Система сбора данных и учета расходов энергоресурсов

Часть 1.

Наша компания много лет успешно разрабатывает и внедряет решения в области промышленной автоматики, систем диспетчеризации, управления, сбора данных, на базе собственных оригинальных устройств и систем, охватывающий весь спектр задач от самого нижнего уровня, до облачных систем.

Описание задачи

Согласно требованиям заказчика, необходимо внедрить систему учета энергоресурсов (расход тепла, электроэнергии и холодной воды) на ряде коммунальных объектов в г. Днепр. Система должна обеспечивать:

Автоматизированный сбор основных и сопутствующих показателей от приборов учета, с дискретизацией
1 раз в час;
Отображение данных в единой системе. Возможности их анализа, построения отчетов, импорта, экспорта и тд. Обеспечить многопользовательский доступ к данным, с разграничением прав доступа;
Единую техническую политику относительно используемого оборудования;
Минимальные эксплуатационные затраты;
В рамках подготовки данного коммерческого предложения нашими специалистами было проведено обследование ряда объектов по списку заказчика. В результате выявлено:

Отсутствие единой технической политики в отношении приборов учета тепловой энергии и холодной воды. Их повсеместная разнотипность, отсутствие коммуникационных интерфейсов или доступа к ним.
Отсутствие возможности подключения к существующим счетчикам электроэнергии. На всех обследуемых объектах установлены электромеханические приборы НИК 2301, без коммуникационных интерфейсов. Отсутствие доступа к вводам, шкафы учета полностью опломбированы.
Узлы учета на объектах находятся обособлено, на значительном удалении друг от друга.
Исходя из всего вышеперечисленного, предлагаем Вам рассмотреть возможность внедрения системы сбора
данных энергоресурсов, на основе параллельного технического учета.

Описание решения

Предлагаемое решение строится на базе беспроводных модулей сбора данных и облачной системе диспетчеризации и аналитики.

Автономные модули по стандартным промышленным протоколам RS-485 ModBus RTU/MBus/DLMS (или импульсным сигналам) вычитывают данные с приборов учета и отправляют их по радиоканалу в сеть передачи данных LoRa 868 MHz, через шлюзы. Данные от шлюзов, через Internet, передаются на сервер по протоколу MQTT (стандарт для IoT). Сервер, в качестве набора готовых сервисов обеспечивает работу с этими данными, их хранение, построение отчетов и аналитику.

Основные преимущества

Полностью готовое решение, включающее: модули сбора данных, сетевые шлюзы, и сервер со встроенной статистикой и аналитикой от одного производителя;
Использование радиоканала для передачи данных, с использованием технологии, 868 МНz. Характерной особенностью этого стандарта, является крайне низкое энергопотребление, большой радиус покрытия (2 — 10км), и, в случае развертывания своей сети, отсутствие прямых затрат на передачу данных.
Автономная работа абонентских модулей (отсутствие необходимости подключать прибор к электросети).
Вследствие ультранизкого энергопотребления этих устройств, и их периодической работы (отправки данных) устройства могут работать автономно от встроенного сменного аккумулятора. В зависимости от частоты отправок и некоторых других факторов период их автономной работы достигает 1 — 2 года (до 50000 пакетов).
Использование стандартных протоколов. Данные от модулей по радиоканалу, в стандарте, принимаются шлюзами, где преобразуется в стандартный открытый протокол МОТТ (стандарт для IоТ, Internet of things) со структурой данных в формате JSON отправляются на облачный сервер через Internet. Это позволяет, при необходимости, интегрироваться с любой популярной облачной платформой AWS Аmаzопе, Google, , М$ Аzure и др.)
Возможность сопряжения со многими моделями тепловычислителей через стандартные коммуникационные порты В$-232/85-485/Мbus/UART TTL
Передача данных о потребленной тепловой энергии, текущей мощности потребления, температурах теплоносителя, объеме протока и наличия ошибок в работе
Возможность подключения к этой системе других датчиков, таких как: датчики давления, затопления, проникновения
Облачный сервер обеспечивает сбор, хранение, визуализацию, анализ и обработку данных. Здесь происходит привязка и сопоставление информации об абоненте (ФИО, адрес, лицевой счет, 1 и пр.) с данными от приборов учета. Система позволяет строить различные отчеты, сравнивать и анализировать данные всевозможными способами, гибко настраивать многопользовательский доступ, глубину архивов, рассылать уведомления на Email, Telegram и пр. Также есть возможность экспорта данных и совместимости с другими системами.

Основные ТТХ предлагаемого оборудования.

Наша компания является прямым дистрибьютером производителей Eastron и TSonic и постоянно поддерживает наличие продукции на складе.

1. Электричество. Eastron SDM 72CT-M

Трехфазный счетчик электрической энергии с коммуникационным трансформаторным подключением к электрической сети и интерфейсом RS-485 (Modbus RTU).

2. Тепло. Eastron SDM 72CT-M

Тепловычислитель с накладными ультразвуковыми
датчиками расхода и коммуникационным интерфейсом RS-485 (Modbus RTU)
Для подключения прибора не требуется врезка в существующий водопровод

3. Холодная вода. Использовать импульсные накладки для существующих счетчиков Sensus и их аналогов, или заменить счетчики на аналогичные с импульсным выходом (в т.ч. отечественного производства).

4. Модуль сбора данных Airpoint
Автономный беспроводной модуль сбора данных

Тип питания	3 х элемента типа ААА и/или Micro USB (+5V)
Передача данных	Радиоканал 868 MHz, 25 mw, LoRa, встроенная антенна
Температура	Встроенный датчик, -25 +55 °C, точность 0.5°C Выносной датчик DS18B20, Audio jack, — 40 +125 °C, точность 0.5°C (поставляется
Влажность	отдельно) Встроенный датчик, 0 – 100 %, при влажности 20 – 80% точность 3%, в остальном диапазоне 5%
CO2*	400 – 8000 ppm (отдельная опция при заказе)
Дискретный вход	2 х сухой контакт, как счетные входы до 10kHz
Интерфейсы	Опцианально RS-485 / UART TTL
Дополнительно	Встроенные акселерометр, для защиты от воровства и несанкционированного доступа
Ресурс работы	До 60 000 пакетов
Периодичность отправки пакетов	При автономной работе: раз в 5 минут При работе от внешнего источника: 1 раз в минуту В режиме Alarm: при изменении состояния входов или акселерометра
Дальность связи	На открытой местности до 5 км*
Исполнение	Indoor, степень защитыIP 40, защитное покрытие платы диэлектрическим лаком
Размер	70 х 70 х 26 мм.

5. Шлюз Airgate
Шлюз предназначен для приема сообщений от модулей телеметрии по радиоканалу и отправки их в другие системы по протоколу MQTT, через локальную сеть или интернет, в режиме прозрачного моста, без промежуточного хранения, визуализации и анализа.

Тип питания	PoE, Micro USB (+5V), 12 – 48 VDC
Тип подключения к сети	Ethernet, Wi-Fi b/g/n, встроенная антенна
Протокол	MQTT
Конфигурирование	Web-интерфейс
Кол. радиомодулей	до 255
Исполнение	Indoor, степень защиты: IP 40, защитное покрытие платы диэлектрическим лаком, выносная антенна 2dBi, SMA, 868 MHz

Размер 70 х 70 х 26 мм. Выносная антенна 108 мм

Облачная система сбора данных

Компактность

Все объекты имеют типовую структуру, а поэтому целесообразно рассматривать их в виде комплектов. Комплекты предварительно конфигурируются и подготавливаются к установке на объекте. Предложение учитывает установку приборов учета в стандартные IP65 распределительные коробки. Предполагается возможность подключения шлюза AirGate к существующей сети Интернет на объекте. Эксплуатация системы требует периодической замены элементов питания в модулях сбора данных (1 раз / год). Отсутствие необходимости прокладки коммуникаций позволяет очень быстро развернуть систему.

Решения, используемые в данном ТКП, являются сертифицированными, серийно выпускаемыми и имеющими положительный многолетний опыт эксплуатации в Украине и за рубежом на распределенных объектах:

теплоснабжения (теплопункты)
энергоснабжения (солнечные и ветровые электростанции, трансформаторные подстанции),
водоканалы (насосные, канализационные станции, системы водоподготовки)
другие распределенные объекты коммунального хозяйства (например, лифтовое хозяйство)
Кроме мониторинга уровня объекта (собственно котельная), мы предлагаем также решение мониторинга уровня сети котельных, на базе облачного сервиса Level2 для распределенных объектов. Данный сервис кроме мониторинга комплекса объектов и средств аналитики их энергоэффективности также обеспечивает межсистемный (концепции IoT и M2M) обмен данными между ними что позволяет реализовывать различные стратегии управления энергоэффективностью.

Описание технического решения

Концепция разработки

Данное внедрение рассматривается как часть комплексного подхода к диспетчеризации объектов МТМ. Благодаря наличию у нас всего спектра решений по диспетчеризации — модулей сбора/управления (в том числе беспроводных) и интеграционных контроллеров (ИК), ПО уровня объекта, ПО уровня сети объектов (Level2) мы можем предложить единую систему, которая позволит, кроме диспетчеризации собственно котельных в дальнейшем:

● подключать к системе другие объекта (котельные, ЦТП, ИТП, пункты, контроль давлений в трубопроводах и т.п.)

● Обеспечивать их согласованную работу по критериям энергоэффективности (балансирование нагрузки, работа по лимитам, общий календарь, погода-зависимое управление и т.п.))

В наших решениях соблюдаются принципы открытости (соответствие открытым стандартам обмена данными), модульности (гибкость при расширении состава оборудование) и унификации.

Этап 1— внедрение диспетчеризации котельной

Диспетчеризация котельной и средства аналитики позволят провести аудит работы в различных режимах и выявить потенциальные возможности повышения эффективности ее работы.

Этап 2 — возможность автоматизации

Благодаря наличию в системе мощного промышленного ПЛК, система будет практически готова к автоматизации, которая может производиться поэтапно (управление насосной группой, отдельные контуры регулирования) с целью исключения ошибок ручного управления. (человеческий фактор).

Этап 3.1 — подключение в единую систему абонентов (ИТП)

ИТП оснащенные нашими интеграционными контроллерами, интегрируются в сеть диспетчеризации верхнего уровня и реализовывать алгоритмы «интеллектуального» управления как уровня самого ИТП, так и его группового взаимодействия (балансирование в схеме – «генератор — потребители»)

Этап 3.2 — реализация комплексных алгоритмов энергоэффективности

В любой технической системе важно поддерживать оптимальный режим ее работы, или “рабочую точку”. Функции межсистемного обмена (концепции IoT и M2M) между котельной и ИТП позволят обеспечить взаимно согласованную работы.

Этап 4 внедрение аналогичной системы на других котельных

Индивидуальные особенности конкретного объекта учитываются на его уровне — нестандартные сигналы и протоколы переводятся в унифицированные, а сам объект (его модель данных в ИК) легко “клонируется” в системе верхнего уровня, что позволяет внедрять эти системы с короткие сроки с минимальными затратами. Данное ТКП предусматривает работы по этапу 1. Тех описание приложится.

Информационная система, обеспечивающая визуализацию, сбор, обработку, хранение и анализ данных

Пример визуализации технологической схемы процесса

Средства анализа данных – графики, отчеты
Сигнализация и нотификация об отклонениях режимов работы от номинальных (e-mail, telegram) Журналирование аварий
Локальный и удаленный доступ пользователей к системе, разграничение прав доступа.

Распределенная структура оборудования в котельной

Оборудование в котельной размещается в нескольких небольших щитах (центрального и периферийных), расположенных максимально близко к группам полевых приборов — насосная группа, водоочистка и др. Такое расположение сокращает длину и объем кабельных трасс от полевых приборов, а также повышает помехоустойчивость и точность чтения данных.

Концепция построения и взаимодействия информационно-диспетчерских систем в сфере ЖКХ г. Общая структура. Предпосылки создания.

Часть 2.

Теплоснабжение

Одним из основных и приоритетных направлений развития систем теплоснабжения является повышение их энергоэффективности. Как известно, наилучших результатов здесь можно достичь лишь при комплексном взвешенном подходе.

Этап 1. Информационно-аналитическую система

Прежде всего, необходимо внедрить информационно-аналитическую систему, позволяющую выявлять основные потери для правильного планирования, оценки целесообразности и эффективности проведения тех или иных мероприятий в дальнейшем. Такая система должна охватывать все уровни: генерацию, распределение, транспортировку и учет потребления теплоносителя. Она должна быть максимально быстро развертываемой, не требовать больших капиталовложений, быть легко масштабируемой до полноценной системы диспетчерского контроля всех сетей и объектов предприятия.

Вследствие разнородности, многочисленности, а также распределенности объектов теплосети, единственным целесообразным решением в этом случае, будет построение децентрализованной системы, включающей в себя множество узлов, объединенных в единую сеть на базе платформы, обеспечивающей доступ ко всем данным в реальном времени, построение отчетов и аналитику. Такой подход обеспечит возможность постепенного, почти неограниченного масштабирования системы, минимальные первоначальные затраты, пропорциональные ее размерам, а также очень высокую надежность.

Приложение 1

Теплогенерация

В рамках первого этапа, необходимо охватить все энергетические показатели работы котельных и состояние их основного оборудования. Эти системы, в самом общем случае, должны удовлетворять следующим принципам (См. Приложение 1):

Унифицированный набор сигналов для всех объектов
Гибкость и масштабируемость платформы
Соответствие промышленным стандартам
Мониторинг параметров в реальном времени
Сбор, хранение и аналитика данных. Построение отчетов
Возможность интеграции в единую информационную систему
Возможность дальнейшего расширения, в рамках следующих этапов

Приложение 2

Такая система позволит:

В результате анализа данных, станет понятна реальная энергоэффективность объектов в различных режимах работы, появится возможность сравнить их между собой, понять структуру энергозатрат, причины потерь и пути оптимизации технологических процессов.
В следствии непрерывного мониторинга основных параметров работы оборудования появится возможность выявления отклонений в его работе на ранних стадиях, что в свою очередь, может способствовать снижению риска возникновения серьезных аварий и влияния «человеческого фактора»
Заложит основу для будущей системы дистанционного, автоматизированного или автоматического управления отдельными технологическими подсистемами или даже целыми объектами, в рамках следующих этапов.

Теплораспределение (ЦТП)

Другой важной составляющей в структуре затрат теплосети являются потери при транспортировке теплоносителя к потребителям, выражающиеся в снижении его температуры и утечках. Для понимания этой ситуации необходимо контролировать энергетический баланс системы: что ушло от котельной, что пошло абонентам и что попало к ним на вход. Также, для своевременного выявления утечек и их быстрой локализации, будет целесообразно в этих точка контролировать давление. (См. Приложение 2.)

Абонентский учет

Большинство абонентов на входе уже имеет коммерческие приборы учета тепловой энергии, используемые лишь для взаиморасчетов. Однако, мониторинг в реальном времени данных с этих приборов о: температурах, теплосъеме и протоках, обеспечит наглядную картину работы всей системы в целом и полноту энергетического баланса в частности. Так же эта система улучшит механизм расчетов за потребленную тепловую энергию с абонентами. (См. Приложение 3. Сбор данных с абонентских приборов учета).

Приложение 3. Сбор данных с абонентских приборов учета.

Этап 2. Установка ИТП

Этап 3. Автоматизация котельных

Сбор данных с абонентских приборов учета

Внедряемая система должна отвечать, как минимум следующим общим требованиям:

Возможность работы с приборами разных производителей, разными типами коммуникационных портов и протоколов (перечень уточняется)
Иметь поддержку стандартных коммуникационных протоколов для систем такого класса. Иметь возможность интеграции в единую информационно-аналитическую среду, вместе с другими системами предприятия, как элемент системы мониторинга состояния теплосетей города, на базе таких популярных платформ как: Amazon AWS, Google Cloud, Microsof Azure или других аналогичных продуктов
Иметь возможность интеграции с абонентско-расчетным программным комплексом предприятия
Для возможности оперативного анализа текущего состояния системы теплоснабжения обеспечивать передачу данных о потребленной тепловой энергии, текущей мощности потребления,
температурах прямого и обратного теплоносителя не реже чем 1 раз в 15 минут
Обеспечивать отправку диагностических сообщений о наличии сбоев в работе оборудования,
уровне заряда батарей, а также определять отсутствие связи с ним
Иметь встроенную аналитику, возможность построения графиков и отчетов.
Возможность автономной работы приборов связи, как минимум 1 год
Возможность поэтапного развертывания с минимальными затратами
Минимальные эксплуатационные расходы
Из всего вышеперечисленного наилучшим решением будет использование систем передачи данных на базе беспроводной технологии LoRa. Эта технология сочетает в себе ультранизкое энергопотребление приборов связи при очень большом радиусе связи (до нескольких километров, в условиях городской застройки), что позволяет им работать автономно до нескольких лет. Типичными показателями для систем данного класса является возможность передачи до 100 тыс. пакетов (в зависимости от объема данных). Эта технология прекрасно подходит для периодической передачи данных телеметрии.
В общем случае, система должна состоять из трех основных компонентов: абонентского шлюза(Gateway, GW), вычитывающего данные из тепловычислителя по какому-либо протоколу через коммуникационный порт и передающего их в радиоканал, точек доступа (Access point, AP) принимающих пакеты и транслирующих их на сервер через Интернет, и сервера обеспечивающего хранение, обработку, визуализацию и аналитику данных. При этом, наилучшим вариантом будет трансляция данных в виде MQTT пакетов, что принято, как общий стандарт для IoT систем и поддерживается большинством популярных платформ.

Таким образом, в независимости от типов абонентских приборов учета, унифицированные пакеты данных от каждого вычислителя будут с заданным интервалом приходить в систему мониторинга.

Для надежной работы сети сбора данных необходимо будет развернуть опорную сеть из нескольких десятков точек доступа, подключенных к проводной или беспроводной сети Интернет. Наличие собственной сети передачи данных позволит значительно снизить эксплуатационные расходы на содержание системы.

Автономная работа шлюзов и то, что они сочетают в себе одновременно сразу все необходимые функции внутри компактного корпуса обеспечивают максимально быструю и безопасную их установку, в отличии от традиционных систем со стационарным питанием.

Система сбора данных и учета расходов энергоресурсов