автоматизированная система учета и контроля электроэнергии

Формула изобретения

Автоматизированная система контроля и учета электроэнергии, содержащая центральный процессор с шиной последовательного интерфейса, N каналов счета оборотов диска по числу контролируемых счетчиков электроэнергии, выходы каналов соединены с информационными входами центрального процессора, отличающаяся тем, что каждый канал содержит блок формирования импульсов и детектор оборотов диска, блок формирования импульсов содержит мостовую выпрямительную схему, генератора импульсов оптического модулятора, передатчик импульсов, приемник импульсов, ждущий одновибратор, выходной усилитель, диск электросчетчика и двухпроводную шину питания, соединенные следующим образом: двухпроводная шина питания через мостовую выпрямительную схему и через генератор импульсов оптического модулятора соединена с передатчиком импульсов инфракрасного диапазона, оптически связанного через диск электросчетчика с приемником импульсов, который через выходной усилитель и мостовую выпрямительную схему соединен с двухпроводной шиной питания; каждый канал счета оборотов диска содержит детектор оборотов диска, который состоит из формирователя импульсов, преобразователя импульсов и счетчика импульсов, причем аналоговый вход/выход формирователя импульсов соединен с двухпроводной шиной питания, а ТТЛ-выход формирователя импульсов соединен через преобразователь импульсов с счетчиком импульсов, выход которого соединен с соответствующими информационным входом центрального процессора, выход последнего через шину последовательного интерфейса является выходом системы, а входами системы являются диски счетчиков электроэнергии.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике, в частности к индукционным счетчикам электроэнергии, и может быть использовано в автоматизированных системах контроля и учета энергоносителей, также может использоваться в счетчиках числа оборотов (тахометрах).

В настоящее время во всем мире имеется насущная необходимость автоматизированного сбора данных количества потребляемой электроэнергии как бытовых, так и промышленных счетчиков, причем устройство выдачи данных должно удовлетворять условиям применения, как во вновь разрабатываемых счетчиках для автоматизированных систем, так и для существующих счетчиков, составляющих абсолютное большинство во всех странах, включая Россию и СНГ.

Кроме того, автоматизированная система сбора данных может находиться на значительном удалении от контролируемых счетчиков (до единиц км), а сами устройства, встраиваемые в счетчики, должны работать от напряжения питания автоматизированной системы сбора данных, которое может выбираться из ряда +12В, +15В, +24В и т.д., передаваемое к устройству по двухпроводной линии питания, а импульсы счета от устройства должны передаваться на центральный процессор также по этой двухпроводной линии питания. Также очевидно, что устройства выдачи импульсов счета должны быть малогабаритны, обладать малой потребляемой мощностью и высокой помехоустойчивостью.

Общеизвестны бытовые и промышленные индукционные счетчики электроэнергии электромеханического типа, в которых количество потребляемой электроэнергии в кВт пропорционально числу оборотов диска, причем диск вращается за счет токов Фуко, а показания счетчика механического типа.

Недостатком данного счетчика является невозможность автоматического сбора данных (потребляемой энергии) с одного или нескольких счетчиков в единую автоматизированную систему контроля и учета энергоносителей. Сбор данных производится визуально, затем записывается вручную, затем только информация вводится в компьютер. Это требует много времени и средств и не исключает возможность ошибок.

Известна автоматизированная система контроля и учета энергоносителей типа "Ресурс", содержащая счетчик электроэнергии и устройство формирования импульсов, встроенное в счетчик (см. Автоматизированная система контроля и учета энергоносителей типа "Ресурс", издательство Энерготехника, г. Пенза, 1998 г.).

Недостатком данной системы является невозможность использования при различных напряжениях питания (для различных типов счетчиков используются разные напряжения питания: +12В, +24В и пр.), невозможность использования при длинных линиях связи.

Известны дифференциальные и абсолютные поворотные кодировщики, использующиеся в качестве датчиков, в том числе определяющих скорость оборотов вала (см. ж. ProSoft "Передовые технологии автоматизации", краткий каталог продукции, М., 2000 г., стр. 124), в которых специальным образом вырабатывается закодированное значение на каждое положение вала.

Недостатком данного устройства является сложность конструкци, высокие ГМХ, также требуется полная переделка конструкции счетчиков для установки кодировщика.

Известен точный твердотельный индустриальный счетчик электроэнергии, содержащий специализированную ИМС, объединяющую в одном корпусе програмные средства и аппаратные блоки, предназначенный для дистанционного считывания показаний (см. ж. СHIP news "Новости о микросхемах", Москва, а/я 100, С-Петербург, а/я 29, 7, 2000 г., стр. 44 - прототип).

Недостатками данного счетчика является необходимость кардинальной доработки конструкции существующих счетчиков, высокая аппаратурная сложность ИМС, необходимость независимого источника питания непосредственно в счетчике.

Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей за счет построения данного конструктива, возможности работы при различных номиналах питающих напряжений, малых ГМХ, возможности модернизации существующих счетчиков электроэнергии, также низкой потребляемой мощности и низкой погрешности.

Для решения поставленной задачи предлагается автоматизированная система контроля и учета электроэнергии, содержащая центральный процессор с шиной последовательного интерфейса, N каналов счета оборотов диска по числу контролируемых счетчиков электроэнергии, выходы каналов соединены с информационными входами центрального процессора, отличающийся тем, что каждый канал содержит блок формирования импульсов и детектор оборотов диска, блок формирования импульсов в свою очередь содержит мостовую выпрямительную схему, генератор импульсов оптического модулятора, передатчик импульсов, приемник импульсов, ждущий одновибратор, выходной усилитель, диск электросчетчика и двухпроводную шину питания, соединенные следующим образом: двухпроводная шина питания через мостовую выпрямительную схему и через генератор импульсов оптомодулятора соединена с передатчиком импульсов инфракрасного диапазона, оптически связанного через диск электросчетчика с приемником импульсов, который через выходной усилитель и мостовую выпрямительную схему соединен с двухпроводной шиной питания; каждый канал счета оборотов диска содержит детектор оборотов диска, который состоит из формирователя импульсов, преобразователя импульсов и счетчика импульсов, причем аналоговый вход/выход формирователя импульсов соединен с двухпроводной шиной питания, а ТТЛ-выход формирователя импульсов соединен через преобразователь импульсов с счетчиком импульсов, выход которого соединен с соответствующим информационным входом центрального процессора, выход последнего через шину последовательного интерфейса является выходом системы, а входами системы являются диски счетчиков электроэнергии.

На фиг.1 изображена структурная схема системы, на фиг.2 - принципиальная схема одного канала счета оборотов диска, на которых изображено: А, В, ... N каналы счета оборотов диска, 1 - блок формирования импульсов, 2 - детектор оборотов диска, 3 - генератор импульсов оптомодулятора, 4 - передатчик импульсов, 5 - приемник импульсов, 6 - ждущий одновибратор, 7 - мостовая выпрямительная схема, 8 - выходной усилитель, 9 - диск счетчика электроэнергии, 10 - преобразователь импульсов, 11 - формирователь импульсов напряжения, 12 - счетчик импульсов, 13 - центральный процессор с информационными входами А, В, . . . N и с шиной последовательного интерфейса; на ИМС D1 с периферией - генератор импульсов оптомодулятора 3, передатчик импульсов 4 и приемник импульсов 5, на ИМС D2 с периферией - ждущий одновибратор 6, на транзисторе VT1 с периферией - выходной усилитель 8, на малогабаритном импульсном трансформаторе (МИТ), резисторе R8 и диоде VD6 - формирователь импульсов 11, на ИМС D3 (триггер Шмидта) - преобразователь импульсов 10, на ИМС D4 (двоичный счетчик) - счетчик импульсов.

Указанные узлы и блоки представляют собой: ЦП 13 может быть выполнен на ИМС 80С196 КС, см. каталог фирмы Intel "EMBEDDED MICROCONTROLLERS and PROCESSORS", volumel, 1993 г.; генератор импульсов оптомодулятора 3 (D1) на ИМС КР 1446 ПС1, см. краткий каталог АО "Ангстрем", М., ОАО Ангстрем, 1999 г., стр. 22; приемники импульсов VD1 и VD3 - инфракрасные фотодиоды КДФ 111 ВЗ, каталог "Светодиодные индикаторы. Приборы инфракрасного диапазона", АО "Протон", г. Орел, 1999 г., стр. 13; передатчик импульсов VD2 - инфракрасный светодиод АЛ 161 Е2, каталог "Светодиодные индикаторы. Приборы инфракрасного диапазона", АО "Протон", г. Орел, 1999 г., стр. 12; ждущий одновибратор 6 на ИМС КР 1561 AГ1, каталог "Сектор электронных компонентов. Россия", Додека, М. , а/я 76, 1999 г., стр. 130; мостовая выпрямительная схема на диодном мосту B40C1500RD, Technical Catalogue, 98/99, Avnet electronics marketing, стр. 11; выходной усилитель 8, VT1 - транзистор КТ315В, справочник "Полупроводниковые приборы. Транзисторы малой мощности", М.: Радио и Связь, 1994 г., стр. 84; диск счетчика электроэнергии 9 - стандартный диск индукционных счетчиков; формирователь импульсов 11 на малогабаритном импульсном трансформаторе МИТ (может быть намотан вручную), резисторе R8 величиной 570 Ом и обычном выпрямительном диоде VD6 малой мощности; преобразователь импульсов 10 (D3) на триггере Шмидта ИМС К555ТЛ2, "Популярные цифровые микросхемы", изд. Металлургия, г. Челябинск, 1989 г., стр. 53; счетчик импульсов 12 (D4) на ИМС К155ИЕ4, "Популярные цифровые микросхемы", изд. Металлургия, г. Челябинск, 1989 г., стр. 86.

Двухпроводная шина данных служит для питания блока формирования импульсов 1 и одновременно для передачи импульсов от этого блока до детектора оборотов диска; информационные линии служат для связи счетчиков импульсов с центральным процессором (информационные входы А, В, ... N), шина последовательного интерфейса может быть выполнена по стандарту RS-232C и служит для передачи данных на печать и для связи с процессором более высокого уровня, принтером и пр.

Автоматизированная система контроля и учета электроэнергии содержит центральный процессор 13 с шиной последовательного интерфейса, N каналов счета оборотов диска 9 по числу контролируемых счетчиков электроэнергии, выходы каналов соединены с информационными входами ЦП; каждый канал содержит блок формирования импульсов 1, детектор оборотов диска 2; блок формирования импульсов 2 в свою очередь содержит мостовую выпрямительную схему 7, генератор импульсов оптического модулятора 3, передатчик импульсов 4, приемник импульсов 5, ждущий одновибратор 6, выходной усилитель 8, диск электросчетчика 9 и двухпроводную шину питания, соединенные следующим образом: двухпроводная шина питания через мостовую выпрямительную схему 7 и генератор импульсов оптомодулятора 3 соединена с передатчиком импульсов инфракрасного диапазона 4, оптически связанного через диск электросчетчика 9 с приемником импульсов 5, который через выходной усилитель 8 и мостовую выпрямительную схему 7 соединен с двухпроводной шиной питания; каждый канал счета оборотов диска содержит детектор оборотов диска 2, который состоит из формирователя импульсов 11, преобразователя импульсов 10 и счетчика импульсов 12, причем формирователь импульсов 11 аналоговым входом/выходом соединен с положительной шиной питания, ТТЛ-выход его через преобразователь импульсов 10 соединен со счетчиком импульсов 12, выходы которого соединены с информационными входами ЦП 13, выход последнего через шину последовательного интерфейса является выходом системы, а входами системы являются диски 9 счетчиков электроэнергии.

Автоматизированная система контроля и учета электроэнергии работает следующим образом. Нижняя сторона диска счетчика 9 окрашивается в черный цвет, кроме полосы от центра до края диска, которая должна быть окрашена в белый цвет и иметь ширину около 15 мм. При вращении диска 9 белая метка проходит над расположенными в линию, перпендикулярную метке, инфракрасным (ИК) светодиодом (VD2) и ИК фотодиодами (VD1, VD3), находящимися под диском. Светодиод (VD2) и фотодиоды (VD1 и VD3) расположены в следующем порядке: на одном конце отрезка находится фотодиод VD1, на другом - VD3, а между ними - светодиод VD2.

Передатчик импульсов на ИМС D1 вырабатывает импульсы, поступающие на ИК светодиод VD2. Во время прохождения белой метки над линейкой диодов VD1 и VD3 на ИМС D1 поступают отраженные от белой метки сигналы сначала с ИК фотодиода VD1, а затем - с VD3. Логика ИМС D1 построена таким образом, что при прохождении белой метки вырабатывает импульс только при вращении диска 9 в одну сторону, а также препятствует непрерывной генерации импульсов в случае остановки метки над линейкой диодов. Выходной импульс с приемника импульсов 5 также на ИМС D1 поступает на вход ИМС D2 (ждущий одновибратор 6), которая вырабатывает импульс заданной длительности. Выходной импульс ИМС D2 усиливается до требуемого уровня выходным усилителем 8, собранном на транзисторе VT1, включенном в ключевом режиме, и по линии питания +12В (+24В) нулевым сигналом поступает на схему формирования импульсов 11, собранную на резисторе R8, диоде VD6 и трансформаторе МИТ. Со вторичной обмотки трансформатора МИТ импульсы поступают на преобразователь импульсов 10, собранный на ИМС D3 (триггер Шмидта), который служит для улучшения фронтов импульсов и для приведения логического 0 и логической 1 на его выходе до стандартного ТТЛ-уровня, необходимого для нормальной работы счетчика импульсов 12 на ИМС D4 (двоичный счетчик), выходы которого соединены с соответствующим входом (в данном случае А) ЦП 13. С целью унификации схемы для двух напряжений питания 12В и 24В в схему введены две перемычки (джамперы) (ХЗ, Х5 и Х4, Х6). При их замыкании схема работает от 12В, а при размыкании - от 24В.

Диодный мост VD4 обеспечивает безразличие схемы к полярности подключения питания. Конденсатор С1 требуется микросхеме D1 для питания во время генерации импульса. Конденсатор С2 требуется для стабилизации питания во время генерации импульса. Стабилитрон VD5 предназначен для стабилизации напряжения питания микросхем D1 и D2. Резистор R1 ограничивает ток при работе от напряжения 24В. Резистор R2 совместно с резистором R3 ограничивает ток стабилитрона VD5 при работе от напряжения 24В. При работе от напряжения 12В включен только резистор R3. Резистор R4 служит для привязки базы транзистора VT1 к нулю. Резистор R5 задает длительность импульса ИМС D2 совместно с конденсатором С3. Резистор R6 является нагрузочным для микросхемы D1. Резистор R7 ограничивает ток ИК светодиода VD2. Резистор R8 и диод VD6 служат для образования импульса при открывании транзистора VT1. Малогабаритный импульсный трансформатор МИТ служит для гальванической развязки по питающему напряжению и согласования по уровню.

Территориально детекторы оборотов диска 2 находятся вне счетчиков электроэнергии, а питание их ИМС происходит от независимого источника (возможно совместно с питанием ЦП 13).

Данное построение системы удобно при включении счетчиков для сбора, контроля и учета электроэнергии целиком с подъезда или целого жилого дома, при этом легко учесть двойной тариф (дневной и ночной), кроме того, остаются механические показания каждого счетчика, а при кратковременных пропаданиях питания в ЦП 13 все показания сохраняются, т.к. можно применить энергонезависимое ОЗУ. Дополнительно каждая система обеспечивает возможность работы со старыми счетчиками (при небольшой доработке: блок формирования импульсов 1 имеет минимальные габариты и легко устанавливается в существующие конструкции индукционных счетчиков без переделки последних, кроме того, блок формирования импульсов 1 может быть выполнен на заказной БИС, что еще более улучшит удобство в эксплуатации).