УПРАВЛЯЮЩИЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС СО ВСТРОЕННЫМ МУЛЬТИПАРАМЕТРИЧЕСКИМ АНАЛИЗАТОРОМ ВОДЫ ДЛЯ СИСТЕМ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ МОРСКИХ И ПРЕСНОВОДНЫХ ГИДРОБИОНТОВ
CONTROL COMPUTER SYSTEM WITH BUILT-IN MULTI-PARAMETER WATER ANALYSER FOR LIFE SUPPORT SYSTEMS FOR SEA AND FRESHWATER AQUATIC ORGANISMS

Изобретение относится к вычислительной технике, в частности к системам автоматизации управления технологическими процессами, например, таким как системы жизнеобеспечения рыбоводческих хозяйств, транспортировка живой рыбы, системы жизнеобеспечения океанариумов и аквариумов, и т.д.
Сложный объект автоматизации является, как правило, совокупностью технологических подсистем, которые, в свою очередь, состоят из более мелких технологических функциональных узлов. Разбиение объекта на функциональные узлы основано на выделении отдельной технологической задачи либо нескольких тесно связанных задач в единый узел, вследствие чего каждый функциональный узел достаточно автономен. Интенсивность его взаимодействия с остальной системой на порядки ниже, чем внутри него.
Повышение сложности технологических процессов предъявляют все большие требования к качеству и интуитивности человекомашинных интерфейсов (ЧМИ). Правильно структурированный ЧМИ значительно повышает эффективность и надежность технологического процесса вследствие быстрой и безошибочной наладки, контроля и управления технологическим процессом оператором.
Устройства с традиционными схемами управления процессами жизнеобеспечения морских и пресноводных гидробионтов представляют собой разрозненные узлы анализаторов параметров воды, логических контроллеров, управляемых устройств со сложной системой программирования и наладки, слабо структурированным ЧМИ (человекомашинным интерфейсом), неудовлетворительным контролем аварийных ситуаций, отсутствием или низким контролем работоспособности устройств, что не соответствует современным требованиям надежности, эффективности и отказоустойчивости в полной мере.
Известна система Profiiux компании GHL, представляющая собой сборный модульный конструктор, к которому можно подключить ряд датчиков, управляемых розеток, дозаторов и прочих компонентов. Процессорный модуль включает в себя процессор, блок памяти, блок логического управления, интерфейс локальной сети (Ethernet), субмодули ввода-вывода.
Основными недостатками этой системы являются:
• отсутствие согласования электрических параметров (напряжения, ток) и других факторов (сечение жил кабеля, схемы подключения) управляющих сигналов объекта к процессорному модулю. То есть в случае поломки какого-либо устройства системы жизнеобеспечения, система Profiiux не сможет отследить эту поломку;
• отсутствие механизмов контроля утечки электричества, перебоев питания, запуска резервного питания;
• отсутствие каких-либо реле (тепловых, сигнальных, электротепловых, устройств мягкого пуска) контроля и защиты насосов, отсутствие контроля сухого хода насосов;
• отсутствие контроля потока воды в трубопроводе, что при отсутствии сигнальных реле насосов рециркуляции воды, делает невозможным какой-либо контроль основных потоков рециркуляции воды в системах жизнеобеспечения;
• программирование контроллера Profiiux требует профессиональных знаний в области логического программирования, тщательного изучения инструкций для понимания внутренней логики устройства, что при низкой интуитивности и слабой структурированности ЧМИ (человекомашинного интерфейса) приводит к высоким временным и трудозатратам по настройке и запуску системы, значительному снижению оперативного реагирования на аварийные ситуации;
• отсутствие собственной серверной системы, то есть для анализа алармов и истории, а также для оперативного уведомления и удаленного контроля, требует подключение внешнего сервера;
• общая логика системы Profilux сводится к программированию каждого отдельно взятого устройства через отдельный управляемый канал, с возможностью связки в логическую цепь не более двух параметров, что приводит к невозможности гибкой и полноценной наладки систем жизнеобеспечения;
• ограничение максимальной нагрузки на любое устройство не более 1,5 кВт.
Система Profilux может быть полезна для управления ограниченным количеством низковольтных устройств, где не требуется контроль отказоустойчивости. Однако эта система не позволяет контролировать отказы устройств, изменять набор функций, гибко перестраивать управляющие параметры, использовать мощные устройства, что ограничивает его использование для управления сложными процессами жизнеобеспечения.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение надежности и безопасности функционирования систем жизнеобеспечения морских и пресноводных гидробионтов, содержащихся и выращивающихся в искусственных условиях, путем уменьшения времени обработки информации, повышения степени отказоустойчивости.
Технический результат достигается тем, что управляющий вычислительный комплекс (УВК) для систем жизнеобеспечения морских и пресноводных гидробионтов содержит установленные в едином каркасе: мультипараметрический анализатор воды, мультипроцессорную компьютерную систему с терминалом в составе монитора и интуитивно понятным человекомашинным интерфейсом (ЧМИ), сервером со встроенным модемом, источник питания, источник бесперебойного питания, устройство автоматического ввода резерва, устройства контроля и управления электропитанием; при этом мультипроцессорная компьютерная система включает контроллеры центрального процессора с платой ввода/вывода, контроллеры аналоговых и дискретных сигналов с платой ввода/вывода, предназначенных для приема и обработки данных от мультипараметрического анализатора воды, сервера со встроенным модемом, источника питания, источника бесперебойного питания, устройства автоматического ввода резерва, устройств контроля и управления электропитанием, управляющих устройств; при этом устройства контроля и управления электропитанием регистрируют данные о работоспоспособности: сервера со встроенным модемом, источника питания, источника бесперебойного питания, устройства автоматического ввода резерва, управляющих устройств; при этом устройство автоматического ввода резерва на основе команд от мультипроцессорной компьютерной системы запускает внешний генератор электричества.
Под управляющими устройствами понимаются устройства, которые подключаются к УВК (управляющему вычислительному комплексу), для поддержания жизнеобеспечения морских и пресноводных гидробионтов. Частный случай управляющих устройств представлен в схеме №2, а именно УВК управляет и контролирует работоспособность насоса рецуркуляции, холодильной установки, помп внутреннего течения, нагревателя, освещения, скиммера, угольного фильтра, насоса автоподмены воды, насоса денитрификатора, электромагнитных клапанов, озонаторы, УФ-стерелизаторы, дозаторов корма и микроэлементов. Данный перечень управляющих устройств не является исчерпывающим и может быть изменен в соответствии с конкретными нуждами и задачами систем жизнеобеспечения гидробионтов.
Устройство поясняется схемой №1, где показано расположение УВК в корпусе.
УВК содержит следующие элементы:
- мультипроцессорная компьютерная система с терминалом в составе монитора (2, 3, 8, 9, 10);
- мультипараметрический анализатор воды (12);
- блоки питания БП (13);
- источник бесперебойного питания ИБП (14);
- устройство автоматического ввода резерва АВР (15);
- изолирующий трансформатор (16);
- тумблер аварийного отключения системы (1);
- входы датчиков (7);
- выходы на управляющие устройства (11);
- устройства контроля и управления электропитанием (5);
- устройства мягкого пуска насосов (6);
- анализатор потока в трубопроводе (4).
В свою очередь, мультипроцессорная компьютерная система состоит из следующей аппаратуры:
- контроллеры центрального процессора с платой ввода/вывода (9);
- контроллер аналоговых сигналов с платой ввода/вывода (8);
- контроллер дискретных сигналов с платой ввода/вывода (10);
- сервер со встроенным модемом (3);
- монитор сенсорный (2).
Контроллеры, входящие в состав мультипроцессорной компьютерной системы, представляют собой программируемые логические контроллеры.
Полный состав изделия определяется проектом на объект его внедрения в соответствии с конфигурацией и особенностями этого объекта. Состав, входящий в мультипроцессорную компьютерную систему, также определяется указанным проектом.
В целях обеспечения безопасности функционирования УВК и управляющих устройств, а также повышения степени отказоустойчивости систем жизнеобеспечения морских и пресноводных гидробионтов, реализованы следующие принципы:
• питание низковольтных устройств до 24 В (7) и питание управляющих устройств (11) 220 В строго разведены по зонам шкафа, исключающее электрические помехи;
• преобразователи сигналов (17) в мультипараметрическом анализаторе воды (12) ~ гальванически развязаны, что исключает электрические помехи измерений;
• питание управляющих устройств (11) УВК происходит через изолирующий трансформатор (16), что, во-первых, обеспечивает защиту человека при утечки тока, во-вторых, исключает отключение управляющего устройства при утечки тока (отключение было бы неизбежно при использование УЗО);
• при исчезновении напряжения на основном вводе устройство автоматического ввода резерва АВР (15) подключает потребителей к дизельному агрегату;
• до момента подключения потребителей к дизельному агрегату УКВ питается от источника бесперебойного питания ИБП (14),
• устройства контроля и управления электропитанием (5) имеют сигнальный контакт, который, в случае поломки какого-либо управляющего устройства (11), регистрируется мультипроцессорной компьютерной системой, таким образом, контролируется работоспособность управляющих устройств.
В целях уменьшения времени обработки информации УВК для систем жизнеобеспечения морских и пресноводных гидробионтов, реализованы следующие принципы:
• использование современных высокоскоростных контроллеров в составе мультипроцессорной компьютерной системы, объединенных единой шиной;
• использование интуитивно понятного человеко-машинного интерфейса (ЧМИ), специально
разработанного для данного УВК, который обеспечивает высокую наглядность технологического процесса и, как следствие, высокую скорость реакции оператора на изменения и аварии в технологическом процессе;
• использование современного логического ядра, специально разработанного для данного УВК, которое позволяет быстро и эффективно обрабатывать входящие сигналы контроллеров.
В целях увеличения надежности функционирования УВК для систем жизнеобеспечения морских и пресноводных гидробионтов реализованы следующие принципы:
• использование в мультипараметрическом анализаторе воды (12) современных электродов;
• увеличение количества и точности анализируемых параметров, а именно:
а) для анализа Нитратов и Аммония в воде и используются высокоточные ионно-селективные
датчики, мониторинг параметров происходит непрерывно;
б) для анализа растворенного Кальция в морской воде используются высокоточные ионно-селективные датчики, мониторинг параметров происходит непрерывно;
в) использование автокаллибровочных устройств в мультипараметрическом анализаторе воды (12);
г) использование TDS датчика для анализа степени очистки поступаемой в систему жизнеобеспечения воды.
Общая схема управляющих сигналов УВК (схема носит примерный характер и может быть дополнена или сокращена при необходимости) представлена на схеме №2.
Мультипроцессорная компьютерная система (МКС) представляет собой микропроцессорное устройство, реализация функций которого осуществляется при инсталляции дистрибутивного программного обеспечения. Мультипроцессорная компьютерная система осуществляет формирование информации о технологических операциях и параметрах воды в системе жизнеобеспечения морских и пресноводных гидробионтов путем циклического опроса мультипараметрического анализатора воды (12), входных датчиков (7), устройств контроля и управления электропитанием (5), прочих устройств (3, 13, 14, 15, 16). Запуск программного обеспечения происходит автоматически после подачи питания на МКС.
Связь (опрос) мультипараметрического анализатор воды (12) с сервером (3) происходит посредством контроллера центрального процессора с платой ввода/вывода (9), контроллером аналоговых (8) и  дискретных сигналов (10) с платой ввода/вывода.
Информация от контроллеров (8, 9, 10) поступает в мультипроцессорную компьютерную систему. По результатам поступившей информации организуются команды для управляющих устройств (11).
МКС после опроса и обработки данных от устройств контроля и управления электропитанием (5) и при обнаружении отсутствия напряжения на основном вводе,  дает сигнал на устройство автоматического ввода резерва (15), который, в свою очередь, запускает внешний генератор электричества.
МКС после опроса и обработки данных от устройств контроля и управления электропитанием (5) формирует и выводит на ЧМИ сведения о работоспособности компонентов УВК и управляющих устройств.
Устройства контроля и управления электропитанием (5) представляют собой преобразователи тока, напряжения, изоляции; автоматические электрические выключатели, контакторы, сигнальные реле и другие электротехнические компоненты, выполняющие регистрирующую и коммутирующую функцию между мультипроцессорной компьютерной системой и управляющими устройствами (11),
Мультипроцессорная компьютерная система (МКС) имеет встроенный модем и подключается к внешней сети Интернет, таким образом, УВК может управляться удаленно, а также отправлять пользователю аварийные сообщения о работоспособности системы.
Сервер (3) УКВ содержит необходимые базы данных для функционирования системы, а также обеспечивает хранение протоколов работы системы, алармов, истории и т.д.
Управляющий вычислительный комплекс работает следующим образом.
Включение питания осуществляют в строго определенной последовательности следующим образом:
1. Тумблер аварийного отключения питания переводится в положение «ВКЛ».
2. Все устройства контроля и управления электропитанием (5), снабженные тумблерами, переводятся в положение «ВКЛ».
3. Тумблер питания мультипараметрического анализатора воды (12) переводится в положение «ВКЛ».
4. Тумблер питания мультипроцессорной компьютерной системы переводится в положение «ВКЛ».
5. Тумблер питания управляющих устройств (11) переводится в положение «ВКЛ».
После включения шкафа управляющего вычислительного комплекса осуществляется самотестирование системы в целом. Определяется наличие связи с мультипараметрическим анализатором воды (12), входными датчиками (7), сервером (3), устройствами контроля и управления электропитанием (5) и прочими устройствами (13, 14, 15, 16). На экране терминала мультипроцессорной компьютерной системы отображаются все данные от компонентов управляющего вычислительного комплекса, с которыми установлена связь, а также визуальное представление технологического процесса в реальном масштабе времени. Далее мультипроцессорная компьютерная система (МКС) начинает обработку данных, поступающих от мультипараметрического анализатора воды (12), входных датчиков (7), сервера (3), устройств контроля и управления электропитанием (5) и прочих устройств (13, 14, 15, 16), и на основании обработанных данных формирует команды для управляющих устройств (11).
Использование современной элементной базы и программного обеспечения позволяет уменьшить время обработки информации, повысить степень отказоустойчивости, увеличить количество и точность анализируемых параметров, а следовательно, надежность и безопасность функционирования УВК для систем жизнеобеспечения морских и пресноводных гидробионтов.