СИСТЕМА ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ И ПРЕОБРАЗОВАНИЯ В ЦИФРОВУЮ ФОРМУ МАШИННЫХ ТЕЛЕИЗМЕРЕНИЙ
SYSTEM FOR TRANSMISSION AND CONVERSION INTO DIGITAL FORM OF MACHINE TELEMETRIES

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Область изобретения
[0001] Настоящее изобретение относится к области преобразованных в цифровую форму отображений состояния машины и, более конкретно, контроля изменяющегося состояния с использованием отображения аналоговых величин или других физических состояний устройства, которые фиксируются в момент, когда происходит изменение.
2. Краткое описание предшествующего уровня техники
[0002] Благодаря повсеместному распространению глобальных цифровых сетей большая часть мира и используемые машины могут быть быстро и легко соединены с другими машинам и цифровыми системам управления в любой точке мира. В настоящее время стало возможным создавать цифровые контуры управления и использовать глобальные сети, чтобы машины могли передавать важную информацию другим машинам напрямую (так называемые М2М - приложения межмашинного обмена информацией), чтобы обеспечить возможность автоматического принятия решений без вмешательства человека. Однако, в отличие от сообщений от человека к человеку, которые могут быть в форме голоса или изображения, приложения для взаимодействия машин обычно требуют передачи цифровых данных. Одной из общих частей многих приложений для взаимодействия машин сегодня является простое преобразование аналоговых телеизмерений и сигналов от машины в цифровую форму, подходящую для передачи через Интернет. Примеры, без рассмотрения как ограничение, включают преобразование в цифровой формат электрических сигналов, которые поступают на аналоговые измерительные приборы движущейся машины, такой, как транспортное средство, лодка или самолет, или которые фиксируются измерительными приборами удаленно расположенной машины, такой, как нефтяная вышка или механизм переключения в распределительной станции, и отправку результирующих цифровых представлений упомянутых электрических сигналов в другое место через проводной или беспроводной Интернет для дальнейших действий или мониторинга другой машиной или человеком. Однако многие машины изначально имеют измерительные приборы и световые индикаторы, которые предназначены для того, чтобы их мог воспринимать человек, а для того, чтобы такие машины могли передавать цифровую версию показаний своих световых индикаторов или измерительных приборов, требуются значительные модификации машин и внешнее вмешательство в работу внутренних электрических схем прохождения сигналов в таких машинах. Затраты на выполнение аналого-цифрового преобразования или даже для копирования данных цифровых измерительных приборов в форму, передаваемую через Интернет, снижают расходы на межмашинную связь в приложениях, когда такая связь может быть полезна. Кроме того, для некоторых машин при отправке цифровой информации из своих систем управления или измерительных приборов возникают трудности, связанные с нормативным регулированием, безопасностью или гарантией. Например, высокое напряжение в распределительном устройстве или механизме управления двигателем должно быть полностью изолировано от цепей низкого напряжения, которые обычно выполняют преобразование в цифровую форму и передачу данных через Интернет; любые манипуляции, связанные с измерительными приборами или электропроводкой на воздушном судне являются нарушением требований сертификата летной годности воздушного судна; новую схему для преобразованных в цифровую форму данных аналоговых измерительных приборов или для использования сигналов, уже присутствующих в цифровом виде на транспортном средстве, нельзя добавить без потери гарантии на автомобиль.
[0003] Таким образом, требуется система для преобразования в цифровую форму данных измерительных приборов, световых индикаторов и других, ориентированных на восприятие человеком, измерительных устройств машины, данных о ее функционировании и ее текущих состояниях, не влияющая на работу машины и не требующая доработки машины или вмешательства в существующую электрическую проводку машины, сигнализацию, электрические или механические элементы или режимы работы, или добавления к самой машине какого-либо дополнительного оборудования для преобразования в цифровую форму.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0004] Настоящее изобретение предлагает систему для преобразования в цифровую форму показаний устройств, таких как указатели, световые индикаторы и другие ориентированные на восприятие человеком измерительные устройства машин и данных о функционировании и текущих состояниях. Система работает без необходимости перенастройки функционирования или электронных компонентов контролируемого устройства. Исключается возможность неблагоприятного вмешательства в работу машины, и отпадает необходимость в переделывании каких-либо компонентов машины или во вмешательстве в существующие проводные, сигнальные, электрические или механические элементы или в изменении режимов работы машины. Кроме того, система может быть реализована с использованием оригинальной конфигурации оборудования и не требует добавления к самой машине нового оборудования для преобразованных в цифровую форму.
[0005] Данным изобретением могут быть обеспечены указанные выше, а также и другие преимущества.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0006] Фиг. 1 является предпочтительным вариантом осуществления, изображающим в перспективном виде камеру и приборную панель, и показывающим схему предпочтительного варианта осуществления системы в соответствии с первым вариантом осуществления.
[0007] Фиг. 2 является видом спереди панели на Фиг. 1 с увеличенным фрагментом выбранного изображения, показывающим конкретный измерительный прибор на панели, и изображение процесса в соответствии с вариантом осуществления системы.
[0008] Фиг. 3 является видом спереди, показывающим цифровой измерительный прибор и изображение процесса в соответствии с вариантом осуществления системы.
[0009] Фиг. 4А - пример изображения кадра, используемого для иллюстрации захвата изображения двигателя.
[0010] Фиг. 4 В - пример изображения кадра фигуры 4А, показывающий примерный диапазон отклонений области захвата изображения.
[0011] Фиг. 5 - диаграмма, представляющая изменение изображения работающего устройства, построенная по образам, захваченным в течение некоторого периода времени.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0012] Предпочтительный вариант осуществления данного изобретения, называемого системой межмашинного обмена изображениями, показан на Фиг. 1. В предпочтительном варианте осуществления в ходе контроля отслеживается приборная панель 101 с измерительными приборами, индикаторами и переключателями, и любой или каждый приборный индикатор преобразовываются в цифровую форму с использованием данного изобретения. Следует отметить, что кроме естественного или целевого освещения, свет области обзора 101А, отраженный от панели (который, вообще говоря, может быть инфракрасным или другим в невидимой части спектра), является единственной связью между контролируемой приборной панелью и настоящим изобретением, а между настоящим изобретением и контролируемой машиной вообще нет никакого физического или электрического соединения. Камера 102 физически расположена вблизи контролируемой машины, так что область обзора 101А охватывает один или несколько указателей или световых индикаторов или панелей управления, которые необходимо контролировать. В некоторых альтернативных вариантах осуществления камера может содержать инфракрасную камеру (а в некоторых вариантах осуществления камера способна формировать изображения как при видимой, так и при инфракрасной подсветке). Средства инфракрасной подсветки могут быть предусмотрены (например, отдельно, как часть камеры или совместно с ней) для освещения панели приборов, так что камера сможет захватывать панели приборов в темных помещениях или ночью. Разрешение камеры 102 выбрано таким, чтобы оно было достаточным для обеспечения удовлетворительной детализации на уровне точечных элементов изображения, чтобы обеспечить необходимое разрешение, требуемое для полноценного преобразования в цифровую форму каждого измерительного прибора или каждого индикатора. Камера 102 получает изображения приборной панели. Частота кадров изображения может либо изменяться при помощи таймера 104 для смены кадров, которая устанавливается вручную или дистанционно через локальную систему управления, которая может также содержать в себе процессор 106А общего или специального назначения для выполнения программы общего назначения или специализированной программы, либо являться функцией 103 обработки, реализуемой аппаратными или программными средствами или их комбинацией, и которая предполагает захват кадров на панели приборов только тогда, когда происходит изменение на самой панели приборов, или же камера может снимать видеосигнал 105 непрерывно. Кадры или видеосигнал при необходимости сжимаются, форматируются и шифруются, 106, а затем передаются для автоматической отправки или сохранения по запросу блока управления или компьютера 106А. Следует понимать, что все функции 102, 103, 104, 105, 106 и 106А могут быть реализованы посредством аппаратных, программных или программно-аппаратных средств в одном процессоре, могут полностью находиться в камере 102, и все эти функции могут контролироваться управляющим компьютером 106А. Эти элементы составляют то, что называется удаленной системой 100.
[0013] Затем изображения передаются по сетевому соединению 107, которое может быть Интернетом или закрытой линией связи, и один или несколько сегментов которого могут быть соединены электрически, оптически или беспроводной линией связи посредством наземного или спутникового канала связи. Это сетевое соединение 107 также может служить для обеспечения команд и управляющих инструкций для блока 106А управления. Изображения, предоставляемые удаленной системой 100, поступают в отдельный управляющий компьютер или блок управления 108А и для выполнения последующих действий по восстановлению сжатых данных, форматирования и расшифровки 108. Полученные изображения затем могут быть сохранены постоянно, либо временно в памяти или в другом электронном запоминающем устройстве 109. Впоследствии используются алгоритмы выделения 110 и преобразования 111 в цифровую форму, которые, как дополнительно описано ниже, преобразуют каждое изображение в последовательность цифровых значений, связанных с любым или всеми индикаторами, измерительными приборами, указателями или переключателями в данном изображении приборной панели. Алгоритм выделения 110 и алгоритм преобразования 111 в цифровую форму могут быть заранее предопределены или могут выполняться по выбору для разных элементов приборной панели на основе запроса, и могут включать в себя алгоритмы оптического распознавания символов (OCR). Затем результаты могут быть при необходимости сохранены в запоминающем устройстве 112, к которому затем можно получить доступ либо через закрытую линию связи, такую как система диспетчерского управления и сбора данных SCADA, либо через сеть общего доступа, такую как Интернет. С помощью множества средств, хорошо известных специалистам в данной области, данные, содержащиеся в памяти 112, могут быть представлены в Интернете как индивидуально адресуемые или как дополнительно адресуемые элементы данных. Как показано, все функции 108а, 108, 109, 110, 111 и 112 могут содержаться в одной подсистеме аппаратного и программного обеспечения, 120, или же только в программном обеспечении, работающем на более крупной группе серверов (не показано).
[0014] Вышеописанным образом один или несколько индикаторов, приборных показаний, измерительных приборов и подобных им могут стать цифровыми значениями чисел с возможностью доступа к каждому из них по адресу или дополнительному адресу через Интернет, без какого-либо прямого подключения или вмешательства в работу указанных индикаторов в приборной панели 101.
[0015] Функция 103 обнаружения изменений может быть запрограммирована для обеспечения захвата кадра или видеосигнала, когда какой-либо внешний объект изменяет вид панели приборов или приборов, например, оператор-человек оказывает управляющие воздействия или предпринимает какие-либо другие действия. Благодаря этому настоящее изобретение обеспечивает дополнительную безопасность и информацию, которая не обязательно должна присутствовать в простом цифровом потоке телеизмерений, который был сформирован путем преобразования сигналов в цифровую форму в самой панели приборов. Кроме того, удаленная система 100 может быть запрограммирована на распознавание определенных условий тревоги, таких как конкретный световой индикатор или высокая температура, и инициировать связь с локальной системой самостоятельно.
[0016] Далее будут описаны алгоритмы выделения и алгоритм преобразования в цифровую форму со ссылкой на Фиг. 2 и Фиг. 3. В случае измерительного прибора аналогового типа на Фиг. 2, в локальной системе, когда происходит первый случай захвата изображения там, где присутствует много индикаторов, измерительных приборов или указателей, которые могут не нуждаться в преобразовании в цифровую форму, каждый подлежащий преобразованию в цифровую форму измерительный прибор выделяется из общего изображения 201 в виде фрагмента 202 изображения с использованием простого алгоритма эталонного шаблона или другого известного алгоритма выделения фрагмента изображения, которые предоставляются во многих распространенных готовых пакетах обработки изображений, таких как Matlab. Шаблон изображения 201А может быть создан автоматически или однократно вручную на этапе создания фрагмента изображения. После выделения фрагмента изображения конкретного измерительного прибора или индикатора, в зависимости от типа измерительного прибора, для определения текущих показаний измерительного прибора могут использоваться различные известные способы обработки и выделения изображений. Например, на этапе 203 для измерительного прибора можно использовать преобразование Хафа, чтобы автоматически определять угол отклонения индикатора от горизонтали и этот угол соотнести с показаниями измерительного прибора, указанными в таблице. Для обобщенного способа, эталонное изображение измерительного прибора при каждом возможном показании, различимом по представленному в виде точечных элементов изображения, может быть предварительно сохранено в локальной системе обработки, где каждое изображение связано с численным значением показания измерительного прибора, и сопоставлено на этапе 203 с фрагментом изображения, чтобы определить, какое из эталонных изображений наиболее близко соответствует принятому системой текущему фрагменту изображения. Существует множество других способов обработки изображений, как правило, хорошо известных специалистам в области обработки изображений, которые могут использоваться на этапе 203 без отступления от настоящего изобретения. По завершении этапа 203 значение 204 показания измерительного прибора или индикатора сохраняется в локальной системе в виде числового значения, в данном случае, минус пять.
[0017] Как показано на Фиг. 3, после создания фрагмента изображения, представленный цифровой панельный измерительный прибор, может быть легко преобразован из фрагмента изображения в численное значение 303 с помощью простой программы оптического распознавания символов 302, которая обычно доступна в стандартном программном обеспечении.
[0018] Система межмашинного обмена, согласно изобретению, также может добавлять дополнительные функции к обработке изображений, такие, как коррекция деформации перспективы в случае, когда камера установлена не вполне прямо по отношению к измерительному прибору или индикатору, или когда отображается большая панель, что не выходит за рамки настоящего изобретения. Библиотеки распространенных измерительных приборов могут поддерживаться для удобной ручной и/или автоматической начальной настройки.
[0019] Предлагаемое изобретение межмашинного обмена изображениями имеет преимущества, заключающиеся в возможности адаптации к широкому спектру измерительных преобразователей, измерительных приборов и индикаторов, включая те из них, которые трудно поддаются преобразованию в цифровую форму с помощью традиционных встроенных систем телеизмерений и аналого-цифровых электрических или механических средств. Кроме того, благодаря использованию камеры и системы изображений можно захватывать изображения и преобразовывать в цифровую форму показания многих измерительных приборов или индикаторов одновременно. Более того, система межмашинного обмена изображениями может предоставлять дополнительную информацию, которая обычно недоступна при традиционных телеизмерениях, например, когда сотрудник осуществлял корректирующие воздействия, осматривал машину, происходили другие подобные события в окружающей среде или случайные события, которые, в противном случае, не были бы зарегистрированы. Кроме того, камера может быть сфокусирована на двигателе, моторе, на наборе шкивов или ремней и может выполнять сравнение между кадрами, чтобы определить величину вибрации или зафиксировать крутящий момент двигателя или мотора, предоставляя информацию, которую, в противном случае, очень трудно выявлять дистанционно, даже с помощью высококачественных телеизмерений.
[0020] В соответствии с одним из вариантов осуществления, система может быть оснащена одной или несколькими камерами, которые направлены на один или более, чем один компонент двигателя или мотора, включая подключенные или связанные компоненты, такие как, например, ведущие или ведомые механизмы. Например, камера расположена так, что ее фокус направлен на двигатель или мотор, или рабочую часть механизма или его элемент. Камера отображает поле обзора и предоставляет кадр изображения, включающий область А изображения. Область А изображения проиллюстрирована на Фиг. 4А и Фиг. 4В, показывающих пример графического изображения кадра. В области А изображения на Фиг. 4А показано изображение двигателя 310, являющееся его захваченным изображением. Изображение двигателя 310 занимает часть области изображения А. Область изображения двигателя предпочтительно представляет координаты изображения, которые могут состоять из точечных элементов изображения. На изображенном сплошной линией двигателе 310 на Фиг. 4А двигатель 310 показан в статическом состоянии, представленном областью изображения двигателя Ams. Пунктирными линиями изображен двигатель 310 рабочих позициях, в которых двигатель 310 во время работы вибрирует. Захваченные изображения работающего двигателя 310 в области А кадра находятся в разных положениях в области А кадра и представлены позициями Am1, Am2, Am3 двигателя (для иллюстрации показаны три разные позиции). Хотя на фигурах показаны положения двигателя при вибрации в двухмерном изображении, в соответствии с альтернативными вариантами осуществления система может быть выполнена с учетом движения вперед (в плоскость страницы) или назад (от плоскости страницы) в дополнение или в качестве альтернативы к двумерному изображению.
[0021] Область изображения двигателя или работающий двигатель Ао могут быть связаны с координатами области изображения, в пределах которых изображение работающего двигателя 310 отображается и, более предпочтительно, работающего в допустимых диапазонах. В данном примере диапазон составляет допустимый уровень вибрации. Вибрация двигателя отображается расположением двигателя в пределах области А изображения. Область изображения двигателя может представлять собой несколько отдельных изображений Am1, Am2, Am3, … AmN двигателя, где каждое отдельное изображение соответствует набору координат изображения или точечных элементов изображения захвата кадра (в разное время), которые в этом примере могут быть представлены областью А изображения. Координаты изображения каждого изображения могут использоваться для определения рабочего параметра, который в этом примере представляет собой уровень вибрации и приемлемый уровень вибрации. На Фиг. 4B в данном примере область изображения или граница местоположения изображения работающего двигателя представлена как Ао. Область Ао изображения работающего двигателя может создаваться представленными положениями двигателя в кадре камеры, которые соответствуют приемлемым положениям в результате вибрационного перемещения или возмущений работающего двигателя в приемлемых рабочих условиях. Двигатель 310 может отображаться в нерабочем состоянии для обеспечения статического изображения Ams (см. Фиг. 4А), которое показывает уровень статического положения двигателя в кадре или области А. Изменения вибрации могут быть определены положением двигателя 310 в пределах области изображения А в заданный момент времени или в течение заданного временного интервала или серии кадров. Например, если граница Ао допустимой вибрации двигателя превышена, такое эксплуатационное событие может быть обнаружено и записано. Система может быть выполнена с программным обеспечением, содержащим инструкции для обнаружения эксплуатационных событий (таких как факт обнаружения) и формирование ответа, когда эксплуатационное событие было обнаружено. Например, некоторые ответы могут включать запись события в журнал, выдачу оповещения, уведомление конкретного человека или машины (компьютера) о выключении устройства (двигателя в рассматриваемом примере) или их комбинации.
[0022] Согласно некоторым вариантам осуществления, система может быть выполнена для обработки изображения AmT двигателя (где, например, изображение Am двигателя представляет собой изображение в конкретный момент времени Т) и сравнения точечных элементов изображения или координат местоположения изображения двигателя в поле изображения, чтобы определить, были ли нарушены параметры изображения двигателя. Нарушение может быть подтверждено определением того, что обработанное изображение показывает, что двигатель (например, его элемент) в кадре обнаружен в положении, находящимся за пределами обозначенной граничной области изображения двигателя, которая в этом примере является граничной областью Ао изображения двигателя. Например, когда Ао определяет набор координат, в пределах которых изображение двигателя является приемлемым для позиции или положения двигателя, а изображение двигателя нарушает границу координат, то может быть зафиксирован факт обнаружения. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления, положения точечных элементов изображения и значения изображений двигателя могут сравниваться (например, с абсолютным значением или эталонным значением), чтобы определить, имело ли место нарушение приемлемых условий работы.
[0023] С другой стороны, вибрация двигателя может быть определена относительно отклонения от положения статического изображения Ams. Например, отдельные изображения Am1, Am2, Am3, … AmN двигателя во время работы двигателя могут предоставлять координаты изображения, которые отличаются от статических координат Ams изображения (хотя возможно, что некоторые из изображений текущего состояния Am1, … AmN могут соответствовать изображению статического состояния Ams и при работающем двигателе). Уровень отклонения может быть определен для области изображения рабочего двигателя, и камера, которая устанавливает изображение двигателя, может работать, как здесь показано и описано, с непрерывной визуализацией или визуализацией с заданной частотой кадров. На Фиг. 5 показана диаграмма отклонения изображения двигателя или разброс ΔAm относительно изображения статического положения (Ams) за время Т. Эта диаграмма графически показывает область диапазона допустимых отклонений и область значений за пределами области допустимого диапазона. Параметры диапазона или отклонений могут быть определены и заранее установлены на основе допустимых смещений или вибраций двигателя во время обычной работы или работы, которая считается допустимой. Может быть предусмотрен уровень отклонений для генерации сигнала запрета, если вибрации двигателя превышают допустимый или пороговый уровень, который представлен положениями двигателя в кадре изображения, а положения двигателя могут быть представлены точечными элементами изображения или координатами.
[0024] Согласно некоторым альтернативным вариантам осуществления, система может быть выполнена для отображения определенной части компонента, такого как двигатель. Например, может быть отображен шкив двигателя или его верхняя часть и, когда обнаруживается, что радиальная часть изображения имеет нарушение формы дуги (определяемое, например, по координатам кадра), которая ранее была определена для приемлемого рабочего диапазона, то может быть инициирован факт обнаружения. Кроме того, может быть сформировано предупреждение или другая операция.
[0025] Система может быть выполнена с возможностью генерации отклика на факт обнаружения (при котором вибрация двигателя обнаруживается и определяется как выходящая за пределы допустимых параметров), который может варьироваться от сохранения результата для последующего использования при техническом обслуживании до передачи команды на выключение двигателя или формироваться в виде любого другого ответа, который может быть направлен как предупреждение оператору или техническому специалисту (и позволить двигателю продолжать работу). Кроме того, изобразительные данные уровня вибрации могут быть обработаны и сохранены в виде исходных изображений или в виде обработанной информации. Уровни вибрации могут быть позднее использованы для того, чтобы восстановить перемещения двигателя, которые были зафиксированы. Кроме того, изобразительные данные вибрации, такие как, например, положение двигателя в кадре, или обработанные данные вибрации, полученные из изображений, могут иметь метку времени, чтобы обеспечить индикацию времени работы. Это может быть полезно для определения наличия либо отсутствия конкретной нагрузки, времени суток или операции, которая вызывает связанную с этим работу двигателя.
[0026] Хотя представленный пример связан с двигателем, могут использоваться и отображаться и другие рабочие компоненты, при этом информация на изображении обрабатывается так, чтобы определить, находится ли работа компонента в пределах приемлемого рабочего параметра или условия. Кроме того, может быть установлено множество камер для изображения соответствующего множества компонентов, и изображения множества компонентов могут быть определены и зафиксированы системой.
[0027] Кроме того, оборудованная камерой система может быть дополнена аудиоинформацией или звуковой дорожкой, в которую могут быть записаны звонки, аварийные сигналы или другие звуковые сигналы, которые в противном случае не контролируются системой изображений. Также звуки двигателей или моторов могут быть записаны так, что, если устройства начинают издавать необычные звуки, то могут быть предприняты соответствующие оперативные действия, и что в противном случае не могло бы быть выявлено.
[0028] Эти и другие преимущества могут быть получены с помощью настоящего изобретения. Хотя данное изобретение описано со ссылкой на конкретные варианты осуществления, настоящее описание является иллюстративным и не должно рассматриваться как ограничение объема данного изобретения. Хотя на кадре изображения А на Фиг. 4А показано множество изображений двигателя, такие изображения могут представлять изображения, захваченные в отдельных кадрах, и представлять отдельно снятые кадры изображения. Специалисты в данной области техники могут выполнить различные модификации и изменения, не выходящие за пределы сущности и объема изобретения, описанного здесь и определенного в прилагаемой формуле изобретения.