20
Principiul arhitectural al sistemului inteligent de monitorizare a consumului de energie Introducere Sistemul inteligent de monitorizare a consumului de energie este proiectat in general pentru Spitalul Regional Orhei. Sistemul reprezinta o achizitie a datelor obtinute in urma masurarilor a contoarelor instalate dupa cerintele supuse in cadrul proiectarii. Monitorizarea datelor masurate are loc cat manual cu echipament de citire conectat direct la contor, cat si automatizat prin intermediul conectarii software la echipament cu ajutorul tehnologiei ZigBee. Astfel este propus un soft specializat pentru stocarea, manipularea cu datele contoarelor si analiza lor. Astfel a fost preconizat de a fi luate masurari a energiei temice furnizate de catre reteaua de termoficare (centrala termica) si a consumului de apa menajera la fiecare cladire in parte. 1.Contoare Pentru un sistem automatizat de monitorizare a consumului de energie electrica, termica, apa calda, apa rece, folosim o retea de contoare de firma Kamstrup. Pentru masurarea si dirijarea datelor masurate folosim urmatoarele modele de contoare: Kamstrup Multical 62 MULTICAL 62 este un contor ultrasonic utilizat la masurarea consumului de apa rece (0.1...50° C) sau de apa calda (0.1...90°C) pentru utilizatorii casnici si industriali. Contorul ultrasonic nu include parti mecanice in miscare, ceea ce inseamna ca nu se uzeaza in timp, prelungindu-se astfel durata de viata a contorului, in mod considerabil. Debitul de apa vehiculat este masurat utilizand tehnica ultrasonica ce are la baza metoda de masurare a timpului de tranzit. Toate masuratorile, citirile si calculele sunt controlate de un microprocesor aflat in capacul calculatorului. Contorul poate inregistra pierderile si consumul

descrierea ZigBee

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: descrierea ZigBee

Principiul arhitectural al sistemului inteligent de monitorizare a consumului de energie

Introducere

Sistemul inteligent de monitorizare a consumului de energie este proiectat in general pentru Spitalul Regional Orhei. Sistemul reprezinta o achizitie a datelor obtinute in urma masurarilor a contoarelor instalate dupa cerintele supuse in cadrul proiectarii. Monitorizarea datelor masurate are loc cat manual cu echipament de citire conectat direct la contor, cat si automatizat prin intermediul conectarii software la echipament cu ajutorul tehnologiei ZigBee. Astfel este propus un soft specializat pentru stocarea, manipularea cu datele contoarelor si analiza lor.

Astfel a fost preconizat de a fi luate masurari a energiei temice furnizate de catre reteaua de termoficare (centrala termica) si a consumului de apa menajera la fiecare cladire in parte.

1. Contoare

Pentru un sistem automatizat de monitorizare a consumului de energie electrica, termica, apa calda, apa rece, folosim o retea de contoare de firma Kamstrup. Pentru masurarea si dirijarea datelor masurate folosim urmatoarele modele de contoare:

Kamstrup Multical 62

MULTICAL 62 este un contor ultrasonic utilizat la masurarea consumului de apa rece (0.1...50° C) sau de apa calda (0.1...90°C) pentru utilizatorii casnici si industriali.

Contorul ultrasonic nu include parti mecanice in miscare, ceea ce inseamna ca nu se uzeaza in timp, prelungindu-se astfel durata de viata a contorului, in mod considerabil. Debitul de apa vehiculat este masurat utilizand tehnica ultrasonica ce are la baza metoda de masurare a timpului de tranzit. Toate masuratorile, citirile si calculele sunt controlate de un microprocesor aflat in capacul calculatorului. Contorul poate inregistra pierderile si consumul neprevazut de apa datorat unor posibile avarii de la rezervorul toaletei sau din instalatia sanitara.

Kamstrup Multical 602

MULTICAL 602 este un calculator de energie termica si de racire, care poate fi utilizat aproape cu orice tip de debitmetru cu iesire in impulsuri si perechi de senzori de temperatura in 2 sau 4 fire. Datorita preciziei sale de masurare, contorul va inregistra cu exactitate, pe perioada intregii sale durate de viata, consumurile si caracteristicile fluidului ce-l strabat. Costurile de intretinere nu exista, iar durata de viata foarte mare este o garantie pentru costuri de exploatare anuale minime.MULTICAL 602 este utilizat pentru masurarea energiei termice, de racire si combinate, incalzire/racire, in toate sistemele care utilizeaza apa ca agent termic, cu temperaturi cuprinse intre 2°C si 180°C - pentru incalzire si 2°C si 50°C - pentru racire.

Page 2: descrierea ZigBee

Kamstrup 382

Kamstrup 382 este un calculator de energie electrica. Are posibilitatea de a masura in diferiti valori de masură, si masoara curentul prin divizarea tensiunii. Acest calculator au o gama larga de tehnologii pentru comunicare. De obicei cele trei modele vin in configuratie standarta, cu posibilitati de a adauga modulele necesare, pentru comunicarea in retea cu alte echipamente de transmitere sau de citire. Astfel datele de la contor pot fi citite si manual, prin intermediul portului optic. Contoarele date au posibilitatea de a masura tensiunea pe toate fazele necesare, astfel si de inregistra perturbatiile magnetice, sabotaje. Aceste versiuni de echipament la fel pot fi utilizate in sisteme de masurare automate pentru facturare, analiza si contorizari inteligente.

Echipamentul Kamstrup are posibilitatea de a fi conectat la aparate de citire, moitorizare, sau de analiza, prin cablu ca precum si fara fir, cu o putere mare a undelor radio, GSM, GPRS, Wireless M-Bus, WiFi, ZigBee si Z-Wave.

Aceste calculatoare de masurare au posibilitatea de a fi completate cu o multime de module. In principiu, pentru sistemul de transmitere a datelor loggers o sa folosim portul fizic RS232, pentru conectarea fizica cu un microcontroller ZigBee, care v-a genera semnalul pentru transmitere catre concentrator.Metoda de conectarea fizica al portulului RS232 cu microcontrollerul ZigBee, reprezinta o procedura functionala si din privire economic avantajoasa.

2. Tehnologia ZigBee

Tehnologia ZigBee Smart Enery reprezintă o tehnologie de transmitere a datelor prin intermediul undelor radio la frecvențe joase. ZigBeeSE din anul 2009 reprezintă un standard principal folosit la interacțiunea echipamentelor ân ramura programului USA și UE cu referință la optimizarea cheltuielilor energiei Smart Grid. Care ne permite optimizarea timpului de conectare si de administrare la echipamentul aplicat in prestare de servicii.

Dece ZigBee?

ZigBee reprezintă unicul standart global de transmitere a datelor prin intermediul undelor radio, la frecvențe mici. Dezvoltarea stimulată a rețelelor ieftine de putere mică pentru monitoringul și dirijarea echipamentelor.

Aplicarea tehnologiei ZigBee pe teritoriul Republicii Moldova poate fi realizată fără procurarea licenței pe frecvența 2,4 GHz.

Această tehnologie fără fir este bazată pe reducerea (80%) a consumului de catre utilizatorul final.

Protocoalele deschise ZigBee, elaborate pe standardul IEEE802.15.4 pentru retelele private fara fir.

Posibilitatea integrarii in Internet prin intermediul GPRS sau prin conexiunea directa TCP/IP considerabil scad cerintele fata de canalul de transmitere a datelor si cheltuielile capitale la elaborarea sistemului de achizitie a datelor.

Page 3: descrierea ZigBee

3. Arhitectura Sistemului

Schema principiului de functionare a sistemului de transmitere a datelor ZigBee.

4. Automatic Monitoring System (AMS)

4.1 Functiile de baza a AMS

AMS trebuie să îndeplinească următoarele funcții:

- Măsurarea debitelor de apă, presiunii, consumului de energie;

- Colectarea și inregistrarea informației primare privind dezvoltarea procesului tehnologic;

- Afișarea informațiilor pe calculatorul utilizatorului în mape sinoptice, tabelele, diagrame;

- Prelucrarea informațiilor în conformitate cu algoritmii prestabiliti;

- Dezvoltarea și afișarea rapoartelor privind procesul tehnologic;

- Indicarea și înregistrarea tuturor cazurilor de urgenta;

- Apelurile catre Dispecer;

- Accesul securizat a utilizatorilor.

Toate aceste functii de manaagement al procesului tehnologic vor fi executate prin intermediul unui echipament (convertoare de frecventa). Dispecerul va trebui doar sa monitorizeze procesul 24/24.

Page 4: descrierea ZigBee

4.2Conceptia arhitecturei componentelor Arhitectura AMS prevede 5 nivele de structura verticala:

- Mijloace de măsurare primare;

- Automatele programabile;

- La nivel de comunicare (GPRS);

- Nivel de server;

- Nivel de utilizator;

Page 5: descrierea ZigBee

4.3 Specificatiile tehnice pentru Dispecerul Central. Serverul Software

4.3.1 Structura Sofware

Softul trebuie să fie de tip SCADA (Control de Supraveghere și Achiziție de Date) și va avea următoarele module:

- Dispeceratul central de achiziție a datelor la calculator;

- Prelucrarea datelor pentru afișarea și imprimarea rapoartelor de sinteză (software-ul care va permite beneficiarului de a schimba algoritmi de prelucrare a datelor);

- Afișarea datelor și cazurilor de urgență (al statiei de lucru);

- Achiziția de date de la echipamentele PS la computerul de dispecerat central.

Panela web de administrare a sistemei

4.3.2 PLC Serverul Central de Comunicare

Colectarea de date de la PLC PS se va face in mod ciclic prin intermediul conexiunii GPRS. Interogarea va fi realizata prin transmiterea unui semnal de la toate echipamentele PS, semnalul, de date transmis care va conține adresa ulterioara a echipamentelor SP.

Transmiterea datelor va fi predeterminata de programul PLC, astfel incit datele sa fie transmise in grupuri din partea echipamentelor.

Page 6: descrierea ZigBee

Software-ul pentru achiziția de date va rula de pe calculatorul central și va interoga fiecare echipament PS.

Periodicitatea de sesiuni de colectare a datelor:

- Pentru date PC - instalate la instalațiile tehnologice - intervalul dintre sesiuni, nu trebuie să depășească un minut;

- Pentru datele PS - 20 - o dată în 24 de ore.

Prin comanda din consola, va fi posibil să se verifice echipamentul PLC de la PS.

Software de pe server trebuie să efectueze sincronizarea in regim real de echipament PS, pentru a interoga dacă există o discrepanță de mai mult de 1 minut in raport cu timpul de pe server de la Dispeceratul Central.

În cazul unei defecțiuni tehnice , masurarile prin intermediul softului, trebuie sa fie prevazute pentru a nu impiedica transmiterea corecta a datelor prin intermediul undelor radio.

4.3.3 Procesarea Datelor

Softul de monitorizare trebuie sa fie pornit la Dispeceratul Central. Fiecare parametru trebuie să aibă următoarele caracteristici reglabile:

- Intervalul de mediare (minute);

- Valorile instantanee afișate (da / nu);

- Limitele de alarma superioare și inferioare (numere);

- Coeficienți de scalare liniari (Ax B, numerele A și B);

- Valoarea maxima a alarmei dintre cele doua citiri (număr);

- Numele parametrului (text);

- Unitatea de măsură afișata (text).

4.3.4 Colectarea Datelor

Modulul de stocare pe HDD vor fi procesate pentru o perioadă de cel puțin 14 luni și va oferi un acces limitat la baza de date. În prima zi a fiecărei luni va fi salvata o imagine backup a pe HDD al serverului.

Page 7: descrierea ZigBee

4.3.5 Afisarea datelor la statia de lucru a utilizatorului

Afisarea datelor privind statiile de lucru cu sistemul de operare Windows XP sau mai nou, se efectuează utilizând un browser web compatibil IE6, care va fi conectat la rețea prin intermediul calculatorului dispecer. Informațiile vor fi afișate cu ajutorul schemelor configurabile cu următoarele caracteristici:

- O imagine de fundal.

- Un număr de minimum 500 parametri fixate in baza de date.

- Un număr de minimum 500 link-uri către alte scheme.

Configurația schemelor va fi posibilă într-un modul de gestionare separat.

Vor fi disponibile următoarele informații suplimentare:

- Harta sinoptica;

- Schema tehnologică a fiecărui obiect;

- Alarmă de informații;

- Lipsa conexiunilor statice GPRS;

- Rapoarte predefinite pe o perioadă de timp aleasă de operator.

Datele afișate în mod implicit vor reprezenta date citite anterior, cu posibilitatea de a alegere și de afișa parametrii, ca evoluție grafică, pentru o perioadă de timp aleasă de operator, sau grafic va afișa cea mai recenta citire a parametrului actualizat, citite nu mai mult de 15 minute in urma.

Valorile indicate în diagrama incep cu zero, e necesara prezenta unitatii de timp al procesului de colectare a datelor si de a nu depinde de sistemul de operare al utilizatorului.

Page 8: descrierea ZigBee

4.3.6 AlarmeDacă, în timpul transmisiei de date, apare o problemă, pictograma reprezentata la PS, va

da de stire, după cum urmează:

- În cazul în care valorile tuturor parametrilor sunt în limite normale;

- Dacă valoarea parametrului este peste limite;

- Dacă nu există comunicare radio;

- Dacă este comunicarea GPRS, dar PLC nu răspunde.

Page 9: descrierea ZigBee

4.4 Echipamentul pentru procesarea, stocarea si afisarea datelor

Tabela 4-4 Lista echipamentelor

4.4.1 Proprietatile Hardware a serverului central

Echipamentul hardware de la Dispeceratul central (server) sunt furnizate de către furnizor, și este formată din calculator IBM PC compatibil cu monitor color, cu următoarea configurație și caracteristici tehnice minime:

- Cofiguratii de baza pe microprocesor standard INTEL - microprocesor Pentium IV 3 GHz Core2 Quad Extreme;- DDRAM PC 3200 2GB System memory;- standard communication interfaces: 4 COM, LPT, PS2, USB, LAN 1Gbps MB/s;- video interface with 3D accelerator hard-ware, minimum 128 MB memory;- audio recording interface for at least two telephone lines;- data storage: RAID HDD 500 GB, 7200 rpm, minimum access time;- DVD-RW 16X + 20 DVD9 BLANK;- 2 multimedia 19-inch LCD monitor (speaker and microphone);- Laser printer A4 alb/negru;- software Windows 2003 Server and Microsoft Office, licentiat;- operation period: 100%- perioada de garantie ≤ 12 luni.

4.4.2 Statia utilizatorului

Statiile de lucru ale utilizatorilor vor consta din calculator tip PC compatibil, având configuraţia şi următoarele caracteristici tehnice minimale:

Page 10: descrierea ZigBee

- Basic configuration based on standard INTEL microprocessors;- Microprocesor Pentium IV 3 GHz Core2 Quad Extreme;- DDRAM PC 3200 2GB System memory; - Standard communication interfaces: COM, LPT, PS2, USB, LAN 1Gbps MB/s;- Video interface with 3D accelerator hard-ware, minimum 128 MB memory;- Audio interface; - Data storage: RAID HDD 500 GB, 7200 rpm, minimum access time;- Multimedia 19-inch LCD monitor (speaker and microphone);- Laser printer A4 alb/negru;- Software Windows 2003 Server and Microsoft Office, licensed;- Operation period: 100%;- Perioada de garantie – nu mai putin de 12 luni.

4.5 Specificatiile Tehnice pentru Echipamentul de colectare a datelor si PLC

4.5.1 Specificatiile Tehnice pentru PLC instalat la statiile tehniceTabela 3-5-1 Specificatiile Tehnice pentru PLC instalat la statiile tehnice

No. Echipament Cantitatea Comentarii

 1. PS PLC, inclusiv: 10  

GPRS modem

  Discrete Input (8DI) module  

  Discrete Output (8DO) module  

  Analog input (8AI) module  

Software de configurare

  Accesorii  

Echipamentul PLC trebuie sa fie instalat la statiile tehnologice si trebuie sa indeplineasca urmatoarele cerinte:

- Sa comunice cu PMM folosind interfata de transmisie PMM - Pentru fiecare echipament trebuie creata o retea locala pentru a comunica cu 2 alte

echipamente electronice folosind interfata de comunicare si protocoale propuse pentru beneficiar.

Page 11: descrierea ZigBee

- Sa transmita date pentru interogarea serverului de la dispeceratul central.- Sa fie cel putin 8 semnale analogice (0/4-20mA);- Sa fie cel putin 8 impulsuri de semnale (mai jos de 3 kHz);- Sa fie nu mai putin de 8 iesiri digitale;- Sa stocheze cazurile de prag a semnalelor;- Sa suporte 100% ciclul de lucru 24/24;- Sa fie protectat de supratensiune;- Sa lucreze fara erori la temperaturi de -10 ... 55 °C;- Sa fie gradul de protectie IP54;- Sa fie prevazute cu alimentare neintrerupta, cel putin 1 ora, in caz de deconectare a

tensiunii de (220V)- Sa fie echipate cu sursa de alimentare de 24V pentru un sensor analogic;- Sa fie Ceas de timp real (RTC) controller cu unitate independenta de alimentare;- Sa fie prevazute cu documentatie necesara si certificate de calitate pentru echipament;- Perioada de garantie nu mai putin de 12 luni.

4.5.1 Specificatiile tehnice de colectare a datelor de la echipamentul de masurare instalat la punctele finale

Tabela 3-5-3 Specificatiile tehnice de colectare a datelor de la echipamentul de masurare instalat la punctele finale

No. Echipament CantitateComentariu

3.Colector de date cu terminal radio la conexiunea finala a retelei 2

Terminalele radio trebuie sa mentina urmatoarele cerinte:

- Sa comunice cu PMM (radio-wireless) folosind interfata de transmisie PMM;- Sa transmita cereri spre server de la Dispecerul Central; - Sa functioneze fara erori la temperaturi de -16...+40oC;- Sa fie prevazuta functionarea timp de 3 ore in continuu, in caz de cadere de tensiune;- Sa fie documentatie tehnologica si certificarea calitatii echipamentului;- garantie minima 12 luni.

4.6 Transferul de date

4.6.1 PLC - PMM data transfer

Colectarea datelor de la intrările analogice și PMM se efectuează ciclic prin conectarea la fiecare PMM. Datele obținute vor fi stocate în raport cu date curente și istorice ale PS

Page 12: descrierea ZigBee

PLC.Interogarea va fi realizata prin transmiterea unui semnal PS PMM pentru toate echipamentele.

Secvența de achiziție a datelor de la PS PMM vor fi stabilite de către programul software. Software-ul de PS PLC va dobândi și păstra fișierele de date a PS PMM. Datele curente sunt transmise la serverul central la fiecare conexiune pentru verificarea masurarilor. Software-ul de PLC va dobândi și păstra consecutiv datele istorice într-un rând, cu un timp de istorie de cel puțin 40 de zile.

Datele din arhiva sunt transmise la dispeceratul central doar dupa cerere.

În cazul în care apar erori în colectarea datelor (comunicare, tensiune de alimentare) software-ul va raporta aceste erori pe computerul Dispeceratului central.

5. Caracteristicile functionale ale software.

Modul de achizitie a datelor

Achizitionarea datelor de la echipamentele instalate in retea pote fi administrate prin platforma web de administrare a statiei de colectare a masurarilor. Tehnologia Service Smart Energy Web-ZB (SSEW) reprezinta platforma web pentru formarea retelelor intelectuale de alimentare electrica(Smart Grid). Care sunt foarte larg intrebuintate in formarea uni sistem de prestare a energiei la fel ca si monitorizarea acesteia. Reteaua de achizitie a datelor reprezinta o retea de echipamente si produse soft cu ajutorul carora putem achizitiona datele masurate, si de a verifica starea functionala a aparatelor, cu o periodicitate de o data in luna, in saptamina, zi, ora. Tehnologia SSEW ne permite sa efectuam masurari, configurari la tot echipamentul instalat in retea, cat si la fiecare echipament in parte. Folosimd pentru aceasta canalele RF (IEEE802.15.4/ZigBee) cat si tehnologiile de transmisie radio GPRS,3G,4G,WiMAX, ce ne permite sa realizam toate cerintele necesare in termeni scurti si cu pierderi minime.

5.1 Descrierea tehnologiei SSEWTehnologia SSEW (Servic Smart Energy Web-ZB) reprezinta tehnologia ce are la baza achizitionarea datelor la distanta si controlul riguros al echipamentului, folosind astfel standardul ZigBee/IEEE 802.15.4, cu implementarea protocolului TCP/IP.

La prezent exista posibilitatea de a monitoriza urmatoarele sisteme intrebuintind tehnologia data:

- Sistemul de achizitie a energiei electrice cu controlul incarcarii “Smart Energy Web-ZB”- Sistemul de achizitie si control a alimentarii cu apa “Smart Water Web-ZB”- Sistemul de control a consumului de gaze “Smart Gaz Web-ZB”

Functiile principale a sistemului:- Achizitia, stocarea si transmiterea datelor de la echipamente(contoare).- Monitorizarea si controlul functionarii a sistemului.

Page 13: descrierea ZigBee

- Formarea datelor pentru convertarea lor in aplicatii.

5.2 Elementele de baza a sistemului Echipamentul “ZigBee” este destinat pentru conectarea fizica a ehipamentului (contorului) prin intermediul portului RS 232 si transformarea datelor in format digital pentru a fi transmise catre serverul central prin intermediul canalului radio 2,4GHz IEEE 802.15.4 . In dependenta de caracteristicile de iesire a ZigBee, distingem urmatoarele functii:

- Aplicarea de sinestatator a procedurii de prelucrare, tarificarea, stocarea datelor si convertarea lor in format digital

- Convertarea interfetei de comunicare

5.2.1 Gateway 802.15.4/ZigBeeEste elaborata o platforma de comunicare a retelei ZigBee si aplicatiile externe cu ajutorul conexiunilor directe TCP/IP, WiMAX, 3G sau GSM/GPRS. La elaborarea protocoalelor de comunicare ZigBee sunt alipite mecanisme de creare a retelei prin conectarea a diferitor PAN.

5.2.2 Platforma de acces prin IEEE 802.15.4

Platforma de acces IEEE 802.15.4 a fost elaborata pentru crearea Gateway-urilor utilizatorilor si pentru accesul la retea, format de echipamentele ce functioneaza cu standardul dat. Aceasta platforma 802.15.4 ne permite accesul la distanta la diferite sisteme. Pentru comunicarea mai eficienta se folosesc modulele XBee cu puterea de iesire de 1. 2. 75. 100 mW sau a modulelor ServBee-v2.1.1.1R. Platforma ne permite sa largim aria de functionare cu ajutorul retelelor cablate si retele fara fir TCP/IP.Principiile platformei:

- Comunicarea dintre doua elemente 802.15.4 (la fel si ZigBee)PAN impreuna- PAN ID1 – PAN ID2- PAN ID – GPRS(GSM), 3G,4G,WiMAX, Internet- Monitoringul la distanta si parametrizarea prin platforma web de administrare

5.2.3 Echipamentul XBeePentru a transmite datele achizitionate de la contor, este necesar un microcontroler XBee cu platforma de acces la tehnologia de transmitere a datelor prin intermediul undelor radio 802.15.4/ZigBee. Acest microcontroler are functia de a receptiona datele de la contor, de a le converta in format digital si la rindul lor de a le transmite spre serverul central.