Информационно-измерительная система технического учета электроэнергии

Министерство образования и науки Украины

Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского «ХАИ»

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ТЕХНИЧЕСКОГО УЧЕТА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

РАЗРАБОТАНО

студентка 354 группы

Фетискина А.А.

 

Реферат

Дипломный проект: 141 с., 40 ил., 24 табл., 11 приложений, 18 источников.

Объект исследования - измерительный канал прибора цифрового для измерения веса объектов в статическом режиме.

Цель работы - разработка и исследование измерительного канала прибора цифрового для измерения веса объектов в статическом режиме.

В данной работе описаны и проанализированы методы измерения, выбран метод исследования, а так же стандарт связи между электросчетчиком и персональным компьютером. Разработана функциональная и электрическая принципиальная схема данной системы.

Область применения: электроэнергетическая промышленность, коммунально-бытовая сфера и другие предприятия.

ВЛИЯЮЩИЕ ФАКТОРЫ, МИКРОКОНТРОЛЛЕР, ТЕНЗОДАТЧИК, МЕТРОЛОГИЧЕСКАЯ АТТЕСТАЦИЯ, УПРУГИЙ ЭЛЕМЕНТ.

Содержание

Техническое задание

Введение

1. Системы учета электроэнергии. анализ существующих методов измерения

1.1 Обзор современных методов измерения мощности

1.1.1 Измерение мощности постоянного и переменного однофазного тока

1.1.2 Измерение активной мощности в трехфазных цепях

1.1.3 Измерение реактивной мощности в трехфазной цепи

1.1.4 Измерение мощности в цепях переменного тока на повышенных и высоких частотах

1.2 Архитектура автоматизированных информационно-измерительных систем технического учета электроэнергии

1.2.1 Уровень первый - уровень сбора информации

1.2.2 Уровень второй - связующий уровень

1.2.3 Третий уровень - уровень сбора, анализа и хранения данных

2. Выбор стандарта связи между счетчиком электроэнергии и персональным компьютером

2.1 Классификация видов связи

2.2 GSM-стандарт

2.3 Преимущества и недостатки стандарта GSM

2.4 Архитектура сети GSM

2.5 Стандарты GSM

3. Разработка функциональной схемы информационно-измерительной системы

4. Разработка и описание принципиальной электрической схемы проектируемого устройства

4.1 Описание элементной базы измерителя мощности

4.1.1 Микроконтроллер ATMega16

4.1.2 Выбор супервизора питания

4.1.3 Выбор источника стабилизированного питания

4.1.4 Выбор индикатора

4.1.5 Выбор перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства

4.1.6 Выбор GSM - модуля

4.1.7 Выбор ИС счетчика электроэнергии

4.1.8 Выбор трансформатора тока

4.1.9 Выбор трансформатора напряжения

5. Программа и методика метрологической аттестации

5.1 Назначение

5.2 Общие положения

5.3 Операции метрологической аттестации

5.4 Средства метрологической аттестации

5.5 Условия проведения метрологической аттестации

5.6 Требования к квалификации специалистов, проводящих аттестацию

5.7 Требования к безопасности проведения работ

5.8 Порядок проведения аттестации

5.8.1 Внешний осмотр

5.8.2 Испытание изоляции счетчика напряжением переменного тока

5.8.3 Опробование счетчика

5.8.4 Определение погрешности при измерении мощности

5.8.5 Определение погрешности при измерении энергии

5.8.6 Обработка результатов измерений

5.9 Оформление результатов метрологической аттестации

6. Разработка операции контроля электрических параметров платы счетчика электроэнергии

6.1 Обоснование разработки установки контроля

6.2 Исходные данные

6.3 Методика контроля

6.4 Разработка установки контроля

6.4.1 Разработка функциональной схемы установки контроля

6.4.2 Выбор оборудования

6.4.3 Разработка пульта контроля

6.5 Разработка операций контроля

6.6 Определение расчетного оперативного времени на операцию -контроль цепей питания

6.7 Определение штучного и штучно-калькуляционного времени для операции - контроль цепей питания

7. Охрана труда и безопасность в чрезвычайных ситуациях

7.1 Охрана труда

7.1.1 Выявление и анализ опасных и вредных производственных факторов

7.1.2 Разработка мероприятий по предотвращению или ослаблению возможного воздействия опасных и вредных производственных факторов на работающих

7.1.3 Расчет системы жизнеобеспечения

7.2 Безопасность в чрезвычайных читуациях

7.2.1 Анализ возможных чрезвычайных ситуаций при производстве (эксплуатации) проектируемого объекта

7.2.2 Расчет чрезвычайной ситуации техногенного характера причиной, которой является выброс фосгена

8. Экономическая часть

8.1 Цель экономической части

8.2 Фирма изготовитель

8.3 Сегментирование рынка

8.4 Анализ конкурентоспособности

8.5 Расчет себестоимости и цены комплекса цифрового счетчика электроэнергии

8.6 Расчет точки безубыточности

Заключение

Перечень ссылок

Техническое задание

1. Наименование и область применения.

.1 Информационно-измерительная система технического учета электроэнергии (далее - счетчик).

.2 Счетчик предназначен для учета электроэнергии в однофазных цепях переменного тока в коммунально-бытовой сфере и других отраслях.

Описание принципа действия.

Принцип действия счетчика основан на воздействии переменного тока и напряжения на электронные элементы для создания на выходе импульсов, число которых пропорционально измеряемой активной энергии.

Основание для разработки.

.1 Разработка проекта выполняется на основании учебного плана по специальности 7.051002 «Метрологическое обеспечение испытаний и качества продукции», курс 5, семестр 10.

Цель и назначение разработки.

.1 Разработка нового или усовершенствованного счетчика.

.2 Получение практических навыков разработки современных устройств измерительной техники и её метрологической аттестации студентами метрологических специальностей.

Источники разработки.

.1 В качестве аналога используется цифровой счетчик НИК 2104.

Технические требования.

.1 Состав изделия и требования к конструктивному устройству.

.1.1 Счетчик выполнен в пластмассовом корпусе, который состоит из цоколя и прозрачного кожуха.

.1.2 Габаритные размеры счетчика: 198х121,6х67 мм.

.1.3 Масса ПУ, не более: 1 кг.

.1.4 Счетчик предназначен для установки в помещениях, в которых окружающая среда должна быть не взрывоопасная, не содержащая токопроводящей пыли, агрессивных газов и паров, разрушающих металлы и изоляцию.

.1.5 Составные части должны быть изготовлены и установлены в изделие в соответствие требованиям настоящего ТЗ и требований действующих нормативных документов.

.2 Показатели назначения.

.2.1 Диапазон измерения, кВт*ч                                         от 0,2 до 4;

.2.2 Передаточное число, имп/(кВт*ч)                                6400;

.2.3 Основная относительная погрешность, %         не более     ±1,5;

.2.4 Диапазон рабочих температур, єС                     от -40 до +55;

.2.5 Допустимая относительная влажность при 30 єС, не более, % 90;

.2.6 Напряжение питания, В                                      от 187 до 242 В;

.2.7 Частота питания, Гц                                            50±1;

.2.8 Число разрядов цифрового индикатора            9;

.2.9 Допустимая дополнительная погрешность при изменении напряжения на входах, %                                                        ±1;

.2.10 Допустимая дополнительная погрешность при изменении частоты в диапазоне от 47,5 до 52,5 Гц, %                                   ±0,8.

.3 Требования по стойкости к внешним воздействиям.

.3.1 Счетчик должен сохранять свои характеристики после воздействия на него предельных климатических условий при температуре окружающего воздуха от -45 єС до +60 єС и относительной влажности воздуха 90 %.

.3.2 Счетчик должен быть устойчив к воздействию синусоидальных механических вибраций частотой от 10 до 55 Гц амплитудой смещения 0,15 мм (группа №1 по ГОСТ 12997-84).

.4 Требования к надежности.

.4.1 Критерий отказа счетчика - несоответствие требованиям пп.6.2.2; 6.2.9; 6.2.10; 6.3 настоящего ТЗ.

.4.2 Счетчик является устройством непрерывного действия, однофункциональным, ремонтируемым и восстанавливаемым в процессе эксплуатации.

.4.3 Средний срок службы по списанию - не менее 30 лет.

.4.4 Гарантийный срок эксплуатации 1 год.

.4.5 Межповерочный интервал не более 16 лет.

.5 Требования к технологичности и метрологическому обеспечению разработки, производства и эксплуатации.

.5.1 Счетчик должен быть сконструирован с учетом требований стандартов ГСИ, ЕСКД и ЕСТПП.

.5.2 Особых требований к квалификации обслуживающего персонала нет.

.5.3 Разработать методику испытаний, метрологической аттестации и поверки.

.6 Требования к уровню унификации и стандартизации.

.6.1 Композиционное исполнение прибора должно соответствовать современным аналогам измерительной и регистрирующей техники.

.6.2   При ремонте и сборке измерителя должны устанавливаться только те элементы, которые указаны в спецификации.

.6.3 Составные части и элементы должны быть взаимозаменяемы.

.6.4 Уровень унификации составных частей не менее 0,4.

.7 Требования безопасности и охраны окружающей природной среды.

.7.1 По способу защиты человека от поражения электрическим током счетчик должен соответствовать классу 01 по ГОСТ 12.2.007.0.

.7.2 Предупреждающие надписи и знаки на корпусе счетчика должны соответствовать требованиям ГОСТ 12.4.040.

.7.3 Счетчик должен иметь зажим защитного заземления и знак заземления в соответствии с ГОСТ 12.1.030.

.7.4 Электрическое сопротивление между зажимом защитного заземления и доступными для прикасания токопроводящими частями счетчика не должно превышать 1 Ом.

.7.5 Счетчик должен выдерживать атмосферное давление 106,7 кПа.

.7.6 Конструкция счетчика должна соответствовать требованиям безопасности согласно ГОСТ 12.2.003.

.7.7 По требованиям пожарной безопасности счетчик должен соответствовать ГОСТ 12.1.004.

.7.8 Воздух в помещениях, где изготавливается счетчик, по общим санитарно-гигиеническим требованиям должен соответствовать ГОСТ 12.1.005.

.8 Эстетические и эргономические требования в соответствии с ГОСТ 30.001-83

.8.1 Размер и начертание служебных надписей и показаний не должны приводить к зрительной утомляемости пользователя.

.8.2 Обслуживание прибора не должно причинять неудобств обслуживающему персоналу.

.9 Требования к патентной чистоте.

Патентный поиск не проводится.

.10 Требования к составным частям продукции, сырью, исходным и эксплуатационным материалам.

.10.1 Материалы, применяемые в изделии для защитных и защитно-декоративных покрытий должны быть экологично чистыми согласно требованиям ГОСТ 29329-92.

.10.2 Применяемые материалы и комплектующие изделия должны выпускаться, как правило, на Украине.

.11 Условия эксплуатации, требования к эксплуатации и ремонту.

.11.1 Нормальными условиями работы являются: температура окружающей среды (20±5) єС; относительная влажность при 25 єС до 80 %; атмосферное давление (84,0ч106,7) кПа, напряжение питания (220±4,4) В.

.12 Требования к транспортированию и хранению.

.12.1 Счетчик должен транспортироваться в закрытом железнодорожном, водном или автомобильном транспорте, герметизированных отапливаемых отсеках самолетов при температуре окружающего воздуха от -45 до +70 єС, относительной влажности до 95 % при температуре 30 єС.

.12.2 После транспортирования при отрицательных температурах перед эксплуатацией счетчик должен быть выдержан в нормальных условиях не менее 3 часов.

.12.3 Условия хранения счетчика должны соответствовать ГОСТ 15150, группа 1(Л).

Экономические показатели

.1 Окупаемость затрат при уровне рентабельности уточняется на этапе разработки изделия.

.2 Лимитная цена рассчитывается с учетом затрат на производство данного изделия.

Стадии и этапы разработки

В результате этапа НИР получен эскизный проект средства измерения

9 Порядок контроля и приемки

9.1 Перечень документов, выполненных исполнителем.

.1.1 Техническое задание.

.1.2 Принципиальная схема.

.1.3 Программа и методика метрологической аттестации.

Введение

В настоящее время электроэнергия становится все более дорогим товаром. Перед предприятиями достаточно остро стоит проблема эффективного использования и учета электроэнергии. Одно из решений проблемы - внедрение автоматизированных информационно-измерительных систем технического учета электроэнергии (АИИС ТУЭ) с возможностью дистанционного снятия показаний счетчиков.

Основная сложность состоит в выборе конкретного решения среди множества аналогов.

Большинство из существующих в настоящее время на рынке АИИС ТУЭ представляют собой локальные «цельнотянутые» системы, ориентированные на использование конкретного оборудования и программного обеспечения. Однако все такие решения имеют существенные недостатки: это неспособность одновременного использования в системе большой номенклатуры приборов и устройств учёта от различных производителей, слабые возможности по интеграции в другие производственные подсистемы, ограничения по настройке и расширению функционала. Конфигурирование таких систем под конкретные требования организации - дело очень кропотливое и зачастую дорогостоящее.

электроэнергия цифровой счетчик автоматизированный

1. Системы учета электроэнергии. Анализ существующих методов измерения

Так как электроэнергия сводится к измерению мгновенного значения потребляемой мощности и его интегрированию, то в данном разделе был произведен обзор методов измерения мощности.

1.1 Обзор современных методов измерения мощности

1.1.1 Измерение мощности постоянного и переменного однофазного тока

Для измерения мощности в цепях постоянного и переменного однофазного тока применяют электродинамические и ферродинамические ваттметры.

Для точных измерений мощности постоянного и переменного тока на промышленной и повышенной частоте (до 5000 Гц) выпускают электродинамические ваттметры в виде переносных приборов классов точности 0,1 - 0,5.

Для измерений мощности в производственных условиях в цепях переменного тока промышленной или более высоких фиксированных частот (400, 500 Гц) применяют щитовые ферродинамические ваттметры классов точности 1,5 - 2,5.

Для измерений мощности на высоких частотах применяют термоэлектрические и электронные ваттметры. При измерениях малых мощностей на сверхвысоких частотах возможно использование электрометров.

Для измерений мощности при больших токах и напряжениях ваттметры обычно включают через измерительные трансформаторы тока и напряжения.

Находят применение также косвенные методы измерения мощности постоянного и однофазного переменного тока. Мощность постоянного тока можно определить с помощью двух приборов: амперметра и вольтметра, а мощность однофазного переменного тока - с помощью трех приборов: амперметра, вольтметра и фазометра (или измерителя коэффициента мощности). При различных схемах включения приборов значения методических погрешностей измерения мощности оказываются различными, зависящими от соотношений сопротивлений приборов и нагрузки (аналогично погрешностям ваттметра). При косвенном измерении мощности необходимо производить одновременный отсчет по двум или трем приборам. Кроме того, при этом снижается точность измерения за счет суммирования инструментальных погрешностей приборов. Например, прямые измерения мощности однофазного переменного тока могут быть проведены с наименьшей погрешностью ±0,1 %, в то время как при косвенных измерениях мощности измерение только коэффициента мощности возможно с наименьшей погрешностью ±0,5 %, а следовательно, общая погрешность будет превышать ±0,5 %.

В цепях однофазного переменного тока измерение реактивной мощности выполняют обычно лишь при лабораторных исследованиях. При этом под реактивной мощностью понимают произведение измеренных значений тока, напряжения и коэффициента мощности. Реактивная мощность однофазной цепи может быть измерена как с помощью трех приборов (косвенный метод), так и специальным ваттметром, имеющим усложненную схему параллельной цепи с целью получения фазового сдвига между векторами тока и напряжения этой цепи, равного 90°.

1.1.2 Измерение активной мощности в трехфазных цепях

В трехфазной системе независимо от схемы соединения нагрузки (треугольником или звездой) мгновенное значение мощности P системы равняется сумме мгновенных значений мощности отдельных фаз:

.

Активная мощность Р за интервал времени t определяется выражением:

,        (1.1)

где - фазные напряжения и токи;

 - косинус угла фазового сдвига между током и напряжением в фазах нагрузки;

Т - период изменения переменного напряжения.

Для симметричной трехфазной системы, в которой все фазные и линейные напряжения, токи и углы фазового сдвига между напряжениями и токами равны между собой, это уравнение примет вид:

,        (1.2)

где  - линейные напряжения и токи;

 - косинус угла фазового сдвига между током и напряжением в фазе нагрузки.

При соединении нагрузки звездой мгновенная мощность рассчитывается по следующей формуле:

 ,

где  - мгновенные значения фазных напряжений;

 - мгновенные значения фазных токов.

Учитывая что

;

;

;

,

Уравнение для мгновенного значения мощности трехфазной системы можно представить в трех формах:

;

;

.

К таким же выводам можно прийти и при включении нагрузки треугольником. Переходя от мгновенных к средним значениям, получаем выражения для активной мощности:

;       (1.З)

;      (1.4)

,      (1.5)

где  - действующие значения линейных напряжений;

 - действующие значения линейных токов;

 - углы фазового сдвига между соответствующими токами и напряжениями.

Из уравнений (1.1) - (1.5) видно, что для измерения мощности трехфазной системы могут быть применены один прибор, два прибора или три прибора. Метод одного прибора основывается на использовании выражения (1.2) и применяется в симметричных трехфазных системах. В асимметричной системе, в которой значения токов, напряжений и углов фазового сдвига неодинаковы, используется метод двух приборов с использованием выражений (1.3 - 1.5).

Наконец, в самом общем случае, в том числе и в четырехпроводной асимметричной системе, на основании выражений (1.1) применяется метод трех приборов.

Метод одного прибора. Если трехфазная система симметрична, а фазы нагрузки соединены звездой с доступной нулевой точкой, то однофазный ваттметр включают по схеме, изображенной на рисунке 1.1(а) и измеряют мощность одной фазы. Для получения мощности всей системы показания ваттметра утраивают. Можно также измерить мощность при соединении фаз нагрузки треугольником, но при условии, что последовательную обмотку ваттметра можно включить в одну из фаз нагрузки (рисунок 1.1(б)).

Рисунок 1.1 - Схема измерения активной мощности в трехфазной цепи одним ваттметром при включении нагрузки звездой (а) и треугольником (б)

Если нагрузка включена треугольником или звездой с недоступной нулевой точкой, то применяют включение ваттметра с искусственной нулевой точкой (рисунок 1.2(а)), которая создается с помощью двух дополнительных резисторов с активным сопротивлением  и . При этом необходимо чтобы сопротивления параллельной цепи ваттметра были равны. На рисунке 1.2(б) показана векторная диаграмма, соответствующая схеме на рисунке 1.2(а). Напряжения  на параллельной обмотке и резисторах, образующих искусственную нулевую точку, равны фазным напряжениям. Углы между фазными напряжениями и фазными токами нагрузки обозначены через ц. Поскольку углы между векторами , а также между векторами  равны 30°, то угол между вектором напряжения, приложенного к параллельной цепи ваттметра, и вектором тока  в последовательной обмотке также равен ц.

Рисунок 1.2 - Схема измерения активной мощности в трехфазной цепи с искусственной нулевой точкой (а) и векторная диаграмма (б)

Следовательно, показание ваттметра будут следующими:

.

Для получения мощности всей системы показание ваттметра нужно утроить. То же самое будет и при соединении нагрузки звездой.

Метод двух приборов. Этот метод применяют в асимметричных трехпроводных цепях трехфазного тока. На основе выражений (1.3 - 1.5) имеем три варианта схемы включения двух приборов (рисунок 1.3). Анализ работы ваттметров по этим схемам показывает, что в зависимости от характера нагрузки фаз знак показаний каждого из ваттметров может меняться. Активная мощность трехфазной системы в этом случае должна определяться как алгебраическая сумма показаний обоих ваттметров.

Рисунок 1.3 - Схемы включения двух ваттметров для измерения активной мощности трехфазной сети

Метод трех приборов. В том случае, когда несимметричная нагрузка включается звездой с нулевым проводом, то есть когда имеется асимметричная трехфазная четырехпроводная система, применяют три ваттметра (рисунок 1.4). При таком включении каждый из ваттметров измеряет мощность одной фазы. Полная мощность системы определяется как арифметическая сумма показаний ваттметров.

Рисунок 1.4 - Схема измерения активной мощности тремя ваттметрами

Методы одного, двух и трех приборов применяют главным образом в лабораторной практике. В промышленных условиях применяют двух- и трехфазные ваттметры и счетчики, которые представляют собой сочетание в одном приборе двух-(двухэлементные) или трех-(трехэлементные) однофазных измерительных механизма, имеющих общую подвижную часть, на которую действует суммарный вращающий момент всех элементов.

1.1.3 Измерение реактивной мощности в трехфазной цепи

Реактивную мощность трехфазной сети можно представить как сумму реактивных мощностей отдельных фаз:

.

При полной симметрии системы реактивная мощность будет равна:

.

Измерить реактивную мощность трехфазной сети можно различными способами: при помощи обычных ваттметров, включаемых по специальным схемам, и при помощи реактивных ваттметров.

При полной симметрии трехфазной сети реактивную мощность можно измерить одним ваттметром, включенным по схеме указанной на рисунке 1.5(а).

Показания ваттметра (рисунок 1.5(б)) будут следующими:

.

Рисунок 1.5 - Схема включения ваттметра (а) для измерения реактивной мощности в симметричной трехфазной цепи и векторная диаграмма (б)

Для определения реактивной мощности всей системы показания ваттметра умножают на . Схема с одним ваттметром даже при незначительной асимметрии системы дает большие погрешности. Лучшие результаты получают при измерении реактивной мощности двумя ваттметрами (рисунок 1.6), и при этом сумма показаний ваттметров будет следующей:

.

Рисунок 1.6 - Схема включения двух ваттметров при измерении реактивной мощности в асимметричной трехфазной цепи

При включении нагрузки по схеме треугольника прибор включается аналогично изображенному на рисунке 1.5(а) и 1.6.

При неравномерной нагрузке фаз, но симметричной системе напряжений (частичная асимметрия) реактивная мощность трехфазной сети может быть измерена двумя одинаковыми ваттметрами активной мощности с искусственной нулевой точкой (рисунок 1.7(а)). Для создания искусственной нулевой точки N используют резистор R, сопротивление которого равно сопротивлению параллельной цепи ваттметра. В частном случае равномерной нагрузки фаз сумма показаний ваттметров будем вычисляться по следующей формуле:

.

Для получения реактивной мощности трехфазной сети сумму показаний ваттметров умножают на .

Рисунок 1.7 - Схема включения двух ваттметров (а) для измерения реактивной мощности в трехфазной сети с частичной асимметрией и векторная диаграмма

Подробный анализ схемы (рисунок 1.7(а)) для неравномерной нагрузки фаз при симметричной системе напряжений приводит к такому же результату.

При измерении реактивной мощности в трехпроводной и четырехпроводной асимметричных сетях может быть применен один трехэлементный прибор или три прибора (рисунок 1.8(а)). Доказательство возможности измерения рассмотрим для частного случая. Сумма показаний приборов с учетом чередования фаз при включении параллельных обмоток так, как показано на рисунке 1.8(а).

Рисунок 1.8 - Схема включения трех ваттметров (а) для измерения реактивной мощности в трехфазной (четырехпроводной) сети и векторная диаграмма (б)

Чтобы найти реактивную мощность системы, сумму показаний ваттметров необходимо разделить на .

На основе этого метода выпускают реактивные счетчики, пригодные как для трехпроводных, так и четырехпроводных цепей трехфазного тока.

1.1.4 Измерение мощности в цепях переменного тока на повышенных и высоких частотах

В цепях переменного тока повышенной и высокой частот проводят прямые и косвенные измерения мощности. В ряде случаев косвенные измерения предпочтительнее, так как проще измерять напряжение, ток и сопротивление, чем мощность. Прямые измерения в основном осуществляют с помощью электронных ваттметров. В некоторых электронных ваттметрах используют электродинамические измерительные механизмы с предварительным усилением тока и напряжения либо с предварительным выпрямлением этих величин. В качестве измерительного механизма в них можно использовать электростатический электромер с усилителями напряжения и тока, а также магнитоэлектрические механизмы с квадраторами. Квадраторы выполняют на полупроводниковых диодах, преобразователях и других нелинейных элементах, работа которых осуществляется на квадратичном участке вольт-амперной характеристики. Операция перемножения ui в квадраторах заменяется операциями суммирования и возведения в квадрат. В диапазоне частот до сотен мегагерц применяют ваттметры с датчиками Холла. На сверхвысоких частотах мощность измеряют преобразованием мощности в теплоту (калориметрические методы), свет (фотометрические методы).

Измерение мощности электронным выпрямительным ваттметром. Принципиальная схема электронного ваттметра с квадратором, выполненным на полупроводниковых диодах, представлена на рисунке 1.9. Ваттметр имеет два резистора в цепи тока, сопротивления которых  намного меньше сопротивления нагрузки, и два резистора сопротивлениями  в цепи напряжения. Резисторы  выполняют роль делителя напряжения, поэтому сопротивление  намного больше сопротивления нагрузки .

Рисунок 1.9 - Принципиальная схема электронного выпрямительного ваттметра

Падение напряжения на резисторах  пропорционально току нагрузки , падение напряжения на резисторе  делителя пропорционально напряжению на нагрузке, то есть . Как видно из схемы, напряжения  на диодах VD₁ и VD₂ будут следующими:

.

При идентичных характеристиках диода и работе на квадратичном участке вольт-амперной характеристики токи  пропорциональны квадратам напряжений.

Электронные ваттметры, в схему которых включены диоды, обладают невысокой точностью (определяющим является неидентичность характеристик диодов), погрешностью измерения ±(1,5 - 6) %, малой чувствительностью, большой мощностью потребления, ограниченным частотным диапазоном (до десятков кГц).

Измерение мощности осциллографом. К косвенным методам измерения мощности относят и осциллографический метод, который рекомендуется применять тогда, когда цепь питается напряжением несинусоидальной формы, при высоких частотах, маломощных источниках напряжения, работе электронных схем в ключевом режиме, наличии в цепи нелинейных элементов и так далее. В частности, при работе электронных схем в импульсном режиме посредством осциллографа измеряют мгновенные значения напряжения  и тока  на исследуемом участке схемы за время, равное периоду следования импульсов (особенно тщательно проводят измерения за время нарастания и спада импульса). По полученным данным строят эпюры напряжения и тока. Эпюру мгновенного значения мощности  строят по произведению ординат кривых напряжения  и тока  для каждого момента времени действия импульса.

По кривой мгновенных значений мощности за период определяют максимальное значение мгновенной мощности, среднее значение мощности и импульсную мощность. Для определения среднего значения мощности и импульсной мощности вычисляют площадь, ограниченную кривой мгновенной мощности за период, и затем строят прямоугольник равной площади. Если основание прямоугольника равно длительности импульса, то его высота представляет собой значение импульсной мощности, если же основание прямоугольника равно периоду следования импульсов, то высота прямоугольника равна значению средней мощности.

Измерение мощности с помощью цифровых ваттметров. Цифровые ваттметры строятся на основе аналоговых перемножителей напряжения и тока (рисунок 1.10(а)) или перемножения дискретных значений напряжения и тока (рисунок 1-10(б)) с последующим усреднением произведения.

В цифровых ваттметрах, выполненных по схеме преобразования напряжения и тока в дискретные значения, которые представляются соответствующими цифровыми кодами, перемножаются и усредняются с помощью цифровых устройств. Эти ваттметры обладают сравнительно высоким быстродействием, определяемым характеристиками АЦП и перемножителя. В цифровых ваттметрах используются АЦП двухтактного интегрирования, а также встроенные микропроцессоры.

Рисунок 1.10 - Схема цифрового ваттметра на основе аналогового (а) и цифрового (б) перемножителя

1.2 Архитектура автоматизированных информационно-измерительных систем технического учета электроэнергии

Электронный счетчик представляет собой преобразователь аналогового сигнала в частоту следования импульсов, подсчёт которых дает количество потребляемой энергии.

Главным преимуществом электронных счётчиков по сравнению с индукционными, является отсутствие вращающихся элементов. Кроме того, они обеспечивают более широкий интервал входных напряжений, позволяют легко организовать многотарифные системы учёта, имеют режим ретроспективы - т.е. позволяют посмотреть количество потреблённой энергии за определённый период - как правило, помесячно; измеряют потребляемую мощность, легко вписываются в конфигурацию систем АСКУЭ и обладают ещё многими дополнительными сервисными функциями.

Разнообразие этих функций заключается в программном обеспечении микроконтроллера, который является непременным атрибутом современного электронного счётчика электроэнергии.

Конструктивно электросчётчик счетчик состоит из корпуса с клеммной колодкой, измерительного трансформатора тока и печатной платы, на которой установлены все электронные компоненты.

Основными компонентами современного электронного счётчика являются: трансформатор тока, дисплей ЖКИ, источник питания электронной схемы, микроконтроллер, часы реального времени, телеметрический выход, супервизор, органы управления, оптический порт (опционально).

ЖКИ представляет собой многоразрядный буквенно-цифровой индикатор и предназначен для индикации режимов работы, информации о потребленной электроэнергии, отображении даты и текущего времени.

Источник питания служит для получения напряжения питания микроконтроллера и других элементов электронной схемы. Непосредственно с источником связан супервизор. Супервизор формирует сигнал сброса для микроконтроллера при включении и отключении питания, а также следит за изменениями входного напряжения.

Часы реального времени предназначены для отсчета текущего времени и даты. В некоторых электросчётчиках данные функции возлагаются на микроконтроллер, однако для уменьшения его загрузки, как правило, используют отдельную микросхему, например, DS1307N. Даташит на эту микросхему Вы можете скачать с моего сайта lock.3dn.ru в разделе «Документация». Использование отдельной микросхемы позволяет высвободить мощности микроконтроллера и направить их на выполнение более ответственных задач.

Телеметрический выход служит для подключения к системе АСКУЭ или непосредственно к компьютеру (как правило, через преобразователь интерфейса RS485/RS232). Оптический порт, который есть не во всех электросчётчиках, позволяет снимать информацию непосредственно с электросчётчика и в некоторых случаях служит для их программирования (параметризации).

Сердцем электронного электросчётчика является микроконтроллер. Это может быть как микросхема компании Microchip (PIC-контроллер), так и производителей ATMEL или NEC.

В электронном счетчике выполнение практически всех функций возложено на микроконтроллер. Он является преобразователем АЦП (преобразует входной сигнал с трансформатора тока в цифровой вид, производит его математическую обработку и выдаёт результат на цифровой дисплей.) Микроконтроллер также принимает команды от органов управления и управляет интерфейсными выходами.

Возможности, которыми обладает микроконтроллер, повторюсь, зависят от его программного обеспечения (ПО). Без ПО - это просто пластмассово-кремниевый кубик smile. Поэтому разнообразие сервисных функций и выполняемых задач зависит от того, какое техническое задание было поставлено перед программистом.

В настоящее время развитие электронных счётчиков идёт в основном в плане добавление «наворотов», различные производители добавляют всё новые функции, например, некоторые устройства могут вести контроль состояния питающей сети с передачей этой информации в диспетчерские центры и т.д.

Довольно часто в электросчётчик вводят функцию ограничения мощности. В этом случае, при превышении потребляемой мощности, электросчётчик отключает потребителя от сети. Для управления подачей напряжения, внутрь электросчётчика устанавливают контактор на соответствующий ток. Так же отключение возможно, если потребитель превысил отведённый ему лимит электроэнергии или же закончилась предоплата за электроэнергию. Кстати, некоторые электросчётчики позволяют пополнить денежный баланс прямо через встроенные в них считыватели пластиковых карт.

Попытки создания АСКУЭ (автоматизированной системы контроля учёта электроэнергии) связаны с появлением в относительно доступных микропроцессорных устройств, однако дороговизна последних делала системы учета доступными только крупным промышленным предприятиям. Разработку АСКУЭ вели целые НИИ.

Решение задачи предполагало:

·        оснащение индукционных счетчиков электрической энергии датчиками оборотов;

·        создание устройств, способных вести подсчет поступающих импульсов и передавать полученный результат в ЭВМ;

·        накопление в ЭВМ результатов подсчета и формирование отчетных документов.

Первые системы учета были крайне дорогими, ненадежными и малоинформативными комплексами, но они позволили сформировать базу для создания АСКУЭ следующих поколений.

Переломным этапом в развитии АСКУЭ стало появление персональных компьютеров и создание электронных электросчётчиков. Ещё больший импульс развитию систем автоматизированного учёта придало повсеместное внедрение сотовой связи, что позволило создать беспроводные системы, так как вопрос организации каналов связи являлся одним из основных в данном направлении.

Основное назначение системы АСКУЭ - в разумных интервалах времени собрать в центрах управления все данные о потоках электроэнергии на всех уровнях напряжения и обработать полученные данные таким образом, чтобы обеспечить составление отчётов за потребленную или отпущенную электроэнергию (мощность), проанализировать и построить прогнозы по потреблению (генерации), выполнить анализ стоимостных показателей и, наконец, - самое важное - произвести расчёты за электрическую энергию.

Для организации системы АСКУЭ необходимо:

·        в точках учёта энергии установить высокоточные средства учёта - электронные счётчики;

·        цифровые сигналы передать в так называемые «сумматоры», снабженные памятью;

·        создать систему связи (как правило, последнее время для этого используют GSM - связь), обеспечивающую дальнейшую передачу информации в местные (на предприятии) и на верхние уровни;

·        организовать и оснастить центры обработки информации современными компьютерами и программным обеспечением.

Пример простейшей схемы организации АСКУЭ показан на рисунке 1.11. В ней можно выделить несколько отдельных основных уровней.

Рисунок 1.11 - Схема организации АСКУЭ

1.2.1 Уровень первый - уровень сбора информации

Элементами этого уровня являются электросчётчики и различные устройства, измеряющие параметры системы. В качестве таких устройств могут применяться различные датчики как имеющие выход для подключения интерфейса RS-485, так и датчики, подключенные к системе через специальные аналого-цифровые преобразователи. Необходимо обратить внимание на то, что возможно использовать не только электронные электросчётчики, но и обычные индукционные, оборудованные преобразователями количества оборотов диска в электрические импульсы.

В системах АСКУЭ для соединения датчиков с контролерами применяют интерфейс RS-485. Входное сопротивление приемника информационного сигнала по линии интерфейса RS-485 обычно составляет 12 кОм. Так как мощность передатчика ограничена, это создает ограничение и на количество приемников, подключенных к линии. Согласно спецификации интерфейса RS-485 с учетом согласующих резисторов приёмник может вести до 32 датчиков.

1.2.2 Уровень второй - связующий уровень

На этом уровне находятся различные контролеры необходимые для транспортировки сигнала. В схеме АСКУЭ представленной на рисунке 1.11 элементом второго уровня является преобразователь, преобразующий электронный сигнал с линии интерфейса RS-485 на линию интерфейса RS-232, это необходимо для считывания данных компьютером либо управляющим контролером.

В случае если требуется соединение более 32 датчиков, тогда в схеме на этом уровне появляется устройства, называемые концентраторы. На рисунке 1.12 показана схема построения системы АСКУЭ для количества датчиков от 1 до 247 шт.

1.2.3 Третий уровень - уровень сбора, анализа и хранения данных

Рисунок 1.12 - Схема соединения датчиков

Элементом этого уровня является компьютер, контролер или сервер. Основным требование к оборудованию этого уровня является наличие специализированного программного обеспечения для настройки элементов системы.

В настоящее время практически все электронные электросчётчики оборудованы интерфейсом для включения в систему АСКУЭ. Даже те, которые не имеют этой функции, могут оснащаться оптическим портом для локального снятия показаний непосредственно на месте установки электросчётчика путём считывания информации в персональный компьютер. Поэтому, сегодня электросчётчик является сложным электронным устройством.

Однако не стоит думать, что только электронные счётчики можно использовать для дистанционного снятия показаний (а именно эта цель является основной в системах АСКУЭ).

Счетчики, в маркировке которых есть буква «Д», например, СР3У-И670Д, имеют телеметрический выход (импульсный датчик), обеспечивающий передачу по двухпроводной линии связи информации о проходящей через счетчик активной (реактивной) энергии в систему дистанционного сбора и обработки данных.

ДВ устройстве индукционного счетчика есть такой элемент, как алюминиевый диск. Скорость его вращения прямо пропорциональна потребляемой нагрузкой мощности. Вот скорость вращения диска, точнее количество оборотов и является численной характеристикой, которую можно преобразовать в импульсы и передать в линию связи. Поэтому на счётчики со встроенными датчиками наносят такой параметр, как количество импульсов на 1 кВт*ч.

В качестве источника импульсов служит измерительный трансформатор, магнитный поток которого периодически пересекает металлический сектор, насаженный на ось диска. Импульсы, полученные от него, подаются на схему собственно самого датчика, а затем в линию связи. Питание датчик получает по этой же линии.

Импульсный датчик - преобразователь имеет в своей конструкции фотосветодиодную головку - т.е. пару фотодиод - светодиод. Датчик устанавливается внутри счётчика так, что головка направлена в сторону диска. Излучённый светодиодом сигнал отражается от диска и принимается фотодиодом. Благодаря затемнённому сектору диска, сигнал носит прерывистый характер.

Электронная схема на логических элементах отслеживает эти прерывания, преобразовывает и выдает в линию связи последовательно импульсов. Скважность (частота следования) этих импульсов прямо пропорциональна скорости вращения диска, и, следовательно, потребляемой мощности и её можно визуально оценить по индикаторному светодиоду.

На другой стороне линии связи приёмное устройство принимает эти импульсы, подсчитывает их количество за определённый промежуток времени и выдает полученный результат на устройство отображения информации. Таким образом, происходит дистанционное считывание показаний электросчётчика. Именно так строились первые системы удалённого сбора информации.

Однако возникает закономерный вопрос - выше мы рассматривали интерфейсы RS 485 и RS 232, а здесь имеем последовательность импульсов.

Получается, всё равно индукционные счётчики мы не увяжем в рассмотренные выше современные схемы построения АСКУЭ? В принципе, сделать это можно. Преобразовать импульсную последовательность в тот же RS 232 интерфейс большого труда не составляет, данный адаптер будет представлять собой относительно простую электронную схему. Но особого смысла в этом нет. Индукционные электросчётчики постепенно уходят в прошлое, а там где и устанавливаются, используются только как локальные приборы учёта.

Использование GSM-канала. Данная система может использовать для информационного обмена такие каналы связи, как GSM (GPRS), линии телефонной сети и спутниковые каналы доступа. Применение GSM-канала (GPRS-канала) экономически выгодно, является надежным и рациональным решением для построения распределенных АИИС ТУЭ. Система может централизовано снимать и обрабатывать показания счетчиков, расположенных, например, в разных цехах предприятия, значительно удаленных друг от друга. Как показала практика организации распределенных систем учета использование GSM-каналов (GPRS) связи позволяет в десятки раз сократить стоимость организации информационного обмена с оборудованием и сэкономить на обслуживании сетей связи (осуществляют операторы сотовой связи). При недоступности сотовой связи АИИС ТУЭ задействует спутниковые каналы доступа (функция резервирования).

На рисунке 1.13 представлена архитектура системы с различными каналами связи.

Рисунок 1.13 - Архитектура системы

2 Выбор стандарта связи между счетчиком электроэнергии и персональным компьютером

2.1 Классификация видов связи

В настоящее время существует множество беспроводных технологий, наиболее часто известных пользователям по их маркетинговым названиям, таким как Wi-Fi, WiMAX, Bluetooth. Каждая технология обладает определёнными характеристиками, которые определяют её область применения.

Существуют различные подходы к классификации беспроводных технологий.

По топологии:

−       «точка-точка»;

−       «точка-многоточка»;

По области применения:

−       корпоративные (ведомственные) беспроводные сети - создаваемые компаниями для собственных нужд;

−       операторские беспроводные сети - создаваемые операторами связи для возмездного оказания услуг;

По дальности действия (рисунок 2.1):

−       беспроводные персональные сети (WPAN - Wireless Personal Area Networks). Примеры технологий - Bluetooth;

−       беспроводные локальные сети (WLAN - Wireless Local Area Networks). Примеры технологий - Wi-Fi;

−       беспроводные сети масштаба города (WMAN - Wireless Metropolitan Area Networks). Примеры технологий - WiMAX;

−       беспроводные глобальные сети (WWAN - Wireless Wide Area Network). Примеры технологий - CSD, GPRS, EDGE, EV-DO, HSPA.

Рисунок 2.1 - Классификация связи по дальности действия

Кратким, но ёмким способом классификации может служить одновременное отображение двух наиболее существенных характеристик беспроводных технологий на двух осях: максимальная скорость передачи информации и максимальное расстояние.

2.2 GSM-стандарт

GSM (от названия группы Groupe Spйcial Mobile, позже переименован в Global System for Mobile Communications) (русск. СПС-900) - глобальный цифровой стандарт для мобильной сотовой связи, с разделением канала по принципу TDMA и высокой степенью безопасности благодаря шифрованию с открытым ключом. Разработан под эгидой Европейского института стандартизации электросвязи (ETSI) в конце 80-х годов.относится к сетям второго поколения (2 Generation), хотя на 2006 год условно находится в фазе 2,5G (1G - аналоговая сотовая связь, 2G - цифровая сотовая связь, 3G - широкополосная цифровая сотовая связь, коммутируемая многоцелевыми компьютерными сетями, в том числе интернет).

Сотовые телефоны выпускаются для 4 диапазонов частот: 850 МГц, 900 МГц, 1800 МГц, 1900 МГц. Существуют также, и довольно распространены, мультидиапазонные (Dual-Band, Multi-Band) телефоны, способные работать в диапазонах 900/1800 МГц, 850/1900 МГц, 900/1800/1900 МГц.

В стандарте GSM применяется GMSK модуляция с величиной нормированной полосы ВТ - 0,3, где В - ширина полосы фильтра по уровню минус 3 дБ, Т - длительность одного бита цифрового сообщения.на сегодняшний день является наиболее распространенным стандартом связи. По данным ассоциации GSMA на данный стандарт приходится 82 % мирового рынка мобильной связи, 29 % населения земного шара использует глобальные технологии GSM. В GSMA в настоящее время входят операторы более чем 210 стран и территорий.обеспечивает поддержку следующих услуг:

Услуги передачи данных (синхронный и асинхронный обмен данными, в том числе пакетная передача данных - GPRS). Данные услуги не гарантируют совместимость терминальных устройств и обеспечивают только передачу информации к ним и от них:

·        передача речевой информации;

·        передача коротких сообщений (SMS);

·        передача факсимильных сообщений.

Дополнительные (необязательные к предоставлению) услуги:

·        определение вызывающего номера и ограничение такого определения;

·        безусловная и условная переадресация вызова на другой номер;

·        ожидание и удержание вызова;

·        запрет на определенные пользователем услуги (международные звонки, роуминговые звонки и др.);

·        голосовая почта.

2.3 Преимущества и недостатки стандарта GSM

Преимущества:

−       меньшие по сравнению с аналоговыми стандартами (NMT-450, AMPS-800) размеры и вес телефонных аппаратов при большем времени работы без подзарядки аккумулятора. Это достигается в основном за счёт аппаратуры базовой станции, которая постоянно анализирует уровень сигнала, принимаемого от аппарата абонента. В тех случаях, когда он выше требуемого, на сотовый телефон автоматически подаётся команда снизить излучаемую мощность;

−       хорошее качество связи при достаточной плотности размещения базовых станций;

−       большая ёмкость сети, возможность большого числа одновременных соединений;

−       низкий уровень индустриальных помех в данных частотных диапазонах;

−       максимальная защита от подслушивания и нелегального использования, что достигается путём применения алгоритмов шифрования с открытым ключом. EFR-технология являет собой усовершенствованную систему кодирования речи. Эта система была разработана фирмой Nokia и впоследствии стала промышленным стандартом кодирования/декодирования для технологии GSM;

−       широкое распространение, особенно в Европе, большой выбор оборудования. На сегодняшний день стандарт GSM поддерживают 228 операторов, официально зарегистрированных в Ассоциации операторов GSM из 110 стран;

−       возможность роуминга. «Роуминг» (от английского «Roam» - странствовать, бродить) означает, что абонент одной из сетей GSM может пользоваться сотовым телефонным номером не только у себя «дома», но и перемещаться по всему миру переходя из одной сети в другую не расставаясь со своим абонентским номером. Процесс перехода из сети в сеть происходит автоматически, и пользователю телефона GSM нет необходимости заранее уведомлять оператора.

Недостатки:

−       искажение речи при цифровой обработке и передаче;

−       связь на расстоянии не более 120 км от ближайшей базовой станции даже при использовании усилителей и направленных антенн. Поэтому для покрытия определённой площади необходимо большее количество передатчиков, чем в NMT-450 и AMPS;

−       серьёзная мощность излучения носимыми трубками - потенциальный вред здоровью. В настоящее время не подтверждено, даже после проведения множества экспериментов.

2.4 Архитектура сети GSM

Сеть GSM состоит из нескольких функциональных объектов, с заданными функциями и интерфейсами (рисунок 2.2). Сети GSM можно разделить на три принципиальных части. Мобильные телефоны, которыми пользуются абоненты, подсистема базовых станций, контролирующая радиосвязь с мобильными телефонами, и сетевая подсистема, главная часть которой - коммутирующий центр услуг мобильной связи, производит коммутирование звонков между своими абонентами и пользователями других фиксированных или мобильных сетей, а также управляет мобильными сервисами, такими как авторизация (подтверждение подлинности). На рисунке отсутствует центр функционирования и поддержки, который обеспечивает бесперебойную работу сети, осуществляя соответствующий контроль. Мобильные телефоны и подсистема базовых станций осуществляет взаимодействие через радиосвязь. Подсистема базовых станций состоит из двух частей: приемо-передатчика базовой станции (Base Transceiver Station, BTS) и контроллера базовой станции (Base Station Controller, BSC).

Рисунок 2.2 - Архитектура GSM

Мобильные телефоны. Мобильная станция (MS) состоит из физического оборудования, такого как радиопередатчик, дисплей и обработчики цифрового сигнала, а также смарт-карта, получившая название опознавательного модуля абонента (Subscriber Identity Module, SIM). SIM-карта дает абонентам возможность свободного перемещения, так что пользователь может иметь доступ ко всем сервисам, на которые он подписан, вне зависимости от местоположения своего мобильного телефона и того, каким именно мобильным телефоном он пользуется. Вставив SIM-карту в другой сотовый телефон GSM, пользователь имеет возможность принимать звонки на этот телефон, производить с него звонки, а также пользоваться всеми другими сервисами, на которые он подписан.

Сами мобильные телефоны идентифицируются уникальным образом посредством международного идентификатора мобильного оборудования (International Mobile Equipment Identity, IMEI).

Сетевая подсистема. Центральным компонентом сетевой подсистемы является коммутирующий центр услуг мобильной связи (Mobile service Switching Center, MSC).

Базы данных HLR (Home Location Register,) и VLR (Visitor Location Register,) вместе с центром MSC обеспечивают маршрутизацию звонков и роуминговые возможности GSM.

Аспекты радиосвязи. Международный телекоммуникационный союз (International Telecommunication Union, ITU), выделил полосы в 890-915 МГц для установления связи в прямом направлении (от мобильного телефона к базовой станции) и 935-960 МГц для установления связи в обратном направлении (от базовой станции к мобильному телефону) для мобильных сетей стандарта GSM-900 и для GSM-1800 на приема/передачи сигнала частоты 1710-1785 и 1805-1880 МГц.

2.5 Стандарты GSM

Цифровой стандарт мобильной связи в диапазоне частот от 890 до 915 МГц (от телефона к базовой станции) и от 935 до 960 МГц (от базовой стации к телефону).

В некоторых странах диапазон частот GSM-900 был расширен до 880-915 МГц (MS -> BTS) и 925-960 МГц (MS <- BTS), благодаря чему максимальное количество каналов связи увеличилось на 50. Такая модификация была названа E-GSM (extended GSM).

Модификация стандарта GSM-900, цифровой стандарт мобильной связи в диапазоне частот от 1710 до 1880 МГц.

Особенности:

−       максимальная излучаемая мощность мобильных телефонов стандарта GSM-1800 - 1Вт, для сравнения у GSM-900 - 2Вт. Большее время непрерывной работы без подзарядки аккумулятора и снижение уровня радиоизлучения, хотя если учесть тот факт, что это более высокая частота, то можно предположить увеличение «эффекта микроволновой печи» на организм пользователя;

−       высокая ёмкость сети, что важно для крупных городов;

−       возможность использования телефонных аппаратов, работающих в стандартах GSM-900 и GSM-1800 одновременно. Такой аппарат функционирует в сети GSM-900, но, попадая в зону GSM-1800, переключается - вручную или автоматически. Это позволяет оператору рациональнее использовать частотный ресурс, а клиентам - экономить деньги за счёт низких тарифов. В обеих сетях абонент пользуется одним номером. Но использование аппарата в двух сетях возможно только в тех случаях, когда эти сети принадлежат одной компании, или между компаниями, работающими в разных диапазонах, заключено соглашение о роуминге.

3. Разработка функциональной схемы информационно-измерительной системы

Структурная схема информационно-измерительной системы технического учета электроэнергии изображена на рисунке 3.1.

Функциональная схема счетчика изображена на рисунке 3.2

Рисунок 3.1 - Структурная схема измерительной системы: СЧ - счетчик электроэнергии, ПК - персональный компьютер.

Рисунок 3.2 - Функциональная схема счетчика: ТТ - трансформатор тока, ТН - трансформатор напряжения, ИС - интегральный счетчик, МК - микроконтроллер, ППЗУ - перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство, СП - супервизор питания, ЖКИ - жидкокристаллический индикатор, К - клавиатура, ВИП - вторичный источник питания.

Для расчёта электрической энергии, потребляемой за определённый период времени, необходимо интегрировать во времени мгновенные значения активной мощности. Для синусоидального сигнала мощность равна произведению напряжения на ток в сети в данный момент времени. На этом принципе работает любой счётчик электрической энергии. На рисунке 3.3 показана блок-схема электромеханического счётчика.

Рисунок 3.3 - Блок-схема электромеханического счетчика электрической энергии

Реализация цифрового счётчика электрической энергии (рисунок 3.4) требует специализированных ИС, способных производить перемножение сигналов и предоставлять полученную величину в удобной для микроконтроллера форме. Например, преобразователь активной мощности - в частоту следования импульсов. Общее количество пришедших импульсов, подсчитываемое микроконтроллером, прямо пропорционально потребляемой электроэнергии.

Рисунок 3.4 - Блок-схема цифрового счетчика электрической энергии

Не менее важную роль играют всевозможные сервисные функции, такие как дистанционный доступ к счётчику, к информации о накопленной энергии и многие другие. Наличие цифрового дисплея, управляемого от микроконтроллера, позволяет программно устанавливать различные режимы вывода информации, например, выводить на дисплей информацию о потреблённой энергии за каждый месяц, по различным тарифам и так далее.

Для выполнения некоторых нестандартных функций, например, согласования уровней, используются дополнительные ИС. Сейчас начали выпускать специализированные ИС - преобразователи мощности в частоту - и специализированные микроконтроллеры, содержащие подобные преобразователи на кристалле. Но, зачастую, они слишком дороги для использования в коммунально-бытовых индукционных счётчиках. Поэтому многие мировые производители микроконтроллеров разрабатывают специализированные микросхемы, предназначенные для такого применения.

Перейдём к анализу построения простейшего варианта цифрового счётчика на наиболее доступном 8-разрядном микроконтроллере ATMega16. В представленном решении реализованы все минимально необходимые функции. Оно базируется на использовании недорогой ИС преобразователя мощности в частоту импульсов ADE7755 и 8-разрядного микроконтроллера ATMega16 (рисунок 3.5). При такой структуре микроконтроллеру требуется суммировать число импульсов, выводить информацию на дисплей и осуществлять её защиту в различных аварийных режимах. Рассматриваемый счётчик фактически представляет собой цифровой функциональный аналог существующих механических счётчиков, приспособленный к дальнейшему усовершенствованию.

Рисунок 3.5 - Основные узлы простейшего цифрового счетчика электроэнергии

Сигналы, пропорциональные напряжению и току в сети, снимаются с датчиков и поступают на вход преобразователя. ИС преобразователя перемножает входные сигналы, получая мгновенную потребляемую мощность. Этот сигнал поступает на вход микроконтроллера, преобразующего его в Вт·ч и, по мере накопления сигналов, изменяющего показания счётчика. Частые сбои напряжения питания приводят к необходимости использования EEPROM для сохранения показаний счётчика. Поскольку сбои по питанию являются наиболее характерной аварийной ситуацией, такая защита необходима в любом цифровом счётчике.

Алгоритм работы программы для простейшего варианта такого счётчика довольно прост. При включении питания микроконтроллер конфигурируется в соответствии с программой, считывает из EEPROM последнее сохранённое значение и выводит его на дисплей. Затем контроллер переходит в режим подсчёта импульсов, поступающих от ИС преобразователя, и, по мере накопления каждого Вт·ч, увеличивает показания счётчика.

При записи в EEPROM значение накопленной энергии может быть утеряно в момент отключения напряжения. По этим причинам значение накопленной энергии записывается в EEPROM циклически друг за другом через определённое число изменений показаний счётчика, заданное программно, в зависимости от требуемой точности. Это позволяет избежать потери данных о накопленной энергии. При появлении напряжения микроконтроллер анализирует все значения в EEPROM и выбирает последнее. Для минимальных потерь достаточно записывать значения с шагом 100 Вт·ч. Эту величину можно менять в программе.

Алгоритм работы программы представлен на рисунке 3.6.

На схеме к разъёму подключается напряжение питания 220 В и нагрузка. С датчиков тока и напряжения сигналы поступают на микросхему преобразователя ADE7755. Основу счётчика составляет микроконтроллер ATMega16, выпускаемый в 24-выводном корпусе (DIP) и имеющий 1,2 Кбайт ПЗУ и 64 байт ОЗУ. Для хранения накопленного количества энергии при сбоях по питанию используется EEPROM малого объёма 24С00 (16 байт) 24LC16.

Рисунок 3.6 - Алгоритм работы программы

В качестве дисплея используется 8-разрядный 7-сегментный ЖКИ, управляемый любым недорогим контроллером, обменивающийся с центральным микроконтроллером.

Реализация алгоритма потребовала менее 1 Кбайт памяти и менее половины портов ввода/вывода микроконтроллера ATMega16. Его возможностей достаточно, чтобы добавить некоторые сервисные функции, например, объединение счётчиков в сеть с помощью GSM-модема. Эта функция позволит получать информацию о накопленной энергии в сервисном центре и отключать электричество в случае отсутствия оплаты. Сетью из таких счётчиков можно оборудовать жилой многоэтажный дом. Все показания по сети будут поступать в диспетчерский центр.

4 Разработка и описание принципиальной электрической схемы проектируемого устройства

4.1 Описание элементной базы измерителя мощности

4.1.1 Микроконтроллер ATMega16

В данном приборе будем использовать 8-ми разрядный AVR микроконтроллер ATMega16 - один из наиболее мощных на сегодняшний день микроконтроллеров, основанный на расширенной AVR RISC-архитектуре. На рисунке 4.1 изображена схема включения микроконтроллера.

Рисунок 4.1 - Схема включения микроконтроллера

С3, С4 - конденсаторы номиналом 27пФ (керамические конденсаторы) К10-17А; С5, С6 - конденсаторы номиналом 10 мкФ и 0,1 мкФ соответственно (пленочные конденсаторы) К73-17; ZQ1 - кварцевый резонатор HC-49SM 16МГц; R12 - резистор номиналом 4,7 кОм. Расположение выводов на микросхеме можно увидеть на рисунке 4.2.

Рисунок 4.2 - Расположение выводов ATMega16

Назначение выводов микроконтроллера:

·        V_CC - напряжение питания цифровых элементов;

·        GND - общий;

·        RESET - вход сброса. Если на этот вход приложить низкий уровень длительностью более минимально необходимой будет генерирован сброс независимо от работы синхронизации;

·        XTL1 - вход инвертирующего усилителя генератора и вход внешней синхронизации;

·        XTL2 - выход инвертирующего усилителя генератора.

Микроконтроллер ATMega16 имеет следующие особенности:

·        8-разрядный высокопроизводительный AVR микроконтроллер с малым потреблением;

·        прогрессивная RISC архитектура:

130 высокопроизводительных команд, большинство команд выполняется за один тактовый цикл;

32 8-разрядных рабочих регистра общего назначения;

полностью статическая работа;

производительность приближается к 16 MIPS (при тактовой частоте 16 МГц);

встроенный 2-цикловый перемножитель;

·        энергозависимая память программ и данных:

16 Кбайт внутрисистемно программируемой Flash памяти;

обеспечивает 1000 циклов стирания/записи;

дополнительный сектор загрузочных кодов с независимыми битами блокировки;

внутрисистемное программирование встроенной программой загрузки;

обеспечен режим одновременного чтения/записи;

512 байт EEPROM;

обеспечивает 100000 циклов стирания/записи;

1 Кбайт встроенной SRAM;

программируемая блокировка, обеспечивающая защиту программных средств пользователя;

·        интерфейс JTAG:

возможность сканирования с периферии, соответствующая стандарту JTAG;

расширенная поддержка встроенной отладки;

программирование через JTAG интерфейс: Flash, EEPROM памяти, перемычек и битов блокировки;

·        встроенная периферия:

два 8-разрядных таймер/счетчика с отдельным предварительным делителем, один с режимом сравнения;

один 16-разрядный таймер/счетчик с отдельным предварительным делителем и режимом захвата и сравнения;

счетчик реального времени с отдельным генератором;

четыре канала PWM;

8-канальный 10-разрядный аналогово-цифровой преобразователь;

8 несимметричных каналов;

байт ориентированный 2-роводной последовательный интерфейс;

программируемый последовательный USART;

последовательный интерфейс SPI (ведущий/ведомый);

программируемый сторожевой таймер с отдельным встроенным генератором;

встроенный аналоговый компаратор;

·        специальные микроконтроллерные функции:

сброс по подаче питания и программируемый детектор кратковременного снижения напряжения питания;

встроенный калиброванный RC-генератор;

внутренние и внешние источники прерываний;

шесть режимов пониженного потребления;

·        выводы I/O и корпуса:

32 программируемые линии ввода/вывода;

40-выводной корпус PDIP;

·        рабочее напряжение 4,5 - 5,5 В;

·        рабочая частота 0 - 16 МГц.

Аналогово-цифровой преобразователь в составе микроконтроллера:

Микроконтроллеры ATmega16 оснащены 10-разрядным АЦП последовательного приближения. Основные параметры этого модуля следующие:

абсолютная погрешность: ±2 МЗР;

интегральная нелинейность: ±0.5 МЗР;

быстродействие до 15 тыс. выборок/с.

На входе модуля АЦП всех моделей имеется 8-канальный аналоговый мультиплексор, предоставляющий в распоряжение пользователя 8 каналов с несимметричными входами.

В модели ATmega16 входы АЦП могут также объединяться попарно для формирования в общей сложности до 13 каналов с дифференциальным входом. Два канала при этом имеют возможность 20 - и 200-кратного предварительного усиления входного сигнала. При коэффициентах усиления 1х и 20х действительная разрешающая способность - 8 разрядов, а при коэффициенте 200х - 7 разрядов.

В качестве источника опорного напряжения для АЦП может использоваться как напряжение питания микроконтроллера, так и внутренний либо внешний источник напряжения.

АЦП может функционировать в двух режимах:

режим одиночного преобразования, когда запуск каждого преобразования инициируется пользователем;

режим непрерывного преобразования, когда выполняется непрерывно через определенные интервалы времени.

Структурная схема микроконтроллера ATMega16 представлена на рисунке 4.3

Описание выводов микросхемы представлено в таблице 4.1.

Рисунок 4.3 - Структурная схема микроконтроллера ATMega16

Таблица 4.1 - Описание выводов

Вывод порта	Альтернативная функция
XTL1	Вход инвертирующего усилителя генератора и вход внешней синхронизации
XTL2	Выход инвертирующего усилителя генератора
	Вход сброса
AREF	Вход опорного напряжения для АЦП
AVCC	Вывод источника питания АЦП
GND	Общий вывод
VCC	Вывод источника питания
PA0-PA7	A0 - А7 (Вход канала 0-7 АЦП)
PB0	B0 (Вход внешнего тактового сигнала таймера/счетчика Т0 / Вход/выход тактового сигнала USART)
PB1	B1 (Вход внешнего тактового сигнала таймера/счетчика Т1)
PB2	B2 (Положительный вход компаратора / Внешнее прерывание)
PB3	B3 (Отрицательный вход компаратора / Выход таймера/счетчика Т0 (режимы Compare, PWM))
PB4	B4 (Выбор Slave-устройства на шине SPI)
PB5	B5 (Выход (Master) или вход (Slave) данных модуля SPI)
PB6	B6 (Вход (Master) или выход (Slave) данных модуля SPI)
PB7	B7 (Выход (Master) или вход (Slave) тактового сигнала модуля SPI)
PC0	C0 (Тактовый сигнал модуля TWI)
PC1	C1 (Линия данных модуля TWI)
PC2	C2 (Тактовый сигнал JTAG)
PC3	C3 (Выбор режима JTAG)
PC4	C4 (Выход данныхJTAG)
PC5	C5 (Вход данныхJTAG)
PC6	C6 (Выход для подключения резонатора к таймеру/счетчику Т2)
PC7	C7 (Вход для подключения резонатора к таймеру/счетчику Т2)
PD0	D0 (Вход USART)
PD1	D1 (Выход USART)
PD2	D2 (Вход внешнего прерывания)
PD3	D3 (Вход внешнего прерывания)
PD4	D4 (Выход B таймера/счетчика Т1 (режимы Compare, PWM))
PD5	D5 (Выход A таймера/счетчика Т1 (режимы Compare, PWM))
PD6	D6 (Вход захвата таймера/счетчика Т1 (режим Capture))
PD7	D7 (Выход таймера/счетчика Т2 (режимы Compare, PWM))

4.1.2 Выбор супервизора питания

Когда напряжение питание опускается ниже этого уровня, ЦПУ может начать выполнять некоторые инструкции неправильно. В результате могут происходить не запланированные процессы во внутренней памяти и на линиях управления. Это может привести к повреждению информации в регистрах ЦПУ, I/O регистрах и в памяти данных.

Для того чтобы избежать этого, необходимо не допустить выполнение кода ЦПУ, при провалах напряжения питания. Для этого лучше всего использовать внешний детектор пониженного напряжения питания. При уменьшении напряжения ниже фиксированного порога Vt, детектор формирует низкий (активный) уровень на выводе RESET. Это немедленно останавливает ЦПУ, не позволяя ему выполнять программу. Пока напряжение питания ниже порогового Vt, микроконтроллер остановлен, и система находиться в известном состоянии. Когда напряжение питания снова поднимается до установленного значения, вывод RESET освобождается и микроконтроллер начинает выполнять программу с адреса вектора сброса (0x0000). Рекомендуется устанавливать пороговое напряжение на 5-15 % ниже рабочего Vcc, допуская таким образом небольшое колебание напряжения питания. Пороговое напряжение должно всегда выбираться так, чтобы детектор формировал сброс, когда напряжение становиться ниже минимально допустимого для ЦПУ. Необходимо гарантировать достаточно высокое пороговое напряжение детектора даже в самых плохих случаях.

Для предотвращения колебательного процесса при напряжении питания равном порогу сброса мы должны удлинить импульс сброса. Импульс сброса должен удерживаться в течение определенного времени после превышения порога детектора, напряжением питания. Этот интервал называется период сброса. Этот период начинает формироваться, когда напряжение питания пересекает пороговое напряжение детектора. Когда медленно увеличивающееся напряжение питания вызывает многократное переключение детектора, каждый раз, должен происходить перезапуск периода сброса для предотвращения колебания сигнала сброса микропроцессора.

Устройства, выполняющие эту основную функцию, существуют давно, а в последние годы они стали доступны и в миниатюрных трехножечных SOT23 корпусах. Первое SOT23 устройство (MAX809) стало наиболее повторяемым индустриальным стандартом. Универсальный MAX 809 выпускается с несколькими пороговыми напряжениями, задаваемыми при производстве, и гарантирует точность ±2,6 % в диапазоне -40 °C до +85 °C. Кроме того, MAX 809 гарантирует минимальный период сброса в 140 мс. MAX 809 удовлетворяет всем указанным выше требованиям к супервизорам, и более прост в использовании, чем дискретные компоненты. Рисунок 4.7 иллюстрирует применение MAX809. В таблице 4.2 описаны выводы супервизора питания.

Рисунок 4.7 - Схема супервизора питания

Таблица 4.2 - Описание выводов

Номер вывода	Название	Функции
1	GND	Минус
2	RESET	Восстановите Выходной низкий уровень VCC - ниже порога сброса, и для в наименее 140ms после того, как VCC будет выше восстановите порог.
3	VCC	Напряжение Поставки (+5В, +3.3В, +3.0В, или +2.5В)

4.1.3 Выбор источника стабилизированного питания

Блок питания используется для стабилизированного питания микропроциссора и схемы в целом. Схема стабилизации напряжения питания микроконтроллера будет построена на базе аналоговой микросхемы 7805, которая стабилизирует напряжение питания до +5 В. Само питание будет осуществляться от аккумуляторной батареи номиналом 12 В. На рисунке 4.8 и 4.9 приведены внешний вид и схема включения стабилизированного источника питания соответственно.

Серия LM78XX трех терминальных положительных регуляторов доступна в пакете TO-220/D-PAK и с несколько установившее выходное напряжение, делающее их полезные в большем разнообразии приложений. Каждый тип применяет внутреннее текущее ограничивать, термическую остановку и безопасную защиту области, делающие это по существу неразрушимое. Если требуемое падение тепла предусмотрено, они могут доставить над выходным током 1 A. Хотя разработанное первоначально как установлено напряжение регуляторов, эти устройства могут быть использованы внешними компонентами, чтобы получать регулируемое напряжение и тока.

Рисунок 4.8 - Внешний вид стабилизатора питания

Рисунок 4.9 - Схема включения стабилизированного источника питания +5 В.

Схема стабилизации напряжения питания микроконтроллера будет построена на базе аналоговой микросхемы 7805, которая стабилизирует напряжение питания +5 В.

4.1.4 Выбор индикатора

Контроллер HD44780 фирмы Hitachi фактически является промышленным стандартом и широко применяется при производстве алфавитно-цифровых ЖКИ-модулей. Аналоги этого контроллера или совместимые с ним по интерфейсу и командному языку микросхемы, выпускают множество фирм, среди которых: Epson, Toshiba, Sanyo, Samsung, Philips. Еще большее число фирм производят ЖКИ-модули на базе данных контроллеров. Эти модули можно встретить в самых разнообразных устройствах: измерительных приборах, медицинском оборудовании, промышленном и технологическом оборудовании, офисной технике - принтерах, телефонах, факсимильных и копировальных аппаратах.

Алфавитно-цифровые ЖКИ-модули представляют собой недорогое и удобное решение, позволяющее сэкономить время и ресурсы при разработке новых изделий, при этом обеспечивают отображение большого объема информации при хорошей различимости и низком энергопотреблении. Возможность оснащения ЖКИ-модулей задней подсветкой позволяет эксплуатировать их в условиях с пониженной или нулевой освещенностью, а исполнение с расширенным диапазоном температур (-20 °С...+70 °С) в сложных эксплуатационных условиях, в том числе в переносной, полевой и даже, иногда, в бортовой аппаратуре.

На рисунке 4.10 приведена схема подключения ЖКИ-модуля с 8-ми разрядной шиной к микроконтроллеру ATMega16. Он содержит два порта: 8-ми разрядный двунаправленный РА0...РА7, к которому подключена шина D0...D7 ЖКИ-модуля, и 3-х разрядный РВ0...РВ2, к которому подключены линии управляющих сигналов: E, RS,R/W.

Рисунок 4.10 - Схема включения индикатора

Перед началом рассмотрения принципов управления ЖКИ-модулем, обратимся к внутренней структуре контроллера HD44780, чтобы понять основные принципы построения ЖКИ-модулей на его основе. Эта информация позволит понять способы организации модулей различных форматов с точки зрения программной модели, а также мотивации конструкторов ЖКИ-модулей.

Упрощенная структурная схема контроллера приведена на рисунке 4.11. Можно сразу выделить основные элементы с которыми приходится взаимодействовать при программном управлении: регистр данных (DR), регистр команд (IR), видеопамять (DDRAM), ОЗУ знакогенератора (CGRAM), счетчик адреса памяти (АС), флаг занятости контроллера.

Рисунок 4.11 - Упрощенная структурная схема контроллера HD44780

Управление контроллером ведется посредством интерфейса управляющей системы. Основными объектами взаимодействия являются регистры DR и IR. Выбор адресуемого регистра производится линией RS, если RS = 0 - адресуется регистр команд (IR), если RS = 1 - регистр данных (DR).

Данные через регистр DR, в зависимости от текущего режима, могут помещаться (или прочитываться) в видеопамять (DDRAM) или в ОЗУ знакогенератора (CGRAM) по текущему адресу, указываемому счетчиком адреса (АС). Информация, попадающая в регистр IR, интерпретируется устройством выполнения команд как управляющая последовательность. Прочтение регистра IR возвращает в 7-ми младших разрядах текущее значение счетчика АС, а в старшем разряде флаг занятости (BF).

У контроллера HD44780 существует набор внутренних флагов, определяющих режимы работы различных элементов контроллера (таблица 4.3). В таблице 4.4 приведены значения управляющих флагов непосредственно после подачи на ЖКИ-модуль напряжения питания. Переопределение значений флагов производится специальными командами, записываемыми в регистр IR, при этом комбинации старших битов определяют группу флагов или команду, а младшие содержат собственно флаги.

Таблица 4.3 - Флаги, управляющие работой контроллера

Флаг	Назначение
I/D:	режим смещения счетчика адреса АС, 0 - уменьшение, 1 - увеличение.
S:	флаг режима сдвига содержимого экрана. 0 - сдвиг экрана не производится, 1 - после записи в DDRAM очередного кода экран сдвигается в направлении, определяемым флагом I/D: 0 - вправо, 1 - влево. При сдвиге не производится изменение содержимого DDRAM. изменяются только внутренние указатели расположения видимого начала строки в DDRAM.
S/C:	флаг-команда, производящая вместе с флагом R/L операцию сдвига содержимого экрана (так же, как и в предыдущем случае, без изменений в DDRAM) или курсора. Определяет объект смещения: 0 - сдвигается курсор, 1 - сдвигается экран.
R/L:	флаг-команда, производящая вместе с флагом S/C операцию сдвига экрана или курсора. Уточняет направление сдвига: 0 - влево, 1 - вправо.
D/L:	флаг, определяющий ширину шины данных: 0 - 4 разряда, 1 - 8 разрядов.
N:	режим развертки изображения на ЖКИ: 0 - одна строка, 1 - две строки
F:	размер матрицы символов: 0 - 5 х 8 точек, 1 - 5 х 10 точек.
D	наличие изображения: 0 - выключено, 1 - включено

Таблица 4.4 - Значение управляющих флагов после подачи напряжения

I/D = 1:	режим увеличения счетчика на 1
S = 0:	без сдвига изображения
D/L = 1:	8-ми разрядная шина данных
N = 0:	режим развертки одной строки
F = 0:	символы с матрицей 5 х 8 точек
D = 0:	отображение выключено
С = 0:	курсор в виде подчерка выключен
В = 0:	курсор в виде мерцающего знакоместа выключен

4.1.5 Выбор перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства

Иногда при разработке устройства возникает потребность сохранять какие-либо данные в энергонезависимую память. В таких случаях обычно используют внутреннюю EEPROM микроконтроллера. Если её недостаточно, то как правило применяются внешние микросхемы EEPROM из серии 24CL16. Данная микросхема выпускается в различных корпусах, самые популярные из которых это DIP и SOIC. Вид микросхемы представлен на рисунке 4.12.

Рисунок 4.12 - Расположение выводов микросхемы 24CL16

, A1, A2 - в данной микросхеме не используются. Их можно подсоединить к земле или к плюсу питания. В некоторых других микросхемах серии 24CL16, этими выводами можно задавать адрес микросхемы.- земля. - линия данных - линия тактовых импульсов - Защита от записи. Когда на данном выводе логический 0, то запись в память разрешена. Если подать логическую единицу, то возможно только чтение из памяти. - питание микросхемы. Согласно даташиту питается она напряжением от 2.5 В до 5.5 В

Для подключения ППЗУ к микроконтроллеру достаточно 2х резисторов сопротивлением 4.7 кОм (рисунок 4.13).

Записывать данные можно как в произвольном порядке так и постранично. Поскольку на шине могут быть сразу несколько устройств, то для того чтобы обратится к какому либо устройству нужно знать его семибитный адрес. Биты A,B,C служат для выбора блока памяти. Блоков памяти в микросхеме 8 штук по 256 байт каждый. Соответственно биты ABC принимают значения от 000 до 111 (рисунок 4.14).

Рисунок 4.13 - Схема подключения ППЗУ к микроконтроллеру

Рисунок 4.14 - Выбор блока памяти в микросхеме

 

.1.6 Выбор GSM - модуля

GSM/GPRS модуль изготовлен на базе нового однокристального чипа Texas Instruments “LoCosto”. Этот чип, построенный на 65-нм технологии TI, содержит на одном кристалле практически все компоненты, необходимые для создания GSM/GPRS-устройства последнего поколения.

В режиме GSM модуль модели GSM0408 обеспечивает работу в четырех диапазонах частот 850/900/1800/1900 МГц. Блок GSM/GPRS, изготовленный на базе чипов TEXAS INSTRUMENTS, поддерживает все основные функции стандарта EGSM и GPRS класс 10. Основные технические характеристики GSM/GPRS блока приведены в таблице 4.5.

На рисунке 4.15 изображена схема подключения GMS-модуля к микроконтроллеру.

Таблица 4.5 - Характеристики модуля GSM0408

Рисунок 4.15 - Схема подключения GSM- модуля к микроконтроллеру.

4.1.7 Выбор ИС счетчика электроэнергии

Микросхема ADE7755 - высокоточная ИС, предназначена для счетчиков потребления электрической энергии. Технические характеристики этой ИС превосходят требования по точности, предъявляемые стандартом IEC1.36.

Аналоговая часть микросхемы ADE7755 включает лишь АЦП и источник опорного напряжения. Все дальнейшие преобразования сигнала, такие как перемножение и фильтрация, происходят с сигналом в цифровом виде. Такой подход обеспечивает очень высокую стабильность и точность при предельный значениях параметров окружающей среды и в течение длительного времени.

ИС ADE7755 включает в себя схему контроля напряжения питания на выводе AVDD. Микросхема ADE7755 остается в состоянии сброса до тех пор, пока напряжение источника питания не достигает 4 В. Если напряжение источника питания падает ниже 4 В, ИС ADE7755 также переходит в состояние сброса. Структурная схема ADE7755 изображена на рисунке 4.16. Схема подключения счетчика к микроконтроллеру изображена на рисунке 4.17.

Рисунок 4.16 - Структурная схема ADE7755

Рисунок 4.17 - Схема подключения счетчика ADE7755 к микроконтроллеру

На рисунке 4.18 показано расположение выводов микросхемы.

Рисунок 4.18 - Схема расположения выводов микросхемы

Предельно допустимые характеристики:

Та = 25 °С, если не указано другое значение) Напряжение между выводами:и AGND от -0,3 В до +7 В;и DGND от -0,3 В до +7 В;и AVdd от -0,3 В до +0,3 В;

Напряжение на аналоговом входе относительно AGND VIP, VIN, V2P и V2N от -6 В до +6 В;

Напряжение на входе REFIN/OUT относительно AGND от -0,3 В до AVdd + 0.3 В;

Напряжение на цифровом входе относительно DGND от -0,3 В до DVdd + 0.3 В;

Напряжение на цифровом выходе относительно DGND от -0,3 В до DVdd + 0.3 В;

Рабочий температурный диапазон:

Индустриальный от -40 °С до +85 °С;

Температурный диапазон хранения от -65 °С до +150 °С;

Температура перехода 50 °С;

Рассеиваемая мощность для 24-выводного корпуса SSOP 450 мВт;

Температурное сопротивление переход-среда 112 °С ;

В таблице 4.6 описано назначение выводов.

Таблица 4.6 - Описание выводов микросхемы

Номер вывода			Обоз.	Описание
1			DVdd	Вывод питания цифровой части ИС. Через этот вывод питаются цифровые схемы, входящие в ИС ADE7755. Чтобы ИС обеспечивала параметры, соответствующие техническому описанию, на этот вывод необходимо подать напряжение питания 5 В ± 5%. Этот вывод должен быть развязан конденсатором емкостью 10 мкФ и параллельно подключенным керамическим конденсатором емкостью 0,1 мкФ.
2			AC/DC	Включение фильтра высокой частоты. Этот логический вход предназначен для включения фильтра высокой частоты в канале VI (канале измерения тока). Фильтр высокой частоты включается подачей на данный вывод уровня логической единицы. Фазочастотная характеристика фильтра компенсирована в частотном диапазоне от 45 Гц до 1 кГц. В устройствах измерения мощности фильтр высокой частоты должен быть включен.
3			AVdd	Вывод питания аналоговой части ИС. Этот вывод обеспечивает питание аналоговых схем, входящих в ИС ADE7755. Чтобы ИС обеспечивала параметры, соответствующие техническому описанию, на этот вывод необходимо подать напряжение питания 5 В ± 5%. Должны быть приняты все меры и обеспечена необходимая развязка для минимизации пульсаций и шумов источника питания на этом выводе. Развязка этого вывода должна быть произведена на аналоговую заземляющую поверхность AGND с помощью конденсатора емкостью 10 мкФ и параллельно подключенного керамического конденсатора емкостью 0,1 мкФ.
4, 19		NC		Не подключены
5, 6		VIP, VIN		Аналоговые входы канала VI (канала измерения тока). Эти входы - полностью дифференциальные входы напряжения с максимально допустимым уровнем дифференциального сигнала ±470 мВ, при котором будет обеспечены параметры, соответствующие техническому описанию. Канал измерения тока снабжен программируемым усилителем, коэффициент усиления которого можно выбирать в соответствии с таблицей I. Максимально допустимый уровень сигнала на этих выводах относительно AGND составляет ±1 В. Оба входа имеют внутреннюю схему защиты от электростатического разряда (ESD protection). Эти входы могут выдержать напряжение ±6 В без риска необратимого повреждения ИС.
7, 8		V2N, V2P		Отрицательный и положительный входы канала V2 (канала измерения напряжения). Эти входы - полностью дифференциальные входы напряжения с максимально допустимым уровнем дифференциального сигнала ±660 мВ, при котором будет обеспечены параметры, соответствующие техническому описанию. Максимально допустимый уровень сигнала на этих выводах относительно AGND составляет ±1 В
9		RESET		Вывод сброса ИС ADE7755. Низкий логический уровень, поданный на этот вход, будет удерживать АЦП и цифровые схемы в состоянии сброса. Подача низкого уровня на этот вход приведет к сбросу внутренних регистров ИС ADE7755.
10		REFiN/ouT		Вход/выход источника опорного напряжения. Этот вывод обеспечивает доступ к внутреннему источнику опорного напряжения. Источник имеет номинальную величину напряжения 2,5 В ± 8% и типичный температурный коэффициент 30Т0 /°С. К этому выводу может быть подключен внешний источник опорного напряжения. В любом случае необходимо обеспечить развязку этого вывода относительно AGND.
11	AGND			Этот вывод обеспечивает заземление аналоговых схем, входящих в ИС ADE7755, то есть АЦП и источника опорного напряжения. Этот вывод должен быть связан с аналоговой заземляющей поверхностью печатной платы. Аналоговая заземляющая поверхность является заземлением для всех аналоговых схем, таких как антиалайзинговые фильтры и преобразователи тока и напряжения. Для хорошего подавления шума аналоговая заземляющая поверхность должна быть соединена с цифровой заземляющей поверхностью в единственной точке.
12	SCF			Выбор частоты калибровки. Этот логический вход используется для выбора частоты на выходе калибровки CF. В таблице IV показано, каким образом выбирается частота калибровки.
13, 14	S1,S0			Эти логические входы используются для выбора одной из четырех возможных частот для преобразователя цифрового сигнала в частоту. Возможность выбора обеспечивает конструктору большую гибкость при проектировании счетчика электроэнергии. См. раздел Выбор частоты для счетчика электроэнергии .
15, 16	G1,G0			Эти логические входы используются для выбора одного из четырех возможных коэффициентов усиления для канала VI (канала измерения тока). Возможные значения коэффициента усиления 1, 2, 8 и 16. См. раздел Аналоговый вход .
17	К этому логическому входу можно подключить внешний генератор тактовых импульсов. Как альтернативный способ, для получения тактовых импульсов возможно подключение к выводам CLKIN и CLKOUT кварцевого резонатора с параллельным резонансом и со срезом типа AT. Чтобы ИС обеспечивала параметры, соответствующие техническому описанию, частота тактовых импульсов должна быть равна 3,579545 МГц. Вместе с кварцевым резонатором к входу схемы генератора необходимо подключить конденсаторы емкостью от 22 пФ до 33 пФ (керамические).
18	CLKOUT			Кварцевый резонатор может быть подключен между этим выводом и CLKIN как описано выше, чтобы обеспечить работу генератора тактовых импульсов в ИС ADE7755. Вывод CLKOUT может быть подключен к одному входу КМОП, когда ко входу CLKIN подключен внешний генератор тактовых импульсов или если используется кварцевый резонатор.
20	REVP			На этом логическом выходе появляется напряжение логической единицы, когда ИС обнаруживает, что мощность отрицательна, т.е. когда фазовый угол между напряжением и током превышает 90°. Этот выход не фиксируется и сбрасывается, как только мощность снова становится положительной. Этот выход меняет свое состояние в момент, когда импульс появляется на выходе CF.
21	DGND			Этот вывод обеспечивает заземление цифровых схем, входящих в ИС ADE7755, то есть перемножителя, фильтров, и преобразователя цифрового сигнала в частоту. Этот вывод должен быть связан с цифровой заземляющей поверхностью печатной платы. Цифровая заземляющая поверхность является заземлением для всех цифровых схем, таких как счетчики (механические и цифровые), микроконтроллеры и светодиодные индикаторы.
22	CF			Частотный выход, выдающий сигнал частоты для калибровки. Выдает информацию о мгновенном значении активной мощности. Этот выход предназначен для целей калибровки. Также см. описание вывода SCF.
23,24	F2,F1			Низкочастотные импульсные выходы. F1 и F2 выдают информацию о средней активной мощности. Эти импульсные выходы могут быть использованы для прямого управления электромеханическими счетными механизмами.

4.1.8 Выбор трансформатора тока

Трансформаторы тока (далее - ТТ) предназначены для преобразования тока первичной сети во вторичный, со стандартным значением 1 или 5 А, используемый как сигнал в системах учета электроэнергии и релейной защиты (РЗ).

4.1.9 Выбор трансформатора напряжения

Трансформаторы напряжения, предназначенные для питания катушек напряжения измерительных приборов и реле, устанавливают на каждой секции сборных шин. Их выбирают по форме исполнения, конструкции и схеме соединения обмоток, номинальному напряжению, классу точности и вторичной нагрузке.

5. Программа и методика метрологической аттестации

5.1 Назначение

Настоящая программа и методика метрологической аттестации устанавливает методику проведения работ, выполняемых при метрологической аттестации однофазных счетчиков электрической энергии (далее - счетчик).

Организация и порядок проведения метрологической аттестации счетчика выполняются согласно ДСТУ 3215-95.

5.2 Общие положения

Основанием для проведения метрологической аттестации является учебный план по специальности 7.05100201 «Метрологическое обеспечение испытаний и качества продукции», курс 5, семестр 10.

Целью проведения метрологической аттестации счетчика является приобретение практических навыков при проведении теоретических и экспериментальных исследований, необходимых для оценки метрологических характеристик счетчика.

5.3 Операции метрологической аттестации

При проведении метрологической аттестации должны быть выполнены операции, приведенные в таблице 5.1.

Таблица 5.1. - Операции метрологической аттестации

Наименование испытаний и операций и последовательность их проведения	Пункт ПМА
1 Внешний осмотр	4.8.1
2 Испытание изоляции счетчика напряжением переменного тока	4.8.2
3 Опробование счетчика	4.8.3
4 Определение погрешности при измерении мощности	4.8.4
5 Определение погрешности при измерении энергии	4.8.5
6 Обработка результатов измерений	4.8.6
7 Оформление результатов метрологической аттестации	4.9

5.4 Средства метрологической аттестации

Перечень средств измерительной техники и вспомогательного оборудования, применяемых при проведении аттестации приведен в таблице 5.2.

Таблица 5.2 - Перечень измерительного оборудования

№ опер.	Название оборудования и его характеристики
2	Универсальная пробойная установка УПУ-1М: испытательное напряжение до 10 кВ, погрешность установки напряжения не более 10 %.
3	Установка УППУ - МЭ3.1. Номинальное напряжение 220/380 В, ток 0,001 - 100А. GSM модем. Персональный компьютер.
4	Установка УППУ - МЭ3.1. Номинальное напряжение 220/380 В, ток 0,001 - 100А.
5 - 6	Установка УППУ - МЭ3.1. Номинальное напряжение 220/380 В, ток 0,001 - 100А. GSM модем. Персональный компьютер.
Примечание - Допускается применять другие средства измерения, имеющие метрологические характеристики не хуже указанных.

5.5 Условия проведения метрологической аттестации

Метрологическая аттестация должна проводиться в нормальных условиях согласно ГОСТ 27451-87:

температура окружающего воздуха - от 15 °С до 25 °С;

относительная влажность окружающего воздуха - от 30 % до 80 %;

атмосферное давление - от 86 кПа до 106,7 кПа (от 645 мм рт.ст. до 800 мм рт.ст.).

Номинальный при проведении аттестации считают ток 220 В.

Аттестация должна проводится на поверенном оборудовании.

5.6 Требования к квалификации специалистов, проводящих аттестацию

Метрологическая аттестация счетчика проводится в организациях, аккредитованных на право проведения аттестации средств измерительной техники в области измерений мощности и энергии.

Аттестацию счетчика должны проводить специалисты категории А (согласно НРБУ-97), имеющие специальное физическое образование и навыки работы с эталонами и рабочими средствами измерительной техники в области измерения мощности и энергии.

5.7 Требования к безопасности проведения работ

Помещение для проведения аттестации и размещения оборудования должно соответствовать правилам техники безопасности и производственной санитарии.

При проведении аттестации должны соблюдаться правила технической эксплуатации электроустановок потребителей ГОСТ 12.3.019-80.

При проведении аттестации необходимо обеспечить выполнение требований следующих документов:

ГОСТ 12.2.007.0-75 «Изделия электротехнические. Общие требования безопасности»;

„Руководство по эксплуатации цифрового счетчика электроэнергии".

5.8 Порядок проведения аттестации

5.8.1 Внешний осмотр

Проверить комплектность счетчика согласно эксплуатационной документации. При отсутствии одной из составных частей аттестация приостанавливается, и принимаются меры по укомплектованию.

         При наличии полной комплектности счетчика, каждая составная часть визуально проверяется на отсутствие вмятин, деформаций, нарушений лакокрасочных покрытий и др.

При отсутствии указанных нарушений внешнего вида составных частей счетчика переходят к следующей операции метрологической аттестации.

5.8.2 Испытание изоляции счетчика напряжением переменного тока

Испытательное напряжение переменного тока 4 кВ должно быть приложено в течение 1 минуты между фазным и нулевым проводами счетчика, соединенными вместе, и «землей».

В качестве «земли» используется специально наложенная на корпус счетчика фольга, касающаяся всех доступных частей корпуса счетчика (включая антенну) и присоединенная к плоской проводящей поверхности, на которой установлен счетчик.

Результат испытания считается положительным, если во время испытания не было искрения, пробивного разряда или пробоя.

5.8.3 Опробование счетчика

Подготовленный согласно условиям эксплуатации счетчик включают, проверяют его работоспособность в соответствии с его техническим описанием и инструкцией по эксплуатации.

При изгибе соединительных кабелей и шлангов питания показания прибора должны оставаться неизменными.

Для проведения опробования и проверки требований точности счетчик подключают к поверочной установке в соответствии эксплуатационной документацией на поверочную установку.

Органы управления поверочной установки устанавливают в соответствии с руководством по эксплуатации на поверочную установку.

Прогрев проводят в течение 5 минут при базовом токе, при номинальном напряжении и коэффициенте мощности, равном 0,5.

Опробование счетчика, интерфейса GSM/GPRS и ЧРВ счетчика заключается в проверке правильности считывания информации со счетчика при помощи GSM - модема. Результат считают положительным, если на дисплее счетчика и экране персонально компьютера отображаются одинаковые данные. Работа на компьютере проводится при помощи программы верхнего уровня.

5.8.4 Определение погрешности при измерении мощности

Основную погрешность определяют непосредственным сличением с установкой УППУ - МЭ3.1. Испытания проводятся по поверочной схеме (рисунок 5.1). Результаты измерения полученные счетчиком и установкой заносятся в протокол.

Абсолютная погрешность вычисляется по формуле

,         (5.1)

где  - измеренное значение аттестуемого счетчика;

 - измеренное значение установки контроля.

Приведенная погрешность определяется как

,

где  - значение абсолютной погрешности;

 - измеренное значение установки контроля.

Все испытания проводятся на промышленной частоте 50 Гц. От сети через регулятор напряжения подается напряжение 220 В и измеряется вольтметром.

Напряжение и ток подаются на входы напряжения и тока счетчика и установки контроля соответственно. Измеренное значение потребленной энергии выводится на индикатор счетчика и установки контроля.

Рисунок 5.1 - Схема испытания счетчика

5.8.5 Определение погрешности при измерении энергии

Определение погрешностей счетчика при измерении проводят по методике, приведенной в руководстве по эксплуатации на поверочную установку. Определение основной относительной погрешности счетчиков проводят при номинальном напряжении в режимах, указанных в таблице 5.3.

Погрешность поверяемого счетчика определяют по индикаторному устройству поверочной установки

Таблица 5.3 - Номинальные значения для определения допускаемой погрешности

Ток	cos ц	Предел допускаемой основной погрешности, %	Угол ц, град.
0,05	1	1	0
0,1	1	0,5	0
1	1	0,5	0
Imax	1	0,5	0
0.05	1	1.5	90
0.1	1	1	90
1	1	1	90
Imax	1	1	90

Определение дополнительной погрешности счетчиков, вызываемой изменением напряжения в установленном рабочем диапазоне проводят при базовом токе в режимах, приведенных в таблице 5.4.

Таблица 5.4 - Номинальные значения для определения дополнительной погрешности

Напряжение, В	cos ц	Предел допускаемой основной погрешности, %	Угол ц, град
198	1	0,7	0
253	1	0,7	0
198	0,5	1	60
253	0,5	1	60

Погрешность поверяемого счетчика определяют по индикаторному устройству поверочной установки.

5.8.6 Обработка результатов измерений

Если при аттестации счетчика одно из параметров не соответствует значению, указанному в эксплуатационно-технической документации на прибор, а также при обнаружении механических и электрических неисправностей дальнейшую аттестацию прекращают.

5.9 Оформление результатов метрологической аттестации

Положительные результаты аттестации удостоверяются выдачей свидетельства о аттестации счетчика в соответствии с ДСТУ 3215-95.

Если в результате аттестации счетчик признается непригодным к применению, то заявителю выдается протокол метрологической аттестации счетчика в соответствии с ДСТУ 3215-95.

6. Разработка операции контроля электрических параметров платы счетчика электроэнергии

Каждый прибор, узел, блоки и собранное изделие РЭА подвергаются техническому контролю, который включает в себя визуальный контроль монтажа, функциональный контроль блоков и системный контроль всего прибора.

6.1 Обоснование разработки установки контроля

Проверка электрических параметров проводится на специальных установках - пультах, подключаемых к проверяемому блоку через разъемы.

Установка контроля необходима для контроля параметров печатных узлов, которая позволяет уменьшить время, затрачиваемое на подготовку к контролю печатного узла, а также трудоемкость контроля. Разрабатываемая установка не нуждается в дополнительной настройке перед контролем или проверкой. Поэтому для счетчика электроэнергии в данном дипломном проекте разработано специальное электронное устройство контроля электрических параметров.

6.2 Исходные данные

Входное напряжение от сети:

- напряжение питания  ~() В;

базовый ток        0 - 60 А;

Выходной параметр:

потребляемая мощность.

Глубина контроля       на уровне каскада.

Диапазон рабочих температур      -40 ч +55 єС.

Индикация выходных параметров - контроль выходного напряжения осуществляется на электронном табло вольтметра.

6.3 Методика контроля

1. Визуально проконтролировать отсутствие дефектов, обрывов цепи и коротких замыканий.

2.      Проверить цепи питания в контрольных точках, подавая на вход платы напряжение питания и ток согласно таблице 6.1.

Таблица 6.1 - Контрольные значения выходных напряжений платы преобразования питания

ТТ,°С	В	, В требуемоеDD1, ВDD2, ВDD3, В DD4, ВDD5, В DD6, В
			Измеренное
20	187	4,5 - 5,1	4,5 - 5,1	4,5 - 5,1	4,5 - 5,1	4,5 - 5,1	4,5 - 5,1	4,5 - 5,1
	220	4,5 - 5,1	4,5 - 5,1	4,5 - 5,1	4,5 - 5,1	4,5 - 5,1	4,5 - 5,1	4,5 - 5,1
	244	4,5 - 5,1	4,5 - 5,1	4,5 - 5,1	4,5 - 5,1	4,5 - 5,1	4,5 - 5,1	4,5 - 5,1

3.   Проверить работоспособность платы счетчика электроэнергии, подавая входные сигналы напряжения и тока согласно таблице 6.2. Контроль проводить в трёх температурных точках: +20 °С, -40 °С, +55 °С.

Таблица 6.2 - Контроль значений напряжения и тока при питании платы от сети

Время, ч	Напряжение на входе, В	Ток на входе, А	Мощность, кВт*ч
	187	0	0
	220		0
	244		0
	187	10	0,51
	220		0,61
	244		0,67
	187	20	1,03
	220		1,22
	244		1,35
1	187	30	1,55
	220		1,83
	244		2,03
	187	40	2,07
	220		2,44
	244		2,71
	187	50	2,59
	220		3,05
	244		3,38
	187	60	3,11
	220		3,66
	244		4,06

6.4 Разработка установки контроля

6.4.1 Разработка функциональной схемы установки контроля

Блок питания используется для установки входного напряжения в диапазоне 187 ч 244 В с точностью установки 0.1 В.

Пульт контроля предназначен для подключения блока питания, вольтметра, осциллографа и контролируемой платы (помещенной в камеру тепла и холода) к его входным и выходным разъемам. С его помощью производится контроль напряжения питания и контроль работоспособности каскадов платы.

На рисунке 6.1 представлена функциональна схема установки контроля электрических параметров платы преобразования питания.

Осциллограф предназначен для контроля амплитудных значений напряжений на обмотке трансформатора в диапазоне 18.91 В ч 21.12 В .

Вольтметр предназначен для контроля значений выходного переменного напряжения.

Амперметр предназначен для контроля значений входного переменного тока.

Рисунок 6.1 - Функциональная схема установки

6.4.2 Выбор оборудования

Для проведения контроля используется следующее оборудование:

блок питания US-250В-50-500А, диапазон напряжений 0ч250 В, точность установки 0.1 В;

камера тепла и холода КТХ-74, диапазон регулируемых температур

ч +165 єС с точностью установки ±2 єС;

осциллограф Fluke 123, полоса пропускания 20 МГц, 5 мВ…500 В/дел;

вольтметр GDM-78261, диапазон 100 мВч1000 В, входное сопротивле-ние 10 МОм ± 1 %;

амперметр TENSE 60а, диапазон 0 А - 60 А.

6.4.3 Разработка пульта контроля

Электронная часть пульта контроля размещена на плате. Плата размещена в корпусе прямоугольной формы. Для подключения блока питания (БП) и осциллографа имеются разъемы Х1 и Х2 соответственно, осциллограф подключается через щуп. Также имеются разъемы Х4 - для подключения вольтметра, и Х5 - измерительный щуп для подключения контролируемой платы, Х6 - для подключения амперметра На передней панели размещены: цифровые измерительные головки DMS-20LCD V1 для контроля входного напряжения и тока, лампочка контроля включения питания L1, тумблер «вкл/выкл», кнопки: «1», «2», «3», «4», «5», «6» для переключения между контрольными точками, также имеется предохранитель Appliance circuit-breaker FU.

Общий вид пульта контроля изображен на рисунке 6.2.

Рисунок 6.2 - Пульт контроля

6.5 Разработка операций контроля

На основе разработанной ранее методики, разрабатываем операции контроля.

Подготовительная

. Проверить необходимое оборудование и убедиться в его работоспособности;

. Подключить пульт контроля к сети через разъем Х3;

. Подключить выход блока питания к разъему Х1 пульта контроля;

. Подключить выход осциллографа к разъему Х2 пульта контроля;

. Подключить выход вольтметра к разъему Х4 пульта контроля;

. Подключить выход амперметра к разъёму Х6 пульта контроля;

. Все переключатели выставить в исходное положение.

Контроль цепей питания платы

. Проконтролировать отсутствие обрывов цепи, дефектов и коротких замыканий;

. Установить в КТХ значение температуры +20 єС;

. Подключить плату счетчика электроэнергии к разъему Х5. Поместить плату в КТХ. Включить плату, переведя тумблер в положение «вкл». Должна загореться лампа L1;

. Перевести тумблер «питание» на блоке питания в положение «сеть»;

. С помощью ручки регулировки входного напряжения и тока на пульте контроля подать напряжение и ток согласно таблице 6.1;

. Проверить значения выходного напряжения в контрольных точках, указанных в таблице 6.1, с помощью вольтметра, подсоединенного к разъему Х4 и амперметра, подсоединенного к разъёму Х6 пульта контроля. Выбор контрольных точек осуществлять последовательным нажатием кнопок «1», «2», «3», «4», «5», «6» на панели пульта контроля;

. Выключить питание платы, переведя тумблер в положение «выкл». Лампа L1 должна потухнуть;

. Занести результаты наблюдений в таблицу 6.3.

Таблица 6.3 - Контрольные и измеренные значения выходных напряжений платы счетчика электроэнергии

ТТ,°С	В	, В требуемоеDD1, ВDD2, ВDD3, В DD4, ВDD5, В DD6, В
			Измеренное
20	187	4,5 - 5,1
	220	4,5 - 5,1
	244	4,5 - 5,1

Контроль работоспособности платы счетчика электроэнергии

. Установить в КТХ значение температуры +20 єС;

. Подключить плату счетчика электроэнергии к разъему Х5. Поместить плату в КТХ. Включить плату, переведя тумблер в положение «вкл». Должна загореться лампа L1;

. Перевести тумблер «питание» на блоке питания в положение «сеть»;

. Входное напряжение и ток подавать при помощи ручки регулировки питания на пульте контроля согласно таблице 6.2;

. Контролировать напряжения на обмотке трансформатора используя осциллограф, подключенный к разъему Х2;

. Выходное напряжение контролировать по вольтметру, подсоединенному к разъему Х4. Результаты должны входить в допустимые пределы, указанные в таблице 6.2;

. Выключить питание платы, переведя тумблер в положение «выкл». Лампа L1 должна потухнуть;

8. Занести результаты наблюдений в таблицу 6.4.

Таблица 6.4 - Контрольные и измеренные значения выходных напряжений платы счетчика электроэнергии

Время, ч	Напряжение на входе, В	Ток на входе, А	Мощность, кВт
			Треб.	Измер.
1	187	0	0
	220		0
	244		0
	187	10	0,51
	220		0,61
	244		0,67
	187	20	1,03
	220		1,22
	244		1,35
	187	30	1,55
	220		1,83
	244
	187	40	2,07
	220		2,44
	244		2,71
	187	50	2,59
	220		3,05
	244		3,38
	187	60	3,11
	220		3,66
	244		4,06

Контроль работоспособности платы счетчика электроэнергии

. Установить в КТХ значение температуры -40 єС;

. Подключить плату счетчика электроэнергии к разъему Х5. Поместить плату в КТХ. Включить плату, переведя тумблер в положение «вкл». Должна загореться лампа L1;

. Перевести тумблер «питание» на блоке питания в положение «сеть»;

. Входное напряжение и ток подавать при помощи ручки регулировки питания на пульте контроля согласно таблице 6.2;

. Контролировать напряжения на обмотке трансформатора используя осциллограф, подключенный к разъему Х2;

. Выходное напряжение контролировать по вольтметру, подсоединен-ному к разъему Х4. Результаты должны входить в допустимые пределы, указанные в таблице 6.2;

. Выключить питание платы, переведя тумблер в положение «выкл». Лампа L1 должна потухнуть;

8. Занести результаты наблюдений в таблицу 6.5.

Таблица 6.5 - Контрольные и измеренные значения выходных напряжений платы счетчика электроэнергии

Время, ч	Напряжение на входе, В	Ток на входе, А	Мощность, кВт
			Треб.	Измер.
1	187	0	0
	220		0
	244		0
	187	10	0,51
	220		0,61
	244		0,67
	187	20	1,03
	220		1,22
	244		1,35
	187	30	1,55
	220		1,83
	244		2,03
	187	40	2,07
	220		2,44
	244		2,71
	187	50	2,59
	220		3,05
	244		3,38
	187	60	3,11
	220		3,66
	244		4,06

Контроль работоспособности платы счетчика электроэнергии

. Установить в КТХ значение температуры +55 єС;

. Подключить плату счетчика электроэнергии к разъему Х5. Поместить плату в КТХ. Включить плату, переведя тумблер в положение «вкл». Должна загореться лампа L1;

. Перевести тумблер «питание» на блоке питания в положение «сеть»;

. Входное напряжение и ток подавать при помощи ручки регулировки питания на пульте контроля согласно таблице 6.2;

. Контролировать напряжения на обмотке трансформатора используя осциллограф, подключенный к разъему Х2;

. Выходное напряжение контролировать по вольтметру, подсоединенному к разъему Х4. Результаты должны входить в допустимые пределы, указанные в таблице 6.2;

. Выключить питание платы, переведя тумблер в положение «выкл». Лампа L1 должна потухнуть;

8. Занести результаты наблюдений в таблицу 6.6.

Таблица 6.6 - Контрольные и измеренные значения выходных напряжений платы счетчика электроэнергии

Время, ч	Напряжение на входе, В	Ток на входе, А	Мощность, кВт
			Треб.	Измер.
1	187	0	0
	220		0
	244		0
	187	10	0,51
	220		0,61
	244		0,67
	187	20	1,03
	220		1,22
	244		1,35
	187	30	1,55
	220		1,83
	244		2,03
	187	40	2,07
	220		2,44
	244		2,71
	187	50	2,59
	220		3,05
	244		3,38
	187	60	3,11
	220		3,66
	244		4,06

06 Заключительная

. Отключить питание установки контроля;

. Все переключатели выставить в исходное положение;

. Отключить выход блока питания от разъема Х1 пульта контроля;

. Отключить выход осциллографа от разъема Х2 пульта контроля;

. Отключить выход вольтметра от разъема Х4 пульта контроля;

. Отключить пульт контроля от сети через разъем Х3;

. Отключить выход амперметра от разъёма Х6;

. Оформить отчет от результатах контроля;

. Сделать заключение о состоянии работоспособности платы преобразования питания.

Операционная технологическая карта приведена в Приложении Г.

6.6 Определение расчетного оперативного времени на операцию -контроль цепей питания

Определение Т_ОПрасч для операции контроля цепей питания представлено в таблице 6.2.

Таблица 6.7 - Нормирование операций переходов

№ перех.	Содержание перехода	ТОП табличное	Кол-во нормируемых ед., шт	ТОП расчетное
1.	Установить в КТХ значение температуры +20 єС	0,3	1	0,3
2.	Проконтролировать установленное значение температуры при помощи ртутного термометра типа ТТЖ-М	0,7	1	0,7
3.	Подключить плату преобразования питания к разъему Х5	0,2	1	0,2
4.	Поместить плату в КТХ.	0,6	1	0,6
5.	Включить плату, переведя кнопку «питание» в режим «сеть»	0,1	1	0,1
6.	Перевести тумблер «питание» на блоке питания в положение «сеть»;	0,1	1	0,1
7.	С помощью ручки регулировки входного напряжения на пульте контроля подать напряжение 220 В	0,4	1	0,4
8.	Проверить напряжение в контрольных точках	1,3	6	7,2
9.	Выключить питание платы	0,1	1	0,1
10.	Занести результаты наблюдений в отчет	1,5	1	1,5
Общее время, мин 5,3				11,2

6.7 Определение штучного и штучно-калькуляционного времени для операции - контроль цепей питания

Норму штучного времени для операции определяют по формуле:

,  (6.1)

где К - поправочный коэффициент, учитывающий группу сложности и вид производства. В нашем случае выполнение работ удобное, движения контролера не стеснены: К=1,2;

К₁=7,6 - подготовительно-заключительное время, время обслуживания рабочего места и личной надобности; процент от оперативного времени;

К₂=3 - время на отдых; процент от оперативного времени.

Штучно-калькуляционное время Т_ШТ-КЛ определяют по формуле:

,  (6.2)

где  - подготовительно - заключительное время на партию изделий, процент от оперативного времени;

=2,5%.

 =  - количество изделий в партии.

Определим штучное время выполнения операции по формуле (6.1):

мин.

Формула для штучно-калькуляционного времени Т_ШТ-КЛ на партию изделий:

.    (6.3)

Определим подгототовительно-заключительное время по формуле (6.3):

мин.

Рассчитаем штучно-калькуляционное время по формуле (6.3):

 мин.

Таким образом, штучное время выполнения операции составило  мин, а штучно-калькуляционное время - мин.

7. Охрана труда и безопасность в чрезвычайных ситуациях

При проектировании производства и эксплуатации прибора - счетчика учета электроэнергии, необходимо учитывать вопросы безопасности труда, предупреждения травматизма и профессиональных заболеваний, пожаров и взрывов, вопросы правовой охраны труда, теоретические основы электробезопасности.

Проектирование и эксплуатация прибора должна вестись в соответствии с утвержденными правилами, нормами и ГОСТами, что обеспечивает достаточную электробезопасность.

В деле охраны труда большое значение имеет состояние защитного заземления.

7.1 Охрана труда

7.1.1 Выявление и анализ опасных и вредных производственных факторов

Проанализируем помещение, в котором находится счетчик. Рассматриваемое помещение - лаборатория.

Площадь комнаты S = 58,5 м² (размеры 6.5 м х 9 м). Помещение находится на 1-м этаже кирпичного здания. Высота потолка 3,5 м.

Для освещения помещения используют двухстороннее боковое естественное освещение и общее искусственное освещение (12 светильников). Окна с двойным остеклением. В рассматриваемом помещении вентиляция естественная.

Для поддержания в холодное время года заданной температуры воздуха в помещении используется система водяного отопления. Такие системы наиболее эффективны в санитарно-гигиеническом отношении среди отопительных систем.

По степени поражения людей электрическим током лаборатория относится к помещениям без повышенной опасности.

При производстве (а именно при сборке прибора и испытаниях его по различным параметрам) любого электронного устройства, в том числе и разрабатываемого прибора, основными опасными и вредными факторами являются:

1) аномальные параметры микроклимата производственных помещений - метеорологические условия внутренней среды помещений, которые определяются действующими на организм человека сочетаниями температуры, влажности, скорости движения воздуха и теплового излучения; комплекс физических факторов, оказывающих влияние на теплообмен человека с окружающей средой, на тепловое состояние человека и определяющих самочувствие, работоспособность <#"804389.files/image113.gif">; соединительная полоса расположена у поверхности; предварительное количество заземлителей 25; схема заземления контурная; размеры заземлителя 0,050Ч2,5 (dЧ); характер грунта - суглинок, сухой; климатический коэффициент грунта ; удельное электрическое сопротивление грунта ; нормативная величина сопротивления защитного заземления ; коэффициент использования заземлителей ; коэффициент использования соединительной полосы . Все исходные данные взяты из справочника.

Расчетное удельное электрическое сопротивление грунта с учетом климатического коэффициента:

Сопротивление по растеканию тока одиночного вертикального заземлителя  с учетом удельного электрического сопротивления грунта :

Необходимо уточнить количество вертикальных заземлителей с учетом коэффициента использования :

Длина соединительной полосы:

где - расстояние между заземлителями.

Сопротивление растеканию тока соединительной стальной полосы, расположенной на поверхности грунта:

где  - ширина соединительной полосы.

Общее сопротивление растеканию тока заземляющего устройства:

На основании полученного значения можно сделать вывод, что данный вариант защитного заземления является эффективным, так как наибольшее сопротивление тока короткого замыкания 4 Ом.

7.2 Безопасность в чрезвычайных ситуациях

7.2.1 Анализ возможных чрезвычайных ситуаций при производстве (эксплуатации) проектируемого объекта

Рассмотрим перечень возможных чрезвычайных ситуаций на территории химического завода.

ЧС техногенного характера:

−       10420 ЧС в результате наличия в воздухе вредных (загрязняющих) веществ сверх;

−       10421 ЧС в результате наличия в атмосферном воздухе вредных (загрязняющих) веществ сверх;

−       10603 разрушение зданий и сооружений производственного назначения;

−       10810 аварии на канализационных системах с массовым выбросом отравляющих веществ - в результате несвоевременного ремонта системы канализации;

−       10820 аварии в теплосетях (системах обеспечения горячей водой) в  зимний период - при прорывах теплосети;

−       10830 аварии в системах обеспечения населения питьевой водой - в результате несвоевременного ремонта;

−       10210 ЧС в результате пожаров, взрывов в зданиях и сооружениях - вследствие возгорания горючих веществ.

ЧС природного характера:

−       20100 опасные геологические явления;

−       20200 опасные метеорологические явления;

− 20600 Инфекционные заболевания людей.

ЧС социально-политического характера.

ЧС военного характера. Вследствие использования оружия массового поражения или обычных средств поражения, во время которых возникают вторичные факторы поражения населения вследствие разрушения атомных и гидроэлектрических станций, складов и убежищ радиоактивных и токсических веществ и отходов, нефтепродуктов, взрывчаток, транспортных и инженерных коммуникаций.

7.2.2 Расчет чрезвычайной ситуации техногенного характера причиной, которой является выброс фосгена

В соответствии с поставленной задачей произведем расчет аварии с выбросом фосгена.

Источником поражающего фактора является запас фосгена - Q₀, т, который содержится на химическом предприятии и применяется для синтеза кетона Михлера (полупродукт при получении основных красителей трифенилметанового ряда), поликарбонатных полимеров (лексан), полиуретанов (в производстве пластмасс и синтетических каучуков), терефталевой кислоты (в производстве синтетического волокна терилен), производных мочевины, хлористого ацетила, хлористого бензила, бензофенона и других соединений; в фармацевтической промышленности; как агент для прямого хлорирования (для получения, например, CH₃Cl из СН₄, хлоридов, а также ангидридов и хлор ангидридов органических кислот), для перевода окисей металлов (например, V, W, Ta и редкоземельных элементов) в соответствующие хлориды; для разложения минералов, содержащих платину; для получения AlCl₃ из Al₂O_3. Выброс фосгена может вызвать возникновение ЧС 10420.

Зону возможного поражения ЧТХС, нанесенного аварией с выбросом фосгена, прогнозируют в виде сектора с осью симметрии совпадающей с направлением господствующих ветров. Так как ситуация рассматривается на территории предприятия - V_гос = 1,33 м/с, а величина угла - ш = 90°.

Определим величину эквивалентного количества фосгена, которое создает первичное (Q_е1, т), и вторичное (Q_е2, т) облака загрязненного воздуха.

Величины Q_е1, т і Q_е2, т, определяются при помощи следующих соотношений:

Q_е1 = К₁К₃К₅К₇Q₀,                                                                    (7.1)

где К₁ - коэффициент, зависящий от условий хранения вещества;

К₂ - коэффициент, зависящий от физико-химических свойств вещества;

К₃ - соотношение порогового значения токсодозы вещества;

К₄ - коэффициент, зависящий от скорости ветра;

К₅ - коэффициент, учитывающий степень вертикальной постоянности атмосферы;

К₆ - коэффициент, зависящий от прошедшего времени;

К₇ - коэффициент, учитывающий влияние окружающей среды;

Q₀ - количество выброшенного при аварии вещества, т.

Q_е2 = (1-К₁)К₂К₃К₄К₅К₆К₇Q₀ / h с,                                          (7.2)

где h=0,05 м;

с=1,432 т/м³.

Из формулы (7.1) получаем:

Q_е1=0,05·1,0·0,23·1,0·180=2,07 т.

Из формулы (7.2) получаем:

Q_е2= (1-0,05)·0,061·1,0·1,33·0,23·1,0·1,0·180/(0,05·1,432) =44,56 т.

При помощи определенных значений Q_е1, т и Q_е2 определим значение глубины распространения первичного облака (Г₁, км) и глубины распростране-ния вторичного облака (Г₂, км):

Г₁=4,1 км;

Г₂=26,8 км.

Полную глубину зоны возможного химического загрязнения фосгеном - Г, км (которое обусловлено влиянием первичного и вторичного облака) определяют при помощи соотношения:

Г = Г' + 0,5Г'',                                                                       (7.3)

где Г' - наибольшая из величин Г₁ или Г₂;

Г'' - наименьшая из величин Г₁ или Г_2.

Из формулы (7.3) получаем:

Г =Г₂+0,5Г₁=26,8+0,5·4,1=28,9 км.

Площадь зоны возможного заражения:

_в=8,72·10^-3·Г²·ц,

где S_в - площадь зоны возможного заражения СДЯВ, км²;

Г - глубина зоны заражения, км;

ц - угловые размеры зоны возможного заражения, при скорости ветра 2 м/с ц=90⁰._в=8,72·10^-3·28,9²·90=655 км².

Определяем фактическую площадь заражения:

Sф=K_д·Г²·N^0,2,

где Sф - площадь зоны фактического заражения, км²;_д - коэффициент, зависящий от степени вертикальной устойчивости воздуха, при изотермии принимается равным 0,133;- время, пршедшее после начала аварии, ч.ф=0,133·28,9²·2^0,2=127,6 км².

Возможную величину потери основных фондов определим из формулы:

      (7.4)

где  - суммарная стоимость основных фондов элементов, тыс. грн;

МЗП - минимальная заработная плата, тыс. грн.

Из формулы (7.4) получаем:

МЗП

Возможную величину общих потерь людей определим по формуле:

Возможную величину санитарных потерь людей определим по формуле:

Возможную величину потерь вследствие исследуемого вещества определяют по формуле:

Зб = Потери ОФ + 18М_сан + 288(М_общ - М_сан)=10,88+18·108+288·1=1955 МЗО.

На рисунке 7.1 изображена карта ожидаемой химической обстановки.

Рисунок 7.1 - Карта ожидаемой химической обстановки

 - эпицентр выброса фосгена;

 - зона фактического заражения фосгеном;

R - радиус заражения фосгеном.

Выводы

В данном разделе был проведен анализ вредных производственных факторов, действующих на предприятие, где производятся химические вещества; предложены меры по снижению и устранению вредных воздействий; проведен расчет защитного заземления, а также произведен анализ возникновения чрезвычайных ситуаций. Представлен расчет возможных последствий в результате возникновения техногенной ситуации, причиной которой является выброс вредного вещества - фосгена.

8. Экономическая часть

8.1 Цель экономической части

Целью данного раздела в дипломном проекте специалиста является экономическое обоснование разработки и внедрения цифрового счетчика для технического учета электроэнергии, а также для измерения времени нахождения счетчика в рабочем состоянии. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

) провести сегментацию рынка прибора;

) определить конкурентоспособность данной разработки;

) рассчитать трудоемкость выполнения работ;

) составить сметы затрат на разработку счетчика;

) провести расчет заработной платы, определить цену темы и рассчитать ожидаемую прибыль от реализации комплекса;

6) рассчитать точку безубыточности и построить график безубыточности.

8.2 Фирма изготовитель

В качестве фирмы изготовителя была выбрана фирма «ООО НИК», которая специализируется на разработке, изготовлении и реализации контрольно-измерительных приборов, smart-приборов и систем по учету энергоресурсов. Для работы на этом предприятии привлекаются высококвалифицированные специалисты в области энергетической отрасли.

В процессе сегментирования выявляются сегменты рынка. Сегмент - это группа потребителей, одинаково реагирующих на товар. Сегмент рынка оценивают рядом характеристик (описывают профиль сегмента): число возможных потребителей, емкость рынка, возможные темпы роста емкости по годам, потребительские цены, прибыльность продаж и т.д.

Общий порядок сегментирования рынка можно представить следующим образом:

1)    выявление основных принципов и факторов сегментирования для рассматриваемого изделия (в первую очередь рассматриваются географические факторы, а затем демографические и остальные);

2)      сегментирование рынка: определение состава групп потребителей, деление рынка на сегменты, описание профиля каждого сегмента, расчеты годовой емкости сегментов и всего рынка;

)        оформление результатов сегментирования в виде таблиц;

4)    анализ информации о сегментах, выбор сегментов для дальнейшего анализа (сегменты с незначительной емкостью можно дальше не рассматривать);

5)      позиционирование товара в выбранных сегментах, определение целевой емкости.

Потребителями разрабатываемого комплекса являются различного рода предприятия, а также коммунальное хозяйство Украины и других стран.

Основной характеристикой сегмента является емкость - количество изделий, которые могут быть проданы за год.

Расчет полной емкости рынка будем производить по формуле:

S_{полн. l}=N_l∙Q_l∙m_l ,                                                                      (8.1)

где N_l - количество предприятий потребителей изделия в i-том сегменте;

Q_l - средняя годовая программа изделий в i-том сегменте, для которых будет поставляться рассматриваемый товар;_l - количество комплектующих изделий, идущих в одно изделие-потребитель (1 шт.).

Сегментирование и расчет емкости рынка представлены в таблице 8.1.

Таблица 8.1 - Сегментирование и расчет полной емкости рынка

Сегменты рынка	Код сегмента	Количество предприятий-потребителей данного товара	Средняя годовая программа изделий предприятий-потребителей	Полная емкость, шт./год
Предприятия потребители Украины	А	20	31	620
Предприятия потребители СНГ	Б	15	22	330
Предприятия потребители дальнего зарубежья	В	9	17	153
Итого		44	70	1103

Как видно из таблицы 8.1, полная емкость рынка составляет 1103 шт./год.

8.4 Анализ конкурентоспособности

Конкурентоспособность товара - это степень его соответствия выбранному рынку по коммерческим, техническим и экономическим показателям, обеспечивающие возможность сбыта товара на этом рынке. Это те характеристики, которые выгодно отличают данный товар от товаров-конкурентов.

Проведем оценку конкурентоспособности разрабатываемой системы.

Разрабатываемая система не является уникальной, но имеет ряд преимуществ по сравнению с конкурентами. Эти преимущества обусловлены технологическим запасом по классу точности не менее 50 %. Ежедневная фиксация потребления энергии по всем тарифам в момент смены суток и хранение до 63 дней.

На основании имеющихся данных о технических характеристиках разработок конкурентов и техническими данными разрабатываемого прибора, произведем анализ конкурентоспособности разрабатываемого комплекса.

Наиболее сильными конкурентами на рынке следует считать следующих производителей:

- «Меркурий» (Россия) (Х1);

«GROSS» (Украина) (Х2).

Разработанному комплексу присвоим индекс - 0. Для оценки позиций конкурентов построим таблицу 8.2. При этом ключевыми факторами успеха будут показатели, которые определяют итоговые характеристики: технология производства; обзор сбыта; чистая прибыль; себестоимость; область сбыта.

Разрабатываемый комплекс необходимо сравнить с аналогичными комплексами-конкурентами. При сравнении целесообразно применить методику комплексного анализа показателей качества с расчетами обобщенных показателей и уровня качества.

Таблица 8.2 - Анализ фирм конкурентов

Ключевые факторы успеха	Результаты ранжирования фирм конкурентов по силе/слабости позиций на рынке
	Сила ………………………… …… слабость
Технология производства	0	Х2	Х1
Обзор сбыта	0	Х1	Х2
Чистая прибыль	Х1	0	Х2
Себестоимость	0	Х2	Х1
Область сбыта	Х1	0	Х2

По таблице 8.2 можем сформулировать перечень основных показателей, характерных для рассматриваемой системы:

-       компактность;

-       простота эксплуатации;

-       быстродействие;

-       универсальность применения.

Определим абсолютные значения і-х показателей j вариантов P_ij в баллах. Показателем качества присваиваем коэффициенты весомости b_i:

 и , i=1,  (8.2)

где n - номера показателей качества.

Показатели качества разделяют на минимизируемые и максимизируемые и формируют гипотетический (эталонный) вариант.

Рассчитаем для каждого j-го варианта относительные значения i-х показателей (k_ij) путем сравнения P_ij с P_iГИП (с учетом условия kij1):

-       для минимизируемых показателей;

-       для максимизируемых показателей.

Полученные результаты сводим в таблицу 8.3.

Таблица 8.3 - Анализ конкурентоспособности

Показатели	Коэф. вести	Абсолютные значения показателей				Относительные значения показателей
		Варианты комплекса				Варианты комплекса
	bi	0	1	2	Гип	0		1				2				Гип
Компактность	0,15	5	4	3	5	1	0,15	0,8		0,12		0,6		0,09		1	0,15
Простота эксплуатации	0,2	5	4	4	5	1	0,2	0,8	0,16		0,8		0,16		1		0,2
Быстродействие	0,4	4	3	4	5	0,8	0,32	0,6	0,24		0,8		0,32		1		0,4
Универсальность применения	0,25	5	5	5	5	1	0,25	1	0,25		1		0,25		1		0,25
Обобщенный показатель качества ------0,92-0,77-0,821

Таким образом обобщенный показатель качества разрабатываемого комплекса является наибольшим - 0,92, как видно с таблицы 8.3, что означает что данное изделие является наиболее конкурентоспособным.

Получили обобщенные показатели  для всех рассматриваемых вариантов. Рассчитываем уровни качества нового комплекса по сравнению с комплексами-конкурентами:

 ,          (8.3)

где  - обобщенный показатель прибора-конкурента.

Уровни качества новой системы по сравнению с системами-конкурентами: ; .

В результате анализа конкурентов делаем вывод, что новый комплекс для учета электроэнергии более конкурентоспособен, но в дальнейшем необходимо стремиться к полученным характеристикам гипотетической системы.

8.5 Расчет себестоимости и цены комплекса цифрового счетчика электроэнергии

Себестоимость продукции складывается из ряда наименований затрат. Сюда входят: разработчики и их дневные оклады; трудоемкость работ; основная заработная плата; материалы и покупные изделия и другие экономические показатели.

Для разработки системы необходимо участие следующих рабочих: разработчика, сборщика, монтажника, настройщика и руководителя. Продолжительность рабочего месяца в среднем считается 22 дня. Состав исполнителей приведен в таблице 8.4.

Таким образом с таблицы 8.4 видно, что общий фонд заработной платы за месяц составляет 13200 грн. Дневной должностной оклад разработчика составляет - 122 грн, сборщика - 113 грн, монтажника - 106 грн, настройщика 111 грн, руководителя - 145 грн.

Расчет трудоемкости работ представлен в таблице 8.5.

Таблица 8.4 - Состав исполнителей работы

Должности	Должностные оклады, грн
	Месячные	Дневные
Разработчик	2684	122
Сборщик	2486	113
Монтажник	2332	106
Настройщик	2442	111
Руководитель	3190	145
Итого	13134	597

Таблица 8.5 - Расчет трудоемкости работ

Вид работ	Продолжительность, дни	Трудоемкость, чел/дни	Исполнитель
			Разработчик	Сборщик	Монтажник	Настройщик	Руководитель
Техническое задание (ТЗ)
Постановка задачи	1	5	4	--	--	--	1
Разработка графика хода работы	1	2	1	--	--	--	1
Определение требований к разработке платы	1	6	3	1	1	--	2
Техническое задание (ТЗ)
Разработка ТЗ	2	15	4	1	1	--	--
Согласование и утверждение ТЗ	2	20	4	1	1	--	2
Проектирование печатной платы
Подготовительные работы	1	2	--	--	--	1	1
Сборочные работы	3	21	--	5	--	--	2
Монтажные работы	2	15	--	--	3	--	2
Настройка	2	8	--	--	--	3	1
Приемо-сдаточные работы	3	35	--	3	3	2	2
Внедрение
Наладка продукта	3	30	--	--	--	5	3
Испытание и сдача продукта в эксплуатацию	1	2	--	--	--	1	1
Итого	22	161	16	11	9	12	18

Таким образом, общая продолжительность работ составит 22 чел/дня, общая трудоемкость - 161 чел/дней. Трудоемкость разработчика составит 16 чел/дней, сборщика - 11 чел/дней, монтажника - 9 чел/дней, настройщика - 12 чел/дней, руководителя - 18 чел/дней.

Далее вычислим основную заработную плату разработчиков печатной платы, с учетом трудозатрат, количества исполнителей и среднедневной ЗП. Для этого заработную плату отдельных исполнителей, заработную за день, умножают на количество дней:

ОЗП = УNi·ЗПср,                                                                   (8.4)

где Ni - количество дней, отработанные i-ми исполнителями по стадиям;

ЗПср - дневные оклады i-х исполнителей.

Таким образом, основная заработная плата за месяц по формуле (8.4) составляет:

ОЗП=122·16+113·11+106·9+111·12+145·18=8091 грн.

Таким образом, основная заработная плата за месяц составляет 8091 грн

Произведем расчет дополнительной заработной платы (ДПЗ), которая равняется 15 % от ОЗП.

ДЗП = 15 %·ОЗП.                                                                  (8.5)

Как видно из формулы (85) дополнительная заработная плата равна:

ДПЗ = 0,15·8091 = 1213,65 грн.

Рассчитаем стоимость покупных изделий и материалов, необходимых для изготовления системы. Перечень покупных изделий составляется с учетом перечня субблоков функциональных схем отдельных плат.

Перечень покупных изделий и материалов находится в таблице 8.6. Цены приведены в гривнах.

Таблица 8.6 - Перечень покупных изделий и материалов

№	Элементы	Кол-во изделии	Цена, грн
1	Кварцевый резонатор 1,84 МГц, HC-49U	2	3,25
2	Конденсатор К10-17Б М47, 0.1 мкФ, 10 %	9	0,64
3	Конденсатор К10-17Б Н90, 100 мкФ, 10 %	9	0,24
4	Конденсатор C0G, 100 пФ, 100 В, 2 %	2	0,56
5	Диодный мост, мост (SMD) 0.5 А,100 В	1	1,85
6	1	8,07
7	Микросхема 24LC16	1	9,65
8	Резистор CF-25, 0.25Вт, 510 Ом, 5%	4	0,16
9	Резистор CF-25, 0.25Вт, 10 кОм, 5%	3	0,12
10	Резистор CF-25, 0.25Вт, 300 Ом, 5%	3	0,16
11	Резистор CF-25, 0.25Вт, 510 Ом, 5%	3	0,16
12	Резистор MF-25, 0.25Вт, 12 Ом, 1%	2	0.34
13	Предохранитель AUB, 60 А, 500 В	1	23
14	Светодиод L-937GYW	2	5
17	Кнопка PB-22E06 (PS845L)	6	5
18	ЖК-дисплей 1602 HD44780	1	40
19	Микросхема ADE7755ARS	1	43,75
20	Микросхема ATMega16-16PU	1	112.5
21	Микросхема LM78L05ACM (+5 В, 0,1 А)	1	6,8
22	GSM-модуль GSM0308-11	1	1828
23	Трансформатор тока CT3/100/5 A	1	740
24	Трансформатор напряжения ТПП-287-220	2	625
25	Разьем 300-021-12 клеммник винтовой, 2-контактный, 5мм, прямой	1	6
26	Гнездо; IDC; "папа"; PIN:8; прямой; THT; позолота; 2,54 мм	1	12
27	Плата	1	3,50
28	Припой	0,4	14,26
29	Флюс	0,2	9,6
30	Корпус	1	160
Цена покупных изделий, Сп			3659,61

Таким образом, стоимость покупных изделий цифрового счетчика электроэнергии составляет 3659,61 грн.

Также произведем расчет амортизации (Ам), которая равняется 25 % от Сп.

Ам = 25 % ·Сп.                                                                      (8.6)

Следовательно:

Ам = 0,25·3659,61 = 914,9 грн.

Износ малоценного и быстро изнашиваемого инструмента и расходы, связанные с эксплуатацией и содержанием оборудования, рассчитаны в процентном отношении от основной заработной платы и представлены в таблице 8.7.

Таблица 8.7 - Себестоимость и цена счетчика по статьям

№	Статьи	Сумма, грн.	Примечание
1	Основная заработная плата (ОЗП)	8091
2	Дополнительная заработная плата (ДЗП)	1213,65	15 % от ОЗП
3	Отчисление в социальные фонды
	Пенсионный фонд	3089,14	0,332*(ОЗП+ДЗП)
	Фонд занятости	120,96	0,013*(ОЗП+ДЗП)
	Соц. страхование	139,57	0,015*(ОЗП+ДЗП)
4	Страхование от несчастных случаев	80,02	0,0086*(ОЗП+ДЗП)
5	Материалы и покупные изделия	3659,61	Из табл. 7.6
6	Амортизация	914,9	25 % от Сп
7	Внепроизводственные расходы	3236,4	40 % от ОЗП
8	Себестоимость (С)	20545,25	п.1+п.2+п.3+…+п.7
9	Прибыль (П)	4109	20% от С
10	Цена без НДС	24654,25	П+С
11	НДС	4930,85	20 % от цены без НДС
12	Цена с НДС	29585	п.10 +п.11

Таким образом, цена счетчика составит без учета НДС -24654,25 грн, с учетом НДС - 29585 грн.

Рентабельность продукции (норма прибыли) - это отношение общей суммы прибыли к издержкам производства и реализации продукции (относительная величина прибыли, приходящейся на 1 грн. текущих затрат).

,

где Ц - цена единицы продукции;

С - себестоимость единицы продукции.

8.6 Расчет точки безубыточности

При внедрении в производство прибора важно знать станет этот производственный процесс рентабельным и будет ли он приносить желаемую прибыль. Для этого необходимо определить точку безубыточности (ТБ) и изобразить ее графически.

Для подтверждения устойчивости проекта необходимо, чтобы значение ТБ было меньше значений номинальных объемов производства. Чем дальше от них значение ТБ (в процентном соотношении), тем устойчивее проект. Проект обычно признается устойчивым.

Точку безубыточности можно рассчитать по формуле:

,         (8.7)

где К - условно-постоянные расходы, принимаем равными цене темы;

Ц, С - цена и себестоимость единицы изделия.

Цена темы определяется по формуле:

,  (8.8)

где  - общая смета затрат (себестоимость) темы, грн;

- плановая прибыль, обеспечивающая рентабельную работу непосредственных исполнителей темы, грн.

Рассчитаем цену темы по формуле (8.8):

 грн.

Рассчитанная цена темы является преддоговорной ценой разработчика-это минимально допустимая цена, учитывающая смету затрат на разработку темы и прибыль, рассчитанную по установочному коэффициенту рентабельности.

При окончательном назначении цены темы необходимо учесть надбавки,

связанные со сбытом изделия. Налог на добавленную стоимость принимается 20 % от цены темы. Таким образом, точка безубыточности из формулы 8.7 равна:

Таким образом, показатель ТБ = 3. Это означает, что реализация третьего прибора обеспечит безубыточность проекта.

Графическое представление ТБ проиллюстрировано на рисунке 8.1.

Рисунок 8.1 - График безубыточности

График безубыточности показывает, что при объеме продаж 3шт., доход от реализации продукции превышает общие затраты, таким образом, в зоне между ними мы получаем прибыль.

Выводы

В данном разделе проведено обоснование экономической целесообразности разработки цифрового счетчика электроэнергии. Были рассмотрены такие этапы продвижения данного товара:

−       выявлены основные сегменты, оценена емкость рынка, которая составила 1103 шт/год;

−       расчет обобщенных показателей. Данный прибор сравнивался с изделиями-конкурентами и в результате разрабатываемая система с обобщенным показателем качества равным 0,92, оказалась наиболее конкурентоспособной определены трудоемкости этапов, расстановка исполнителей.

−       определены трудоемкости этапов, расстановка исполнителей. Общая трудоемкость составит 161 чел./дни, трудоемкость разработчика составит 16 чел/дней, сборщика - 11 чел/дней, монтажника - 9 чел/дней, настройщика - 12 чел/дней, руководителя - 18 чел/дней;

−       проведен расчет заработной платы, определена цена темы. Основная заработная плата равна 8091 грн., а цена темы 24654,25 грн. Прибыль от реализации продукции составила 43,9 %;

−       проведен расчет себестоимости и цены измерительно-вычислительного канала. Она составит без НДС - 24654,25 грн., а с учетом НДС - 29585 грн;

−       построен график безубыточности производства.

Исходя из полного анализа процессов производства и продвижения цифрового счетчика электроэнергии, можно сделать следующие выводы: за год объем продаж составит 1103 шт., а для достижения точки безубыточности необходимо, чтобы объем продаж N_пр был равен 3 шт. Об этом можно судить по построенному графику безубыточности. Получение прибыли осуществляется после реализации продукции в количестве 3 шт. Следовательно, получение прибыли, возможно, когда объем продаж достигнет точки безубыточности.

Заключение

В ходе выполнения дипломного проекта была разработана информационно-измерительная система технического учета электроэнергии.

В работе описана общая характеристика проблемы учета электроэнергии и пути ее решения, разработка измерительного канала счетчика электроэнергии, полностью удовлетворяющего требованиям технического задания. Также произведена разработка электрической принципиальной схемы измерительной системы технического учета электроэнергии. Были разработаны операции контроля электрических параметров измерительного блока, рассчитана себестоимость и цена прибора, а также выявлены опасные и вредные факторы, воздействующие на человека в процессе работы со средством измерения электроэнергии. Был составлен прогноз социально-экономических последствий возможной чрезвычайной ситуации на заводе, в котором эксплуатируется данный прибор.

Таким образом, цель данной разработки была достигнута.

Перечень ссылок

1.      Борисов Ю.М. Липатов Д.Н., Зорин Ю.Н. Электротехника: Учебник для вузов. - 2-е издание, пере-раб. и доп. - М.: Энерргоатомиздат, 1985 - 465 с.

.        Билько М.И. и др. Измерение мощности на СВЧ, 1976. - 224 с.

.        Минин Г.П. Измерение электроэнергии, 1974. - 104 с.

.        Коллектив авторов. Современные цифровые счетчики учета электроэнергии, 2006. - 86 с.

.        Бекасов А.В., Минлигареев В.Т. Аналитический обзор средств измерений показаний качества электроэнергии, 1985. - 185 с.

.        Принцип работы электронного счетчика.

.        АИИС ТУЭ.

.        Маковеева М.М, Шинаков Ю.С. Системы связи с подвижными объектами. 2002. - 440 с.

.        Шонфельдер Г., Шнайдер К. Измерительные устройства на базе микропроцессора ATMega. 2012. - 288 с.

.        Вишневский В., Портной С. Энциклопедия WiMAX. Путь к 4G. 2009. - 472 с.

.        Шахнович И. Современные технологии беспроводной связи. 2006. - 288 с.

12.    Заболотный В.А. Проектирование технологических процессов сборки электронных устройств приборов и систем управления летательных аппаратов: Учеб. пособие по курсовому проектированию / Нац. аэрокосм. ун-т «Харьк. авиац. ин-т». - Х., 1997. - 45 с.

13.    Василенко Л.А., Борнов, Б.Р. Точка безубыточности.

.        ССБТ. Оборудование производственное. Общие требования безопасности к рабочим местам. ГОСТ 12.2.061-81. - Введ. 01.07.1982. - М.: Госуд. комитет СССР по стандартам, 1982. - 2 с.

.        Санитарные нормы проектирования промышленных предприятий. СН245-71. - Взамен СН 245-63, СН 106-60, СН 172-61; Введ. 01.04.1972. - М.: Издательство литературы по строительству, 1972. - 42 с.

16.    Князевский Б.А. Охрана труда. - М.: Высш. школа, 1982. - 311 с.

17.    ССБТ. Электробезопасность. Предельно допустимые значения напряжений прикосновения и токов.. ГОСТ 12.1.038-82. - Введ. 01.07.1983. - М.: Государственный комитет СССР по управлению качеством продукции и стандартам, 1983. - 7 с.

.        Воздвиженский Ю.М. Безопасность жизни деятельности на предприятиях в чрезвычайных ситуациях. Учебное пособие. - М.: «Ракета», 2001. - 150 с.