МОДУЛЬНАЯ РАСПРЕДЕЛЕННАЯ УПРАВЛЯЮЩАЯ СИСТЕМА
MODULAR DISTRIBUTED CONTROL SYSTEM

Изобретение относится к устройствам для телеметрии и программного управления и может быть использовано в качестве системы контроля доступа, системы автоматизации зданий, охранной пожарной сигнализации, системы управления технологическими процессами, системы контроля целостности сооружений, системы контроля и управления энергетическими сетями и т.д.
Известна модульная инженерная система для энергетической установки с множеством взаимодействующих между собой частей установки, с выполняющими различные функции в общей для частей установки автоматизированной системе управления приборами автоматики, причем приборы автоматики связаны друг с другом и с управляющим блоком через шину данных, передающую важные для установки данные, в которой приборы автоматики в соответствии с технологической структурой установки объединены в работоспособные независимо друг от друга блоки, причем каждый работоспособный блок соответствует функциональной цепочке (1-n), охватывающей множество частичных функций, причем частичные функции функциональной цепочки связаны через общую линию данных, которая передает только важные для работоспособного блока данные, причем каждая частичная функция охватывает множество подсистем с управляемыми компонентами установки (см. заявка RU 94021650, кл. G05B 15/02, опубл. 20.12.1997). Недостатками данной системы являются сложность настройки, узость функциональных возможностей, ограничивающая разнообразие периферийного оборудования, и низкая надежность контроля состояния объекта и управления исполнительными устройствами.
Известна модульная инженерная система контроля и управления технологическими процессами, содержащая персональную электронную вычислительную машину (ПЭВМ) и группу взаимодействующих с ней объединенных между собой цифровым интерфейсом контроллеров, соединенных через локальную вычислительную сеть между собой, каждый из которых связан с периферийным оборудованием в одной из зон комплекса, включающим датчики, а также исполнительные устройства и оповещатели, объединенные через локальную вычислительную сеть рабочие станции и серверы на базе ПЭВМ, при этом каждый контроллер содержит модуль центрального процессора, предназначенный для управления функциональными модулями и исполнительными механизмами, и функциональные модули с конфигурируемой структурой, предназначенные для обработки сигналов от датчиков и формирования сигналов управления исполнительными механизмами, соединенные через системную шину VME-bus, причем функциональный модуль с конфигурируемой структурой содержит схему интерфейса VME-bus, мезонины ввода и мезонины вывода переменного количества и структуры, соединенные через первую группу разъемов со схемой обработки сигналов и управления, а через вторую группу разъемов - с внешними входами и выходами функционального модуля, соответственно, для подключения внешних датчиков и исполнительных механизмов (см. патент RU 2279117, G05B 15/02, опубл. 27.06.2006). Недостатками данной системы являются сложность настройки, узость функциональных возможностей из-за того, что он имеет фиксированные параметры настройки, не допускающие изменение конфигурации без перезагрузки, и низкая надежность управления исполнительными устройствами, так как системные ресурсы не разделяются на различных уровнях, что и приводит к конфликтам, а также громоздкость и неоправданная сложность.
Наиболее близкой к предлагаемому изобретению по технической сущности является модульная распределенная управляющая система, включающая взаимодействующие между собой контроллеры и группы периферийного оборудования с датчиками и исполнительными устройствами, оснащенными микроконтроллерами (см. патент RU 85010, кл. G06F 9/00, опубл. 20.07.2009). Недостатком известной системы является то, что каждый из указанных контроллеров на самом деле может обслуживать только логически ограниченный объект, например, помещение с одной дверью, одним датчиком температуры и т.п. и не в состоянии напрямую обмениваться данными с другими контроллерами, а следовательно, система получается не автономной, громоздкой, дорогой, ограниченной по функциям и неудобной при интеграции в автоматическую систему управления более высокого уровня.
Задачей изобретения является устранение указанных недостатков. Технический результат заключается в повышении надежности и расширении функциональных возможностей системы. Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что модульная распределенная управляющая система, включающая взаимодействующие между собой контроллеры и группы периферийного оборудования с датчиками и исполнительными устройствами, оснащенными микроконтроллерами, снабжена материнским устройством, содержащим ЭВМ, источник питания, а также подсистему внешнего ввода-вывода типа Ethernet или USB, или Wi-Fi, или G3 или G4 и подсистему внутреннего ввода-вывода, при этом указанные контроллеры установлены на внутреннюю шину ввода-вывода материнского устройства и взаимодействуют с подчиненными микроконтроллерами каждый через собственную помехоустойчивую шину с обособленным адресным пространством.
На чертеже представлена схема предлагаемой управляющей системы.
Аппаратная архитектура модульной распределенной управляющей системы состоит, по сути, из трех уровней:
ый
го
1 уровень представляет собой материнское устройство, содержащее ЭВМ, источник питания, а также подсистему внешнего ввода-вывода типа Ethernet или USB или Wi-Fi или G3 или G4 и подсистему внутреннего ввода-вывода для подключения оборудования 2 уровня, встроенную в ЭВМ (материнская ЭВМ может быть оснащена часами для обеспечения автономного переключения режимов работы по заданному алгоритму);
ой
го
2 уровень представляет собой совокупность зональных и специальных контроллеров (на чертеже - К1, К2…Kn), установленных на внутреннюю шину ввода-вывода материнского устройства и содержащих микро ЭВМ, интерфейс с шиной ввода-вывода материнского устройства и интерфейс ввода-вывода помехоустойчивой шины для подключения микроконтроллеров 3 уровня;
ий
3 уровень представляет собой совокупность микроконтроллеров, монтируемых непосредственно на датчики и исполнительные устройства периферийного оборудования (оконечные устройства).
Все контроллеры и ЭВМ имеют стандартную комплектацию: процессор, систему ввода-вывода, постоянную, оперативную и энергонезависимую память.
Программная архитектура также разделена на 3 уровня, соответствующих аппаратным:
ый
1 уровень - операционная система, включающая пользовательский интерфейс, визуальный интерпретатор сценариев, подсистему обмена сообщениями с устройствами низшего уровня, подсистему обмена сообщениями с устройствами высокого уровня, подсистему ввода-вывода (I/O);
ой
2 уровень - программное обеспечение зональных и специальных контроллеров (микро ЭВМ), включающее подсистему ввода-вывода (I/O), подсистему обмена сообщениями с устройствами высшего уровня, подсистему обмена сообщениями с устройствами низшего уровня, подсистему исполнения сценариев;
ий
3 уровень - микрокод для управляющих/контролирующих микроконтроллеров.
го
го
го
Таким образом, в изобретении предлагается все различия в функциональном назначении периферийного оборудования опустить на уровень адресных микрочипов, а контроллеры сделать аппаратно идентичными, реализовав их специфические функции на программном уровне. Более того, объединение их общей шиной дает возможность свободного обмена информацией, реализации совместных сценариев, замены функций контроллеров при неисправностях и перегрузках и т.д. При этом все указанные манипуляции осуществляются путем загрузки в i-ый контроллер 2 уровня программного обеспечения и/или сценариев из j-ого контроллера. Материнское устройство 1 уровня необходимо для того, чтобы можно было подать команду на изменение конфигурации системы, то есть материнское устройство служит банком сценариев, хранилищем накопленной информации и приемопередатчиком системы в целом (для связи с пользователем или системой автоматического управления более высокого уровня). При этом материнское устройство для работы контроллеров 2 уровня не критично: те функции и сценарии взаимодействия, которые обусловлены уже установленным программным обеспечением, они могут выполнять самостоятельно. Материнское устройство необходимо только тогда, когда надо сменить режим работы, передать наверх информацию, скоординироваться с пользователем или другими автоматическими системами управления и т.п.
В результате образуется как бы единая ЭВМ, в некотором роде вычислительная сеть, но архитектурно приспособленная к задачам автоматической системы управления, разделенная на множество аппаратно-идентичных и автономных модулей, каждый из которых способен выполнять уникальную функцию, заданную программно, что позволяет повысить надежность и производительность системы. Возможности такой архитектуры обширны. Например, посредством шины в одной сети могут быть установлены адресные микрочипы, стоящие на турникетах, и встроенные в датчики задымления. Система позволяет посредством одной команды на материнском устройстве перестроить всю систему на СКУД, оперативно увеличив количество пропускных пунктов, например, за счет временного ограничения функции пожарной сигнализации, отдав ее контроллеры в СКУД. Можно также сделать так, чтобы по сигналу пожарной сигнализации СКУД переходила из режима "проверять на вход" в режим "эвакуация".
В предпочтительном варианте исполнения система представляет собой настенный либо промышленный 19-дюймовый конструктив, дополняемый необходимыми модулями и управляющий оконечными устройствами посредством внешних микроконтроллеров, подключаемых к основному конструктиву через помехоустойчивую шину. Пользовательский интерфейс основан на WEB-технологии и позволяет управлять системой, а также осуществлять ее настройку с помощью любого WEB-браузера, в том числе и с помощью сенсорного экрана. Интуитивность интерфейса, наличие готовых шаблонов конфигураций и сценариев, а также мастер конфигураций и сценариев позволяют осуществлять запуск и простое конфигурирование системы пользователю, не имеющему специальных навыков.
Достоинствами предлагаемой системы являются:
- гибкость аппаратной и программной платформы;
- универсальность применения;
- реализация функций, специфических для конкретной задачи, на программном уровне;
- наличие единого API для модификации и расширения программной части;
- осуществление монтажа и эксплуатации не требует наличия специальных навыков;
- законченность и автономность (при полном функционале не требуется управляющий сервер и т.п.);
- надежность, отказоустойчивость, вследствие отсутствия единой точки отказа;
- возможность изменения аппаратной и программной конфигурации без остановки всей системы;
- возможность удаленного управления.