Анализ функционирования системы управления энергопотреблением

Энергосберегающие технологии в последнее время стали особенно востребованы. Для России вопросы энергосбережения имеют особую актуальность, поскольку по климатическим условиям затраты топлива на обеспечение населения теплом в России наиболее высоки.

Снижение энергоемкости процесса теплопотребления за счет совершенствования систем и алгоритмов управления может быть достигнуто на пути создания энергосберегающих систем автоматизированного и автоматического управления, оптимизирующих тепловые режимы зданий, что является одним из наиболее перспективных направлений развития систем управления [1].

В предлагаемой интеллектуальной системе автоматического управления из отдельных модулей с взаимодействием через сеть Ethernet отсутствует разделение устройств на простые и интеллектуальные - все устройства являются интеллектуальными, регулятор не является отдельным модулем, а его функции выполняет устройство управления. Такая структура дает возможность облегчить конфигурирование сети, уменьшить количество рассылаемых пакетов и уменьшить общую стоимость системы.

Работа между устройствами системы ведется только по IP-адресам, причем при включении системы широковещательные пакеты отправляются только датчиками при регистрации на устройстве мониторинга сети.

Перед началом работы датчикам присваиваются IP-адреса устройств, реализующих воздействие на объект управления, с которыми они будут работать, на самих же устройствах

управления находится информация о законе регулирования. Датчики в системе могут быть заменены в случае неисправности без участия сетевого администратора.

Для интеллектуальной системы автоматического управления были разработаны следующие алгоритмы действий:

• -    алгоритм подключения устройства управления;

• -    алгоритм подключение датчика;

• - алгоритм обновления данных об устройствах;

• -    алгоритм проверки работоспособности системы.

Работа между устройствами системы ведется только по IP-адресам, причем при включении системы широковещательные пакеты отправляются только датчиками при регистрации на устройстве мониторинга сети.

Для проверки наличия устройства в сети используется протокол SNMP. Это позволяет получить информацию об устройстве, из которой в дальнейшем можно извлечь необходимые настроечные параметры, поэтому является предпочтительным в сравнении c протоколом ICP, который позволит только обнаружить факт подключения устройства. Обновление данных об устройствах сети производится, например, в случае физического удаления одного устройства из системы, и последующего подключения другого с таким же идентификатором.

Возможны два алгоритма работы регулятора с датчиками: при получении пакета от второго датчика регулятор останавливает отправку пакетов текущим датчиком и начинает работать с новым, либо работает одновременно с несколькими датчиками, например, по среднему значению их показаний.

Предложенный способ построения системы автоматического управления позволяет:

• -    упростить конфигурирование сети в соответствии с хранением данных о законе управления на устройстве управления;

• -    уменьшить количество рассылаемых пакетов за счет того, что широковещательные пакеты отправляются только при регистрации на устройстве мониторинга сети, и работа между устройствами ведется только по IP-адресам без дополнительных идентификаторов;

• -    снизить стоимость системы за счет отсутствия в системе отдельного устройства регулятора.

Эта архитектура позволяет осуществить прозрачное взаимодействие с пользователем и устройствами системы при процессах мониторинга и управления. Предложенная архитектура системы управления может масштабироваться и расстояние между датчиком, устройством мониторинга сети и исполнительным механизмом может быть значительно. Поэтому на время доставки пакетов между датчиками, устройством мониторинга сети и исполнительным механизмом оказывают большое влияние пользовательские данные, которые могут передаваться в сети[2].

Был проведен анализ предложенной архитектуры системы автоматического управления энергопотреблением на примере экспериментального образца системы мониторинга и управления энергопотреблением (рисунок 1). Шкаф автоматического управления содержит в себе отладочные платы SK-MLPC1768/2387/2368 для преобразования сигнала от датчиков внутренней температуры, внешней температуры и температуры отопительного прибора в формат кадров Ethernet.. Экспериментальный образец системы представляет собой локальную вычислительную сеть на базе коммутатора Ethernet 100BASE-T.

Предложенный экспериментальный образец системы управления энергопотреблением позволяет изменять удаление датчиков от устройства мониторинга сети и исполнительных механизмов. Эксперименты проводились на примере многоэтажного здания, в котором в первом случае между устройствами в сети был один коммутатор, а во втором случае между устройствами в сети расстояние было увеличено до 6 коммутаторов. По результатам эксперимент были построены графические зависимости распределений времени доставки пакетов за определенные временные интервалы, где по оси y отмечалось количество пакетов, доставленных за определенный временной интервал, по оси x — временные интервалы, за которые были доставлены пакеты. В каждом эксперименте проводились испытания прохождения в сети 3 313 395 пакетов.

Рисунок 1 - Внешний вид экспериментального образца системы мониторинга и управления энергопотреблением: 1 – датчик внутренней темпера- туры, 2 – электромагнитный преобразователь расхода, 3 - датчик температуры отопительного прибора, 4 - вычислитель количества теплоты ВКТ-2, 5 - шкаф автоматического управления

В случае, когда между датчиком и устройством управления находится один ком -мутатор (рисунок 2) из 3 313 395 пакетов были доставлены 3 296 637 пакетов, следовательно потери составили в этом случае 16 758 пакетов. По результатам экспериментов были получены графические характеристики распределений времени доставки пакетов, которые представлены на рисунке 3.

Рисунок 2 - Схема подключения в случае, когда между датчиком и устройством управления находится один коммутатор

В случае когда между датчиком и устройством управления находятся шесть коммутаторов (рисунок 4) из 3 313 395 пакетов были доставлены 3 229 605 пакетов, следовательно потери составили в этом случае 83 790 пакетов. По результатам экспериментов были получены графические характеристики распределений времени доставки пакетов , которые представлены на рисунке 5.

Рисунок 4 - Схема подключения в случае, когда между датчиком и устройством управления находятся шесть коммутаторов

Рисунок 3 - Графическая зависимость распределения времени доставки пакета в случае, когда между датчиком и устройством управления находится

Рисунок 5 - Графическая зависимость распределения времени доставки пакета в случае, когда между датчиком и устройством управления находится

В результате анализа представленных статистических данных можно сделать выводы, что в случае, когда между датчиком и устройством управления находится один коммутатор (рисунок 2), математическое ожидание времени доставки пакета составляет 0,001228 сек. В случае когда между датчиком и устройством управления находятся шесть коммутаторов (рисунок 4) и без дополнительной нагрузки на коммутаторы, математическое ожидание времени доставки пакета составляет 0,007699 сек.

Бегаевым [3] получены данные среднего времени доставки пакета в сети с загрузкой канала в 1,5 мб/с, которая составляет 35 мс. Представленная система автоматического управления энергопотреблением была подключена в общую сеть здания. В представленном случае, когда пиковая нагрузка на коммутаторах доходила до 50 мб/с, математическое ожидание времени доставки пакета возросло до 0, 0132 сек.

Созданный лабораторный образец системы позволил измерять качественные и количественные показатели работы сетевых протоколов обмена данными различного уровня, моделировать систему мониторинга и управления энергопотреблением, провести исследования в вычислительных сетях различного масштаба, создать различные условия в общей среде передачи данных, позволяя проводить мониторинг всех показателей в режиме реального времени.