Модернизация электронной информационно-измерительной системы коммерческого учета электроэнергии

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной магистерской работе была произведена модернизация автоматизированной системы, предназначенной для учета количества потребляемой электроэнергии. В проекте проведен анализ существующих АСКУЭ, проанализированы их недостатки, разработаны принципиальные схемы, конструкция, ПО и приведены необходимые технико-экономические расчёты.
Отличительными чертами, разработанного устройства являются: возможность удаленного контроля и настройки, низкая , в сравнение с другими системами стоимость, применение датчиков тока на основе эффекта Холла, что позволило учитывать постоянную составляющую.
Система может устанавливаться на различных объектах и производственных предприятиях.
В проекте проведен анализ существующих систем подобного рода в данных областях, проанализированы их недостатки ...

Содержание


РЕФЕРАТ 4
ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ 5
ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ 6
ВВЕДЕНИЕ 8
1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА 10
1.1 Обзор готовых систем измерения мощности 10
1.2 Обзор датчиков тока 15
1.3 Датчики тока на основе эффекта Холла 19
1.3.1 Принцип действия датчика Холла 19
1.3.2 Типы датчиков тока на основе эффекта Холла 20
2. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ 23
2.1 Датчик мощности 23
2.2 Контроллер сети 25
2.3 Методика расчета мощности 26
3. ВЫБОР ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ 28
3.1.Выбор микроконтроллера 28
3.2 Выбор аналогово-цифрового преобразователя 31
3.2.Описание используемых микросхем 33
4. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ 37
4.1 Расчет схемы датчика мощности 37
4.2 Расчет сетевого трансформатора 41
4.3 Моделирование работы устройства 43
4.4 Анализ полученных результатов 49
4.5 Описание алгоритма работы датчикамощности 55
4.6 Описание программы датчика мощности 59
5. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ 62
5.1 Анализ основных требований к конструкции 62
5.2Разработка печатной платы в системе PCAD 63
5.3 Разработка маршрутной технологии сборки системы 74
5.4 Анализ технологичности системы контроля 75
6. ОРГАНИЗАЦИОННО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 77
6.1 Технико-экономическое обоснование 77
6.2 Расчёт экономического эффекта 77
6.2.1 Предпроизводственные затраты 78
6.3 Определение резервов снижения себестоимости 83
7. ОХРАНА ТРУДА И ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ 84
7.1 Введение 84
7.2 Оценка условий труда 84
7.2.1 Параметры микроклимата 84
7.2.2 Оценка эффективности воздухообмена в производственном помещении 85
7.2.3 Оценка необходимости шумозащиты 86
7.2.4 Проектирование и расчет искусственного освещения 87
7.2.5 Вибрация 90
7.3 Классификация помещения по электробезопасности и пожароозащищенности 91
7.3.1 Обеспечение электробезопасности 91
7.3.2 Обеспечение пожарной безопасности производственных процессов 91
7.4 Вывод 92
8. УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВОМ 94
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 98
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 99

ВВЕДЕНИЕ

В последнее время активно развивается ниша автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП). Данная тенденция является следствием постоянного развития и совершенствования элементной базы, в частности вычислительных средств, являющихся основой данных систем.
Автоматизация - это применение комплекса средств, позволяющих осуществлять производственные процессы без непосредственного участия человека, но под его контролем. Автоматизация производственных процессов приводит к увеличению выпуска, снижению себестоимости и улучшению качества продукции, уменьшает численность обслуживающего персонала, повышает надежность и долговечность машин, дает экономию материалов, улучшает условия труда и техники безопасности.
Вопросы экономного потребления электроэнергии актуаль ны сегодня как никогда. С ростом экономики в крупных городах все чаще ощущается нехватка энергии в периоды пикового потребления. Эта проблема наиболее актуальна именно сейчас, так как цены на энергоносители неуклонно растут.
Один из путей снижения расходов - это внедрение автоматизированных систем учета электроэнергии. Установка АСКУЭ позволяет решить следующие задачи: оперативный контроль потребления электроэнергии; снижение технических потерь электроэнергии; автоматизация составления балансов электроэнергии и мощности; защита данных от несанкционированного доступа и т. д. Внедрение системы позволяет также оптимально использовать основное оборудование, сделает возможными анализ и планирование производства и потребления электроэнергии. Потери снижаются благодаря повышению точности и достоверности учета электроэнергии, сокращению времени сбора и обработки данных.
При эксплуатации технической системы АСКУЭ экономический эффект достигается за счет жесткого контроля за потреблением цехов, ограничения потребления активной мощности в часы максимума энергосистемы, а часто и просто воровства электроэнергии в сетях.
Целью данной магистерской работы является модернизация автоматизированной системы учета электроэнергии на предприятии. Основное преимущество данной системы перед счетчиками энергии других производителей – это центролизированный учет и возможность оперативного контроля энергоресурсов предприятия.

Следовательно, в дальнейшем полученные средние значения необходимо поделить на .Мгновенные значения тока и напряжения найдем по следующим формулам:, .Рисунок 4.5 – График мгновенных значений тока и напряженияВычислим мощность полученного и исходного сигнала:– вспомогательная переменная,– активная мощность исходных сигналов,– активная мощность оцифрованных сигналов,где коэффициенты , .Рисунок 4.6 – Активная мощностьДействующие значения оцифрованных сигналов рассчитаем по формулам:,.Полученные графики приведены на рисунке 4.7.Рисунок 4.7 – Действительные значения тока и напряженияРассчитаем полную мощность и косинус фи;,.Рисунок 4.8 – Сравнение реального и вычисленного 4.4 Анализ полученных результатовРассчитаем абсолютную погрешность вычислений и проанализируем от каких параметров она наиболее зависима. Погрешность определения найдем по формуле: .Рисунок 4.9 – Погрешность определения Погрешность определения активной мощности найдем по формуле:Рисунок 4.10 – Погрешность определения активной мощности()Таким образом, максимальная погрешность определения активной мощности не превышает 2.5%, а погрешность определения меньше процента.Проследим зависимость величины погрешности при различных значениях , которая определяет уровень помех в сети.Рисунок 4.11 – График зависимости погрешности измерений от уровня помехНа представленном выше графике наблюдается зависимость увеличения погрешности расчетов с ростов величины помехи в сети. Отметить следует что погрешность определения возрастает заметно быстрее, чем погрешность определения мощности. Однако даже при уровне помех 60 В достигается необходимая точность измерений.Далее рассмотрим зависимость погрешности от сглаживающих свойств фильтра (коэффициента ).На рисунке 4.12 представлена зависимость конечной погрешности от коэффициента . Хорошо видна зависимость снижения погрешности вычислений с увеличением . Однако с ростом увеличивается и время установления. При истинное значение мощности будет получено не менее чем через 1 с, после начала измерения. При этом погрешность вычисления практически не зависит от значения .3429004867275Рисунок 4.11 00Рисунок 4.11 Рисунок 4.12 – График зависимости погрешности измерений от параметра фильтраНа рисунке 4.13 представлена зависимость погрешности измерений от уровня опорного напряжения. Хорошо прослеживается практически линейная зависимость погрешности от величины отклонения опорного напряжения (номинальное опорное напряжение равно 5 В). Очевидно, что стабильность опорного напряжения АЦП должна быть как можно выше, отклонение не должно превышать 2%. Отрицательную погрешность в начале графика вносит цифровой фильтр, т.к. график был снят при значении .Рисунок 4.13 – График зависимости погрешности измерений от изменения опорного напряженияНа рисунке 4.14 представлен график влияния на погрешность количества выборок за период. С увеличением частоты выборок в 4 раза погрешность снизилась на 0,4 %. Однако при 32 выборках за период, сильно возрастают требования к скорости работы микроконтроллера, который должен за 625 мкс произвести все вычисления. Это возможно только при соответствующем увеличении частоты работы МК. Поэтому 16 выборок за период – оптимальный вариант.Рисунок 4.14 – График зависимости погрешности измерений от количества выборокРассмотрим случай когда измеряемая мощность мала(максимальный ток составит ). На рисунках 4.15, 4.16, 4.17 представлены графики зависимости погрешности измерения малой мощности от отклонения опорного напряжения, уровня помех и от разрядности АЦП, соответственно.Рисунок 4.15 – График зависимости погрешности измерений от изменения опорного напряженияРисунок 4.16 – График зависимости погрешности измерений от уровня помехРисунок 4.17 – График зависимости погрешности измерений от разрядности АЦПКак видно из приведенных выше графиков, зависимости в целом сохранились и при измерении небольшой мощности. Однако, очень сильно возросло влияние помех, даже при небольшом их уровне погрешность выходит за пределы заданной. Заметно возрастает среднее значение погрешности при снижении разрядности АЦП до 8 бит. Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы:Абсолютная погрешность измерений не выходит за пределы, указанные в техническом задании;Погрешность определения практически не зависит от параметров устройства;Наибольшее влияние на уровень погрешности оказывают стабильность опорного (а следовательно и питающего) напряжения и значение параметра фильтра. Для учета этого влияния необходимо ужесточить требования к стабилизатору напряжения и максимально увеличить постоянную фильтра.4.5 Описание алгоритма работы датчика мощностиНа рисунке 4.18 представлена блок схема алгоритма работы микроконтроллера датчика мощности.В блок-схеме применены условные обозначения:N – счетчик выборок, переменная в которой хранится текущее количество сделанных выборок тока и напряжения;K – счетчик времени, переменная, хранящая интервал времени между моментами сохранения измеренных данных в EEPROM с шагом 5,12 с.При подаче питания микроконтроллер инициализирует порты ввода-вывода, переводя их в высокоимпедансное состояние, производит настройку и запуск таймера. Таймер отсчитывает время между выборками. При переполнении таймера генерируется запрос на прерывание и происходит запуск подпрограммы управления АЦП, ее блок-схема представлена на рисунке 4.19. После запуска таймера, микроконтроллер производит настройку АЦП, UART и обнуляет переменные K и N. Далее, микроконтроллер находится в цикле ожидания пока значение переменной N не превысит 4096, что соответствует 256 периодам при 16 выборках в каждом. Далее происходят последовательные вычисления в соответствии с методикой расчета мощности, описанной во второй главе. нетданетСтартНастройка и запуск таймераНастройка и запуск таймераОбнуление счетчика выборок N=0N>4096Вычисление cos φУсреднение полученных значений мощности и cos φ в течение 15 минутВычисление корня из полученного произведения – полная мощностьЗапись усредненных значений мощность и cos φв EEPROM Вычисление среднего значения тока, напряжения и мощности за 256 периодовПеремножение полученных средних значений тока и напряженияОбнуление счетчика времени К=0Настройка АЦПНастройка UARTОбнуление счетчика выборок N=0Инкрементировать счетчик времениK>176Обнуление счетчика времени К=0нетданетСтартНастройка и запуск таймераНастройка и запуск таймераОбнуление счетчика выборок N=0N>4096Вычисление cos φУсреднение полученных значений мощности и cos φ в течение 15 минутВычисление корня из полученного произведения – полная мощностьЗапись усредненных значений мощность и cos φв EEPROM Вычисление среднего значения тока, напряжения и мощности за 256 периодовПеремножение полученных средних значений тока и напряженияОбнуление счетчика времени К=0Настройка АЦПНастройка UARTОбнуление счетчика выборок N=0Инкрементировать счетчик времениK>176Обнуление счетчика времени К=065976576200Рисунок 4.18 – Блок схема работы датчика мощности00Рисунок 4.18 – Блок схема работы датчика мощностиВ подпрограмме происходит измерение мгновенных значений тока и напряжения, расчет активной мощности. Полученные значений тока, напряжения и мощности, добавляются в соответствующие буферы, с целью усреднения в течение 256 периодов сетевого напряжения. После сохранения измеренных значений происходит возврат в основную подпрограмму.Нет Нет дадаЗапуск одиночного преоб-ния – IvВычисление среднего значения токаВычисление среднего значения напряженияВычисление мгновенных значений тока и напряженияДобавление новых значений к сумме предыдущихВычисление активной мощности Сложение с предыдущими значениямиВозвращение в основную программуПрерывание от таймераПреобразование завершено?Запуск одиночного преобразованияния – UvПреобразование завершено?Нет Нет дадаЗапуск одиночного преоб-ния – IvВычисление среднего значения токаВычисление среднего значения напряженияВычисление мгновенных значений тока и напряженияДобавление новых значений к сумме предыдущихВычисление активной мощности Сложение с предыдущими значениямиВозвращение в основную программуПрерывание от таймераПреобразование завершено?Запуск одиночного преобразованияния – UvПреобразование завершено?570865120650Рисунок 4.19 – Блок схема подпрограммы таймера00Рисунок 4.19 – Блок схема подпрограммы таймераНа рисунке 4.20 представлена блок-схема подпрограммы обработки прерываний от UART(прием) 3346458204200Рисунок 4.20 – Блок схема подпрограммы приема данных00Рисунок 4.20 – Блок схема подпрограммы приема данныхдаданет нетВозвращение в основную программуПрерывание от UARTПрием посылкиПосылка принята полностью?Сравнение адреса посылки со своим Адрессовпал?Анализ полученной командыФормирование посылки в буфереПередача данныхСброс приемного буферададанет нетВозвращение в основную программуПрерывание от UARTПрием посылкиПосылка принята полностью?Сравнение адреса посылки со своим Адрессовпал?Анализ полученной командыФормирование посылки в буфереПередача данныхСброс приемного буфера4.6 Описание программы датчика мощностиПрограмма работы микроконтроллера написана на языке С++ восьмиразрядных RISC микроконтроллеров семейства AVR фирмы ATMEL [21]. Архитектура RISC позволяет выполнять большинство команд за один такт.Программа не имеет команды останова и выполняется циклически пока микроконтроллер подключен к питанию. Основные команды и процессы описаны в комментариях в тексте программы (см. прил. 1).AVR Studio – это интегрированная отладочная среда разработки приложений для 8-разрядных RISC – микроконтроллеров семейств AVR (Tiny, Classic, Mega). Версия AVR Studio 4 объединяет средства управления проектами, текстовый редактор, Ассемблер и отладчик программ на языках Си и Ассемблер. Таким образом, AVR Studio 4 поддерживает проектировщика на стадиях разработки, отладки и верификации программного обеспечения. Кроме того, AVR Studio 4 поддерживает аппаратную платформу STK500, которая позволяет программировать все устройства AVR, и внутрисхемные эмуляторы ICE40, ICE50, ICE200, JTAG ICE.Программа для устройства была написана и отлажена в среде для разработки AVR Studio. AVR Studio — интегрированная среда разработки (IDE) для разработки 8-ми и 32-х битных AVR приложений от компании Atmel, работающая в операционных системах Windows NT/2000/XP/Vista/7. AVR Studio содержит ассемблер и симулятор, позволяющий отследить выполнение программы. Текущая версия поддерживает все выпускаемые на сегодняшний день контроллеры AVR и средства разработки. AVR Studio содержит в себе менеджер проектов, редактор исходного кода, инструменты виртуальной симуляции и внутрисхемной отладки, позволяет писать программы на ассемблере или на C/C++.Содержание Характеристики AVR Studio:Интегрированный Ассемблер;Интегрированный симулятор;Поддержка инструментов Atmel, совместимых с 8-разрядной AVR архитектурой, в том числе AVR ONE!, JTAGICE mkI, JTAGICE mkII, AVR Dragon, AVRISP, AVR ISPmkII, AVR Butterfly, STK500 и STK600;Поддержка плагина AVR RTOS;Поддержка AT90PWM1 и ATtiny40;Интерфейс командной строки с поддержкой TPI.Программа не имеет команды останова и выполняется циклически пока микроконтроллер подключен к питанию. Основные команды и процессы описаны в комментариях в тексте программы.Ввиду ограниченных ресурсов микроконтроллерных систем исходные тексты их программ создаются и обрабатываются на персональном компьютере вплоть до получения исполняемой программы. В этом случае говорят, что инструментальная система другая, а ассемблирование называют кросс-ассемблированием (перекрестным ассемблированием). Существуют компьютерные программы, имитирующие работу микроконтроллеров, что может быть весьма полезно для отладки программ на инструментальных компьютерах (KEIL, 2550A.D.Software,Inc, IAR и т.д.) Такие методы моделирования работы программ называются математическими. При помощи инструментальных компьютеров и специальных приставок к ним осуществляется отладка программ в условиях, приближенных к реальной работе микроконтроллера с реальным изделием. Такие методы отработки называются эмуляцией. Инструментальные компьютеры используются и для записи исполняемого файла в ПЗУ при помощи периферийного устройства, называемого программатором.Так, использование интегрированной среды проектирования AVR Studio, свободно распространяемой, дает возможность не только разрабатывать, но и отлаживать создаваемое программное обеспечение с помощью встроенного симулятора.Наконец, подключив к AVR Studio 4 стартовый набор разработчика STK500, можно проверить созданную программу непосредственно в целевом микроконтроллере, а подключив через разъем расширения дополнительные устройства, - и в составе системы. Попутно отметим сравнительно невысокую стоимость STK500, что немаловажно для учебных заведений.AVR Studio состоит из нескольких панелей и модулей, каждый из которых выполняет часть общей задачи. Создание программ в среде AVR Studio происходит в виде проектов, каждый из которых имеет файл, сохраняющий информацию о проекте и входящих в него файлах, установки Ассемблера, пользовательские настройки и т. д.Описание: Atmel Studio 6 позволяет осуществлять разработку и отладку на платформах AVR, AVR32 и ARM, поддерживает большое количество средств программирования и отладки для этих платформ, содержит встроенный компилятор С/С++ (GNU GCC).Рисунок 4.21 – Внешний вид программы AVR Studio5. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ5.1 Анализ основных требований к конструкцииОсновная задача при разработке конструкции ДМ – снизить влияние на результат измерений. Для достижения этого предприняты следующие меры:Уменьшена длина дорожек аналогового сигнала.«Вывод "земли" АЦП соединен с общим проводом только в одной точке.Аналоговые и цифровые дорожки разнесены на максимальное расстояние.Источники питания также удалены друг относительно друга.Монтаж датчика мощности выполнен на печатной плате из двухстороннего фольгированного стеклотекстолита, размером 88 76,5 2 мм. Трансформатор закреплен механическим способом с помощью шайбы и винтового соединения. Дополнительно следует отметить необходимость качественной изоляции вторичных обмоток трансформатора, для снижения возможности пробоя между измерительной и передающей частями платы. Для защиты от перенапряжения в линии связи, на плате установлены защитные двухполярные диоды.Для правильного измерения мощности расстояние между поверхностью датчика тока и центром фазового провода должно составлять 4-5 мм. При этом провод должен быть ориентирован параллельно длинной стороне платы. Настройка платы осуществляется с помощью подстрочных резисторов R3 и R4. Резистором R3 регулируется амплитуда напряжения после делителя, она должна составлять 5В. Резистор R4 позволяет изменять уровень среднего значения напряжения на входе АЦП. Регулировкой добиваются, что бы среднее значение было равно 2,5 В.Монтаж контроллера сети выполнен на печатной плате из двухстороннего фольгированного стеклотекстолита, размером 88 55 2мм. На плате предусмотрены индикаторы приема и передачи данных по сети, а также индикатор наличия питания. По причине малой потребляемой мощности стабилизатор напряжения DA1 может быть установлен без дополнительного теплоотвода.Для прокладывания линии связи используется витая пара, при этом, чем меньше шаг витой пары, тем лучше. Линия связи должна быть проложена, по возможности, вдали от оборудования, коммутирующего большие токи и силовых кабелей, так как существует опасность наводок от силовых токов. Важно что бы отводы от витой пары до приемников были как можно короче.5.2Разработка печатной платы в системе PCADПосле размещения ЭРЭ приступают к трассировке, т.е. к прокладке необходимых линий соединений (проводников) между контактными площадками.Трассировку печатной платы можно выполнить вручную и с помощью автотрассировщика. Для ручной трассировки в системе PCAD предлагаются инструменты, которые условно можно разделить на три группы:- инструменты для ручной трассировки- инструменты интерактивной трассировки- специальные инструментыК инструментам ручной трассировки можно отнести Route Manual, с помощью которого прокладка трас производиться полностью вручную в строгом соответствии с замыслом разработчика. Система в данном случае осуществляет пассивный контроль за соблюдением технологических норм и правил.Инструменты интерактивной трассировки более интеллектуальны. Здесь разработчик лишь указывает направление фрагмента трассы, а система формирует её сама с учётом принятых правил трассировки. При желании возможно автоматическое завершение начатой трассы и автоматическая корректировка фрагментов уже проложенных трасс (режим Push Traces). К инструментам интерактивной трассировки можно отнести команду Route Interactive, осуществляющую трассировку и инструмент для сглаживания изгибов проводников RouteMiter.К специальным инструментам интерактивной трассировки относятся:- Route Fanout – выравнивание проводников- Route Bus – для одновременной трассировки в интерактивном режиме нескольких параллельных проводников, образующих шину или жгут- Route MultiTrace – для автоматической трассировки (в одном слое) несколько соединений, указанных пользователемТак же в программе PCB имеется несколько автотрассировщиков, отличающихся техническими возможностями, но изучать целесообразно только наиболее совершенные. Поэтому речь пойдёт о автотрассировщике PCAD Shape Route.Прежде чем приступить к автотрассировке при помощи программы PCAD Shape Route, исходный проект должен быть соответствующим образом подготовлен:- все компоненты должны быть расставлены на своих местах- электрические цепи должны быть нанесены в виде линий связи- в проекте должны быть введены конструктивные параметры для всех цепей. В программеPCAD Shape Route уже введены эти параметры, но в другом объёме- должен быть установлен действующим стиль требуемого переходного отверстияКогда проект подготовлен, выполнить Route Autoroute. Откроется диалоговое окно.В открывшемся списке программ автотрассировки выбрать PCAD Shape Route.Для запуска автотрассировщика щёлкнуть по кнопке Start, в результате будет открыто рабочее поле автотрассировщика. На рабочем поле будет показан исходный проект.Технологический контроль топологии печатной платы в САПРТехнологический редактор служит для автоматического создания и редактирования печатных плат – изменение положения элементов, толщины некоторых дорожек разводки и др. Редактор способен создать проект новой печатной платы из списка соединения, находящегося в схемном редакторе Schematic. Редактор предназначен непосредственно для редактирования печатной платы, а не для размещения и разводки ПП. [6]Контроль печатной платы может производиться во время трассировки или по её завершению.6672580000Программа может следить за соблюдением установленных зазоров, наличие узких мест, ширины проводников, разрывов цепей, отмечать неоправданно длинные проводники, сообщать об ошибках при выполнении переходных отверстий, и т.д. Перечень контролируемых параметров и объектов устанавливается конструктором. Для каждой электрической схемы может быть установлен набор общих конструктивных параметров, распространяющихся на весь проект. Кроме общих параметров, для отдельных элементов и цепей могут быть установлены частные конструктивные параметры, которые будут индивидуально связаны с отдельными элементами схемы (компонентами и цепями). Эти параметры затем будут использованы при конструировании печатной платы и для её контроля.В конце текста приводится общее количество ошибок и предупреждений. Если будет включен режим визуального контроля, то ошибки будут отмечаться специальным знаком (окружность с косым крестиком) непосредственно при прокладке цепи. Руководствуясь установленной конструктором стратегией трассировки, программа выполнит любую трассировку. [10]Анализ технических требований (эксплуатационных и технологических), которые должны быть реализованы в проектируемом изделииТехнические требования к конструкции разрабатываются но основе технического задания на дипломный проект, также принимают во внимание условия производства, новейшие метолы конструирования и последние достижения в технологии.