Что-то на гиктаймс стало мало технических статей от независимых не новостных и не проплаченных авторов. Попробую исправить данную ситуацию и рассказать про то, как работают и из чего устроены автоматизированные системы коммерческого учета электроэнергии (АСКУЭ). А точнее про то, как создавалась одна из таких систем на отдельно взятом предприятии.
Советую относиться к статье как к будничным зарисовкам инженера с элементами отзывов на оборудование. В 2011 году занесло меня на работу на Север нашей родины, в леса да болота в одну из горнодобывающих компаний. Не буду рассказывать как и зачем я там оказался, название фирмы работодателя и что там вообще добывали, но именно тогда мне, начинающему инженеру айтишнику пришлось влезть в сферу автоматизации учета электроэнергии на производстве.
Что я увидел перед собой в самом начале?
На столе стоял пузатый 17 дюймовый «Flatron» и системный блок Celeron 800 с win xp + mssql и 1 гигом памяти — он же сервер, он же клиентский терминал для просмотра и распечатки (для дальнейшей передачи по факсу!) сведений по расходу электроэнергии.
7 умных счетчиков электроэнергии (5шт. Меркурий-230 и 2шт. Евро-Альфа А1600), подключенных через MoxaNPort — LAN to RS485 к отдельной сетевой карте а так же распечатка-инструкция по формированию запросов в базу данных для вытаскивания необходимых сведений.
Задача, которую мне поставили на первые 3 месяца испытательного срока:
- Оно должно стабильно работать в аппаратном плане в режиме 24 х 7.
- Нужны новые отчетные формы и автоматизация передачи отчетных показаний в энергосбытовую компанию.
- На последующее время, если дело пойдет быстро: Хотелось бы заменить абсолютно все аналоговые приборы учета, имеющиеся на предприятии — «умными», вести статистику потребления по отделам, видеть сводную информацию по нагрузке в различных цехах с точностью до получаса.
- Научиться планировать потребность в электроэнергии хотя бы на год, в соответствии с этим заказывать в энергоснабжающей организации лимит суточной мощности, чтобы не переплачивать зря за завышенные ожидания и в то же время не подвергаться штрафным санкциям при за потребление сверх заявленной мощности.
Первые шаги.
Сначала я читал, много читал, ползал по специализированным форумам, вникал в понятия АСКУЭ, RS-485, ModBus, разбирался в хитрой структуре базы, сформированной программой учета электроэнергии.
В то время был найден очень полезный блог, который дал большую часть начальных знаний.
Там же я нашел новую версию программы конфигурирования электросчетчиков Меркурий-230/234.
Что же такое АСКУЭ и как оно работает:
Для учета электроэнергии используются электронные счетчики, в каждом из них стоит свой микроконтроллер с часами реального времени, ячейками памяти (48 ячеек на сутки для получасовых усреднений потребленной мощности по 4 тарифным зонам на 90 -180 суток), цепями измерения и внешним интерфейсом (CAN, RS-485, оптопорт, GSM модем и пр).
Счетчик имеет разграничение по уровням доступа к данным внутри его памяти.
Первый уровень позволяет только считывать показания и вносить корректировку встроенных часов, но не более, чем на 5 секунд в течении суток.
Второй уровень дает возможность изменять дату и время, пароль первого уровня, свой пароль и самое главное — настраивать все внутренние параметры учета (тарифные расписания, коэффициент трансформации внешнего трансформатора тока и пр).
В итоге, в любой момент времени по запросу мы можем получить из прибора:
- Текущие показания (то, что обычно переписывают на бумажку в конце месяца);
- Показания с усреднениями за получасовые интервалы времени из внутренней памяти (90 — 180 суток);
- Текущую потребляемую мощность;
- Показания за любой день в пределах полугодичного интервала;
- Прочие параметры: фактическую частоту тока в электросети, уровень напряжения, силу тока в измеряемых цепях и пр.
Все приборы могут отдавать свои накопленные данные по запросу от сервера.
Счетчики (на шине RS-485) имеют адресацию от 1 до 254, как правило — адрес это 2-3 последние цифры серийника прибора, но его можно легко поменять. Соответственно на 1 физический порт RS-485 можно повесить до 253 устройств с разными адресами.
Также есть два служебных адреса 0 и 255, их занимать нельзя.
Линий RS-485 к которым подключаются устройства может быть сколько угодно много.
Программа опроса находится на сервере сбора данных. Она по заданному расписанию открывает порт, к которому подключены приборы учета и начинает слать пакет с запросом, потом делает паузу и получает пакет с ответом и так далее, пока не будут вычитаны все необходимые показания или пока не наступит очень длинная пауза и опрос не прервется из за потери связи.
Показания сразу же раскладываются в базу, согласно привязанным каналам контроля (на каждый прибор учета — 5 каналов: потребление активная и реактивная составляющая мощности, генерация активная и реактивная составляющая, опорные показания на начало месяца). По два направления на учет каждой составляющей мощности — из за того, что счетчики умеют считать в обе стороны, то есть в теории — по ним можно и продавать излишки электроэнергии, но на моей практике это не применялось. Хотя удавалось зафиксировать выбросы генерации электроэнергии при торможении силовых электродвигателей переменного тока.
В итоге за сутки работы получается вот такая картина потребления активной мощности (это один из головных приборов учета, считает сколько потреблено электричества всей организацией с одной из высоковольтных линий с напряжением в 110 киловольт). На этом и всех последующих скриншотах — вертикальная ось в киловаттах.
Протокол опроса счетчиков напоминает modbus, но не является им в чистом виде.
В какой-то момент времени у меня даже было желание написать свою версию программы опроса на C#, так как сложного в реализации протокола ничего нет, но по началу не хватало рабочего времени, а потом фирма производитель ПО для сервера выпустила обновление, которое уже более менее сносно работало.
Производителя ПО не указываю, чтобы не было рекламы, скажу лишь, что помимо коммерческих продуктов — есть бесплатные варианты программ для опроса счетчиков.
Для желающих поковыряться и написать что то самостоятельно — описание протокола можно скачать здесь.
Для того, чтобы физически подключить приборы учета к серверу — нужно использовать преобразователи интерфейсов. По сути, нам нужно, чтобы шина RS-485 в системе была видна как виртуальный COM порт. Можно использовать различные варианты переходников USB — RS-485, они как правило выполнены на базе микросхемы FT232 или аналогах.
Но этот вариант подходит для тестов, когда приборов учета совсем мало или все они находятся на достаточно близком расстоянии от сервера.
В моей же ситуации счетчики были разбросаны по всей территории организации, причем до некоторых из них было проблематично дотянуть хоть какую то проводную линию связи.
В итоге, для более быстрого развертывания сети — решено было использовать MoxaNPort 5130 и MoxaNPort 5132. Они позволяли завести RS-485 в локальную сеть организации.
В общую локальную сеть компании, после обновления включили и сам сервер АСКУЭ. WinXP заменили на Win2003 server, sql мигрировал вместе со старой базой на sql 2008 (о проблемах миграции можно писать отдельную статью, поэтому не буду сейчас затрагивать данный момент).
Машинка обзавелась новым двухядерным железом с 4 гигами оперативной памяти.
Тормоза и перерасход памяти ушли в прошлое, стал возможен запуск опроса сразу по десяти и более портам. А самое главное, к серверу теперь был доступ из любой точки локальной сети, то есть стало возможным установить ПО клиента на любом ПК сотрудника, отвечающего за ведение отчетности по расходу электроэнергии.
В итоге концепция расширения сети сбора данных стала выглядеть следующим образом:
1) Разбиваем все точки учета по зонам, до которых можем дотянуть проводные линии связи; 2) Находим точку, в которой можно подключиться к локальной сети и одновременно наиболее близкую к основной массе приборов учета данной зоны. Желательно, чтобы при прокладке кабеля — было как можно меньше навесных пролетов между зданиями. Дальше — тянем линию связи через все приборы до моксы, избегая длинных ответвлений в сторону от основной линии; 3) На сервере прописываем моксу как виртуальный ком порт и работаем в ПО сбора данных через нее.
При реализации пункта 2, как оказалось, на коротких дистанциях и в промышленных помещениях (складах, гаражах, ремонтных мастерских) в роли витой пары для RS-485 очень хорошо себя показывает обычная полевка, которая П-274.
Максимальная длина проложенной П-274 линии была 500м и она все еще работает (уже 5 лет). При этом полевке не страшны мыши и крысы (точнее она им не интересна, потому что сильно твердая и не вкусная), благодаря прочной изоляции и стальным жилам — она обладает хорошими само несущими свойствами, то есть можно кидать пролеты по 10-15 метров.
И главное преимущество: цена — копейки, по сравнению со специальным кабелем.
Да, волновое сопротивление не то, да — форма сигнала сильно меняется к концу линии, но на коротких дистанциях все прекрасно работает.
Почему местами использовались 2х портовые MoxaNPort 5132? Просто, на некоторых объектах получалось так, что линии до приборов уходили в разные стороны, и чтобы не городить заворачивание линии в обратное направление — подключали их на разные порты. Так же это повысило надежность системы в целом. Если по каким то причинам происходило КЗ линии на одном из портов — второй порт продолжал работать.
Байка №1 Про провод…
Одна из точек учета, к которой требовалось проложить проводную линию связи — находилась в помещении гаража для «БелАзов», для тех кто не знает — это такой здоровенный ангар, высотой в 6-7 этажный дом, внутри от пола до крыши нет никаких служебных перекрытий и иных опорных площадок.
Зато в геометрическом центре строения — стоит силовая электроустановка 6000/380В с рабочими токами до 600А, а в непосредственной близости от нее (но не строго над ней, это важно) под самым потолком по рельсам ездит кран, который запросто может перенести целый «БелАз» из одной точки ангара в другую.
Правильный доступ к электроустановке — это высоковольтная кабельная канализация, но прокладка в ней слаботочных линий RS-485 — строго запрещена. Поэтому был выбран «неправильный», но безопасный путь: Из распределительной коробки с крыши здания, через отверстие в служебном окне — вертикально вниз до электроустановки. Тем более, таким же способом уже был протянут кабель служебной телефонной связи.
План прокладки согласован, бригада собрана, начинаем. Алексей, один из монтажников, накануне вечером бурно отметил какой то праздник и был не в состоянии производить работы на высоте. Его оставили внизу, для контроля спуска кабеля к назначенной точке.
Дальше следовал долгий подъем на самый верх крыши по пожарным лестницам (не забываем про инструмент и бухту кабеля). Затем разметили и просверлили отверстие в предполагаемом месте, маякнули в него фонариком, чтобы находящийся семью этажами ниже Алексей оценил правильность замеров и соответствие месторасположения отверстия — предполагаемой точке ввода кабеля.
Начали спуск кабеля, попутно обговаривая процесс с наблюдателем оставленным внизу — по телефону:
Я: Леха, видишь кабель? Алексей: Пока нет Я: А отверстие видел, когда светили? Алексей: Да, видел, наверно кабель перекрыл и его не видно на фоне крыши. Я: Ну смотри, чтоб ни за что не задевал, как увидишь — дай знать Алексей: Вижу! Спустился с потолка метров на 5-7, давайте еще Я: Смотри, чтоб за светильники не задел и крану не мешал Алексей: Все норм, давайте еще… … Алексей: Все парни, достаточно, крепите свой конец и спускайтесь, я начну разделку кабеля Я: Все норм? Длинны хватит? Светильники не обмотали? Кран проедет? Алексей: Да все Ох№?$нно, давайте вниз спускайтесь уже.
Прошло 10-15 минут, мы спустились, подходим к занятому прокладкой по электро-шкафам и закреплению кабеля Алексею и наблюдаем картину: Кабель идет вертикально вниз с крыши и проходит аккуратно между рельсами крана. То есть как раз там, где кран должен проезжать.
Я: Алексей! Подними голову! ничего не смущает? Алексей: Кабель висит, светильники не задел, за рельс не задевает, аккурат между… Алексей: Мля… Гре%;№ый кран… Вот как так то…?
Естественно, работу по прокладке пришлось переделывать.
Вообще, подобных моментов было много, но этот запомнился особенно сильно.
Таким образом сеть довольно быстро росла и давала первые результаты.
Помню одно утро. На улице было -30, такая температура держалась всю ночь. При входе на работу меня встретила улыбчива девушка (да да, ночью дежурными электриками оставались девушки и женщины) спустя некоторое время — она сказала фразу:
«Как хорошо, что эта штука заработала, теперь не надо бегать на улицу каждый час и снимать опорные показания». В этот момент, не буду врать — было чертовски приятно.
Постараюсь объяснить причину ее радости. Раньше, в электро-установке на улице в контейнере — стояли обычные аналоговые счетчики. В определенную ночь месяца (вроде в каждую первую среду), с них нужно было снять показания, ровно в 00:00, 01:00, 02:00 и 03:00 часа ночи, чтобы потом отправить на сверку в электроснабжающую организацию. А теперь, после установки «умных приборов» — это можно было сделать утром, одним щелчком мыши, из теплого кабинета, так как необходимые данные считывались круглые сутки автоматически.
Процесс установки системы АСКУЭ
Монтаж системы АСКУЭ требует установки комплекса оборудования, а предшествует непосредственной установке разработка проекта. Дело в том, что установка системы АСКУЭ должна производиться с учетом всех особенностей объекта, на котором производится монтаж: важны и виды энергоресурсов, которые используются, а также масштабы производства. Исходя из них, рассчитывается и выбирается необходимое оборудование и его количество, причем в зависимости от актуальной ситуации на объекте приборы могут варьироваться.
Установка системы АСКУЭ производится в несколько этапов:
- Прежде всего, прокладывают и монтируют кабельные линии.
- Затем монтируют непосредственно систему АСКУЭ: адаптеры, модемы, приборы учета, линии связи.
- Далее следуют пусконаладочные работы.
- После этого система готова для сдачи в эксплуатацию.
Байка №2 Про первую ЗП
Первый месяц работы близился к концу, на улице сырой северный сентябрь, я облазил уже все возможные электроустановки в творческих поисках более быстрого и дешевого способа подключения к сети. Протянуты первые кабели. Работа вышла на стабильную скорость, каждые 2-3 дня к системе подключается новая точка учета (а ведь это все не смотря на то, что каждый случай подключения — уникальный, где то нужно проработать, согласовать и проложить 100м линию связи по кабельным полкам на высоте 4 этажа, где то нужно получить доступ в помещения других служб, пройдя 7 кругов ада бюрократии и прочую бумажную волокиту).
К концу первого месяца то, что уже было до меня — работало стабильно, новые отчетные формы вытаскивали из базы необходимую информацию, которую затем можно было экспортировать в excel и передать куда требуется. И вот, я получил первую на данном месте заработную плату, как сейчас помню: 9600 рублей… За месяц… В 2011 году…!
Первая мысль: Я на фрилансе во время учебы в 4 раза больше получал, какого хрена… Вторая мысль: Уволюсь сегодня же…
Потом мне конечно объяснили, что такая ЗП у всех в первый месяц: из за отсутствия премии, надбавок и иных приятных плюшек. Но мне тогда хотелось уволиться, без объяснения причин.
Но, вернемся к сети.
Потихоньку начали вылезать просчеты при проектировании и отсутствие опыта в этой сфере. Сначала зимой, по непонятным причинам вылетело несколько интерфейсных портов на счетчиках, потом с приходом весны и началом периода гроз — еще некоторое количество счетчиков навечно замолчали, оставив без ответа запросы сервера.
Здесь, наверное, стоит сказать спасибо компании изготовителю — замен по гарантии они производили, несмотря на причину неисправности, что очень приятно, когда тебе нужно отремонтировать сразу десяток приборов.
В итоге — после очередной грозы и последующего ремонта — стало ясно — на длинные линии нужна защита от статического электричества.
Изучив все, что имелось тогда в продаже — выбор пал на модули УЗИП DTR 2/6/1500, опять же наименование пишу не ради рекламы, а с целью поделиться проверенным временем решением и возможно сэкономить кому то время.
Сначала защита была поставлена на длинные уличные линии RS-485, а затем, после того как за год на этих направлениях не произошло ни одного нового выгорания счетчиков — добавлена на все остальные проводные линии. Установка защиты производилась с двух сторон длинной линии в непосредственной близости от прибора учета с одной стороны и перед портом моксы с другой.
Не стоит забывать, что устройство защиты требует обязательного заземления.
На моей памяти — модули защиты выгорали несколько раз при разряде молнии вблизи линии связи, но при этом порт моксы и порты счетчиков оставались целыми. То есть даже путем самопожертвования — она свою работу делала. Зимой, от наведенной статики в длинных линиях — выгораний защиты и оборудования больше не происходило.
Забавный факт, но когда видишь почасовое потребление — начинаешь невольно задумываться об экономии электроэнергии.
Пример из жизни:
В один из рабочих дней — началась замена линии освещения производственной автодороги. Старые светильники на базе ДРЛ-250 (250Вт при равномерном горении и до 500Вт в момент пуска) меняли на современные 40-90Вт светодиодные.
Этот факт сразу же отразился на потреблении электроэнергии данной линией (счетчик учитывает только линию освещения). По нашим подсчетам — новые светильники при их достаточно высокой стоимости — на одном только электричестве окупили себя за 3 года эксплуатации.
До замены
После замены
Конечно, 40Вт светильники уступали по яркости старым лампам, но вот 90Вт были вполне с ними сопоставимы. Так как закуплено было одинаковое количество тех и других — то руководство просто распорядилось повесить их через один. Так что общий уровень освещения остался тот же. К тому же зимой стало ощутимо светлее, так как свет от светодиодных светильников переотражается от заснеженной поверхности.
Когда все узлы распределения и учета электроэнергии, находящиеся в непосредственной близости от локальной сети были освоены — решено было переходить на территориально удаленные объекты. Самый ближайший находился в 2,2км, до него была единственная линия связи на основе телефонного кабеля ТППэп 20х2х0,5, в котором имелась свободная пара. Попробовали пропустить RS-485 по этой паре, но он работал крайне не стабильно. На скорости 9600 потеря пакетов доходила до 50%.
Но кроме этого узла имелись объекты в еще менее доступных местах.
Начали рассматривать вариант связи с использованием передачи данных по силовым линиям. Как оказалось, недорогих решений, позволявших передавать телеметрические данные по силовым линиям с напряжением 6кВ и более — в России нет.
По однофазной сети 220В — полно, по трехфазной сети 380В — можно найти, а вот для 6-10 киловольт, да так, чтобы 10-15км вытягивало, да чтобы в условиях помех в линии от коммутационных выбросов горнодобывающего оборудования — такого извините — нет.
Затем посмотрели в сторону сотовой связи.
Были закуплены электросчетчики со встроенными GSM модемами, после того как их привезли — один не заработал сразу. Внутри что то болталось, по звуку это напоминало монетки в копилке. Ну что-ж, поставили те два, что остались целыми.
И тут сходу словили сразу 3 проблемы:
1) Техподдержка нашего корпоративного аккаунта ОПСоСа не знала, что такое передача данных через CSD. Соответственно, как ее включить на выбранных нами сим картах они тоже не знали. Перенаправление на квалифицированных инженеров техподдержки заканчивалось мелодией и словами женщины-робота: «Ваш звонок очень важен для нас…». Хорошо, что потом помогли ребята из «Байки №3», но времени на этот этап было потрачено очень много. 2) Если настроить опрос по каналу CSD (настройки по умолчанию) и получать данные каждые пол часа, то в конце месяца можно получить счет за услуги связи в 34 тыс. рублей. Потому как, минута CSD стоит 1,5 р. 3) Встроенные в счетчики модемы зависают с завидной регулярностью, перезагрузить их можно только отключив весь счетчик от электроэнергии. Нет, мы конечно отключали несколько раз линию 6кВ вместе со всеми потребителями, просто чтобы перезагрузить счетчик. Несколько раз к месту установки ездила бригада, чтобы перезагрузить счетчик без отключений высоковольтной линии, но проблема осталась.
Монтаж и наладка системы
Каждый абонент АСКУЭ подключается в индивидуальном порядке. У лица, курирующего этот процесс, должен быть заведён Excel-файл с базой потребителей. В этой базе указываются имя и контактные данные абонента, а также модель и серийный номер счётчика. Если счётчик имеет цифровой телеметрический порт — нужно записать адрес сетевого устройства. Если на выходе дискретный сигнал — устанавливается датчик соответствующего типа, которому адрес сети задаётся вручную и также вносится в базу.
Счётчик или установленный на нём датчик подключаются к концентратору системы напрямую при проводной связи. Этим и хорош протокол UART: кабель можно прокладывать от абонента к абоненту на дистанции до километра, важно лишь пропорционально снизить скорость передачи. Способы связи в АСКУЭ можно комбинировать, например, подключая удалённые группы абонентов через радиоточку или по GSM. В конечном итоге все оборачивается только дополнительными затратами на оборудование для связи и преобразования сигнала, а также выбором соответствующих настроек программы. Способ подключения абонента обязательно заносится в базу в поле примечаний.
Перед установкой счётчика проводят его параметризацию: обнуляют настройки, синхронизируют часы реального времени, формируют корректный тип сигнала на выходе и настройки связи — пошаговая процедура согласно руководству пользователя. При использовании преобразователей интерфейсов им нужно предварительно установить адрес в соответствии с сетевой топологией, а также изучить инструкцию по эксплуатации и настроить параметры связи по действующему протоколу. Поскольку ядро системы всё-таки связано последовательным интерфейсом, подключиться к нему можно в любой точке. А потому всё оборудование, устанавливаемое на стороне потребителя, может быть предварительно установлено на стенд для наладки и теста в удобных условиях, а затем перенесено на место монтажа практически в сборе. В базе комплекса по администрированию настройки подключения абонента менять при этом не нужно.
