CC BY
20
компонентов и бензинов и длинами волн в видимом диапазоне.
2. Выполнять модернизацию структуры информационно-измерительной системы для идентификации веществ в зависимости от решаемой задачи. Например, структура ИИС для поточной идентификации компонентов, определения состава и детонационной стойкости товарного бензина в процессе производства в режиме реального времени может быть представлена в нескольких вариантах:
- ИИС с оптическим мультиплексором и одним спектрометром. Время опроса цифровых сигналов спектрометра всех измерительных каналов на всех длинах волн будет зависеть от количества технологических линий, и составит не более 2 с. Структура предложенной ИИС представлена в статье [5].
ВОК
г-®
- ИИС с параметрическим квантовым генератором, позволяющая реализовать одновременное измерение коэффициентов поглощения в измерительном и сравнительном каналах, что поможет значительно увеличить точность и быстродействие системы (рис.2). Тогда работа ИИС будет осуществляться следующим образом. Перестраиваемый квантовый генератор задает излучение необходимой длины волны и через волоконно-оптический кабель, излучение направляется в кювету. После, по волоконно-оптическому кабелю попадает в блок обработки информации, откуда по интерфейсу RS-4 85 формируются управляющие воздействия на модуль ввода/вывода для открытия и закрытия гидравлических клапанов с тестовыми и анализируемыми компонентами и бензинами.
сравнительным канал
ВОК
:ВО=
канал 1.
Разветв итель
I Перестраиваемый
квантовый генератор (лазер) Х,=900...1700нм
Анализируемый компонент
Тестовый компонент
Проточная кювета
—
ВОК
/
Фотодиод
-м-
И
1
УВХ
Анализируемый компонент
Тестовый компонент
• число каналов j
• j=1...m
Проточная кювета
вок у
Фотодиод
—M-
И
ВОК
/
Фотодиод «—
УВХ УВХ
т:
ч с s и
hQ
ч
п/#
j,)
АЦП
к гидравлическим клапанам с тестовым/анализируемым компонентом и бензином
^ Модуль ^
ввода/вывода
RS-485
МК
Щ.)
Блок обработки информации
Блок отображения информации
канал m
И
Рисунок 2 - Структурная схема ИИС с перестраиваемым параметрическим квантовым генератором
3. Проводить автоматическую калибровку и пе- искусственных нейронных сетей с помощью пред-реобучение информационно-измерительной системы ставленного в статье [4] алгоритма, идентификации веществ, работающей на принципах
ЛИТЕРАТУРА
1. Bakeev Katherine A. Process Analytical Technology. Blackwell Publishing Ltd, 2005. 445 p.
2. Кудрявцева, А.А. Колориметрический метод определения содержания антидетонационной ферроцено-вой присадки в бензине в полевых условиях / А.А. Кудрявцева, А.И. Никитина, В.А. Соловьев // Труды международного симпозиума Надежность и качество. - 2012. - Т.2. - С. 190-191.
3. Щербакова, А.А. Многоканальная спектрометрическая информационно-измерительная система оценки состава и детонационной стойкости товарного бензина / А.А. Щербакова, В.А. Соловьев // Труды международного симпозиума Надежность и качество. - 2014. - Т.2. - С. 118-121.
4. Щербакова, А.А. Алгоритм измерений спектральных коэффициентов поглощения технологических жидкостей волоконно-оптической системой с перестраиваемым параметрическим генератором излучения / А.А. Щербакова, В.А. Соловьев // Модели, системы, сети в экономике, технике, природе и обществе. -2016. - №1. - С.14 8-152.
УДК 681.58
Аксенов И.В., Чайковский В.М.
ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия
СИСТЕМА ДИСТАНЦИОННОЙ КОММУТАЦИИ БЫТОВОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ
Предлагаемое дистанционно управляемое устройство коммутации бытовой электрической сетью обеспечивает включение/отключение той или иной бытовой нагрузки от электрической сети. Причем управление основано на сборе данных о силе потребляемого тока, амплитуде напряжения сети и уровне токов утечки по земляной шине. Управление устройством и обмен данными с центральным узлом, играющим роль сервера, осуществляется как по линии электропередачи, так и на частоте 2.4 ГГц. Устройство содержит системы защиты устройств потребления. Ключевые слова:
ДОМАШНЯЯ ОПТИМИЗАЦИЯ, ИНТЕРНЕТ ВЕЩЕЙ, МОНИТОРИНГ, ДИСТАНЦИОННОЕ УПРАВЛЕНИЕ, ИНФРАКРАСНЫЙ КАНАЛ, WI-FI, АЦП, ИЗМЕРЕНИЕ, ТОК, НАПРЯЖЕНИЕ, ЭФФЕКТ ХОЛЛА
Достаточно популярная в настоящее время кон- неуклонно продолжает совершенствоваться по линии цепция вычислительной сети, образуемой рядом фи- оптимизации их организации.
зических предметов («вещей»), оснащённых целым Следует отметить, что особую роль в такой
рядом встроенных технологий, дающим им возмож- концепции, называемой "интернет вещей" [1] иг-ность осуществлять как взаимодействие друг с рают средства измерения, осуществляющие преоб-другом, так и с внешней, окружающей средой,
разование значении ряда параметров, характеризующих состояние как внешней среды, так и внутреннее состояние средств автоматизации, в вид данных, легко воспринимаемых микроконтроллерами. Показатель долговечности устройства может
быть рассчитан с помощью, автоматизированной системы [2]. Вариант организации предлагаемой системы, приведён на Рис.1 в виде обобщенной структурной схемы.
Рисуенок 1 - Обобщенная структурная схема системы
Датчики Д1 и Д2 предназначены, соответственно, для оценки силы тока, как потребляемого нагрузкой, так и протекающего по земляной шине. Факт наличия тока в последней, являющегося током утечки, будет свидетельствовать о наличии напряжения на корпусе бытового устройства, подключенного к сети электропитания. Оценка значений последних основана на использовании эффекте Холла [3]. Подключение потребителя к электропитанию осуществляется с помощью реле Р1. Датчик Д2 оценивает уровень напряжения в сети. Алгоритм защиты бытовых приборов как от перенапряжения, так и от пониженного напряжения, защищает бытовые приборы путем прекращения подачи на них электроэнергии.
Совместная работа всех модулей устройства осуществляется микроконтроллером (МК) ESP8266, имеющим внешний АЦП, преобразующий выходные сигналы аналоговых датчиков Д1-Д3. Так же МК управляет системой индикации и осуществляет обмен данных с сервером, что позволяет ему получать команды типа - замкнуть / разомкнуть и отправлять данные с датчиков Д1-Д3. Данный МК поддерживает набор стандартов связи для коммуникации в беспроводной локальной сетевой зоне IEEE 802.11 b/g/n, а также программы сертификации устройств беспроводной связи WEP и WPA/WPA2. Обмен данными с центральным узлом возможен как на частоте 2.4 ГГц, так и с помощью технологии Powerline [4], которая базируется на использовании силовых электросетей для высокоскоростного
информационного обмена. Основой технологии является использование частотного разделения сигнала, при котором высокоскоростной поток данных разбивается на несколько низкоскоростных потоков. Каждый поток данных передается на отдельной поднесущей частоте с последующим их объединением в один сигнальный пакет. Реализация данной технологии возможна в домах общего пользования даже не смотря на низкую помехоустойчивость и достаточно слабую силовую проводку. Дополнительно, предлагаемое устройство снабжено приемником ИК -диапазона, принимающего сигналы управления коммутацией электрической сети непосредственно, минуя контроллер домашней автоматизации (сервера). Визуальный контроль состояний осуществляется с помощью светодиодного RGB модуля.
В силу того, что используемый МК обладает всего одним каналом АЦП, микроконтроллер вынужден использоваться в связке с дополнительным внешним четырехканальным АЦП - ADS1115. Для обеспечения соединения низкоскоростного периферийного компонента в виде АЦП с микроконтроллером, передача данных МК осуществляется с помощью последовательной асимметричной шины (I2C). Используемой микросхеме АЦП, на ряду с удовлетворительными техническими характеристиками, отвечающими предъявляемым требованиям предлагаемого устройства, присуща также относительная дешевизна. Предлагаемая схема коммутации АЦП приведена на Рис. 2
Рисунок 2 - Схема подключения АЦП
Поскольку уровень выходных сигналов датчиков Д1-Д3 может достигать значения опорного напряжения, которое равно 5В, АЦП должен использовать в качестве собственного напряжения питания то же самое напряжение. Так как шина тактирования
(БСЬ) является однонаправленной, то нет необходимости в повышении амплитуды последнего, а просто. достаточно ограничить силу тока шины, и исключить неустойчивое логическое состояние последней. Для согласования амплитуд логических
уровней шины передачи данных (SDA) АЦП и МК, используется буферный каскад, схема которого приведена на Рис 3.
Рисунок 3 - Буферный каскад согласования
Данная схема осуществляет двунаправленное согласование логических уровней шины данных SDA между АЦП и МК.
Суть принципа её работы заключается в описании 3 логических состояний.
1) Линия с обеих сторон подтянута к питанию резисторами R5, R8. Затвор и исток транзистора имеют одинаковый потенциал 3.3В, транзистор закрыт. Таким образом, на входе обоих устройств присутствует логическая "1", для каждого со своим потенциалом.
2) МК устанавливает на своем выходе логический "0", тогда исток транзистора VT1 принимает уровень низкого потенциала, при этом на затворе остается напряжение уровня +3.3В, а на входе АЦП
DD1 через открытый транзистор VT1 устанавливается логический "0".
3) АЦП устанавливает на своем выходе "0". Через диодный переход исток-подложка транзистора VT1 уровень напряжения на его истоке будет снижаться до момента, пока значение напряжения на его затворе не превысит пороговый уровень, при этом транзистор VT1 открывается, на вход МК через открывшийся транзистор подаётся сигнал логического "0".
Схема датчика Д2, отвечающего за формирование измерительного постоянного напряжения, которое пропорционально сетевому представлена на рис. 4. Данный узел предназначен для определения сетевого напряжения микропроцессором, после оцифровки аналогового сигнала АЦП.
Рисунок 4
Для исключения появления помехи в виде постоянной составляющей на нагрузке, необходимо, чтобы реле Р1 срабатывало строго в момент смены знака амплитуды сетевого напряжения. Для определения данного момента оптически развязанный на оптроне (DA4) узел формирования импульсов передает импульсы на вход АЦП. Последнее так же необходимо для исключения влияния пульсаций напряжения на сглаживающей емкости С3.
Для реализации передачи оптически развязанного измерительного постоянного напряжения на АЦП DD1, используется микросхема PS8741 (DA2), представляет собой оптически развязанный двух-канальный линейный изолятор, объединяющий инфракрасный светодиод на основе GaAs и два полупроводниковых фотодиода. Данная конфигурация, использующая обратную связь, позволяет исключить влияние нелинейности передаточной функции све-тодиодов.
Отличительной особенностью предлагаемой системы является организация защиты бытовых устройств от перепадов напряжения в сети именуемой эффектом гистерезиса, предотвращающего частые включения/отключения бытовых приборов, когда значение амплитуды сетевого напряжения длительное время находится на границе верхнего или нижнего предельного значения, при этом размер гистерезиса составляет 10В.
Схема ИПН
При достижении амплитудой сетевого напряжения верхнего предельного значения в 250 В, МК отключает нагрузку и продолжает отслеживать состояние сетевого напряжения, а обратное подключение будет происходить только при достижении последнего уровня 240 В. Аналогично, при достижении уровнем амплитуды сетевого напряжения нижнего предельного значения в 200 В МК отключает нагрузку и продолжает отслеживать состояние значения амплитуды сетевого напряжения и обратное подключение нагрузки произойдет только при достижении последним уровня в 210. В. После момента достижения амплитудой сетевого напряжение допустимого значения, МК с пятиминутной задержкой формирует управляющий сигнал для срабатывания реле коммутации. Данная временная задержка позволяет восстановиться узлам подключенных электронных приборов и исключает пагубное действие от выбросов тока и напряжения при коммутации индуктивных нагрузок, которыми являются: компрессор холодильника или морозильной камеры [5].
Существует несколько методов измерения тока в цепи, один из простейших - использование резистора с малым сопротивлением, - шунта между нагрузкой и общим проводом, падение напряжения на котором пропорционально протекающему току. Несмотря на то, что данный приём достаточно прост в реализации, его точность измерения
крайне низка, в силу зависимости значения сопротивление данного шунта от температуры. Кроме того, данный приём не обеспечивает гальваническую развязку между нагрузкой и измерителем силы тока, что просто необходимо, так как нагрузка подвергнута действию сетевого напряжения. Иной
подход к измерению тока заключается в использование эффекта Холла, поясняющегося Рис. 5, суть которого состоит в следующем: при нахождении проводника с протекающим током в магнитном поле В, на его зажимах возникает ЭДС, направление действия которой будет перпендикулярно, к направлению действия магнитного поля.
Рисунок 5 - Иллюстрация сути эффекта Холла
Здесь через тонкую измерительную пластину из кремния, называемую элементом Холла, протекает ток I. Под действием силы магнитного поля, именуемой силой Лоренца, в элементе Холла происходит перераспределению объемных зарядов, создаваемых движущимися заряженными носителями-электронами. Вследствие последнего на краях пластины (элемент Холла), параллельных направлению протекания тока, возникает ЭДС, значение которой
пропорционально векторному произведению значения напряженности на силу протекающего тока.
Основной измерительный элемент, функциональная схема которого представлена на Рис. 6, реализован на базе микросхемы АСБ712, так как данная микросхема не только компактна, но и имеет высокую электрическую прочность изоляции между входом и выходом, что прекрасно подходит для изоляции цепей.
Рисунок 6 - Функциональная схема ACS712
При отсутствии тока в цепи, на выходе датчика - половина напряжения питания, поскольку датчик обеспечивает мгновенный отклик в виде изменения напряжения, соответствующий силе тока, протекающего через измерительные выводы 1,2 и 3,4. Если ток течет от выводов 1 и 2 к выводам 3 и 4, принятого считать положительном направлении, напряжение на выходе микросхемы увеличивается, и оно будет больше половины напряжения питания. Если направление тока меняется на противоположное, напряжение уменьшается, и амплитуда выходного напряжения датчика станет ниже половины напряжения питания. Чувствительность датчика при
изменении силы тока в диапазоне от -20А до +20А составляет 100 мВ на один ампер. При реализации предложенного подхода использовался способ автоматизированного обнаружения дефектов проводящего рисунка печатной платы, исключающий вероятность поломки и увеличивающий срок службы устройства [6].
В заключении следует отметить, что предлагаемая система характеризуется малыми габаритными размерами, достаточной дешевизной изготовления, широкой доступностью используемых протоколов, соответствующих мировым стандартам.
ЛИТЕРАТУРА
1. Черняк Л., Платформа Интернета вещей, Открытые системы, №7 2 012
2. В.В. Жаднов, В.Н. Кулыгин. Автоматизированная система расчета показателей долговечности электронных средств., Надежности и качество сложных система., 2015 №3
3. Абрикосов А.А., Основы теории металлов, Наука, 1987
4. Никифоров А.В., Технология PLC — телекоммуникации по сетям электропитания, Сети и системы связи, 2002
5. Agilent — Application Note 1399, «Maximizing the Life Span of Your Relays», 2002
6. Н.К. Юрков, В.Б. Алмаметов, А.В. Затылкин, А.В. Григорьев, И.И. Кочерганов., Методы обнаружения и локализации латентных технологических дефектов бортовой радиоэлектронной аппаратуры., Пенза: Изд-во ПГУ 2013
