоимость отладки. Кроме того, такое этапное построение отладки позволяет вести проверку программ только в разомкнутом цикле, что снижает оперативность.
Известно изобретение «Комплекс автоматизации и визуализации тестирования встроенного программного обеспечения электронных устройств» [RU 2678717, опубликовано 30.01.2019, МПК G06F 11/36], состоящий из единой среды написания, редактирования и выполнения тестов, моделей функциональных устройств, осуществляющих взаимодействие с электронным устройством со встроенным ПО посредством плат расширения, базы данных, средств автоматизированного анализа информации и заполнения базы данных.
Известно изобретение «Комплекс тестирования программного обеспечения электронных устройств» [RU 2729210, опубликовано 05.08.2020, МПК G06F 11/36, G06F 16/27], которое является развитием изобретения по патенту RU 2678717 и включает аппаратуру ввода/вывода; сервер хранения тестов; единую программную среду, содержащую средства написания, редактирования и выполнения тестов, средства анализа и обработки информации, средства визуализации данных и сущностей, средства управления хранением тестовых наборов и их подключения в состав комплекса на любом этапе тестирования, средства динамической реконфигурации и управления, общего буфера в ОЗУ для взаимодействия подключаемых моделей и произвольную их реконфигурацию, средства защиты и восстановления комплекса; модели функциональных устройств, содержащие блок конфигурации, блок взаимодействия с электронным устройством, блок моделирования, блок визуализации состояния; базу данных; средства автоматизированного анализа и заполнения базы данных; единая программная среда содержит таймер синхронизации, связанный со средствами анализа и обработки информации и со средствами написания, редактирования и выполнения тестов; модели функциональных устройств содержат блок установки событий, связанный со средствами написания, редактирования и выполнения тестов, и блок генерации событий, связанный с таймером синхронизации.
Общим недостатком данных решений является их ограниченное применение для тестирования встроенного программного обеспечения электронных устройств с техническими условиями (ТУ) обработки событий (отдельных или в совокупности) в виде внешних физических воздействий на электронное устройство, например: температурное, магнитное, высокочастотное электромагнитное или выход за пороги питающего напряжения и др.
Известно изобретение «Устройство автоматизированного тестирования параметров аналоговых, аналого-цифровых, цифроаналоговых и цифровых изделий» [RU №2447475, опубликовано 10.04.2012, МПК G05B 23/00], содержащее модульную тестовую установку (МТУ), состоящую из модулей источников питания, модулей переключателей, модулей выдачи и модулей приема аналоговых и цифровых сигналов, подключенных к внутренней шине МТУ, встроенную ЭВМ, управляющую модулями по внутренней шине МТУ, и тестируемое изделие, отличающееся тем, что дополнительно введен интерфейсный модуль с аппаратно-программным комплексом согласования МТУ и тестируемого изделия, интерфейсный модуль содержит первую группу стандартных разъемов для подключения к модулям МТУ и вторую группу стандартных и нестандартных разъемов для подключения к тестируемому изделию, при этом входы и выходы модулей МТУ соединены кабелями с входами и выходами с помощью стандартных разъемов первой группы интерфейсного модуля, а тестируемое изделие при помощи стандартных и нестандартных разъемов и кабелей подсоединено к входам и выходам второй группы интерфейсного модуля.
Недостатком данного решения является их ограниченное применение для тестирования электронных устройств, для которых, согласно ТУ, есть техническое требование обработки событий в виде внешних физических воздействий на электронное устройство, например, температурное, магнитное или высокочастотное электромагнитное.
Известна полезная модель «Устройство для группового контроля счетчиков электроэнергии» [RU №103402, опубликовано 10.04.2011, МПК G01R 31/00], содержащее один персональный компьютер для всего устройства, к которому подключены рабочие места контроля счетчиков электроэнергии. Каждое рабочее место контроля счетчиков электроэнергии содержит источник испытательных сигналов, объединяющий источники испытательного тока и испытательного напряжения без общих электрических цепей и без блока соединений. К источнику испытательных сигналов подключен рабочий счетчик контроля, выполняющий функции эталонного счетчика, далее эталонный счетчик, и место подключения тестируемых счетчиков. Работа данной структуры обеспечивается непосредственными связями: источника испытательного напряжения с местом подключения тестируемых счетчиков электроэнергии, источника испытательного напряжения совместно с источником испытательного тока с эталонным счетчиком, который в свою очередь подключен к месту подключения тестируемых счетчиков электроэнергии и источника испытательных сигналов с эталонным счетчиком.
Однофазные и трехфазные приборы учета электроэнергии являются средством измерения, предназначенными для измерений электрической энергии, имеют нормированные метрологические характеристики и реализуют основную метрологическую функцию - определение количества активной и (или) реактивной электрической энергии, прошедшей через него в данный промежуток времени к месту потребления электроэнергии. Современные микропроцессорные ПУ также реализуют дополнительные функции обработки событий о внешних воздействиях, о событиях в силовых измерительных цепях, о событиях мониторинга параметров измерительных цепей, причем некоторые, например, вскрытие крышек и воздействие внешним магнитным полем уже являются обязательными. Кроме того, ПУ имеют интерфейсы для связи с внешними устройствами, наиболее популярными из которых являются: оптический порт, RS-485, радиоканал, ZigBee, GSM и PLC (передача по электрическим проводам), причем, оптический порт и RS-485 являются обязательными. Недостатком устройства по патенту RU №103402 является отсутствие возможности тестирования интерфейсов счетчика и обработки событий о внешних воздействиях. Исходя из вышеприведенных недостатков, в основу настоящей полезной модели поставлены задачи, которые следуют из необходимости его применения для тестирования современных микропроцессорных ПУ электроэнергии, следующие:
- определение метрологических параметров ПУ;
- фиксация ПУ событий о внешних физических воздействиях;
- информационное взаимодействие ПУ с внешними устройствами.
Техническим результатом предлагаемого решения является реализация заявленной полезной моделью указанного назначения и поставленных задач:
- подача на силовые цепи тестируемого ПУ активной и реактивной, прямой и обратной порций электроэнергии с изменяемыми параметрами;
- воздействие на тестируемый ПУ высокочастотным электромагнитным полем, постоянным магнитным полем, температурным воздействием и механическими воздействиями в виде вскрытие корпуса и крышки зажимов;
- информационное взаимодействие с тестируемым ПУ по интерфейсам RS-485, радиоканал, ZigBee, GSM, PLC и через оптический порт.
Технический результат достигается тем (сущность предлагаемой полезной модели), что стенд тестирования приборов учета электроэнергии содержит, подключенные к портам коммутатора Ethernet, прецизионный источник фиктивной мощности, устройство управления стендом ТС/ТУ, конвертер-модем RS232/Ethernet, конвертер-модем Радиоканал/Ethernet с антенной, конвертер-модем PLC/Ethernet, конвертер-модем ZigBee/Ethernet с антенной, конвертер-модем RS485/Ethernet и конвертер-модем GSM/Ethernet с антенной, при этом, прецизионный источник фиктивной мощности своими выходами подключен к штатным измерительным клеммам тестируемого ПУ, к каналам ТС/ТУ устройства управления стендом ТС/ТУ подключены нагреватель, источник постоянного магнитного поля, источник ВЧ-сигнала, механизм имитирующий вскрытие крышки корпуса, механизм имитирующий вскрытие крышки зажимов и цепь определения физического состояния реле, к конвертеру-модему RS232/Ethernet подключено оптическое устройство сопряжения, конвертер-модем PLC/Ethernet подключен к контактам PLC тестируемого ПУ, конвертер-модем RS485/Ethernet подключен к контактам RS485 тестируемого ПУ, коммутатор Ethernet подключен к внешней Ethernet сети, к которой подключена внешняя ЭВМ, управляющая стендом.
На фиг. 1 представлена блок-схема стенда тестирования приборов учета электроэнергии. Прецизионный источник фиктивной мощности (1), который своими выходами подключен к штатным измерительным клеммам тестируемого ПУ (17) и предназначен для тестирования метрологических параметров ПУ. Устройство управления стендом ТС/ТУ (2) предназначено для управления имитаторами внешних физических воздействий: установка температурного порога нагревателя (4), управление уровнем мощности источника постоянного магнитного поля (5), управление уровнем электромагнитного излучения источника ВЧ-сигнала (6), управление внешними электромеханическими реле - механизм имитирующий вскрытие крышки корпуса (7), управление внешними электромеханическими реле - механизм имитирующий вскрытие крышки зажимов (8) и цепь определения физического состояния реле (9). Оптическое устройство сопряжения (10) с конвертером-модемов RS232/Ethernet (11) и конвертер-модем RS485/Ethernet (15) образуют основные каналы обмена данными с тестируемым ПУ (считывание показаний, считывание протоколов, установка параметров ПУ, перепрограммирование ПУ). Конвертер-модем PLC/Ethernet (12) состоящий из PLC модема сопряженного с Ethernet преобразователем и предназначен для проверки двухстороннего обмена с тестируемым ПУ по проводному каналу PLC. Конвертер-модем Радиоканал/Ethernet (12) с антенной, конвертер-модем ZigBee/Ethernet (14) с антенной и конвертер-модем GSM/Ethernet (16) с антенной предназначены для проверки двухстороннего обмена с тестируемым ПУ по соответствующим беспроводным каналам связи. Устройства 1, 2, 11-16 подключены (каждое устройство к своему порту) к много портовому коммутатору Ethernet (3), который подключен к внешней (корпоративной) Ethernet сети. К внешней Ethernet сети подключена внешняя управляющая ЭВМ (18), в которую загружены штатные программы управления устройствами 1, 2, 3 и 17, а также разработанная программа тестирования.
Стенд работает следующим образом. Производится установка тестируемого ПУ (18) на стенд с открытыми крышками зажимов и корпуса. Подключаются выводы механизмов имитирующих вскрытие крышки зажимов и крышки корпуса (8 и 7) к датчикам вскрытия крышки зажимов и крышки корпуса ПУ, соответственно. Подключаются выводы конвертеров-модемов (13 и 15) к информационным входам PLC и RS485 ПУ, соответственно. Выходы источника фиктивной мощности (1) подключаются к измерительным клеммам ПУ, причем, электрический контакт с силовыми цепями источника (1) осуществляется штатно, как указано производителем в руководстве по эксплуатации тестируемого ПУ. Коммутатор Ethernet (3) подключается к внешней (корпоративной) Ethernet сети, к которой подключена внешняя управляющая ЭВМ (18) с программой тестирования и штатными программами управления устройствами 1, 2, 3 и 17. Первоначально проверяется работоспособность ПУ вести накопление активной энергии, обмениваться информацией по интерфейсу RS485 и регистрировать вскрытие крышки корпуса. Для этого с ЭВМ (18) производится: настройка источника (1) на подачу на ПУ порции активной энергии при номинальном напряжении; подача на датчик вскрытия крышки корпуса ПУ через механизм (7) сигналов «вскрыта» и «закрыта»; считывание по интерфейсу RS485 накопленной активной энергии и журнала событий из ПУ, а также визуальное считывание показаний накопленной активной энергии с индикатора ПУ. После проведения данных операций сравнивается поданная и накопленная в ПУ активная энергия и наличие событий «вскрыта» и «закрыта» и времени их фиксации. Если события зафиксированы правильно и разница поданной и накопленной энергии соответствует классу точности ПУ, то ПУ работает. Для установки оптического устройства (10) от датчика вскрытия крышки корпуса отключается механизм (7), и устанавливается крышка корпуса с оптическим устройством (10) и проводится тестирование ПУ включающее метрологические испытания и функциональное тестирование. При проведении метрологических испытаний и измерений на силовые цепи тестового прибора подаются порции энергии (активная и реактивная, прямая и обратная), и проверяется точность накопления этой энергии при различных параметрах питающей сети. Источник (1) имеет возможность задания чередования фаз с различными углами фазных напряжений. Причем уровни фазных токов и напряжений источника мощности устанавливаются независимо друг от друга. Продолжительность накопления энергии может быть различной и определяется методиками проведения метрологических испытаний. Одновременно с метрологическими испытаниями осуществляется в любое фиксируемое время включение и отключение внешних воздействий на ПУ: нагреватель (4), источники (5 и 6), механизм (8) и цепь (9), причем возможно одновременно и независимо от состояния остальных датчиков. Также одновременно с метрологическими испытаниями и испытаниями на внешние воздействия осуществляется считывание показаний через оптическое устройство сопряжения (10), по интерфейсу RS485, по каналу PLC, по сети GSM и считывание протоколов событий по радиоканалу и по ZigBee. В ЭВМ (18) ведется протокол инициированных внешних воздействий с указанием времени включения и отключения и его сравнение с протоколом событий зафиксированных ПУ.
Заявляемое устройство может быть реализовано на основе следующих устройств: в качестве источника 1 может быть использован прибор CMC 256plus (https://ekra.nt-rt.ru/images/manuals/CMC 256.pdf), выпускаемый интернациональной компанией «OMICRON»; в качестве устройства 2 может быть использован модуль ввода-вывода МИР МВ-01 (https://mir-omsk.ru/products/extension-unit-mirmv01/), изготавливаемый ООО «НПО «МИР»; в качестве коммутатора 3 может быть использован управляемый коммутатор TP-Link Omada TL-SG3210 (https://telecom-sales.ru/product/tp-link-tl-sg3210/). Все источники внешних воздействий управляются дискретно каналами телеуправления (ТУ) устройством управления стендом 2. Нагреватель 4 представляет собой локальный нагреватель, позволяющий нагревать небольшую площадь на плате ПУ или непосредственно сам измеритель температуры ПУ до заданной температуры, для этого в нагревателе 4 предусмотрен механизм отключения нагрева при достижении заданной температуры. Источник постоянного магнитного поля 5 представляет собой электромагнит, включаемый дискретно и позволяющий имитировать воздействие постоянным магнитом на измерительные цепи прибора учета. Источник ВЧ-сигнала 6 представляет собой управляемый генератор ВЧ-сигнала, включаемый дискретно и позволяющий имитировать воздействие внешним высокочастотным электромагнитным полем на ПУ. Для имитации механического воздействия, а именно вскрытия крышки корпуса 7 ПУ и вскрытия крышки зажимов 8, предусмотрены механизмы воздействия на механические датчики прибора учета, регистрирующие вскрытие крышки корпуса и крышки зажимов. Цепь определения физического состояния реле 9 реализуется непосредственным подключением выхода реле к входу телесигнализации (ТС) устройства управления стендом 2, что позволяет определить физическое состояние реле 9 ПУ. Для функционального тестирования каналов связи прибора учета в составе стенда имеются интерфейсы аналогичные, используемые в ПУ: оптический порт, радиоканал, PLC, ZigBee, RS-485 и GSM. Все интерфейсы имеют конвертеры-модемы для преобразования физических и логических протоколов в стандарт Ethernet. Такое решение позволяет вносить модификации в интерфейсах связи без изменений вышележащих протоколов управления стендом.
Полезная модель была опробована на предприятии, разрабатывающем и выпускающем электронные счетчики электроэнергии, с целью тестирования заявленной функциональности счетчиков различных моделей и исполнений.
При выборе устройств для реализации стенда учитывалась возможность использования выпускаемых предприятием изделий. Устройство управления стендом ТУ/ТС (2) реализовано двумя (с учетом наращивания количества используемых каналов ТУ/ТС) последовательно соединенными по каналу Ethernet модулями ввода-вывода МИР МВ-01. Конвертеры-модемы (12-16) Радиоканал/Ethernet, PLC/Ethernet, ZigBee/Ethernet, RS485/Ethernet и GSM/Ethernet реализованы путем использования модема-коммуникатора МИР МК-01 (https://mir-omsk.ru/products/concentrator-mirmk01a/), причем в стенде использовано два модема-коммуникатора МИР МК-01 разных исполнений для реализации в совокупности всех указанных в полезной модели конвертеров-модемов.
В качестве других составных частей стенда использованы следующие изделия: коммутатор Ethernet (3) использован DES-3010G D-Link, прецизионный источник фиктивной мощности (2) использовано устройство OMICRON CMC 256 plus, конвертер-модем RS232/Ethernet (11) реализует устройство NPORT 5210, к которому подключено оптическое устройство сопряжения (10), подключаемое к тестируемому счетчику. Все используемые изделия были размещены в подвижной открытой стойке и подключены, согласно требованиям по подключению устройств и в соответствии с блок-схемой (Фиг. 1). Внешнее подключение стенда осуществляется двумя кабелями с разъемами: кабель электропитания 220 В и кабель подключаемый к корпоративной сети Ethernet.
Проверка стенда по его применению для тестирования микропроцессорных ПУ электроэнергии на предмет определения метрологических параметров, фиксации событий о внешних физических воздействиях и информационного взаимодействия с внешними устройствами показало сокращение времени тестирования за счет одновременного тестирования метрологии, информационных каналов и внешних воздействий.