תכנון תחנת משנה חכמה מסוג קופסה 10kV המבוססת על פלטפורמת Gizwits IoT + STM32

מערכת השלט רחוק של תחנת משנה חכמה מסוג קופסה 10kV שהוצגה במאמר זה תוכננה ופותחה על ידי טיאן חוי מאוניברסיטת שיאן למדע וטכנולוגיה.

המערכת לוקחת את התכנון של מערכת החלפת קופסאות חכמה של 10kV עבור דירת סטודנטים במכללה כרקע הנדסי, ומתכננת מערכת חכמה להחלפת קופסאות של 10kV המבוססת על האינטרנט של הדברים. המערכת מורכבת משלושה חלקים: שכבת תפיסה, שכבת תקשורת ושכבת יישום. שכבת התפיסה אחראית על איסוף נתוני החיישנים והעברתם לבקר השטח.

כולל ציוד מערכת משני כגון התקני הגנה על מיקרו-מחשבים, מדי רשת חכמים, ובקרי פיצוי הספק תגובתי חכמים, כמו גם ציוד גילוי סביבתי כגון טמפרטורה ולחות, עשן, וחיישני טבילה במים. הבקר באתר משתמש במיקרו-מעבד מוטבע STM32, כולל צג LCD, מודול אזעקה קולית, מודול ממסר ותקשורת GPRS, וכו '; שכבת התקשורת משתמשת בתקשורת אלחוטית GPRS, אשר אחראי על העברת הנתונים הדו-כיוונית בין בקר האתר לבין פלטפורמת הענן; פלטפורמת הענן Gizwits מפתחת מערכת ניטור מרחוק ואפליקציה סלולרית לשנאים מסוג קופסה, אשר אחראי על האחסון, ניתוח ועיבוד של נתוני פעולת שנאי מסוג קופסה.

This system finally realizes the user's remote monitoring of environmental parameters such as variable temperature and humidity, גלאי עשן ומי בור יסוד, כמו גם פרמטרים חשמליים כגון זרם, מתח, תדר וגורם הספק, ומצב העבודה של הציוד באמצעות המחשב WEB או האפליקציה לנייד.

כאשר יש חריגה או תקלה בפעולת השנאי מסוג תיבה, מערכת הניטור שופטת באופן אוטומטי את רמת התקלה, ושולח אזעקה באמצעות שילובים שונים של פעמון באתר, אפליקציה לטלפון נייד, SMS וטלפון, וכו ', ומודיע לצוות הרלוונטי למנוע בעיות נסתרות בזמן ולמנוע תאונות חשמל. . הוא מתאים לניטור מרחוק וניהול מרכזי של שנאי קופסאות וחדרי חלוקת חשמל, ויכול לשפר מאוד את רמת האינטליגנציה ואת בטיחות אספקת החשמל והאמינות של ציוד חלוקת החשמל בבתי הספר, מפעלים וקהילות.

1. מבוא

עם בנייה ופיתוח של כלכלה חברתית ורשת הפצה, יש יותר ויותר שנאים תיבת 10kV. תחנת המשנה המסורתית מסוג תיבה של 10kV מאמצת בדרך כלל את מצב הפעולה של בדיקה קבועה ללא השגחה וידנית, בעלת רמת אינטליגנציה נמוכה וחסרה מערכות ניטור וגילוי תקלות מרחוק לסביבה ולציוד. בהווה, עם הפיתוח המהיר של טכנולוגיית חיישנים חכמים, טכנולוגיה משובצת, טכנולוגיית תקשורת וטכנולוגיית מחשוב ענן והוזלת עלויות, תחנת המשנה מסוג קופסה חכמה 10kV המבוססת על האינטרנט של הדברים הפכה לבחירה הטובה ביותר לשדרוג וטרנספורמציה של תחנות משנה מסורתיות מסוג קופסה.

מערכת הניטור מרחוק של תחנת משנה חכמה מסוג תיבה המבוססת על האינטרנט של הדברים יכולה לפקח מרחוק על סביבת תחנת המשנה מסוג תיבה, פרמטרים תפעוליים וסטטוס הציוד בזמן אמת. כפי שניתן לראות באיור 1.

משתמשים יכולים לפקח מרחוק על פרמטרים סביבתיים כגון טמפרטורה ולחות של הקופסה, גלאי עשן, והצטברות מים בבורות יסוד, כמו גם פרמטרים חשמליים כגון זרם, מתח, תדירות, וגורם כוח, ומצב ציוד באמצעות מחשבים או אפליקציות לנייד בכל עת. כאשר תחנת המשנה של התיבה פועלת באופן חריג או נכשלת, מערכת הניטור תודיע באופן אוטומטי לצוות הרלוונטי באמצעות שיטות שונות של אפליקציה לטלפון הנייד, SMS וטלפון בהתאם לרמת התקלה, כדי למנוע תקלות נסתרות בזמן ולמנוע תאונות חשמל.

10תחנת משנה מסוג קופסה חכמה kV המבוססת על האינטרנט של הדברים

מערכת הניטור מרחוק של תחנת המשנה מסוג קופסה חכמה מורכבת מ "FIELDBUS LAN" בתוך תחנת המשנה מסוג תיבה ו- "רשת מרחבית של פלטפורמת ענן" מחוץ לתחנת המשנה מסוג קופסה. מודל מבני זה יכול להיות מיושם בפיתוח מערכות ניטור מרחוק עבור ציוד אספקת מים משני, מערכות ניטור מרחוק, מערכות ניהול חיובי חשמל ביתיים, ומערכות ניטור מרחוק של מעליות לשיפור רמת המודיעין והניהול של ציוד מסורתי ולקידום שדרוג תעשיות מסורתיות. יש לו ערך יישום טוב.

2. עיצוב תוכנית כולל

העיצוב של תחנת משנה מסוג קופסה חכמה המבוססת על האינטרנט של הדברים מבוסס על העיצוב של תחנת משנה מסוג קופסה חכמה של 10kV בדירת סטודנטים במכללה. תכנון המערכת העיקרי של שנאי התיבה החכם 10kV זהה לזה של השנאי המסורתי מסוג קופסה 10kV, והוא נוטה להיות בוגר. מאמר זה מתמקד בתכנון החכם של שנאי מסוג קופסה חכמה 10kV. להלן סקירה קצרה של תוכן העיצוב של המערכת הראשית של שנאי מסוג קופסה חכמה 10kV.

2.1 תכנון מערכת ראשוני של תחנת משנה חכמה מסוג קופסה 10kV

עומס הכוח של לא. 5 בניין דירות סטודנטים באוניברסיטה הוא בעיקר תאורה, מחשבים ועומסי מזגנים חדשים שנוספו. כל חדר מעונות מחושב כ 8 אֲנָשִׁים, עומס התאורה הוא 100W, כל עומס מחשב של תלמיד הוא 200W, וכל קולב מסוג מפוצל 1.5P מותקן לאחרונה עם מזגנים ההספק הוא 1.3kW, והעומס של מעונות ליחיד הוא 3.0kW. על פי "תעשייתי ואזרחי אספקת חשמל וחלוקה מדריך תכנון", the dormitory's power load demand coefficient is 0.7, וגורם הכוח הוא 0.8.

בהתחשב בהגדלת עומס החשמל של דירת הסטודנטים בעתיד, השנאי צריך לשמור מרווח מסוים, והשנאי עם קיבולת של 1000kVA נבחר. בהתחשב בעלות ההשקעה הראשונית ועלות התפעול של השנאי, כמו גם הדרישות של מדיניות שימור האנרגיה הלאומית והפחתת פליטות, שנאי שקוע שמן אטום לחלוטין בהפסד נמוך S13-M-1000/10-0.4 נבחר למטרה זו.

על בסיס חישוב סטטיסטי עומס, חישוב קצר חשמלי, אימות יציבות דינמית ואימות יציבות תרמית, הציוד העיקרי של המערכת העיקרית של שנאי סוג התיבה נבחר. הדגמים הספציפיים והפרמטרים הטכניים של הציוד העיקרי של המערכת הראשית מוצגים בטבלה 3, שולחן 4, שולחן 5 וטבלה 6.

על פי דרישות התכנון של No. 5 תחנת המשנה של תיבת הפרויקט של דירת הסטודנטים וחישוב תכנון המערכת הראשונית, דיאגרמת החיווט הראשית של המערכת הראשית המתוכננת של No. 5 תחנת המשנה של תיבת דירת הסטודנטים מוצגת באיור 2.

איור 2 : תרשים החיווט הראשי של המערכת העיקרית של תחנת משנה מסוג תיבה בדירת סטודנטים באוניברסיטה

2.2 ערכת תכנון חכמה של שנאי תיבת 10kV

מכוון לפגמים בתכנון ולבעיות הקיימות בניהול הפעולה של תחנת המשנה המסורתית מסוג תיבה 10kV, המפתח לפתרון הבעיה טמון בבניית מערכת לולאה סגורה לאיתור, ניטור מרחוק ואזעקה של הסביבה והציוד החכמים של תחנת המשנה מסוג תיבה, והתכנון כולל ניטור מרחוק של סביבת ההפעלה והציוד החשמלי מערכת שנאי התיבה החכמה עם פונקציות שונות יכולה לאסוף ולנטר פרמטרים סביבתיים כגון בקרת גישה לשנאי תיבה, טמפרטורת הסביבה ולחות, גלאי עשן, ומים בתעלת הכבלים, כמו גם מתח, הנוכחי, עוצמה פעילה, כוח תגובתי, גורם הספק, טמפרטורת הכבל, שנאי שנאי, וכו.

טמפרטורת הגוף ואות אזעקת גז ופרמטרים תפעוליים אחרים של ציוד, מאוורר פליטה בשלט רחוק, התקן הגנה למיקרו-מחשב ומתג מפסק.

המערכת מאמצת מכשירים חכמים וחיישנים חכמים עם פונקציות תקשורת הנפוצות באתרי תעשייה, ומשדר את הנתונים שנאספו לבקר השטח באמצעות תקשורת אפיק שדה, ובקר השטח משדר את הנתונים לשרת או למחשב המארח בענן באמצעות מודול תקשורת אלחוטית או קווית. מימוש פונקציות כגון טלמטריה, איתות מרחוק ושלט רחוק.

מערכת הניטור מרחוק של שנאי קופסה חכם 10kV המבוססת על האינטרנט של הדברים משתמשת במכשירים חכמים וחיישנים עם פונקציית תקשורת דו-כיוונית דיגיטלית, ומאמצת באופן אחיד ממשק אפיק RS485 סטנדרטי ופרוטוקול תקשורת Modbus-RTU. מערכת הניטור מרחוק של שנאי קופסאות חכם המבוססת על האינטרנט של הדברים מורכבת משלושה חלקים: שכבת התפיסה, שכבת התקשורת ושכבת היישום.
* שכבת תפיסה: באמצעות מונים חכמים שונים וחיישנים חכמים לאיסוף סביבות שונות, פרמטרי הפעלה של ציוד ומצב העבודה של הציוד של שנאי התיבה, ולשדר את הנתונים לבקר השטח באמצעות אפיק RS485. לבקר השטח יש מערכת הפעלה מובנית ויש לו איסוף נתונים, מדעי המחשב, פונקציות עיבוד ובקרה.
* שכבת תקשורת: שכבה זו היא החיבור והקישור של העברת נתונים וחילופי נתונים, ואחראי על העברת נתונים דו-כיוונית בין פלטפורמת הענן לבקר באתר. על פי תנאי התקשורת בפועל של שנאי מסוג תיבה, שיטות תקשורת שונות כגון כבל אופטי קווי, ניתן לבחור Ethernet או GPRS אלחוטי להעברת נתונים לפלטפורמת הענן.
*שכבת היישום: תכנון ופיתוח מערכת ניטור מרחוק לשנאים מסוג קופסה על פלטפורמת הענן, אחראי לשליחה, קבלה ועיבוד של נתונים היסטוריים, ניטור מרחוק של פרמטרים תפעוליים של שנאי מסוג קופסה, ותיעוד אחסון וניתוח של נתוני תפעול אירועים. ולפתח WEB ואפליקציה לנייד על פלטפורמת הענן, החשמלאי התורן יכול לפקח על נתוני התפעול ומצב העבודה של הציוד של שנאי התיבה בכל עת באמצעות המחשב או האפליקציה לנייד.

3. תכנון חומרת מערכת

3.1 RS485 אוטובוס מקומי רשת התקשורת של אתר שנאי התיבה

עם פיתוח והתקדמות של טכנולוגיה משובצת והפחתת עלויות, מכשירי גילוי רבים, חיישנים ומפעילים יש מובנה microprocessors עבור חסרונות ובעיות של העברת מידע של ציוד שדה מסורתי מסוג קופסה, אשר יכול להשלים המרת ADDA ולינאריות וסינון דיגיטלי. ממשק נתוני תקשורת טורי נוסף בתוך התקני שדה דיגיטליים אלה, והתקשורת הדו-כיוונית הטורית בין התקני שדה ניתנת למימוש באמצעות פרוטוקול תקשורת סטנדרטי מאוחד.

משמש בעיקר רשת אוטובוסים תעשייתית כיום.

אחד המפתחות לתכנון מערכת ניטור מרחוק עבור שנאים מסוג קופסה חכמה הוא לבחור מכשירים חכמים וחיישנים עם פונקציות תקשורת דו-כיוונית דיגיטלית, ולאמץ ממשקי אפיק ופרוטוקולי תקשורת סטנדרטיים ומאוחדים. החל מהפרקטיקה ההנדסית של תכנון טרנספורמציה מסוג קופסה חכמה של 10kV ב- No. 5 דירת סטודנטים, נבחר אפיק RS485 ופרוטוקול התקשורת Modbus-RTU הנתמך בדרך כלל על ידי חיישנים חכמים.

על פי תרשים החיווט הראשי של המערכת הראשית של שנאי קופסה בדירת סטודנטים במכללה ודיאגרמת בלוק המערכת של מערכת ניטור מרחוק של שנאי התיבה החכם 10kV, תכנון חומרת המערכת לוקח את בקר השטח של שנאי התיבה כליבה, ומורכב מהתקן הגנה משולב מיקרו-מחשב, מד רשת חכם והספק תגובתי חכם ציוד מערכת משני כגון מפצים, וחיישני זיהוי סביבתי כגון חיישני עשן טמפרטורה ולחות, חיישני טמפרטורה PT100 וחיישני חדירת מים יוצרים את רשת התקשורת המקומית של אפיק RS485 של אתר הטרנספורמציה מקופסה לקופסה. דיאגרמת מערכת רשת התקשורת המקומית של אפיק RS485 של שנאי התיבה מוצגת באיור 4.

אפיק RS485 דיאגרמת מערכת רשת תקשורת מקומית של אתר המרת סוג התיבה

(1) אפיק תקשורת טורי RS485

מצב התקשורת של אוטובוס RS485 הוא מצב אדון-עבד, ומכשיר המאסטר סוקר כל מכשיר עבד לתקשורת, וניתן להקים רשת חד-נקודתית כדי ליצור מערכת מבוזרת. ממשק RS485 הוא ממשק טורי במהירות נמוכה בשימוש נרחב, ולממשק RS485 יש את המאפיינים הבאים:.
* ממשק RS485.

תקשורת ממשק RS485 מאמצת מצב שידור דיפרנציאלי, ויש לו שילוב של דרייבר מאוזן ומקלט דיפרנציאל, ומשתמש בהפרש המתח בשני קצות הכבל כדי להעביר אותות, אשר משפר מאוד את היכולת להתנגד להפרעות במצב נפוץ והפרעות נגד רעש.
* לאוטובוס RS485 יש קצב שידור גבוה ומרחק שידור ארוך. מרחק השידור המרבי הוא בערך 1200 מטרים, וקצב השידור המרבי הוא 10Mbps; קצב השידור שלו עומד ביחס הפוך למרחק השידור, וניתן להגיע למרחק השידור המרבי כאשר הקצב נמוך מ- 20kbps.
* תמיכה בצמתים מרובים. בכללי, לולאת אפיק RS485 יכולה לתמוך תיאורטית 247 צמתי התקנים.

(2) פרוטוקול תקשורת טורית Modbus-RTU

פרוטוקול Modbus מוחל על רשת האוטובוסים התעשייתית. דרך הפרוטוקול, תקשורת נתונים יכולה להתבצע בין הבקר לבין ציוד השטח. הציוד המיוצר על ידי יצרנים שונים יכול ליצור מערכת ניטור רשת אוטובוסים תעשייתית בעקבות פרוטוקול אחיד. לפרוטוקול יש מבנה אדון-עבד, צומת ראשי אחד ברשת, והאחרים הם צמתי עבדים, ולכל צומת עבדים יש כתובת מכשיר ייחודית.

ברשת האפיק הטורי, הצומת הראשי מפעיל פקודה, וכל מכשירי העבדים יקבלו את הפקודה. הפקודה Modbus מכילה את כתובת התקן העבד המבצע את הפקודה, ומכשיר העבד שהוגדר על ידי המכשיר הראשי מגיב תחילה ולאחר מכן מבצע את הפקודה. יש בדיקות בפקודות Modbus כדי לוודא שהפקודות המגיעות לא נפגמו. פקודות Modbus יכולות להורות ל- RTU לשנות את ערך האוגר שלו, קריאה או שליטה ביציאת הקלט/פלט, ולהורות למכשיר להחזיר נתוני רישום אחד או יותר.

Modbus כולל ASCII, RTU ו- TCP שלושה סוגי הודעות. מצב שידור ASCII, סכום ביקורת של LRC, יעילות שידור נמוכה, אבל אינטואיטיבי, פשוט וקל לאיתור באגים. מצב שידור RTU, באמצעות בדיקת CRC, יעילות שידור גבוהה, קצת יותר מסובך מ- ASCII. באופן כללי, אם כמות הנתונים שיש לשדר קטנה, באפשרותך לשקול להשתמש בפרוטוקול ASCII; אם כמות הנתונים שיש לשדר גדולה יחסית, עדיף להשתמש בפרוטוקול RTU. מסיבה זו, המכשירים והחיישנים החכמים של מערכת זו מאמצים את מצב התקשורת Modbus-RTU באופן אחיד.

3.2 תכנון חומרה של בקר שדה של Box Transformer

בקר השטח של שנאי התיבה מורכב ממערכת משובצת. המערכת המשובצת ממוקדת יישום, ניתן להתאים תוכנה וחומרה, ומממשת אוטומציה של ציוד, אינטליגנציה, ופונקציות ניטור מרחוק. הוא מורכב בעיקר של מיקרו מעבדים משובצים, חומרה קשורה, מערכות הפעלה משובצות, ומערכות תוכנה ליישומים.

(1) מערכת מיקרו-מעבד מינימלית STM32

המערכת המינימלית של מיקרו מוטבע כוללת מיקרו מעבד מוטבע, איפוס מעגל ומעגל איתור באגים. מעגל השעון מספק את אות השעון החיצוני הנדרש, מעגל האיפוס מספק מצב התחלתי מאוחד, ומעגל ניפוי הבאגים מספק ממשק להורדה ואיתור באגים של תוכניות.
* אפשרות מיקרו-מעבד מוטבע. על פי הדרישות של מערכת ניטור מרחוק של שנאי התיבה החכמה 10kV לביצועי הבקר באתר, מערכת זו בוחרת בשבב STM32F103ZET6 כמיקרו-מעבד הליבה של הבקר באתר. STM32F103ZET6 מיקרו-מעבד מוטבע, למיקרו-בקר אינטגרציה גבוהה, צריכת חשמל נמוכה, וביצועים בעלות גבוהה. הוא מתאים לדרישות יישום שונות בתחום הרפואה התעשייתית, ויכול לעמוד בדרישות של רכישת נתונים ועיבוד בזמן אמת של מערכת זו.
* מעגל מתנד קריסטל. מעגל מתנד הגביש מספק פולס תדר קבוע למיקרו-מעבד כדי לגרום למיקרו-מעבד לפעול כרגיל. למיקרו-מעבד STM32 יש שני מתנדים גבישיים, מתנד הגביש 8MHz מספק שעון חיצוני במהירות גבוהה, ומתנד הגביש 32.768KHz מספק שעון חיצוני במהירות נמוכה.

* איפוס מעגל חשמלי. תפקידו של מעגל איפוס המיקרו הוא להפעיל מחדש את המערכת. כאשר המערכת נכשלת, לחץ על לחצן האיפוס כדי להפעיל מחדש את ההתקן. בדרך כלל, מעגל האיפוס משתמש באות ברמה נמוכה כדי להפעיל מחדש.

(2) תכנון מעגלי חשמל

המערכת בוחרת ספק כוח חיצוני DC במתח מדורג של 12V (2A), ובוחר DC 5V (2A) מתאם מתח עם ממשק USB לאספקת חשמל לבקר השטח. ספק הכוח DC 12V מחובר ללוח הבקרה, וספק הכוח DC 12V יורד בהדרגה כדי להשיג ספק כוח DC 5V באמצעות מודול LM2596S. מתח 5V מועבר דרך שבב הרגולטור AMS1117-3.3V כדי לקבל מתח 3.3V כדי לספק חשמל לשבב STM32. דיאגרמת המעגלים של וסת אספקת החשמל LM2596S ו- AMS1117-3.3V מוצגת באיור 8.

(3) ממשק RS485 למודול TTL

ממשק RS485 למודול TTL מממש את ההמרה והתקשורת הדו-כיוונית של אות RS485 ואות TTL, אבל האות חייב להתבצע לסירוגין, ולא יכול להתבצע בשני כיוונים בו זמנית. כל התקני השטח משתמשים במודול זה כדי להתחבר למיקרו-בקר, ודיאגרמת החיווט מוצגת באיור 9.

דיאגרמת חיווט של מיקרו-בקר TFT-LCD ו-STM32 - איור 9

(4) מודול תצוגת LCD

מכיוון שהבקר באתר של מערכת הניטור מרחוק מסוג תיבה צריך להציג מספרים ותווים רבים, צג גביש נוזלי TFT-LCD בגודל 2.8 אינץ' נבחר כמודול התצוגה, ויש בקר ILI9341 בפנים. שקול STM32 יכול לתקשר עם ILI9341 באמצעות ממשק SPI, 8080 ממשק או ממשק RGB. על מנת להשיג קצב רענון מהיר יותר, שימושים ב-TFT-LCD 8080 ממשק אפיק נתונים מקבילי. STM32 מפיק נתונים לזיכרון בקר ILI9341 באמצעות מודול FSMC של זיכרון סטטי משתנה.

(5) מודול אזעקה קולית

כאשר המיקרו-מעבד STM32 מזהה שיש חריגה או תקלה בנתוני הפעולה של שנאי התיבה, זה ישלח הודעה ליציאה הטורית ויפעיל אזעקה קולית. מודול אזעקה קולית בוחר את שבב הקול הנפוץ SYN6288, ומשדרת באופן אוטומטי מידע אזעקה קולית בהתאם לתוכנית המתוכנתת. המערכת משתמשת בקוד GB2312, המתאים לחילופי מידע בעיבוד תווים סיניים ותקשורת תווים סינית. SYN6288 גם מזהה מספרים במדויק, שעות ותאריכים, ויחידות מידה נפוצות.

(6) מודול ממסר

בקר השטח בוחר קבוצה של מודולי ממסר בידוד מצמד אופטי דו-כיווני כדי לשלוט בפתיחה ובסגירה של פעמון האזעקה והמאוורר DC 12V, וניתן לבחור את ממסר מצב מוצק AC 220V בהתאם לסוג ספק הכוח וההספק של מאוורר הפליטה מסוג קופסה. לכל מודול מעגל ממסר יש מגעים פתוחים בדרך כלל וסגורים בדרך כלל, וכן חיווי מצב LED; כל מעגל ממסר מבודד על ידי מצמדים אופטיים, והוא מצויד בדיודה חופשית כדי לשחרר את המתח המושרה של הממסר ולהגן על המעגל הקודם. כאשר טמפרטורת הסביבה של שנאי התיבה עולה על טווח מסוים, הבקר באתר מפיק פלט ברמה גבוהה, וממסר בידוד Optocoupler אחד פועל כדי להפעיל את המאוורר כדי להתקרר; כאשר מתרחשות תקלות חמורות כגון ריכוז עשן מופרז, הבקר מפעיל ממסר בידוד Optocoupler נוסף כדי להתחבר לולאת פעמון האזעקה שולחת אזעקה באתר. עבור דיאגרמת עקרון העבודה של הממסר ודיאגרמת החיבור בין מודול הממסר לבין שבב STM32, אנא צור קשר עם היצרן ושלח את הבקשה.

(7) מודול תקשורת

על פי דרישות התכנון של מערכת ניטור מרחוק של שנאי תיבה חכמה 10kV, התקשורת בין שנאי התיבה החכם לבין הענן בוחרת בשיטת התקשורת האלחוטית GPRS בעלות תעבורה נמוכה. מודול GPRS קושחת Gizwits.
*מודול GPRS קושחת Gizwits (G510_GAgent קושחה). מודול זה הוא תוכנית יישום הפועלת על מודולי תקשורת שונים, אספקת פונקציות כגון שידור דו-כיווני של נתוני ענן ונתוני מכשירי מוצר, תצורת ההתקן ברשת, גילוי וכריכה, ושדרוגי תוכניות. ניתן לקבל את תרשים המעגל בין מודול GPRS לבקר הראשי על ידי פנייה ליצרן.

*מודול GPRS-GA6. מודול זה יכול לממש את העברת הקול, הודעות קצרות ונתונים עם צריכת חשמל נמוכה. הוא מתאים לדרישות תכנון שונות ביישומי M2M, במיוחד עבור העיצוב של מוצרים קומפקטיים. שנית, פרוטוקול התקשורת מאמץ שידור אפיק יציאה טורית UART, משתמש בפקודות AT סטנדרטיות כדי לשלוט במודול, ובוחר את קצב השידור של 115200bps. צור קשר עם יצרן IoT עבור דיאגרמת מעגל החיבור של מודול GPRS-GA6 והמיקרו-בקר STM32.

3.3 התקן הגנה מקיף Microcomputer

על פי מפרט תכנון הגנת שנאי הכוח (GB/T 50062-2008), 10שנאים kV בדרך כלל צריכים להתקין הגנה מפני זרם יתר עם מגבלת זמן. להתקן ההגנה של המיקרו-מחשב יש את ההגנה, פונקציות מדידה ובקרה של שנאים וקווים, כמו גם את הפונקציות של רכישת נתונים, ניטור ובדיקה עצמית של המערכת, ובעל רגישות ואמינות גבוהות.

על פי דרישות התכנון של שינוי התיבה החכמה 10kV בדירת הסטודנטים, נבחר התקן ההגנה המקיף Ankerui AM3-I מסוג מיקרו-מחשב מסוג נוכחי עם פונקציית תקשורת RS485, עם IA, יב., IC, UA, UB, UC, P, Q, Fr ומדידת פרמטרים חשמליים אחרים, 8-קליטת אות מתג חיצוני של ערוץ, ומפסק מפסק, פעולות פתיחה וסגירה מרחוק ופונקציות אחרות. דיאגרמת מסוף החיווט של התקן ההגנה על מיקרו-מחשב AM3-I היא כדלקמן:

דיאגרמת מסוף חיווט של התקן הגנה על מיקרו-מחשב AM3-I

3.4. מד רשת חכם

מדי רשת חכמים משמשים לזיהוי פרמטרים חשמליים כגון זרם תלת פאזי, מתח והספק של מעגלי חלוקת חשמל במתח נמוך, וכן מצב פתיחה וסגירה של מתגים ומפסקים מבודדים. על פי דרישות התכנון של המערכת המשנית של שנאי תיבה חכם 10kV, נבחר מד רשת חכם Ankerui ACR עם פונקציית תקשורת RS485, ודיאגרמת החיווט של מד רשת חכם ACR ושנאי זרם מתח נמוך ודיאגרמת החיווט של כניסת ופלט המתג נבחרים.

מד רשת חכם ACR שנאי זרם מתח נמוך ודיאגרמת חיווט כניסה ופלט דיגיטלית

מד רשת חכם ACR מאמץ את פרוטוקול Modbus-RTU, אשר יכול למדוד ולאסוף פרמטרים כוח. פונקציית קלט המתג יכולה לזהות את מצב המיתוג של המתג המבודד והמפסק, ופונקציית פלט הממסר יכולה להפעיל ולכבות מרחוק את המפסק. למד הרשת החכם ACR יש תוכנית מאוחדת עבור טבלת כתובות התקשורת, אשר יכול לממש את שלוש פונקציות מרחוק של טלמטריה, איתות מרחוק ושלט רחוק.

(1) המרת AD וחישוב אות אנלוגי AC

ה 3 אותות מתח פאזה ו 3 אותות זרם (אותות פלט שנאי נוכחי) נאספים ישירות על ידי מד הרשת החכם ACR הם כל הכמויות האנלוגיות, אשר צריך להיות מומר אותות דיגיטליים שניתן לזהות על ידי המעבד לעיבוד נתונים. ראשון, ה 3 מתחי פאזה של 220V ו- 3 אנלוגים נוכחיים הופכים לאותות מתח נמוך באמצעות הממיר, ומומר למתח המותר על ידי ממיר AD באמצעות לולאת יצירת מתח; , מומר לאות דיגיטלי על ידי AD וקלט למעבד. ניתן לקבל את התרשים הסכמטי של תהליך הדגימה והמרת AD של הכמות האנלוגית AC על ידי פנייה ליצרן.

* המרת מתח אנלוגי וסינון מעבר נמוך. תפקידו של מעגל יצירת המתח הוא לבודד חשמלית ולהפוך את החשמל. בדרך כלל, ממיר AD דורש שאות הקלט יהיה ±5V ו- ±10V, כך ניתן לקבוע את יחס הטרנספורמציה של ממיר המתח. מסננים בעלי מעבר נמוך מחולקים למסננים פסיביים ולמסננים אקטיביים. מסננים פעילים מורכבים קבלים, נגדים ומגברים תפעוליים משולבים, אשר מגבירים את האות בזמן סינון. מסננים פסיביים כוללים פונקציות סינון בלבד, אך אין פונקציות הגברת אות.
* דגימת אותות אנלוגיים. The sampling process should follow Shannon's sampling theorem, זה, תדירות הדגימה לא תפחת מ 2 פעמים התדר הגבוה ביותר של אות הקלט. תהליך הדגימה מהיר מאוד. הדגימה הנוכחית של ממיר AD הגיעה לרמה של ננו-שנייה, בעוד תקופת הדגימה של המכשיר האוטומטי של מערכת החשמל היא ברמה של אלפית השנייה, כך שאותות המתח והזרם של שש הלולאות יכולים לחלוק ממיר AD אחד, אבל מעגל הדגימה חייב להיות מצויד במכשיר דגימה והחזקה ומתג מרבב.
* המרת AD. ממירי AD כוללים קירוב עוקב, אינטגרל, סופר, השוואה מקבילה, וממירי תדר מתח VFC. ממיר AD הקירוב העוקב מייצג הן את המהירות והן את הדיוק ב- ADC, ויש לו רזולוציית המרה גבוהה יותר בשיעור המרה גבוה יותר.

(2) אלגוריתם אינטגרציית ערך מוחלט של חצי מחזור של כמות חשמלית סינוסואידלית

המפתח של אלגוריתם התוכנה הוא לשפר את הדיוק והמהירות של פעולת האלגוריתם. המפתח של אלגוריתם דגימת AC של המונה החכם הוא לפתור כיצד לחשב את המשרעת או הערך האפקטיבי של אות הדגימה הסינוסואידלי על פי הערך המיידי של האות הסינוסואידלי. האלגוריתם הנפוץ ביותר עבור כמויות סינוס הוא אלגוריתם שילוב ערכים מוחלטים של חצי מחזור. העיקרון של אלגוריתם שילוב הערך המוחלט של חצי מחזור הוא שהאינטגרל של הערך המוחלט של כמות הסינוס בכל חצי מחזור הוא S קבוע, וקבוע הערך האינטגרלי S אינו קשור כלל לזווית ההתחלה האינטגרלית . אלגוריתם שילוב הערך המוחלט של חצי מחזור המבוסס על מודל פונקציית הסינוס מוצג באיור 19.

אלגוריתם של שילוב ערך מוחלט של חצי מחזור המבוסס על מודל פונקציית סינוס

הביטוי לחישוב הערך האפקטיבי של הזרם באמצעות אלגוריתם אינטגרל הערך המוחלט של חצי מחזור מוצג באיור שלהלן:

בנוסחה, S מייצג את האינטגרל של הערך המוחלט בתוך חצי מחזור; אני מייצג את הערך האפקטיבי של הזרם; אני מייצג את הערך המיידי של הזרם; W מייצג את המהירות הזוויתית; T מייצג את מחזור החשמל AC; f מייצג את תדר מתח AC; N מייצג את מספר הדגימות במחזור אחד ; Ts מייצג את תקופת הדגימה.

3.5 חיישן עשן טמפרטורה ולחות RS485

בהתחשב בכך שקו אספקת החשמל בשנאי מסוג התיבה עשוי להיות דליפה, עומס יתר, קצר חשמלי והתנגדות מוגזמת למגע, מה שעלול לגרום לשריפות, וכשל בשנאי טבול במזוט עלול לגרום לשריפות. לָכֵן, יש צורך להתקין חיישן עשן בשנאי מסוג קופסה לגילוי אש של שנאי מסוג קופסה. על מנת לאתר כשלים פוטנציאליים מוקדם. על מנת להבטיח את דיוק המדידה ולהוזיל את העלות בו זמנית, הטמפרטורה RS485, לחות ועשן חיישן שלושה באחד משמש כדי לזהות את הטמפרטורה, לחות וריכוז עשן בשנאי הקופסה. ה חיישן טמפרטורה ולחות משתמש בבדיקה SHT30. נחשולי מתח והפרעות דופק באתר. לחיישן יש 4 חוטים: אדום, שחור, צהוב, וירוק. עבור שיטת החיווט הספציפית של חיישן עשן הטמפרטורה והלחות, אנא צור קשר עם יצרן ה- IoT.

המונים והחיישנים החכמים המתוכננים במערכת זו מאמצים את פרוטוקול Modbus-RTU, אשר יכול לתקשר באופן אמין בטווח קצב השידור המלא של 1200-115200. קצב השידור של מונים חכמים וחיישנים מוגדר באופן אחיד ל- 9600bps. פורמט העברת הנתונים ופורמט המרת הנתונים של החיישן הם כדלקמן:
תבנית מסגרת של שאילתת נתוני חיישן. החיישן עוקב אחר פרוטוקול Modbus-RTU הסטנדרטי, וקריאת החיישן מאוחסנת במרשם ההחזקה, וקוד הפונקציה הוא 04. המחשב העליון קורא את תבנית מסגרת חקירת נתוני החיישן, ותבנית מסגרת חקירת הנתונים התחתונה של חיישן המחשב.

3.6 משדר טמפרטורה PT100 - עקרון העבודה של RTD PT100 - עקרון העבודה של חיישן הטמפרטורה

משדר טמפרטורה PT100 משמש לזיהוי טמפרטורת גוף השנאי, מתח גבוה וטמפרטורת כבל מתח נמוך, הוא מתאים לאתרי תעשייה שונים. שנאי ייצור הפסדים במהלך המבצע, בעיקר אובדן ברזל ואובדן נחושת, ידוע גם בשם אובדן ליבה ואובדן עומס. אובדן נחושת משתנה עם זרם העומס והוא פרופורציונלי לריבוע זרם העומס. נוסחת חישוב הפסד שנאי היא כדלקמן:

בנוסחה, P0 מייצג את הכוח הפעיל של השנאי בפעולה ללא עומס במתח הנקוב; I1 ו- I2 מייצגים את זרם קו המתח הגבוה ואת זרם קו הצד במתח נמוך; R1 ו- R2 מייצגים את התנגדות הצד במתח גבוה ואת התנגדות הצד במתח נמוך.

משדר הטמפרטורה PT100 מוטבע בממשק אפיק RS485, וניתן לחבר כל משדר טמפרטורה ל 4 חיישני טמפרטורה PT100.

3.7 עקרון העבודה של משדר טבילה במים

בשל מפלס המים הנמוך של בור היסוד של תחנת המשנה של התיבה, לעתים קרובות יש הצטברות מים בתעלת הכבל ובבור היסוד לאחר הגשם הכבד, וקיים סיכון בטיחותי פוטנציאלי של דליפת כבלים, לכן נדרשת בדיקה וניקוז לא סדירים. בעיצוב זה, חיישן טבילת המים משמש לזיהוי הצטברות המים בבור היסוד של תת-מבנה התיבה. חיישן טבילת המים מיישם את עקרון ההולכה הנוזלית, ומשתמש באלקטרודות כדי לזהות אם יש מים. בחר גלאי טבילת מים מסוג איש קשר עם פונקציית תקשורת RS485. עקרון העבודה של גלאי טבילת המים מוצג באיור 23.

4. תכנון תוכנת מערכת

תכנון תוכנת המערכת כולל שני חלקים: the field bus LAN software design of the box-type transformer and the remote monitoring system design of the box-type transformer based on the Gizwits cloud platform. התקן ההגנה המשולב של מיקרו-מחשב, מד רשת חכם וחיישן חכם באפיק השדה רשת התקשורת המקומית של שנאי התיבה יש תוכנת יישום משובצת, אז רק את עיצוב התוכנה של בקר השדה של שנאי התיבה נדרש.

4.1 תכנון תוכנת בקר שדה לשנאי מסוג קופסה

בקר השטח של שנאי התיבה הוא מערכת משובצת, ומערכת התוכנה שלה מורכבת מתוכנית יישומים, API, מערכת הפעלה משובצת ו- BSP (חבילת תמיכה בלוח). על פי המאפיינים של פרמטרים רבים, משימות רבות ודרישות גבוהות בזמן אמת שנאספו על ידי בקר השטח של שנאי מסוג קופסה חכמה 10kV, μC/OS-III. מערכת הפעלה משובצת בזמן אמת, אשר נמצא בשימוש נרחב בפיתוח מוצרים מסחריים והוראת מחקר, נבחר. μC/OS-III. מתייחס למשימות כיחידה הקטנה ביותר, וכל משימה לא צריכה לדאוג לשיטת הניהול הספציפית של המשאבים, אשר נקבע על ידי מערכת ההפעלה.

4.2 תכנון תוכנה של בקר שדה של שנאי מסוג קופסה

כל תכנון מערכת התוכנה מבוסס על המערכת המבוזרת המורכבת ממכשירים חכמים, חיישנים, בקרי שטח ופלטפורמות ענן, ואת העיצוב והפיתוח של תוכנות יישום מתבצעת. שידור והחלפת נתונים, הבקר באתר ושרת הענן של Gizwits משתמשים בפרוטוקול התקשורת Gizwits בקושחת GPRS לצורך שידור והחלפת נתונים. תרשים זרימת התוכנית הראשי של תוכנת היישום בקר שדה של שנאי מסוג תיבה.

*תוכנה התוכנית הראשית. ראשון, אתחול כל חלקי המערכת, כגון GPIO, הטורית, שעון, ניהול זיכרון, וכו ', וליצור משימות ב-ΜC/OS-III.. STM32 מבצעת איסוף ועיבוד של נתוני חיישנים, ושולח מידע נכון לצג LCD. באותו הזמן, STM32 שולח פקודות AT למודול GPRS-G510, חילופי נתונים, מתחבר לפלטפורמת הענן של Gizwits באמצעות פרוטוקול LwM2M, ושופט אם מודול התקשורת GPRS מחובר בהצלחה לשרת הענן של Gizwits. אם החיבור מצליח, העברת הנתונים מתבצעת. לאחר מכן שפוט אם הנתונים המעובדים גדולים מהסף שנקבע.
אם מדובר בכשל קל של תחנת המשנה של התיבה, שלח את פרטי הנתונים לאפליקציה לנייד באמצעות פלטפורמת הענן; אם זה כישלון כללי, שלח את מידע אזעקת הנתונים לאפליקציה לנייד דרך פלטפורמת הענן, והפעל את מודול התקשורת GPRS-GA6 כדי לשלוח את פרטי האזעקה באמצעות SMS הטלפון הנייד; אם זה תקלה חמורה, מידע אזעקת הנתונים יישלח לאפליקציית הטלפון הנייד באמצעות פלטפורמת הענן, ומודול התקשורת GPRS-GA6 יופעל כדי לשלוח את פרטי האזעקה באמצעות הודעת הטקסט של הטלפון הנייד ולהתקשר לאנשי הצוות הרלוונטיים שנקבעו מראש.