Разработка системы автоматизированного мониторинга параметров микроклимата и автоматизированной системы контроля и учета электроэнергии модельного объекта

Кайчёнов А. В. и др. Разработка системы автоматизированного мониторинга параметров микроклимата и автоматизированной системы контроля и учета электроэнергии модельного объекта. Вестник МГТУ. 2022. Т. 25, № 4. С. 298–304. DOI:

Kaychenov, A. V. et al. 2022. Development of a system for automated monitoring of microclimate parameters and an automated system for monitoring and accounting for electricity of a model facility. Vestnik of MSTU, 25(4), pp. 298–304. (In Russ.) DOI:

Арктика – стратегически важный для России регион. К приоритетным направлениям развития относятся: комплексное социально-экономическое развитие региона; развитие науки и технологий; создание современной информационно-телекоммуникационной инфраструктуры; обеспечение экологической безопасности; международное сотрудничество в Арктике; обеспечение военной безопасности, защиты и охраны государственной границы Российской Федерации в Арктике ( Buryachenko et al., 2021a ). Развитие данного региона сдерживается отсутствием зданий, обеспечивающих оптимальные условия для жизни и работы человека ( Ерещенко и др., 2021 ).

В процессе поиска новых решений для быстрого строительства энергоэффективных и безопасных зданий в Арктике необходимо вести разработки по созданию систем контроля и поддержания микроклимата в помещении, обеспечения оптимального использования ресурсов и реализации автоматической системы управления зданием ( Ereschenko et al., 2021 ). Вопросы, связанные с функционированием жилых и промышленных помещений, в условиях Крайнего Севера очень важны, так как отклонение от нормы может стоить потери запасов, поломки оборудования и создавать угрозу здоровью и жизни людей. Контроль и управление различными параметрами помещений зачастую выполняется вручную, что снижает качество регулирования параметров микроклимата ( Kuzmenkov et al., 2021 ). Непрерывный автоматический контроль поможет повысить комфорт и безопасность в помещении, а также снизить затраты энергии. Возможность удаленной передачи данных позволит оперативно реагировать на экстренные ситуации и предпринимать действия по недопущению развития аварий. Данные исследования актуальны в индивидуальном жилищном секторе, причем проектируемые здания наилучшим образом адаптированы для арктического климата.

Материалы и методы

Разработка и апробация программно-аппаратного комплекса системы автоматизированного мониторинга параметров микроклимата (система мониторинга) и система автоматизированного контроля и учета электроэнергии (АСКУЭ) осуществлялась на базе модельного объекта на территории Мурманского государственного технического университета сотрудниками и студентами кафедры автоматики и вычислительной техники. Модельным объектом является деревянный дом-лаборатория, разделенный на три части. Первая учебная аудитория построена при помощи технологии двойного сруба, вторая – каркасной технологии. Между двумя учебными аудиториями располагаются тамбур и подсобное помещение, выполненные по каркасной технологии ( Максимовская и др., 2019; Buryachenko et al., 2021b ). Главной особенностью модельного объекта является использование нескольких типов наполнителей межстенного пространства ("Минвата", "Флаксан Микс", "Эковата", льняные маты, древесные опилки и стружка) для определения пригодности данных наполнителей для арктического "зеленого" строительства ( Караченцева, 2019; Кузьменков и др., 2019; Кузьменков и др., 2021 ).

На первом этапе исследования разработан программно-аппаратный комплекс системы мониторинга, состоящей из измерительной и индикаторной частей. Измерительная подсистема реализована на базе поверенных датчиков ПВT100 фирмы ОВЕН и предназначена для непрерывного преобразования относительной влажности и температуры в цифровой сигнал, передаваемый по интерфейсу RS-485 (Modbus RTU). Индикаторная подсистема реализована на базе датчиков GY-SHT31-D. Восемь датчиков объединены в один измерительный узел последовательной шиной I2C и подключены к микроконтроллеру ESP8266 через восьмиканальный мультиплексор TCA9548. Для подключения 24 измерительных узлов в систему по интерфейсу RS-485 используются порт UART микроконтроллера ESP8266, конвертер на базе микросхемы MAX485 и четырехканальный преобразователь логического уровня на транзисторах BSS138.

В ходе работы принято решение разделить электронные компоненты узла на две управляющие платы: верхнюю и нижнюю. На верхней плате расположен мультиплексор TCA9548 и винтовые клеммы для подключения датчиков GY-SHT31-D. На нижней плате располагаются микроконтроллер ESP8266, конвертер и преобразователь логического уровня. Платы между собой соединяются шлейфом. В каждом узле индикаторной подсистемы для сопоставления измеренных значений установлен один датчик ПВТ100 в одном структурном слое (см. таблицу) снаружи ограждающих конструкций (out), внутри стен (mid), на внутренней поверхности ограждающей конструкции (in) ( Кайченов и др., 2021 ). Внешний вид одного из узлов системы контроля параметров микроклимата представлен на рис. 1.

Таблица. Распределение датчиков ПВТ100 в стенах модельного объекта Table. Distribution of ПВТ100 sensors within the walls of the model object

Узел	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
ПВТ100	in	mid	out	in	mid	out	mid	in	mid	out	in	mid
Узел	13	14	15	16	17	18	19	20	21	22	23	24
ПВТ 100	mid	out	in	mid	out	in	mid	out	mid	in	mid	out

Параллельно с разработкой системы мониторинга проведены исследования, связанные с разработкой и внедрением АСКУЭ ( Buryachenko et al., 2020 ). Данная система функционирует в соответствии с алгоритмом:

– электросчетчики посылают сигнал на устройство сбора данных;

– данные, полученные с приборов учета, обрабатываются и передаются на компьютеры и контроллеры;

– информация обрабатывается операторами АСКУЭ с применением специально разработанного программного обеспечения.

Рис. 1. Внешний вид узла № 15 модельного объекта Fig. 1. Appearance of node N 15 of the model object

АСКУЭ предназначена для сбора данных об использовании электроэнергии различными группами потребителей. Основным элементом системы являются счетчики "Энергомера" СЕ102 R145 (8 штук) с возможностью подключения внешних связей по интерфейсу RS-485 по протоколу передачи данных МЭК 61107-2011.

Основой автоматизированной системы управления модельным объектом является сенсорный панельный контроллер "ОВЕН" СПК107, к которому по интерфейсам RS-485 подключаются остальные элементы системы. СПК107 имеет доступ в Интернет для подключения к облачному сервису Owen Cloud и размещения WEB-визуализации для удаленного управления системой. Реализована защита от несанкционированного внешнего доступа, внедрена система доступа групп пользователей с различными правами. Также СПК107 осуществляет периодическую архивацию параметров системы на внешний накопитель данных. На рис. 2 представлены изображения форм оператора СПК107 в процессе эксплуатации модельного объекта.

Рис. 2. Формы оператора сенсорного панельного контроллера СПК107

Fig. 2. Forms of the operator of the touch panel controller СПК107

Результаты и обсуждение

На модельном объекте разработаны и апробированы система мониторинга и система автоматизированного контроля и учета электроэнергии здания в соответствии с программой испытаний. В рамках программы проведен эксперимент, направленный на апробацию функционала двух систем. В ходе эксперимента программно-аппаратный комплекс системы мониторинга и АСКУЭ работали продолжительное время (2 171 часов), в течение которого одновременно проводилась необходимая доработка систем, устранялись причины некорректной работы ее элементов. Основным критерием оценки качества работоспособности систем является собранный за время эксперимента архив данных в виде таблиц отдельно для системы мониторинга и АСКУЭ. Полученный массив измеренных значений позволяет не только визуализировать динамику изменения параметров микроклимата, но и отследить расход энергии.

Таблицы, в которых фиксировались показания системы мониторинга, содержат данные о температуре и влажности со всех датчиков измерительной и индикаторной подсистем.

Таблицы, в которых фиксировались показания АСКУЭ, содержат следующие данные:

– напряжение;

– сила тока;

• –    потребленная мощность по двум тарифам;

• –    суммарная потребленная мощность.

Архивирование всех параметров системы мониторинга производилось с сентября 2021 г. и происходило непрерывно, за исключением случаев модернизации и технического обслуживания системы. С февраля 2022 г. после изменения алгоритма архивирования данных производилось сохранение значений АСКУЭ. Графическое представление архивных данных за 90 дней мониторинга марта – апреля 2022 г. отображено на рис. 3–5, что является показательным результатом эксперимента. Зеленым цветом на графиках обозначены данные из каркасной части модельного объекта, оранжевым – из части с бревенчатой конструкцией, синим – данные по окружающей среде.

Рис. 3. Данные по потреблению электроэнергии группами потребителей модельного объекта Fig. 3. Data on electricity consumption by consumer groups of the model facility

Рис. 4. Данные по температуре в аудиториях модельного объекта Fig. 4. Data on temperature in the classrooms of the model object

За время испытаний программно-аппаратного комплекса системы мониторинга и АСКУЭ затраты электроэнергии на отопление здания и использование приточно-вытяжной установки (ПВУ) составили 2 881 КВт/ч. Среднесуточная температура в каркасной части здания в этот период составила +22,5 °C, в бревенчатой части – +23,84 °C при среднесуточной уличной температуре +2 °C. Среднесуточная относительная влажность в каркасной части здания составила 19,96 %, в бревенчатой части – 21 %, окружающей среды (уличная влажность) – 71,97 %.

Рис. 5. Данные по температуре окружающей среды за исследуемый период

Fig. 5. Ambient temperature data for the study period

В ходе экспериментов показана возможность использования данных систем как в исследованиях, так и в процессах, где требуется поддержание заданных параметров микроклимата в помещении и эффективное расходование энергии.

Заключение

Проведены разработка и исследование систем мониторинга параметров микроклимата и АСКУЭ модельного объекта в г. Мурманске на территории Мурманского государственного технического университета. Испытания систем показали их работоспособность и завершились подписанием акта о внедрении в производство.

Следующим этапом исследования является создание автоматизированной системы управления зданием (АСУЗ). Данная система предполагает управление параметрами микроклимата внутри модельного объекта. В зависимости от данных, которые поступают с системы контроля параметров микроклимата, будет осуществляться управление вентиляцией, освещением и электроотоплением здания. Функционирование разрабатываемой АСУЗ предполагается как в ручном, так и в автоматическом режимах с адаптацией к различным условиям эксплуатации модельного объекта.

Завершающей стадией исследования является создание единой адаптивной системы автоматического управления параметрами внутренней среды здания, которая осуществляет поддержание оптимальных условий (комфорт и качество внутренней среды) для жизни и работы человека внутри модельного объекта в соответствии с "зелеными" стандартами.