УНИВЕРСАЛЬНЫЙ КОНТРОЛЛЕР УПРАВЛЕНИЯ

Полезная модель относится к энергосберегающим системам освещения и может быть использована для автоматизированного управления сетями наружного и цехового освещения.
В настоящее время существует проблема разработки устройства для интеллектуального освещения различного целевого назначения на базе модульной программно-аппаратной платформы, включающего подсистемы, компоненты и программное обеспечение, обеспечивающего бесперебойное и эффективное функционирование программно-аппаратной платформы. С использованием платформы, состоящей из большого количества разнородных устройств, требующих постоянного управления и контроля и применения соответствующего архитектурного решения. Устройство должно обеспечивать функции управления, контроля и диагностики работы светильников, подключения электротехнического оборудования (аппараты защиты, контакторы и пр.).
Из уровня техники известен энергосберегающий беспроводной контроллер управления уличным освещением, устанавливаемый на столбе линии освещения, подключаемый к двум светильникам или к двум секциям одного светильника, содержащий GSM/GPRS-модуль с антенной, узел управления двумя сегментами светильника, два канала управления внешними объектами, связанные с узлом управления двумя сегментами светильника, микропроцессор, обеспечивающий обработку полученной информации с внешних объектов и управление GSM/GPRS-модулем, связанный с GSM/GPRS-модулем с антенной для непрерывной двусторонней связи с центром управления и обработки данных через Интернет, узлом управления двумя сегментами светильника на столбе. Контроллер подобного типа обеспечивает экономию электроэнергии в сетях уличного освещения и автоматическое управление включением и выключением светильников на столбах освещения (RU 128813 U1, H05B 37/02, опубл. 27.05.2013).
Недостатком данной полезной модели является то, что представленный блок управляет только двумя отходящими линиями, что может создавать несимметрию токов в трехфазных сетях питания, обусловленную неравенством нагрузки по фазам (перекос фаз), и негативно сказываться на качестве питания в линиях освещения.
Известен блок автоматизированного управления освещением с возможностью адресного управления каждым светильником, содержащий программируемый GSM-модуль использующий его как основной канал связи и основной логический модуль, имеющий каналы мониторинга состояния питающего оборудования, отличающийся наличием влаго- и пылезащитного корпуса с двумя встроенными интерфейсами RS485, основной и резервной SIM-картами и раздельными платами логики и ввода-вывода (RU 175522 U1, опуб. 07.12.2017, G05B 11/32).
Наиболее близким техническим решением является известный из патентного документа CN 102316639 А (МПК G08C 17/02; H05B 37/02, опубл.11.01.2012) контур дистанционного переключения на основе контроллера службы пакетной радиосвязи (GPRS), который в основном состоит из контроллера GPRS, переключателя управления уличным фонарем или уличных фонарей, при этом контроллер GPRS, переключатель управления и уличные фонари соединены последовательно, выключатель управления уличным фонарем также соединен с источником питания, кроме того, уличный фонарь соединен с заземляющим проводом. Петля удаленного переключения имеет то преимущество, что благодаря встроенному мониторингу контроллера GPRS одновременно выполняются требования к городскому ландшафтному освещению или уличным фонарям, а время освещения лампы эффективно сокращается, поэтому экономится большое количество электроэнергии.
Недостатком данных технических решений является невозможность подключения российских приборов учета электроэнергии, что неприемлемо для применения на территории Российской Федерации, а также отсутствие резервных каналов связи, что плохо применимо на территориально отдаленных участках или при возникновении проблем у одного из операторов сотовой связи, что может привести к отсутствию контроля и управления таким блоком.
Задачей заявленной полезной модели является разработка контроллера управления с системой исполнительных устройств, обеспечивающего функции управления, контроля и диагностики работы светильников и электротехнического оборудования.
Технический результат заявленной полезной модели заключается в обеспечении экономии электроэнергии и ресурса светильников, непрерывного дистанционного и автоматического управления различными режимами и разным оборудованием, таким как кондиционирование, отопление, управление сервоприводами жалюзи или штор, интеграция пропускной системы объекта, получение потокового видеоканала с камер наблюдения, управление освещением и архитектурной подсветкой.
Технический результат достигается тем, что универсальный контроллер управления содержит корпус, в котором установлены функционально связанные между собой мультиконтактная шина с протоколом CAN, модуль управления, модуль расширения DALI, включающий в себя блок управления по протоколам DALI/DALI 2.0, модуль связи с каналом Ethernet 100/1000, преобразователи питания, встроенный накопитель и модуль расширения PLC, включающий вычислительный блок, блок связи с универсальным контроллером управления, блок контроля функционирования и блок индикации.
В частном случае выполнения универсальный контроллер может содержать модуль расширения NB-IoT.
Устройство поясняется графической частью:
Фиг. 1 - блок-схема заявленного устройства, изометрия;
Фиг. 2 - общий вид заявленного устройства.
Универсальный контроллер управления сконструирован следующим образом. В корпусе 3 установлены функционально связанные между собой мультиконтактная шина 4 с протоколом CAN, модуль 2 управления, модуль 1 расширения DALI, включающий в себя блок 11 управления по протоколам DALI/DALI 2.0, модуль 5 связи с каналом Ethernet 100/1000, преобразователи 6 питания, встроенный накопитель 8 и модуль 9 расширения PLC, включающий вычислительный блок, блок 10 связи с универсальным контроллером управления, блок контроля функционирования 7 и блок индикации 12.
В частном случае выполнения универсальный контроллер может содержать модуль расширения NB-IoT.
Заявленный универсальный контроллер управления может быть выполнен в пластиковом корпусе с креплением на DIN-рейку. Для присоединения проводов и организации разъемного электрического соединения используются разъемные клеммники, что обеспечивает удобный монтаж, простой демонтаж и замену блока. Питание контроллера управления освещением осуществляется напряжением питания постоянного тока 24 В ± 10% через преобразователь питания. Контроллер автоматизированного управления освещением имеет ряд универсальных изолированных входов-выходов, которые имеют защиту от перенапряжения, часть из которых могут быть сконфигурированными как выходы. Входы могут использоваться для подключения датчиков типа «сухой контакт» или служить дискретными входами сетевого напряжения. Выбор одной из трех функций универсальных входов-выходов осуществляется на этапе сборки печатной платы установкой соответствующих электронных компонентов. Этим достигается удовлетворительная гибкость, позволяющая исключить необходимость разработки и модернизации аппаратной части.
Контроллер управления объединяет в себе ряд решений, позволяющих значительно повысить работоспособность системы за счет исполнения блока на основе модульной платформы с соединением между компонентами по мультиконтактной CAN-шине. Контроллер управления позволяет подключить до 10 модулей расширение различного целевого назначения для объединения в системе управления всех инженерных систем объекта управления. Питание контроллера обеспечивается от внешнего источника питания на 24В ± 10%, что подразумевает защиту от скачков напряжения питающей сети.
Разделение на различные модули расширения позволяет устройству оставаться работоспособным при превышении номинального напряжения в несколько десятков раз. Даже при физическом выходе из строя платы ввода-вывода (включая возгорание), отдельная плата логики остается работоспособной и позволяет передать диспетчеру информацию о критическом состоянии объекта.
Качественная связь контроллера управления обеспечивается подключением через кабель канал Ethernet 100/1000. Это позволяет оставаться на связи с сервером и диспетчерским пунктом при полном отказе в работоспособности одного из сотовых операторов. Так же при обрыве или потере связи по кабель каналу Ethernet 100/1000 система остается работоспособной и продолжает работу в автономном режиме по предустановленным алгоритмам.
Контроллер подключается к однофазным и трехфазным приборам измерения электроэнергии (электросчетчикам) по интерфейсу RS-485 с поддержкой стандартных протоколов производителей электросчетчиков. Также с помощью модулей расширения возможно подключение различных приборов учета ЖКХ (водоснабжение, газ) для сбора данных и ведения технического учета.
Дистанционное управление модулями освещения осуществляется с помощью подключения по проводной линии с одновременной передачей питающего напряжения и сигналов управления по силовым проводам (PLC), обеспечивает высокую помехоустойчивость без использования радиочастотного диапазона. Небольшой объем передаваемых данных позволяет использовать большое количество модулей на одной линии. Также PLC позволяет передавать диагностическую информацию с модулей освещения на контроллер в обратном канале связи.
Управление модулями освещения PLC осуществляется программной платформой комплекса (ПП ПАК) с поддержкой протокола MQTT-Sparkplug, обеспечивающего необходимый уровень надежности и информационной безопасности.
Предустановка модуля расширения DALI позволяет управлять освещением и различными приборами на основе протокола управления DALI 2.0 построение различных алгоритмов работы при помощи комбинированных датчиков движения и освещённости, настройка ручного управления по месту с помощью настенных панелей управления, осуществление индивидуального или группового диммирования устройств освещения.
Дополнительно контроллер может содержать модуль расширения NB-IoT осуществляющий беспроводную передачу данных по стандарту сотовой связи для устройств с низкими объёмами обмена данными LTE Cat NB1. Таким образом возможно построение большого объема групп управления типа «звезда» без использования кабелей управления и кабель канала Ethernet 100/1000.
Станция LoRa является модулем расширения для обеспечения управления освещением и сбора данных с устройств LoRa по радиоканалу в безлицензионном радиочастотном диапазоне 863-870/873 МГц. LoRa обеспечивает передачу на большие расстояния с низким энергопотреблением. Скорость передачи данных может достигать от 0,3 кбит/с до 27 кбит/с в зависимости от коэффициента расширения.
Модуль расширения аналоговый и модуль расширения дискретный имеют несколько входных сигналов и позволяют производить мониторинг состояния силовой части и элементов шкафа управления, таких как напряжение на линии, контакты состояния. А также осуществлять управления силовыми аппаратами щитов питания оборудования.
Модуль расширения PLC включает вычислительный блок, блок связи с универсальным контроллером управления.
Контроллер управления разделен на логическую часть и часть входов-выходов, что обеспечивает гальваническую развязку от сети, увеличение защиты от перенапряжения и наводок от грозовых разрядов, а также повышение ремонтопригодности и упрощение модернизации устройства в дальнейшем.
Для подключения счетчиков и различных блоков расширения в блоке автоматизированного управления освещением используется 2 интерфейса RS-485 с изоляцией и защитой от электростатического разряда и перенапряжения.
Модуль управления работы блока автоматизированного управления запрограммирован с помощью вычислительного модуля системы на базе архитектуры Эльбрус.
В заявленном контроллере управления осуществляется передача диагностической и прочей информации о состоянии подсистемы и подключенного оборудования. Производится защита передаваемой информации от универсального контроллера управления в программное обеспечение верхнего уровня от несанкционированного доступа. Обеспечивается отсутствие возможности чтения, содержимого встроенного ПО, возможность использования авторизации пользователей и устройств (логин/пароль, использование криптопротоколов SSLv3/TLS1.1, использование алгоритмов выработки и проверки ЭЦП, использование алгоритмов шифрования AES-128/192/256, поддержка криптопротоколов, ЭЦП и алгоритмов шифрования за счет программной реализацией и/или использованием микроконтроллера для СКЗИ  MIK51SC72D.
В контроллере управления предусмотрено использование проводного соединения, что увеличивает надежность работоспособности. В контроллере управления освещением предусмотрены следующие виды индикации: обмена по интерфейсу RS-485, наличия внешнего питания. Силовые провода подключаются к разъемам на плате I/O Board. Это позволяет изолировать плату Logic Board от высокого напряжения, поступающего по подключенным проводам как гальванически, так и физически, что снижает вероятность выхода из строя платы Logic Board при нештатной ситуации. Включение устройства производится за счет подачи напряжения на клеммы питания. Встроенный блок питания обеспечивает работу электронных схем.
Микроконтроллер включает систему и обеспечивает управление выходами и контроль входов на плате ввода-вывода.  Для работы контроллера управления в сети Ethernet 100/1000 кабель подключается к сети. При появлении напряжения питания или при пропадании питания, а также при изменении любого из сигналов контроллер управления регистрирует изменение, формирует событие и при наличии связи выполняет его отправку на встроенный накопитель (8). Отправка системных событий и событий данных может выполняться на удаленный сервер с контролем доставки, что обеспечивает целостность информации. Таким образом, исключается потеря событий при штатной работе в случае пропадания питания.
При автономной работе контроллер управления выполняет все команды по заданному заранее расписанию с помощью блока функционирования. Для удаленного управления предусмотрен механизм выполнения задач, которые ставятся в ПО сервера сбора. Так, инженерный или оперативный персонал может ставить задачи блоку автоматизированного управления освещением на сервере сбора и наблюдать за результатом их выполнения.
Универсальный контролер обеспечивает управление различными типами устройств с различными протоколами обмена данных за счет подключения модулей расширения различного назначения по CAN-шине. Осуществляет передачу данных во внешнее программное обеспечение с расширенным функционалом мониторинга и контроля оборудования. Использование корпуса с мультиконтактной CAN-шиной обеспечивает простой монтаж и беспроводное подключение дополнительных модулей расширения. Универсальный контроллер управления позволяет управлять такими системами как кондиционирование, отопление, управление сервоприводами жалюзи или штор, интеграция пропускной системы объекта, получение потокового видеоканала с камер наблюдения, управление освещением и архитектурной подсветкой.