Устройство сбора и передачи данных
DATA ACQUISITION AND TRANSMISSION DEVICE

Изобретение относится к устройству сбора и передачи данных, обеспечивающему взаимодействие между подключенными к нему проводными и беспроводными интерфейсами контрольными и исполнительными устройствами на объекте и системой телемеханики.
В качестве прототипа выбран комплекс обеспечения взаимодействия между системой телемеханики и устройствами контроля и управления на объекте, включающий систему телемеханики, удаленный сервер LORA, подключенный к системе телемеханики, базовую станцию LORA, подключенную к серверу LORA, устройство сбора и передачи данных, содержащее контроллер, подключенный к базовой станции LORA, к которому в свою очередь подключены LORA устройства, функционирующие с использованием беспроводной связи стандарта LoRaWAN, при этом для обеспечения взаимодействия между устройствами контроля и управления и системой телемеханики, удаленный сервер LORA содержит программное обеспечение для конвертации данных из стандарта связи LoRaWAN, используемого LORA устройствами в стандарт связи, используемый системой телемеханики [CN111220232A, дата публикации: 02.06.2020 г., МПК: G01F 23/00; G08C 17/02; H04B 1/69].
Недостатком комплекса обеспечения взаимодействия между системой телемеханики и устройствами контроля и управления на объекте, выбранного в качестве прототипа, является высокая сложность организации его на базе сети обмена данными и управляющими сигналами между системой телемеханики, LORA устройствами и дополнительными устройствами контроля и управления, в том числе, датчиками и исполнительными механизмами, обменивающимися данными и управляющими сигналами с системой телемеханики по другим стандартам связи, из-за ограниченных функциональных возможностей устройства сбора и передачи данных, и его специфичного контроллера, обеспечивающего передачу данных только от LORA устройств только на удаленный сервер LORA, конвертирующий данные из стандарта связи LoRaWAN, используемого LORA устройствами в стандарт связи, используемый системой телемеханики. Вследствие указанного недостатка возникает необходимость организации двух параллельно функционирующих сетей обмена данными и управляющими сигналами с одной системой телемеханики, при этом одна из этих сетей будет обеспечивать  взаимодействие системы телемеханики с LORA устройствами через удаленный сервер LORA, конвертирующий данные из стандарта связи LoRaWAN в стандарт связи, используемый системой телемеханики , а другая сеть будет обеспечивать взаимодействие системы телемеханики и дополнительных устройств контроля и управления, в том числе, датчиками и исполнительными механизмами, через отдельный контроллер или сервер, поскольку они будут обмениваться данными и управляющими сигналами с системой телемеханики по другим стандартам связи. Такой принцип построения сетевого соединения между элементами, функционирующими по разным стандартам связи, является сложным и дорогостоящим и существенным образом затрудняет организацию сети обмена данными.
Кроме того, в качестве недостатка прототипа можно выделить высокий риск снижения скорости обмена данными между LORA устройствами и системой телемеханики из-за того, что сетевое соединение между ними обеспечивается за счет цепочки, включающей в себя контроллер, базовую станцию LORA и удаленный сервер LORA, которым обрабатываются получаемые и передаваемые между LORA устройствами и системой телемеханики данные для обеспечения взаимодействия между ними, вследствие чего не только существенным образом увеличивается задержка между отправкой LORA устройствами данных и получением этих данных системой телемеханики и задержка между отправкой с системы телемеханики как данных, так и управляющих сигналов на LORA устройства, но и постоянно существует риск возникновения отказа удаленного LORA сервере или потеря соединения базовой станции LORA с ним, что может привести к потере пакетов с данными или невозможности своевременной подачи управляющего сигнала с системы телемеханики на LORA устройства.
Указанные недостатки требуют разработки многофункционального устройства сбора и передачи данных, которое смогло бы исключить необходимость организации двух параллельно функционирующих сетей обмена данными и управляющими сигналами между  одной системой телемеханики с LORA устройствами, функционирующими с использованием беспроводной связи стандарта LoRaWAN и устройствами контроля и управления, функционирующими по иным стандартам связи, а также исключить необходимость задействования удаленного сервера LORA для обеспечения взаимодействия между системой телемеханики и LORA устройствами, а также повысить качество сетевого соединения между системой телемеханики и устройствами контроля и управления.
Техническая проблема, на решение которой направлено изобретение, заключается в необходимости расширения функциональных возможностей и улучшения эксплуатационных характеристик устройства сбора и передачи данных.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в создании универсального устройства сбора и передачи данных, обеспечивающего возможность преобразования данных из: стандарта связи, используемого системой телемеханики, в стандарт связи LoRaWAN и наоборот, а также из стандарта связи используемого системой телемеханики в другой стандарт связи, используемый дополнительными устройствами контроля и управления и наоборот, и обеспечении возможности упрощения организации на его базе сети обмена данными и управляющими сигналами между системой телемеханики, LORA устройствами контроля и управления, функционирующими с использованием беспроводной связи стандарта LoRaWAN, и дополнительными устройствами контроля и управления на объекте, функционирующими с использованием других стандартов связи.
Дополнительный технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении скорости передачи данных между LORA устройствами контроля и управления, устройствами контроля и управления, обменивающимися данными и управляющими сигналами с системой телемеханики по другим стандартам связи.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Устройство сбора и передачи данных содержит корпус, включающий в себя контроллер с интерфейсами ввода/вывода сигналов, обеспечивающими возможность подключения контроллера к системе телемеханики и к устройствам контроля и управления на объекте. В отличие от прототипа устройство сбора и передачи данных дополнительно содержит шлюз LORA беспроводной связи дальнего радиуса действия стандарта LoRaWAN, подключенный к контроллеру, и выполненный с возможностью подключения к LORA устройствам контроля и управления на объекте для обмена данными с ними, при этом контроллер выполнен с возможностью преобразования данных из стандарта связи, используемого для обмена данными с системой телемеханики, в стандарт связи LoRaWAN, используемый LORA устройствами контроля и управления на объекте и наоборот.
Контроллер обеспечивает возможность обмена данными между системой телемеханики и устройствами контроля и управления на объекте. Контроллер может быть представлен в виде платы со смонтированным на ней процессором или в виде микрокомпьютера. Контроллер содержит интерфейсы ввода/вывода сигналов, что обеспечивает возможность подключения к нему системы телемеханики в виде пульта оператора и периферийных устройств контроля и управления на объекте в виде ведомых контроллеров, датчиков, исполнительных элементов и др. Интерфейсы могут быть представлены в виде разъемов типа: RS-232, RS-422, RS-485, ETHERNET, USB и других известных типов разъемов.
Шлюз LORA беспроводной связи дальнего радиуса действия стандарта LoRaWAN обеспечивает возможность обмена данными с LORA устройствами контроля и управления, функционирующих с использованием сетей связи стандарта LoRaWAN. Шлюз LORA может быть представлен в виде программного обеспечения, установленного в контроллер, или в виде отдельного устройства, подключенного к устройству посредством одного из интерфейсов ввода/вывода сигналов.
Контроллер выполнен с возможностью преобразования данных из стандарта связи, используемого для обмена данными с системой телемеханики, в стандарт связи LoRaWAN и наоборот, для чего в его внутренней памяти содержатся файлы конфигурации, обеспечивающие возможность конвертации данных из стандарта связи, используемого для подключения к системе телемеханики в стандарт связи LoRaWAN, и из стандарта связи LoRaWAN в стандарт связи, используемый для подключения к системе телемеханики.
В качестве стандартов связи для подключения к системе телемеханики в файле конфигурации могут быть представлены TCP/IP, Wi-Fi, GSM, FM, WiMAX и другие известные стандарты. В наиболее предпочтительном варианте, обеспечивающем наиболее стабильное сетевое соединение и высокую скорость обмена данными между системой телемеханики и LORA устройствами контроля и управления, контроллер во внутренней памяти может содержать файлы конфигурации, обеспечивающие возможность конвертации данных из стандарта связи TETRA, используемого для подключения к системе телемеханики, в стандарт связи LoRaWAN и файл конфигурации, обеспечивающий возможность конвертации данных из стандарта связи LoRaWAN в стандарт связи TETRA.
Дополнительно контроллер может быть выполнен с возможностью преобразования данных из стандарта связи, используемого системой телемеханики, в протокол передачи данных MODBUS-RTU и/или MODBUS-TCP и наоборот, что обеспечивает возможность подключения к контроллеру устройств контроля и управления на объекте посредством ведущих или ведомых периферийных MODBUS контроллеров и обмена данными между ними и системой телемеханики. Для этого он в своей внутренней памяти может также содержать соответствующие файлы конфигурации.
Корпус обеспечивает несущие и защитные функции устройства. Контроллер может быть закреплен внутри корпуса любыми известными средствами разъемного или неразъемного соединения. При этом шлюз может быть закреплен аналогичными средствами снаружи или внутри корпуса.
Изобретение может быть выполнено из известных материалов с помощью известных средств, что свидетельствует о его соответствии критерию патентоспособности «промышленная применимость».
Изобретение характеризуется ранее неизвестной из уровня техники совокупностью существенных признаков, отличающейся тем, что:
–– устройство сбора и передачи данных дополнительно содержит шлюз LORA беспроводной связи дальнего радиуса действия стандарта LoRaWAN, подключенный к контроллеру, и выполненный с возможностью подключения к LORA устройствам контроля и управления на объекте для обмена данными с ними, что обеспечивает возможность сетевого взаимодействия между LORA устройствами и системой телемеханики только посредством устройства сбора и передачи данных, тем самым позволяя исключить из сетевой структуры удаленный сервер LORA, предназначенный для обработки получаемых и передаваемых между LORA устройствами, контроллером и системой телемеханики данных.
–– контроллер выполнен с возможностью преобразования данных из стандарта связи, используемого для обмена данными с системой телемеханики, в стандарт связи LoRaWAN, используемый LORA устройствами контроля и управления на объекте и наоборот, что обеспечивает возможность программного взаимодействия между контроллером, LORA устройствами и системой телемеханики.
Совокупность существенных признаков изобретения позволяет исключить из сетевой структуры удаленный сервер LORA, предназначенный для обработки получаемых и передаваемых между LORA устройствами, контроллером и системой телемеханики данных, и отладить программное взаимодействие между контроллером, LORA устройствами контроля и управления, дополнительными устройствами контроля и управления, функционирующими по другим стандартам связи и системой телемеханики, что позволяет за счет локальной обработки данных контроллером устройства сбора и передачи данных расширить функциональные возможности устройства сбора и передачи данных, исключить необходимость организации двух параллельно функционирующих сетей обмена данными и управляющими сигналами с одной системой телемеханики и кроме того, уменьшить задержку между отправкой LORA устройствами данных и получением этих данных системой телемеханики и задержку между отправкой с системы телемеханики как данных, так и управляющих сигналов на LORA устройства, обеспечивая высокоскоростной обмен данными между ними и исключая риск возникновения отказа удаленного LORA сервера или потери соединения с ним, исключая таким образом риск потери пакетов с данными или невозможности своевременной подачи управляющего сигнала с системы телемеханики на LORA устройства.
Благодаря этому обеспечивается достижение технического результата, заключающегося в создании универсального устройства сбора и передачи данных, обеспечивающего возможность преобразования данных из стандарта связи, используемого системой телемеханики, в стандарт связи LoRaWAN и наоборот, а также из стандарта связи используемого системой телемеханики в другой стандарт связи, используемый дополнительными устройствами контроля и управления и наоборот, и обеспечении возможности упрощения организации на его базе сети обмена данными и управляющими сигналами между системой телемеханики, LORA устройствами контроля и управления, функционирующими с использованием беспроводной связи стандарта LoRaWAN, и дополнительными устройствами контроля и управления на объекте, функционирующими с использованием других стандартов связи, тем самым расширяются функциональные возможности и улучшаются эксплуатационные характеристики устройства сбора и передачи данных.
Изобретение обладает ранее неизвестной из уровня техники совокупностью существенных признаков, что свидетельствует о его соответствии критерию патентоспособности «новизна».
Из уровня техники известен комплекс обеспечения взаимодействия между системой телемеханики и устройствами контроля и управления на объекте, у которого сетевое соединение между LORA устройствами и системой телемеханики реализовано за счет цепочки, включающей в себя контроллер, базовую станцию LORA и удаленный сервер LORA, которым обрабатываются получаемые и передаваемые между LORA устройствами и системой телемеханики данные. Однако из уровня техники не известно универсальное устройство сбора и передачи данных, выполняющее функцию шлюза LORA беспроводной связи дальнего радиуса действия стандарта LoRaWAN, у которого контроллер выполнен с возможностью преобразования данных из стандарта связи, используемого для обмена данными с системой телемеханики, в стандарт связи LoRaWAN, используемый LORA устройствами контроля и управления на объекте и наоборот, а также из стандарта связи, используемого для обмена данными с системой телемеханики, в стандарт связи, используемый дополнительными устройствами контроля и управления.
Использование такого устройства для обеспечения сетевого соединения между LORA устройствами, дополнительными устройствами контроля и управления и системой телемеханики исключает необходимость организации двух параллельно функционирующих сетей обмена данными и управляющими сигналами с одной системой телемеханики и тем самым упрощает и удешевляет организацию сети обмена данными между элементами, функционирующими по разным стандартам связи.
Ввиду этого изобретение соответствует критерию патентоспособности «изобретательский уровень».
Изобретение поясняется следующими фигурами.
Фиг.1 – Функциональная схема устройства сбора и передачи данных.
Для иллюстрации возможности реализации и более полного понимания сути изобретения ниже представлен вариант его осуществления, который может быть любым образом изменен или дополнен, при этом настоящее изобретение ни в коем случае не ограничивается представленным вариантом.
Устройство сбора и передачи данных содержит корпус 1, внутри которого установлены контроллер 2, содержащий: интерфейсы, к которым подключены: шлюз 3 LORA беспроводной связи дальнего радиуса действия стандарта LoRaWAN, ведомые MODBUS контроллеры 4 и 5, функционирующие по стандартам MODBUS-RTU и MODBUS-TCP соответственно, 3G-модем 6 для беспроводной связи стандарта GSM и модем 7 цифровой транкинговой связи стандарта TETRA.
Шлюз 3 выполнен с возможностью беспроводного подключения LORA устройств 8 контроля и управления, функционирующих с использованием беспроводной связи стандарта LoRaWAN, которые представлены в виде датчиков и исполнительных механизмов, установленных непосредственно на объекте кустовой площадки в виде газовой скважины.
К контроллеру 2 и ведомым MODBUS контроллерам 4 и 5 подключены устройства 9 и 10 контроля и управления, использующие протоколы передачи данных MODBUS-RTU и MODBUS-TCP соответственно, представленные в виде датчиков и исполнительных механизмов, установленных непосредственно на объекте кустовой площадки в виде газовой скважины.
3G-модем 6 и модем 7 выполнены с возможностью беспроводного подключения к серверу 11 системы телемеханики и SCADA-системе 12 телемеханики, реализованной на базе автоматизированного рабочего места оператора.
Изобретение работает следующим образом.
Ввод в эксплуатацию устройства осуществляется посредством конфигурирования пользователем контроллера 2 через подключаемый к одному из незанятых интерфейсов персональный компьютер. В частности, выполняются следующие настройки параметров конфигурации контроллера 2:
- создаются и устанавливаются файлы конфигурации LORA устройств 8, функционирующих с использованием беспроводной связи стандарта LoRaWAN, в процессе которого задаются параметры, используемые контроллером 2 для конвертации данных из стандарта LoRaWAN в данные стандарта TETRA и стандарта GSM.
- создаются и устанавливаются файлы конфигурации ведомых MODBUS контроллеров 4 и 5, функционирующих с использованием протоколов передачи данных MODBUS-RTU и MODBUS-TCP, в процессе которого задаются параметры, используемые контроллером 2 для конвертации данных из протокола MODBUS-RTU и MODBUS-TCP в данные стандарта TETRA и стандарта GSM.
- создаются и устанавливаются файлы конфигурации 3G-модема 6 для беспроводной связи стандарта GSM, в процессе которого задаются параметры, используемые контроллером 2 для конвертации данных из стандарта GSM в данные стандарта LoRaWAN.
- создаются и устанавливаются файлы конфигурации модема 7 цифровой транкинговой связи по стандарту TETRA, в процессе которого задаются параметры, используемые контроллером 2 для конвертации данных из стандарта TETRA в данные стандарта LoRaWAN.
После ввода устройства сбора и передачи данных в эксплуатацию посредством контроллера 2, шлюза 3 LORA, 3G-модема 6 или модема 7 цифровой транкинговой связи обеспечивается взаимодействие между LORA устройствами 8 контроля и управления, со SCADA-системой 12 телемеханики за счет конвертации данных контроллером 2 из стандарта LoRaWAN в стандарт GSM или TETRA  и наоборот, из стандартов GSM или TETRA в стандарт LoRaWAN, обеспечивая возможность прямого обмена данными и сигналами между LORA устройствами 8 контроля и управления и SCADA-системой 12 телемеханики без необходимости задействования сторонних серверов.
Также контроллером 2, ведомыми MODBUS контроллерами 4 и 5, 3G-модемом 6 или модемом 7 цифровой транкинговой связи обеспечивается взаимодействие между устройствами 9 и 10 контроля и управления и SCADA-системой 12 телемеханики за счет конвертации данных контроллером 2 из протоколов передачи данных MODBUS-RTU и MODBUS-TCP в стандарт GSM или TETRA и наоборот, из стандартов GSM или TETRA в протоколы передачи данных MODBUS-RTU и MODBUS-TCP.
Таким образом устройство сбора и передачи данных обеспечивает взаимодействие между компонентами системы, в том числе между LORA устройствами 8 контроля и управления со SCADA-системой 12 телемеханики без необходимости задействования для этого удаленного сервера для конвертации данных из стандарта LoRaWAN в корпоративные стандарты связи. Использование такого устройства сбора и передачи данных для обеспечения сетевого соединения между LORA устройствами 8, дополнительными устройствами 9 и 10 контроля и управления и системой 12 телемеханики исключает необходимость организации двух параллельно функционирующих сетей обмена данными и управляющими сигналами с одной системой 12 телемеханики и тем самым упрощает и удешевляет организацию сети обмена данными между системой телемеханики и LORA устройствами 8, дополнительными устройствами 9 и 10 контроля и управления, функционирующими по разным стандартам связи.
Также, за счет локальной обработки данных контроллером 2 это устройство позволяет на 60-80% уменьшить задержку между отправкой LORA устройствами 8 данных и получением этих данных системой 12 телемеханики и задержку между отправкой с системы 12 телемеханики как данных, так и управляющих сигналов на LORA устройства 8, обеспечивая высокоскоростной обмен данными между ними. При этом в процессе эксперимента, проводимого в течение 7 дней, утраченных пакетов с данными или отсутствие обратной связи от LORA устройства 8 в виде датчиков и исполнительных механизмов обнаружено не было.
Таким образом достигается технический результат, заключающийся в создании универсального устройства сбора и передачи данных, обеспечивающего возможность преобразования данных из стандарта связи, используемого системой телемеханики, в стандарт связи LoRaWAN и наоборот, а также из стандарта связи используемого системой телемеханики в другой стандарт связи, используемый дополнительными устройствами контроля и управления и наоборот, и обеспечении возможности упрощения организации на его базе сети обмена данными и управляющими сигналами между системой телемеханики, LORA устройствами контроля и управления, функционирующими с использованием беспроводной связи стандарта LoRaWAN, и дополнительными устройствами контроля и управления на объекте, функционирующими с использованием других стандартов связи, тем самым расширяются функциональные возможности и улучшаются эксплуатационные характеристики устройства сбора и передачи данных.