wersja mobilna
Online: 859 Czwartek, 2016.12.08

Technika

Elektroniczne liczniki zużycia i kosztów mediów komunalnych

piątek, 17 lutego 2006 02:00

Elektroniczne domowe liczniki mediów komunalnych, takich jak energia elektryczna, gaz, woda i ciepło, mają sporą przewagę nad tradycyjnymi licznikami mechanicznymi i elektromechanicznymi. Ich głównymi zaletami są zwiększona dokładność, zwiększone bezpieczeństwo, łatwość kalibracji i odporność na próby fałszowania odczytu. Zautomatyzowany może zostać także odczyt oraz możliwe staje się stosowanie zaawansowanych sposobów naliczania kosztów zużywanych mediów.

 Elektroniczne domowe liczniki mediów komunalnych, takich jak energia elektryczna, gaz, woda i ciepło, mają sporą przewagę nad tradycyjnymi licznikami mechanicznymi i elektromechanicznymi. Ich głównymi zaletami są zwiększona dokładność, zwiększone bezpieczeństwo, łatwość kalibracji i odporność na próby fałszowania odczytu. Zautomatyzowany może zostać także odczyt oraz możliwe staje się stosowanie zaawansowanych sposobów naliczania kosztów zużywanych mediów.

 

Liczniki klasyfikuje się według ich dokładności - dla standardowego mechanicznego licznika energii elektrycznej wynosi ona zwykle około 2%. Dokładność licznika elektronicznego może wynosić o rząd mniej i zależy również od użytego w nich oprogramowania. Dokładność ta może zostać dostosowana do wymogów kosztów i skali produkcji, jak i do potrzeb instalującego licznik dostawcy medium.

Rys. 1. Schemat blokowy gazomierza

 

Elektroniczny znaczy bezpieczniejszy

Typowy licznik mechaniczny składa się z wielu ruchomych części. Od czasu do czasu musi on zostać poddany kontroli i regulacji, co wymaga jego wymontowania i ponownej kalibracji. Licznik elektroniczny z powodu starzenia się elementów również może wymagać rekalibracji, jednakże dzięki nieulotnej pamięci (EEPROM lub Flash) w jego układzie sterującym istnieje możliwość przechowywania i aktualizacji danych kalibracyjnych, a nawet dokonywania autokalibracji.

Największymi trudnościami, z jakimi spotykają się firmy dostarczające media, są ich kradzieże. W tym celu często dokonywane są zmiany funkcjonalne liczników - zwykle dotyczy to liczników energii elektrycznej.

Starsze liczniki z wirującym stalowym dyskiem próbuje się zwalniać za pomocą magnesu, bywają także próby odwrócenia kierunku zliczania. W licznikach elektronicznych do wykrywania oszukańczych poczynań można stosować kilka prostych sposobów. Zwłaszcza w przypadku liczników energii elektrycznej można zabezpieczyć się przez kilkoma "typowymi" działaniami tego typu:

  • asymetrycznym obciążaniem (łączeniem za pośrednictwem uziemienia w celu obejścia pomiaru),
  • czasowym odłączeniem (lub obchodzeniem) licznika,
  • stosowaniem magnesu do nasycania rdzenia transformatora prądowego lub zatrzymywania licznika,
  •  wandalizmem.

Zastosowanie licznika elektronicznego pozwala na wykrycie prób oszukania dostawcy. Dodatkowo, jeżeli licznik kontroluje dostarczanie energii, może być ustawiony tak, aby odłączał odbiorcę, jak też pozwala na przesłanie sygnału informującego o nieprawidłowościach do centrali dostawcy.

Zautomatyzowany odczyt

Jedną z ważniejszych zalet liczników elektronicznych jest automatyczny odczyt wskazań. Dzięki eliminacji czynnika ludzkiego z procesu rejestracji poboru nośnika osiąga się znaczne oszczędności. Kontrola z użyciem czynnika ludzkiego jest bowiem podatna na błędy człowieka (a czasami nawet na korupcję) i jest zwykle uciążliwa zarówno dla odbiorcy, jak i dla odczytującego, szczególnie w przypadku trudno dostępnej lokalizacji licznika.

Do automatycznego odczytu wskazań liczników elektronicznych (lub dostosowanych do tego liczników mechanicznych) używa się obecnie różnych technik. Liczniki te mogą przekazywać odczyty za pośrednictwem komunikacji torem światła (podczerwień), jak też drogą radiową, np. za pomocą technologii ZigBee. Nie eliminuje to wprawdzie konieczności wchodzenia operatora do budynku, ale znacznie przyspiesza odczyt wskazań. Komunikacja może odbywać się też na większe odległości, np. z wykorzystaniem telefonii komórkowej, telefonii stacjonarnej, sieci energetycznej, itp.

W miarę jak poszerza się proces automatyzacji pomiarów, wzrasta także potrzeba bezpiecznego przechowywania danych i bezpiecznej łączności. Prywatność i integralność danych zbieranych z liczników jest bardzo ważna. Coraz częściej stosuje się w tym celu kodowanie danych w samych licznikach, jak też szyfrowanie i uzgadnianie transmisji podczas przesyłania informacji na większe odległości.

Zaawansowane obliczanie kosztów

Fakturowanie kosztów zużycia mediów w licznikach elektronicznych opiera się na okresach użytkowania - w ciągu doby ustalane są okresy taryfikacyjne poboru "w szczycie" i "poza szczytem". Odbiorcy można dzięki temu zaoferować niższą opłatę "poza szczytem", jak też taka taryfa opłat skutkuje w sposób naturalny przesuwaniem przez odbiorców części obciążenia poza szczyt. Pozwala to elektrowni na sumarycznie większą zdolność zaspokajania popytu na energię. Wymaga to jednak, aby licznik wyposażony był w zegar czasu rzeczywistego z kalendarzem, co umożliwi śledzenie poboru prądu w ciągu doby. Liczniki elektroniczne z łatwością mogą realizować tę funkcję programowo lub korzystać z urządzenia zewnętrznego.

W ostatnim czasie do obliczania zużycia mediów dołącza się również możliwość uwzględniania przedpłat - dotyczy to głównie liczników energii elektrycznej. Odbiorca kupuje z góry określoną liczbę jednostek energii na karcie magnetycznej. Kartę taką umieszcza następnie w liczniku, co umożliwia mu czerpanie energii przez dany czas. Przedpłaty zmniejszają koszty obliczania i pobierania opłat przez dostawców, a odbiorcom ułatwiają planowanie miesięcznych wydatków.

Na konstrukcję licznika umożliwiającego obliczanie kosztów składa się licznik właściwy i układy dodatkowe, które służą do zabezpieczenia przed fałszerstwami, pozwalają na automatyczny odczyt wskazań i zapewniają bezpieczeństwo danych. Licznik właściwy jest zwykle stosunkowo prostym licznikiem impulsów, natomiast całą resztę stanowi interfejs użytkownika. Większość mikrokontrolerów umożliwia taktowanie licznika wewnętrznego poprzez wejścia-wyjścia, niektóre z nich mogą być taktowane w trybie oszczędnościowym, a z uśpienia wychodzą z chwilą przepełnienia się licznika. Jest to korzystne w przypadku gazomierzy, wodomierzy i liczników ciepła, które nie mając lokalnego zasilania, muszą być zwykle zasilane z baterii.

Gazomierze i wodomierze, czyli coś prostego

W praktyce są to najprostsze do skonstruowania liczniki mediów. Pomiary przepływu są zwykle typu mechanicznego, gdzie wykorzystany jest obracający się wałek (w przypadku gazomierzy) lub wirujący magnes (w wodomierzach). Na rys. 1 pokazano schemat blokowy gazomierza. Przepływ gazu obraca wokół osi dysk z wycięciem, które w otaczającym go optycznym autoreflektorze powoduje generowanie ciągu impulsów odpowiadającego objętości gazu. W wodomierzach używa się zwykle wirujących wewnątrz rury magnesów, a na zewnątrz czujnika Halla, na wyjściu którego pojawiają się impulsy elektryczne. Układy pomiarowe są w obydwu przypadkach podłączone zwykle do wejścia licznika w mikrokontrolerze, który dokonuje odpowiednich przeliczeń.

Jedną z trudności związanych z instalacją elektronicznych gazomierzy i wodomierzy jest zwykle brak w ich pobliżu sieci elektrycznej, która pozwoliłaby na ich zasilanie. Liczniki muszą więc być zasilane z baterii lub ogniw słonecznych. Ponieważ te ostatnie są stosunkowo drogie, konieczne jest zwykle stosowanie baterii, a same liczniki muszą zawierać procesory o małym poborze prądu, które periodycznie zapisują dane w nieulotnej pamięci i raz w miesiącu wysyłają je do centrali dostawcy. W przykładowym układzie z rys. 1 użyto jednego z kontrolerów firmy Microchip - PIC16F9xx. Niski pobór prądu wynoszący przeciętnie 0,5µA w uśpieniu i 190µA przy taktowaniu 1MHz powodują, że układ ten jest odpowiednim mikrokontrolerem do liczników mediów zasilanych z baterii.

Rys. 2. Schemat blokowy licznika ciepła

 

Z pomiarem ciepła jest trochę trudniej

Pomieszczenia są zwykle ogrzewane za pośrednictwem gorącej wody, która płynie przez kaloryfer. Licznik dostarczanego ciepła jest nieco bardziej skomplikowanym urządzeniem niż gazomierz czy wodomierz i wymaga, ze względu na termodynamiczne powiązania temperatury i przepływu, wykonania odpowiednich obliczeń w celu określenia pobranego ciepła. Przyrząd taki mierzy zarówno temperaturę wody dopływającej do kaloryfera, jak i z niego wypływającej, a także prędkość jej przepływu. Te trzy wielkości pozwalają obliczyć zużycie energii z uwzględnieniem zależności termodynamicznych. Na rys. 2 przedstawiono przykładowy schemat blokowy licznika ciepła.

W celu obniżenia kosztów do kalibracji i sygnalizacji stanu czujników temperatury liczników ciepła używa się zwykle mikrokontrolerów współpracujących z czujnikami rezystancyjnymi lub podobnymi, które mogą być umieszczane w cieczy. Tablica kalibracyjna, która służy do przeliczania rezystancji sensorów na temperaturę, jest zapisana typowo w pamięci procesora. W licznikach ciepła stosuje się takie same impulsowe czujniki przepływu, jak w wodomierzach.

Rys. 3. Schemat blokowy licznika energii elektrycznej

 

Liczniki energii

Spośród liczników elektronicznych największe zainteresowanie budzą liczniki energii elektrycznej. Kradzieże energii w wielu krajach miały i mają znaczny wpływ na konstrukcje tych liczników. Licznik całkowicie elektroniczny z automatycznym odczytem jest przy tym dla dostawców energii najbardziej korzystny.

Najważniejszym zadaniem licznika energii elektrycznej jest dokładna rejestracja jej zużycia - niektórzy dostawcy wymagają dokładności nawet do 0,2% wartości mierzonej. Dobry licznik powinien tolerować duże obciążenia indukcyjne. Na rys. 3 przedstawiono przykład użycia mikrokontrolera PIC16F9xx i układu MCP3905 firmy Microchip do pomiaru zużycia energii. MCP3905 pozwala na średnią dokładność na poziomie 0,1% i umożliwia pomiar mocy ujemnej. Obwód wyjściowy jest przystosowany do sterowania licznikiem w mikroprocesorze, jak też dwufazowym silnikiem krokowym wskaźnika mechanicznego.

Rodger Richey, Microchip