Система мониторинга и самодиагностики промышленных весоизмерительных систем и способ ее реализации
SYSTEM FOR MONITORING AND SELF-DIAGNOSTICS OF INDUSTRIAL WEIGHING SYSTEMS AND METHOD FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к системам удаленного мониторинга и диагностики технического состояния весоизмерительной техники среднего и выше классов точности, предназначенной для взвешивания автомобильных и железнодорожных транспортных средств, а также для других типов весов. Используемые в настоящее время в Российской Федерации весоизмерительные комплексы, предназначенные для взвешивания автомобильных и железнодорожных транспортных средств, а также другие типы весов, доступ к которым при проведении контроля и технического обслуживания осложнен, нуждаются в метрологическом контроле, который производится на стадии установки комплекса, а также в процессе его эксплуатации, что обеспечивает контроль его технического состояния и достоверность результатов измерений, но требует значительных ресурсных затрат.
Известна полезная модель «Автомобильные весы» по патенту RU 89224 С1, МПК G01G 19/02, опубл. 27.11.2009 г. В описании этой полезной модели раскрыта конструкция автомобильных весов для использования в составе мобильного весоизмерительного комплекса для взвешивания колесных транспортных средств. Согласно этой полезной модели, весы содержат арочную весовую платформу, опирающуюся на тензорезисторные датчики, установленные на опорных плитах с фиксирующими элементами, выходы тензорезисторных датчиков подключены к блоку измерения и индикации, в которых весовая платформа выполнена состоящей из двух секций, зеркально-симметричных относительно вертикальной плоскости, проходящей через номинальную линию движения автомобилей по весам, каждая секция снабжена плоским основанием, соединительными элементами и стыковочными элементами, соединительные элементы одними концами прикреплены к основанию каждой секции на их смежных сторонах, на других концах соединительных элементов размещены стыковочные элементы, с возможностью фиксации во взаимно-смещенном положении, на опорных плитах фиксирующие элементы выполнены быстроразъемными, тензорезисторные датчики выполнены консольными, прикреплены к основаниям секций в вертикальной плоскости, проходящей через центр тяжести секции параллельно номинальной линии движения автомобилей по весам, жестко, а к опорным плитам через невыпадающие шаровые опоры с фиксацией.
Известна полезная модель «Весы для взвешивания в движении и статике с применением весовых модулей» по патенту RU 84540 U1, МПК GO 1С 9/00, опубл. 10.07.2009 г. В описании этой полезной модели раскрыта конструкция автомобильных весов для взвешивания железнодорожных объектов в движении и статике. Согласно этой полезной модели, весы содержат не менее чем один весовой модуль, установленный на жестком основании в виде двух опорных плит, установленных между шпалами под каждой колеей железнодорожного полотна и весовой контроллер, передающий данные на компьютер, в весах используется весовой модуль на основе консольных тензодатчиков, закрепленных к опорным плитам, а под каждой колеей железнодорожного полотна выполнено усиление под рельсом.
Известна система удаленного мониторинга объектов по патенту RU 2649542 С1, МПК G05B 23/00, G05B 19/048, G05B 17/02, G05B 13/04, G05B 1/04, G06F 3/00, G06N 7/06, опубл. 06.12.2016 г., принятая за прототип к системе мониторинга и самодиагностики промышленных весоизмерительных систем. Система прогностики и удаленного мониторинга (СПиУМ) состояния технических объектов, содержащая группу датчиков, связанных с объектом контроля и передающих информацию, о технологических параметрах упомянутого объекта, на первичные контроллеры, которые связаны с основным сервером АСУ ТП объекта контроля, предназначенным для накопления получаемых с контроллеров данных и последующей передачи упомянутых данных в зону нижнего уровня СПиУМ, содержащей, по меньшей мере, сервер нижнего уровня СПиУМ, из которой посредством сети передачи данных, данные технологических параметров объекта контроля передаются в зону верхнего уровня СПиУМ, которая содержит сервер верхнего уровня, выполненный с возможностью выполнения способа для удаленного мониторинга и прогностики состояния технологических объектов, передача данных от контроллеров в зону нижнего уровня СПиУМ осуществляется посредством ЛВС, передача данных от контроллеров в зону нижнего уровня СПиУМ осуществляется посредством ЛВС, передача информации посредством сети Интернет осуществляется через защищенный канал передачи данных, сервер верхнего уровня выполнен с возможностью передачи информации о состоянии объекта контроля на удаленные устройства пользователей, сервер верхнего уровня выполнен с возможностью передачи информации о состоянии объекта контроля на удаленные устройства пользователей
Известно изобретение «Intelligent condition-monitoring and fault diagnostic system for predictive maintenance)) по патенту США US 7882394B2, МПК G06F 11/30, опубл. 15.01.2013 г. В описании этого патента представлена технология мониторинга состояния и диагностики неисправностей для профилактического обслуживания, включающая функцию сбора данных, которая собирает хронологию выбранных переменных для одного или нескольких компонентов, функцию предварительной обработки, которая вычисляет заданные характеристики временных диаграмм, функцию анализа для оценки характеристик для генерации одной или нескольких гипотез о состоянии одного или нескольких компонентов и функцию рассуждений для определения состояния одного или нескольких компонентов из одной или нескольких гипотез.
Известно изобретение «Способ и система удаленного мониторинга объектов» по патенту RU 2649542 С1, МПК G05B 23/00, G05B 19/048, G05B 17/02, G05B 13/04, G05B 1/04, G06F 3/00, G06N 7/06, опубл. 06.12.2016 г., принятое прототипом способа. В описании этого патента раскрыт способ и система удаленного мониторинга технических объектов. Этот способ включает получение данных от объекта контроля; формирование эталонной выборки показателей работы объекта; построение матрицы состояния из компонентов точек эталонной выборки; построение эмпирических моделей прогностики состояния объекта на основании MSET метода; определение компоненты невязок; формирование статистической модели работы объекта за промежуток времени; определение предельного значения для статистической модели; определение разладки; анализ поступающей информации от объекта; определение степени отклонения показателей параметров объекта за промежуток времени; ранжирование вычисленных разладок; модифицирование эталонной выборки; обновление эмпирических моделей; формирование сигнала об отклонении параметра объекта на основании обновленной модели и определение состояния работы объекта. За счет чего обеспечивается прогнозирование отклонений в работе объекта контроля.
Однако ввиду вредных внешних и внутренних факторов, таких как механические деформации конструкции весоизмерительной платформы и фундамента, высокая влажность, температурные условия, химические факторы среды, вмешательство в работу весоизмерительного комплекса третьих лиц, его техническое состояние ухудшается и, как следствие, достоверность результатов измерений снижается, что является актуальной проблемой. Служба технического контроля объекта, в случае весоизмерительного комплекса которой является служба метрологического контроля, не имеет возможности отслеживания состояния объекта и проведения его непрерывного мониторинга и диагностики соответствия требуемым метрологическим показателям. Также проблемой является отсутствие в существующих системах и способах функции сбора данных из внешней информационной среды, что не позволяет выполнять поправку измеряемых параметров на внешние факторы и уточнять результаты измерений. Для передачи данных используется сеть Интернет, ОРС протокол, ЛВС Ethernet, Wi-Fi, GSM, WiMax или MMDS, что предполагает работу на канальном уровне модели OSI, это накладывает ограничения на использование новых каналов и сред передачи данных, а также нестабильных каналов. В результате, могут возникать ранние непредвиденные отказы в работе весоизмерительного комплекса, что снижает его надежность и необходимость дополнительных финансовых и временных затрат на восстановление его работоспособности.
Решением данной проблемы может стать использование системы и способа непрерывного мониторинга и самодиагностики весоизмерительной системы, что обеспечивает единство измерений и повышает их достоверность, позволяет отслеживать и контролировать техническое состояние объекта в процессе эксплуатации, фиксировать отклонения от априорных значений, принятых на момент поверки и предупреждать сбои, а также принимать решение о необходимости проведения мероприятий по предупредительному техническому обслуживанию и отладке.
Технический результат в части системы достигается за счет того, что система мониторинга и самодиагностики промышленных весоизмерительных систем, содержащая группу датчиков, связанных с объектом контроля и передающих информацию о технологических параметрах упомянутого объекта на первичный контроллер, который связан с основным сервером АСУ ТП объекта контроля, предназначенным для накопления получаемых с контроллеров данных и последующей передачи упомянутых данных в зону нижнего уровня системы контроля, содержащей, по меньшей мере, сервер нижнего уровня системы контроля, из которой посредством сети передачи данных, данные технологических параметров объекта контроля передаются в зону верхнего уровня системы контроля, которая содержит сервер верхнего уровня, выполненный с возможностью передачи информации о состоянии объекта контроля на удаленные устройства пользователей, объект контроля выполнен как грузоприемное устройство с весоизмерительной платформой и группой датчиков в виде тензодатчиков, к грузоприемному устройству подключен блок сбора данных и коммутации к которому подключен первичный контроллер в виде терминала, установленный с возможностью преобразования дискретного сигнала от тензометрических датчиков в результат измерения, и выводящий этот результат на дисплей терминала, соединенный с АСУ ТП объекта контроля и зоной нижнего уровня системы контроля, выполненной как система мониторинга и самодиагностики «цифровой паспорт» в виде программно-аппаратного комплекса или в виде программного обеспечения для персонального компьютера, установленные с возможностью запроса данных от терминала с дисплеем и внешней информационной системы, установленной с возможностью сбора, обработки и передачи данных технологических параметров объекта контроля зоне верхнего уровня системы контроля -облачному хранилищу данных, к которому подключена служба метрологического контроля, установленная с возможностью непрерывного контроля технического состояния объекта.
Технический результат в части способа достигается за счет того, что в способе мониторинга и самодиагностики промышленных весоизмерительных систем, включающий формирование априорной выборки показателей работы объекта, получение данных от объекта контроля, анализ поступающей информации от объекта, определение степени отклонения показателей параметров объекта за промежуток времени, формирование сигнала об отклонении параметра объекта на основании обновленной модели и определение состояния работы объекта передачей результатов мониторинга пользователю в виде рекомендаций по эксплуатации весоизмерительного комплекса или о необходимости его обслуживания, формируют выборку показателей работы объекта путем получения априорных эталонных поверочных значений «цифрового двойника» измерительного комплекса, в виде набора контрольных значений, записанных на момент проведения поверки; получение данных от объекта контроля, которым является весоизмерительный комплекс, заключается в получении набора данных о нагрузках и положении в пространстве датчиков и весоизмерительной платформы в режиме реального времени; проводят первичную интерпретацию полученных данных о нагрузках, действующих на весоизмерительную платформу с накоплением пороговых значений в энергонезависимой памяти устройства; передают предварительно обработанные данные на терминал, получают результат измерения полной массы взвешиваемого транспортного средства; от внешней информационной системы получают данные о параметрах окружающей среды, влияющих на результаты измерений весоизмерительного комплекса; проводят сбор и обработку данных системой мониторинга и самодиагностики «цифровой паспорт», которую реализуют в виде программно-аппаратного комплекса, или в виде программного обеспечения для персонального компьютера; полученные данные передают на облачное хранилище по транспортной сети IoT через протоколы IoT «MQTT», «СоАР», «AMQP», «ХМРР», «DDS», «JMS», «НТТР», «iBeacon»; анализ поступающей информации от объекта проводят путем обработки на облачном хранилище; определяют степень отклонения показателей параметров объекта за промежуток времени, контролируя техническое состояние весоизмерительного комплекса путем сравнения получаемых в режиме реального времени действительных значений и получаемых при поверке априорных значений. Практическая применимость заявляемого изобретения и его техническая сущность раскрывается ниже следующим описанием и поясняется чертежом, где:
Фиг. 1 - представлена структурная схема системы мониторинга и самодиагностики промышленных весоизмерительных систем;
Фиг. 2 - представлена схема реализации способа мониторинга и самодиагностики промышленных весоизмерительных систем;
Система мониторинга и самодиагностики промышленных весоизмерительных систем содержит грузоприемное устройство 1, включающее весоизмерительную платформу 2, с тензодатчиками 3. К грузоприемному устройству 1 подключен блок сбора данных и коммутации 4, к которому подключен терминал 5, установленный с возможностью преобразования сигнала от тензометрических датчиков 3 в результат измерения нагрузок. К терминалу 5 подключена система мониторинга и самодиагностики «цифровой паспорт» 6, реализуемая в виде программно-аппаратного комплекса 7 или установленная и реализуемая в виде программного обеспечения для персонального компьютера 8, установленные с возможностью запроса данных от терминала 5 и внешней информационной системы 9, содержащей данные о температуре окружающей среды, влажности, динамических нагрузках и других факторах, влияющих на результат измерения, а также с возможностью их сбора, обработки и передачи на облачное хранилище 10 данных измерений и априорных поверочных значений, к которому подключена служба метрологического контроля 11, позволяющая проводить непрерывный контроль технического состояния объекта. Также к облачному хранилищу 10 подключено удаленное устройство пользователя 12, позволяющее передавать результаты мониторинга пользователю в виде технических рекомендаций.
Система мониторинга и самодиагностики промышленных весоизмерительных систем работает следующим образом. Взвешиваемое автомобильное или железнодорожное транспортное средство въезжает на весоизмерительную платформу 2 грузоприемного устройства 1, в это время тензодачики 3 воспринимают нагрузки, действующие от взвешиваемого транспортного средства на весоизмерительную платформу 2, а через единый блок сбора данных и коммутации 4 производят подключение электрического питания к тензодатчикам 3 и выполняют их параллельный опрос с преобразованием действующих нагрузок в сигнал, передаваемый в непрерывном режиме по проводному каналу на терминал 5, где на основании известных заложенных в него алгоритмов, с возможностью расчета полной нагрузки, которая определяется в зависимости от нагрузок по тензодатчикам 3, производят и преобразование получаемых данных в результат измерения веса взвешиваемого транспортного средства. Далее данные о нагрузках, действующих на весоизмерительную платформу, а также о весе взвешиваемого транспортного средства от терминала 5 могут передаваться по проводной сети Ethernet, RS-232, RS-432, RS-485 или USB системе мониторинга и самодиагностики «цифровой паспорт» 6, реализуемой в виде программно-аппаратного комплекса 7, или в виде программного обеспечения для персонального компьютера 8, имеющих идентичные функциональные возможности, направленные на запрос, получение и передачу данных. Одновременно система мониторинга и самодиагностики «цифровой паспорт» запрашивает данные от внешней информационной системы 9, такие как температура окружающей среды, влажность, динамические нагрузки на весоизмерительную платформу и другие факторы, влияющие на результаты измерений тензодатчиков 3. Полученные системой данные о нагрузках на весоизмерительную платформу, а также данные от внешней информационной системы 9 по беспроводному каналу связи в непрерывном режиме передаются на облачное хранилище данных измерений и априорных поверочных значений 10 по защищенной транспортной сети IoT с протоколами уровня приложений стека IoT существующей модели OSI, через протоколы IoT «MQTT», «СоАР», «AMQP», «ХМРР», «DDS», «JMS», «НТТР», «iBeacon», где при помощи встроенного программного обеспечения, представляющего собой базу данных, хранящую априорные эталонные поверочные значения, а также получаемые в непрерывном режиме действительные значения измерений тензодатчиков 3, с использованием известных алгоритмов обрабатывают, производят их уточнение по данным от внешней информационной системы 9 и определяют сходимость получаемых действительных и априорных эталонных поверочных значений. Далее в непрерывном режиме результаты сравнения получает служба метрологического контроля 11, подключенная к облачному хранилищу 10, которая проводит непрерывный мониторинг состояния весоизмерительного комплекса и в случае выявления отклонений в его работе, пользователю на удаленное устройство отправляется соответствующая информация, а также передаются технические рекомендации по устранению возникших проблем.
Способ мониторинга и самодиагностики промышленных весоизмерительных систем включает получение априорных эталонных поверочных значений «цифрового слепка» измерительного комплекса, в виде набора априорных значений, записанных на момент проведения поверки, получение набора данных о нагрузках, действующих на весоизмерительную платформу в режиме реального времени от средства измерения; первичную интерпретацию и предварительную обработку полученного сигнала с накоплением пороговых значений; передачу предварительно обработанных данных на терминал, их преобразование в результат измерения полной массы взвешиваемого транспортного средства; получение данных от внешней информационной системы, таких как температура окружающей среды, влажность, динамические нагрузки на весоизмерительную платформу и других факторах, влияющих на результаты измерений тензодатчиков; сбор и обработку данных системой мониторинга и самодиагностики «цифровой паспорт», реализуемой в виде программно-аппаратного комплекса, или в виде программного обеспечения для персонального компьютера, имеющих идентичные функциональные возможности, направленные на запрос, получение и передачу данных; передачу полученных данных на облачное хранилище данных измерений и априорных поверочных значений по транспортной сети IoT через протоколы IoT «MQTT», «СоАР», «AMQP», «ХМРР», «DDS», «JMS», «НТТР», «iBeacon»; обработку данных на облачном хранилище; контроль технического состояния промышленных весоизмерительных систем путем сравнения получаемых в режиме реального времени действительных значений и получаемых при поверке априорных значений, который может осуществляться производителем, а также метрологической службой; передачу результатов мониторинга пользователю в виде рекомендаций по эксплуатации весоизмерительного комплекса или о необходимости его обслуживания.
В результате, за счет того, что способ обеспечивает непрерывный мониторинг технического состояния, а при передаче получаемых данных на облачное хранилище используется защищенная транспортная сеть IoT с протоколами уровня приложений стека IoT существующей модели OSI, а в системе присутствует служба метрологического контроля, обеспечивается непрерывное отслеживание и мониторинг состояния объекта, а также диагностика соответствия весоизмерительного комплекса требуемым метрологическим показателям.
Предлагаемое техническое решение совокупностью существенных признаков обеспечивает способ и систему непрерывного мониторинга состояния и самодиагностики промышленных весоизмерительных систем, что обеспечивает единство измерений, повышает достоверность измерений и позволяет на ранней стадии отслеживать возникающие отклонения и предупреждать сбои, а в случае их возникновения своевременно проводить отладку, что в конечном счете снижает затраты при эксплуатации весоизмерительного комплекса и повышает его надежность.