АННОТАЦИЯ 2
ВВЕДЕНИЕ 6
1 ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ РЕШЕНИЙ В ОБЛАСТИ УЧЕТА
ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ 9
1.1 Общая структура автоматизированной системы учета тепловой
энергии 9
1.2 Система учета энергоресурсов на основе сети сотовой связи GSM ... 10
1.3 Требования, предъявляемые к системе коммерческого учета тепловой
энергии 12
1.4 Выводы по разделу 1 13
2 АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЙ БЕСПРОВОДНОЙ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ
LPWAN 14
2.1 Выводы по разделу 2 19
3 ОПИСАНИЕ РАЗРАБАТЫВАЕМОЙ СИСТЕМЫ УЧЕТА ТЕПЛОВОЙ
ЭНЕРГИИ 20
3.1 Назначение и цели создания системы 20
3.2 Функции, выполняемые разрабатываемой системой учета 21
3.3 Структура разрабатываемой системы учета тепловой энергии 21
3.4 Выводы по разделу 3 24
4 ВЫБОР ТЕХНИЧСЕКИХ СРЕДСТВ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ
СИСТЕМЫ УЧЕТА 25
4.1 Выбор тепловычислителя 25
4.2 Выбор измерительного преобразователя температуры 28
4.3 Выбор расходомера 29
4.4 Выбор базовой станции 32
4.5 Выводы по разделу 4 33
5 УСТРОЙСТВО СБОРА И ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ 35
5.1 Назначение и выполняемые задачи 35
5.2 Состав устройства сбора и передачи данных 35
5.3 Программа для устройства сбора и передачи данных 40
5.3.1 Описание библиотеки «modbusmaster»» 40
5.3.2 Описание библиотеки «vkt_7m_01» 42
5.4 Описание программы main.c 45
5.5 Необходимые расчеты для УСПД 47
5.6 Конфигурация микроконтроллера STM32F103 в STM32CubeMX 48
5.7 Прототип УСПД 53
5.8 Выводы по разделу 5 55
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 56
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 57
ПРИЛОЖЕНИЯ 62
ПРИЛОЖЕНИЕ А 62
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 63
ПРИЛОЖЕНИЕ В 80
По оценкам Росстата в 2016 году в России было произведено 1284 млн. Гкал тепловой энергии [1, с. 35]. Значительная часть выработанной тепловой энергии потребляется промышленным производством 42,6 %. Около 31,2% тепловой энергии потребляется населением (домашними хозяйствами). Совокупное потребление тепла сельским хозяйством, строительством, транспортом и прочими видами экономической деятельности составляет 17,3%. Оставшиеся 8,9% тепловой энергии являются потерями в тепловых сетях [1, с. 41].
Рассмотрим основные элементы, которые входят в структуру тепловых сетей, назначение данных элементов, а также, каким образом осуществляется контроль состояния тепловых сетей и учет потребленной тепловой энергии.
Источниками тепловой энергии в настоящий момент времени являются теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), районные и квартирные котельные. От источников тепловая энергия передается по тепловым сетям конечным потребителям энергии. Носителем тепловой энергии является специально подготовленная вода либо пар.
Согласно федеральному закону "О теплоснабжении" под тепловыми сетями понимают совокупность устройств, предназначенных для передачи тепловой энергии, теплоносителя от источников тепловой энергии до теплопотребляющих установок [2].
На рисунке 1 представлена обобщенная структура тепловых сетей.
Рисунок 1 - Обобщенная структура тепловой сети
27.03.04.2019.374 ПЗ Лист
6
Изм. Лист № докум. Подп Дата
Обозначения, представленные на рисунке 1: ИТЭ - источник тепловой энергии; ЦТП - центральный тепловой пункт; ИТП - индивидуальный тепловой пункт.
В состав тепловых сетей входят следующие элементы:
- центральные тепловые пункты;
- индивидуальные тепловые пункты;
- насосные станции;
- магистральные трубопроводы, распределительные сети.
Центральные тепловые пункты преобразуют термодинамические параметры теплоносителя (давление и температуру) магистрального трубопровода к требуемым параметрам теплоносителя для распределительных сетей, идущих к потребителям. В большинстве случаев центральные тепловые пункты обслуживают несколько потребителей тепловой энергии. В состав центральных тепловых пунктов могут входить насосные и водонагревательные установки.
Узлы присоединения потребителей тепла к тепловым сетям называют абонентскими вводами. Если абонентский ввод сооружается для отдельной технологической установки, здания, то его называют индивидуальным тепловым пунктом [3, с. 26].
Основным назначением насосных станций является увеличение напора в подающем трубопроводе, повышение расхода теплоносителя.
Теплопотребляющими установками являются системы отопления, вентиляции, горячего водоснабжения, различные технологические процессы. Теплопотребляющая установка может подключаться непосредственно к магистральным сетям либо через индивидуальные тепловые пункты, что отражено на рисунке 1.
При производстве, передаче и потреблении тепловой энергии производится учет энергии и параметров теплоносителя (давления, температуры). Учет тепловой энергии необходим для расчетов между потребителями и теплоснабжающими организациями. Учет параметров теплоносителя реализуется для расчета потреб-
ленной тепловой энергии, а также для контроля гидравлических режимов тепловых сетей.
Различают коммерческий и технический учет параметров теплоносителя.
Согласно методике осуществления коммерческого учета тепловой энергии, теплоносителя [4] точки учета тепловой энергии должны располагаться:
- на каждом выводе тепловой сети от источника теплоснабжения;
- в точках передачи теплоносителя в смежные тепловые сети или смежным организациям;
- в точках ввода тепловой сети на объекты, где происходит преобразование тепловой энергии (ЦТП, ИТП);
- в точках ввода тепловой энергии непосредственным потребителям.
Коммерческий учет тепловой энергии, теплоносителя организуется в следующих целях [5]:
- осуществления расчетов между теплоснабжающими, теплосетевыми организациями и потребителями тепловой энергии;
- контроля за тепловыми и гидравлическими режимами работы систем теплоснабжения и теплопотребляющих установок;
- контроля за рациональным использованием тепловой энергии, теплоносителя;
- документирования параметров теплоносителя - массы (объема), температуры и давления.
Технический учет параметров теплоносителя предназначен для контроля состояния тепловой сети, обнаружения утечек теплоносителя.
В данной работе рассматриваются задачи проектирования автоматизированной системы коммерческого учета тепловой энергии.
В результате проделанной работы выполнены следующие задачи в рамках разработки автоматизированной системы учета тепловой энергии на основе энергоэффективных сетей дальнего радиуса действия:
- произведен анализ существующих решений в области учета тепловой энергии;
- выявлены основные преимущества и недостатки существующих систем учета, в которых передача данных осуществляется на основе сетей сотовой связи;
- выполнен анализ энергоэффективных технологий беспроводной передачи данных, применение которых позволит снизить текущие затраты на эксплуатацию систем учета на основе GSM;
- разработана структура системы автоматизированного учета тепловой энергии на основе энергоэффективной технологии беспроводной передачи данных LoRa;
- произведен выбор технических средств с автономным электропитанием для узла учета тепловой энергии;
- выполнен выбор базовой станции для приема данных с тепловычислителей;
- разработано устройство сбора и передачи данных, осуществляющее считывание параметров с тепловычислителя о потребленной тепловой энергии и передачу данных параметров на базовую станцию;
- разработана основная программа и требуемые библиотеки на языке программирования C, необходимые для функционирования устройства сбора и передачи данных.
Достоинствами предлагаемой системы учета являются:
- отсутствие платы за передачу данных от тепловычислителя на верхний уровень;
- автономное питание элементов узла учета и устройства сбора и передачи данных.
