Introducere
Măsurarea electronică oferă câteva avantaje în plus faţă de metodele tradiţionale mecanice sau electromecanice. Îmbunătăţirea calităţii măsurătorilor este vizibilă fie că este vorba de contoarele pentru gaz, apă, căldură fie energie electrică:
– acurateţea măsurătorilor este mult îmbunătăţită
– calibrarea mult mai uşoară
– protecţie anti-şoc
– securitate
– modalităţi avansate de facturare (timp de utilizare, serviciu preplătit)
Implementarea unui sistem electronic de contorizare nu trebuie să fie devină o sarcină complexă. Exemplele detaliate de pe parcursul acestui material arată cum fiecare metodă de contorizare se poate reduce până la urmă la un contor în impulsuri din cadrul unui microcontroler (MCU). Figura 1 reprezintă diagrama bloc a unui contor tipic ce se regăseşte într-un MCU.
Acurateţe îmbunătăţită a măsurătorilor
Contoarele se clasifică în funcţie de precizia măsurătorilor. Pentru un contor mecanic de măsurare a energiei electrice o toleranţă de 2% este tipică. Comparativ, un contor electric obişnuit are o precizie de până la 0,2%. Integrarea unui MCU în design prezintă avantajul că putem ajusta precizia de măsură prin intermediul unor parametri software. O singură platformă hardware poate suporta diferite nivele de precizie, ceea ce permite o producţie de masă, care are drept urmare o scădere a costurilor atât pentru producătorul de contoare cât şi pentru compania de utilităţi care le montează pe teren.
Calibrare uşoară
Contorul mecanic standard conţine multe componente mobile. În timp, acestea trebuie ajustate pentru a readuce contorul în parametri normali de funcţionare. De obicei această operaţie presupune scoaterea contorului din circuit şi apoi calibrarea lui. Contorul electronic echivalent poate şi el necesita o calibrare din cauza îmbătrânirii componentelor electronice. Pentru a reduce aceste dezavantaje, în MCU s-a introdus o memorie nevolatilă (EEPROM sau Flash) care permite stocarea şi reactualizarea informaţiilor de calibrare şi care poate fi programată în anumite situaţii pentru autocalibrare.
Protecţie anti-şoc
Una din cele mai mari probleme pe plan global în cazul contoarelor de măsurare a utilităţilor este furtul. În multe cazuri, contorul este desigilat şi se intervine asupra lui în scopul alterării măsurătorii. Furtul este aplicat cu precădere în cazul contoarelor de măsurare a energiei electrice şi poate lua mai multe forme. În funcţie de tipul contorului, unele dintre ele pot fi montate invers, astfel încât măsurarea energiei generează decrementarea lui şi nu incrementarea, cum este normal. De asemenea, contoarele mai vechi, cu discuri rotative din oţel pot fi încetinite cu magneţi, ceea ce determină măsurători incorecte. În cazul contoarelor electronice există câteva metode simple care permit detectarea deschiderii neautorizate a dispozitivelor şi a furtului. Situaţiile cele mai des întâlnite pentru contoarele de energie electrică sunt:
• sarcini asimetrice (închiderea buclei la masă pentru a evita contorizarea);
• deconectarea temporară a instrumentului de măsură;
• utilizarea de magneţi permanenţi pentru a satura curentul transformatoarelor sau pentru a opri contorul;
• vandalism.
Odată ce vandalismul a fost sesizat, se poate interveni asupra contorului. În situaţiile în care contorul controlează alimentarea cu tensiune, el poate decupla sarcina. O alternativă la decuplare poate fi semnalizarea prin intermediul unui indicator luminos a deschiderii neautorizate a contorului şi în situaţia în care avem un sistem de comunicaţie instalat, se poate trimite un mesaj companiei furnizoare de utilităţii.
Citirea automată a contorului
Posibilitatea citirii automate (AMR) constituie unul din cele mai mari avantaje ale contoarelor electronice. Se pot face economii considerabile prin înlocuirea elementului uman din procesul înregistrării consumului. Acest proces necesită muncă intensivă, este predispus erorilor umane (sau chiar celor de mită) şi este o sursă de neplăceri atât pentru client cât şi pentru cititorul de utilităţi, în funcţie de localizarea contorului.
Deja sunt în curs de implementare câteva tehnologii de citire automată (AMR) pe contoarele electrice şi tehnici de up-gradare a contoarelor mecanice sau electromecanice existente. Contoarele electronice pot fi citite automat şi se poate comunica cu ele prin diferite metode precum:
• LED-uri infraroşu – short-range cu acţionare pe panoul frontal al contorului;
• Radio Frequency (RF) – cu rază mică sau mare de acţiune, utilizând de exemplu protocolul ZigBeeTM pentru reţeaua de telefonie mobilă;
• Modem de date prin linia telefonică;
• Power Line Carrier (PLC) – comunicare prin reţeaua de alimentare de tensiune electrică – pe rază scurtă sau medie;
• Port serial (RS-485).
Putem maximiza avantajele sistemului de citire automată AMR prin comunicarea datelor unui dispozitiv portabil (prin protocolul IrDA™ sau RF). Chiar dacă această metodă nu elimină necesitatea unui operator pentru a vizita fiecare locaţie, asigură corectitudinea citirilor şi scurtează considerabil timpul necesar acestui proces. În plus ZigBee Alliance dezvoltă un model de contoare care va uşura colaborarea între furnizorii de servicii contorizate de apă, gaz, căldură şi energie şi le va permite acestora să trimită rezultatele citirii printr-un singur mediu de comunicare.
Securitate
Pe măsură ce gradul de automatizare al proceselor de măsurare creşte, aceeaşi tendinţă o are şi necesitatea stocării securizate a datelor şi a tehnologiilor de comunicaţie. Integritatea şi confidenţialitatea datelor colectate prezintă o foarte mare importanţă. Aceasta se pot realiza prin integrarea pe MCU a unei memorii interne de date EEPROM, sau prin utilizarea unui algoritm de criptare, în situaţia stocării externe a datelor. Comunicarea securizată a parametrilor de funcţionare constituie o altă preocupare, în condiţiile în care există anumiţi algoritmi de criptare care pot asigura un transfer sigur.
Modalităţi avansate de facturare
Contoarele electronice facturează pe baza timpului de utilizare (Time of Use – TOU). TOU încadrează anumite intervale orare din cursul unei zile fie în categoria perioadă de vârf cu consum mare (on-peak) fie în perioada cu consum redus (off-peak). Sistemul TOU are mai multe avantaje. În primul rând, clienţii beneficiază de un preţ mai mic pentru perioadele de consum redus. În al doilea rând, facturarea TOU, care presupune tarife mai mari pentru perioadele de vârf, va determina mulţi utilizatori să se mute către perioade cu costuri mai reduse. Nivelul necesar de investiţii pentru realizarea unei noi infrastructuri de distribuţie este destul de mare. Sistemul TOU de facturare va elimina o parte din consumatorii din perioadele de vârf, ceea ce permite menţinerea infrastructurii vechi, deci a aceleaşi capacităţi de distribuţie, în situaţia creşterii continue a solicitărilor. Implementarea sistemului TOU de facturare poate avea loc numai pentru contoare care au ceas şi calendar în timp real (Real Time Clock and Calendar – RTCC) care pot monitoriza consumul diferit din decursul unei zile. Funcţia de RTCC poate fi implementată cu uşurinţă în soft-ul contoarelor electronice sau într-un dispozitiv extern ataşat.
Sistemul Pre-pay, implementat în primul rând pentru contoarele de energie electrică, constituie cea mai mare noutate în sistemul de facturare. Consumatorul plăteşte în avans, prin cartele magnetice, o cantitate finită de energie. Cartelele permit contorului furnizarea de energie numai pentru perioada şi în cantitatea specificată. Sistemul pre-pay reduce costul facturilor şi al colectării informaţiilor pentru companiile de utilităţi şi de asemenea ajută unii clienţi în planificarea costurilor lunare.
Toate metodele de facturare menţionate anterior depind de tipul contorului. La prima vedere poate să pară că timpul de utilizare creşte din cauza celor două componente: contorul de bază şi noile facilităţi precum protecţia anti-şoc, AMR, securitate şi facturare. În cadrul acestui articol se va putea vedea cum un contor poate fi redus la un simplu numărător în impulsuri şi astfel majoritatea efortului de dezvoltare va putea fi canalizat spre realizarea interfeţei cu utilizatorul. Majoritatea MCU-urilor pot cronometra timpul cât dispozitivul este în starea low-power şi “se trezesc” când timer-ul trece de o anumită valoare. Sistemul acesta conferă cea mai mare flexibilitate deoarece dispozitivul de contorizare a gazului, a apei, sau a căldurii poate să nu aibă o sursă locală de alimentare cu tensiune; de obicei alimentarea se face de la baterie.
Contorizarea gazului şi a apei
Contoarele pentru gaz şi apă sunt cele mai simple din punctul de vedere al structurii interne. Din cauza sistemului mecanic ce măsoară debitul de gaz sau apă, mecanismul de afişare este de obicei o săgeată rotativă (contoare de gaz) sau un magnet care se roteşte (contoare de apă). Figura 2 prezintă diagrama bloc a unui contor de gaz. Contorul de gaz are o elice pe conducta de ieşire, care are ataşat un disc cu fante. Fantele sunt recunoscute de un sistem optic care generează la ieşire un şir de pulsuri. Fiecare puls reprezintă o cantitate cunoscută de gaz.
Contoarele de apă au în majoritate un magnet pe discul rotativ şi senzorul Hall generează un impuls de fiecare dată când magnetul trece prin dreptul său. Ambele tipuri de tren de impulsuri pot fi conectate la o intrare de ceas a unui contor din interiorul MCU.
Una din provocările pe care o prezintă contorizarea apei şi a gazului este inexistenţa unei surse de tensiune continuă în apropiere. În acest caz, contorul trebuie să funcţioneze cu baterie sau energie solară.
Celulele solare sunt destul de scumpe şi ridică costurile de montare. Soluţia constă în folosirea unui MCU low power care poate număra pulsuri, poate înregistra periodic datele într-o memorie nevolatilă de unde să trimită informaţia o dată pe lună pentru facturare. Exemplul din figura 2 prezintă dispozitivul PIC16F9xx din familia Microchip Technology. Aceste dispozitive au 4 – 8Kbytes de memorie de program Flash, până la 336 bytes de RAM, 256 bytes EEPROM, un oscilator intern pe 8MHz, A/D pe 10-biţi, port I2C, port SPI, USART, 28 – 64 pini şi poate suporta o rezoluţie de până la 168 pixeli (4COMs x 46SEGs). Facilităţile acestea, cuplate cu modul de operare low power (0.5uA tipic @ Sleep, 190uA tipic @ 1 MHz) reprezintă un MCU ideal pentru contoarele de gaz şi apă alimentate la baterie.
Contoare pentru căldură
În funcţie de zona geografică şi ţara în care locuiţi, încălzirea se poate face cu apă pompată printr-un radiator. Un contor pentru energia termică are un grad mai ridicat de complexitate decât cele pentru gaz şi apă, deoarece fenomenele de termodinamică ce stau la baza metodei de calcul a energiei au în vedere doi parametrii: temperatura şi debitul. Un contor pentru energie termică măsoară temperatura în două locuri: la intrarea şi la ieşirea din radiator. Pe baza acestor măsurători, MCU calculează consumul de energie prin formule de termodinamică. Figura 3 prezintă un exemplu de contor pentru energia termică.
Pentru a menţine costurile contoarelor pentru măsurarea energiei termice la preţuri scăzute, putem utiliza un MCU pentru calibrarea şi semnalizarea stării senzorilor de temperatură. Acestea sunt de obicei RTD-uri sau dispozitive similare proiectate să reziste scufundării în lichide. În MCU se poate stoca tabela de calibrare pentru conversia ieşirii analogice a senzorului în variaţie liniară de temperatură. Dispozitivele de măsurare a debitului în contoarele de energie termică sunt similare cu cele din contoarele pentru apă şi au ieşiri în impulsuri.
Contoarele pentru căldură fac faţă unei provocări, neîntâlnită la celelalte contoare, de gaz sau apă.
Contoarele pentru căldură sunt localizate în interiorul reşedinţei clienţilor şi nu în exterior, cum este cazul celor de apă şi gaz. Dacă nu ar exista sistemul AMR, cineva ar trebui să fie acasă pentru a permite accesul persoanei autorizate să înregistreze consumul de energie. Un contor de măsurare a energiei termice bazat pe MCU poate fi uşor up-gradat cu un sistem de transmisie RF a rezultatelor citirii fără a mai fi necesară prezenţa clientului la domiciliu. Dispozitivul din figura 3 include pe lângă un microcontroler din familia PIC16F9XX, ales datorită modului low-power de funcţionare, şi un modul de afişare LCD integrat.
Măsurarea energiei
Cea mai mare atenţie care s-a dat contoarelor electronice a fost pentru cele de măsurare a energiei electrice. Furtul, mai ales în ţările în curs de dezvoltare, a fost şi continuă să fie motorul care determină dezvoltarea de noi facilităţi pentru contoarele electrice. Furt nu presupune numai situaţia desigilării carcasei şi deschiderea ei pentru a reduce valoarea de energie electrică afişată, dar şi susceptibilitatea cititorilor de contoare la mită, astfel încât ei pot înregistra un consum mai mic. Un contor complet electronic cu un anume tip de citire automată poate salva părţi semnificative din venitul companiei distribuitoare de utilităţi.
Cea mai mare provocare în cazul contoarelor este înregistrarea corectă a consumului de energie. După cum am menţionat anterior, unii furnizori doresc o precizie de măsurare de până la 0,2%. Contorul trebuie să suporte mari încărcări inductive ale sarcinii, precum cele ce se găsesc în frigidere, HVAC, maşini de spălat sau de uscat. Din aceste motive, soluţiile bazate pe MCU şi pe componente discrete reprezintă cea mai bună soluţie pentru proiectanţi. Din fericire, câţiva producători oferă ambele tipuri de dispozitive. În scopul păstrării unei structuri cât mai simple, dispozitivele discrete reprezintă interfaţa între sarcină şi sursa de alimentare, între motorul pentru măsurarea curentului şi tensiune şi între calculul consumului de energie electrică şi ieşirea în impulsuri.
Figura 4 prezintă un exemplu al utilizării familiei PIC16F9XX pentru MCU şi a MCP3905 de la Microchip Technology pentru a măsura consumul de energie electrică.
MCP3905 oferă o precizie tipică de 0,1 procente, valori negative ale indicaţiei de energie şi suport pentru rezistenţa de şunt pentru măsurătorile de curent.
Ieşirea de energie este proiectată pentru un motor în 2 timpi întâlnit în afişoare mecanice, dar poate comanda cu uşurinţă intrarea de numărător a unui MCU.
Concluzie
Comparate cu dispozitivele mecanice similare, contoarele electrice pentru măsurarea utilităţilor oferă soluţii de dimensiuni mai reduse, sunt mai robuste şi mai exacte, au circuite şi metode anti-şoc pentru a creşte veniturile companiilor furnizoare de utilităţi şi a reduce costurile clienţilor lor. Prin utilizarea soluţiilor electronice, precum cele oferite de Microchip Technology, puteţi contribui la reducerea complexităţii design-ului unui contor de utilităţi, până la un numărător de impulsuri.
Astfel, proiectanţii se pot concentra asupra metodelor de facilitare a colectării datelor şi a facturării.
Pentru soluţii detaliate de contorizare a gazului, a apei şi a energiei electrice, vizitaţi pagina web a Centrului de Proiectare a Contoarelor pentru Utilităţi Microchip (Metering Design Center):
de Rodger Richey, Applications Manager,
Advanced Microcontroller Architecture Division Microchip Technology Inc.
www.microchip.com/meter.