Универсальный модульный IoT-контроллер для системы глобального мониторинга и управления энергопотреблением

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к обработке цифровых данных с помощью электрических устройств, представляющих собой соединение запоминающих устройств, устройств ввода-вывода, устройств центрального процессора, устройств передачи информации или других сигналов между этими устройствами, и предназначенных для использования в системах глобального мониторинга и управления энергоресурсами на основе IoT-технологии.
Далее в настоящем описании и формуле, основанной на описании, используются следующие термины:
«IoT» - Интернет вещей (Internet of Things),
«I-вещь» - интернет-вещь,
«энергоданные» - числовые значения, характеризующие количественные и качественные показатели потребления, выработки, транспортировки и хранения различных видов энергетических ресурсов,
«IoT-управление» - управление посредством технологий Интернета вещей;
(см., например: Росляков А.В. Интернет вещей: учеб. пособие / А.В. Росляков, С.В. Ваняшин, А.Ю. Гребешков. - Самара: ПГУТИ, 2015. - 200 с., которое опубликовано на http://eclib.psuti.ru).
Уровень техники
Известен контроллер, содержащий брызгозащищенный корпус с кросс-платой, которая является объединяющим узлом, посредством которого обеспечивается электрическая коммутация сигнальных и питающих цепей в котроллере и подключение внешних цепей от соединителей, модуль источника вторичного электропитания, вырабатывающий вторичные напряжения, необходимые для питания установленных в контроллер модулей, системный модуль, содержащий вычислительное ядро системы и необходимые устройства для выполнения основных функций изделия, дополнительные модули, работающие под управлением системного модуля, включающие модуль унифицированных сигналов, содержащий цифровой последовательный интерфейс для связи с системным модулем, модуль телеизмерений и телесигнализации, содержащий цифровой параллельный интерфейс для связи с системным модулем, модуль GSM-модема, содержащий цифровой последовательный интерфейс для связи с системным модулем, контроллер снабжен набором до 4--- дополнительных модулей с функциями модулей, оптимально подобранными для всех типоисполнений станций катодной защиты в пределах ограниченного ряда, а также встроенными в основной модуль цифровыми интерфейсами, необходимыми для всех исполнений станций катодной защиты и интерфейсом Ethernet (Патент RU № 64403, МПК G06F 17/00, опубликовано 27.06.2007 Бюл. № 18).
Признаки известного технического решения, являющиеся общими с заявленным, заключаются в наличии корпуса, кросс-платы, сигнальных и питающих цепей, источника вторичного питания, системного модуля с интерфейсом Ethernet, модуль GSM-модема.
Причина, препятствующая получению в известном техническом решении требуемого технического результата, заключается в том, что контроллер имеет ограниченные функциональные возможности, что не дает возможности использовать его в системах глобального мониторинга и управления энергоресурсами на основе IoT-технологии.
Наиболее близким аналогом (прототипом) является контроллер телемеханики, содержащий встроенные в общий корпус системный модуль, модуль питания, модули ввода-вывода, модуль связи, работающие под управлением системного модуля и объединяемые посредством кросс-платы, обеспечивающей электрическую коммутацию сигнальных и питающих цепей, а также подключение внешних цепей от первой группы соединителей, при этом контроллер также дополнительно содержит внешние модули ввода-вывода, подключенные к системному модулю по цифровому последовательному интерфейсу через вторую и третью группу соединителей, и соединенные с датчиками и исполнительными устройствами через четвертую группу соединителей. (Патент RU № 110198 U1, МПК G06F13/00, опубликовано 10.11.2011 Бюл. № 31).
Признаки известного технического решения, являющиеся общими с заявленным, заключаются в том, что он содержит встроенные в общий корпус системный модуль, модули ввода-вывода, модуль связи, работающие под управлением системного модуля и объединяемые посредством кросс-платы, обеспечивающей электрическую коммутацию сигнальных и питающих цепей, а также подключение внешних цепей.
Причина, препятствующая получению в известном техническом решении требуемого технического результата, заключается в том, что контроллер имеет сложную конструкцию и ограниченные функциональные возможности, что не дает возможности использовать его в системах глобального мониторинга и управления энергоресурсами на основе IoT-технологии.
Техническая проблема, на решение которой направлена заявленная полезная модель, заключается в необходимости расширения арсенала контроллеров за счет создания универсального модульного IoT-контроллера для систем глобального мониторинга и управления энергопотреблением на базе технологии IoT.
Раскрытие сущности полезной модели
Технический результат заключается в реализации указанного назначения: расширение арсенала контроллеров путем создания универсального модульного IoT-контроллера, характеризующегося возможностью контроля энергоданных, управления потреблением энергоресурсов как в автономном режиме, так и, преимущественно, в рамках центра глобального управления потреблением энергоресурсов на базе технологии IoT-управления. При этом заявленный контроллер относительно прототипа характеризуется более простой модульной конструкцией за счет, во-первых, выполнения модулем ввода-вывода функции кросс-платы контроллера, за счет, во-вторых, отсутствия в конструкции контроллера отдельного модуля его электропитания благодаря размещению элементов цепей электропитания как непосредственно на кросс-плате, так и на плате системного модуля, так что трансформатор этой цепи своим входом соединен с входной электросетью первого измерительного канала контроллера. Что касается универсальности контроллера, то она, с одной стороны, обеспечивается уже упомянутой возможностью работы контроллера автономно и в системе глобального IoT-управления, а с другой стороны, возможностью использования разных каналов взаимодействия контроллера с центром IoT-управления (прежде всего Ethernet, но также исходя из возможностей заказчика и на выбор заказчика: Wi-Fi, GSM/GPRS или LORA).
Достигается технический результат тем, что универсальный модульный IoT-контроллер для системы глобального мониторинга и управления энергопотреблением содержит встроенные в общий корпус и электрически связанные между собой системный модуль (2) и модуль ввода-вывода (1), работающий под управлением системного модуля (2), при этом модуль ввода-вывода (1) выполнен с возможностью измерений энергоданных и управления объектами энергопотребления и представляет собой кросс-плату, объединяющую системный модуль (2), снабженный разъемом Ethernet (22) и LAN адаптером (23) для связи контроллера с IoT-центром, упомянутый модуль ввода-вывода (1) и разъем для установки модуля связи (3), предназначенного для установления под управлением системного модуля (2) альтернативного канала радиосвязи контроллера с IoT-центром при помощи радиомодема Wi-Fi (29), GSM/GPRS (30) или LORA (31), при этом модуль ввода-вывода (1) содержит измерительные каналы для измерения параметров энергопотребления подключенных к этим каналам объектов энергопотребления, причем измерительные каналы включают блок согласования (4), подключенный к измерительной микросхеме (5), которая через блок гальванической развязки (6) подключена к информационным входам-выходам центрального процессора (15), входящего в состав системного модуля (2), твердотельное реле (7) для включения и выключения внешних приборов по командам центрального процессора (15), с которым указанные реле соединены посредством расширителя входов-выходов (14), дискретные входы (8), соединенные с информационными входами-выходами центрального процессора (15) через расширитель входов-выходов (14), для контроля состояния внешних приборов путем измерения входных дискретных сигналов, а также цепь электропитания контроллера, состоящую из последовательно соединенных трансформатора (9), выпрямителя (10) и стабилизатора напряжения (11), соединенного с входом питания расширителя входов-выходов (14).
Достигается технический результат также тем, что контроллер содержит модуль связи, установленный на кросс-плате в предназначенный для него разъем на этой плате, при этом модуль связи содержит разъемы для установки радиомодемов Wi-Fi, GSM/GPRS и LORA, а также блок идентификации радиомодема, при помощи которого с системным модулем соединен только один радиомодем, установленный на плате связи в предназначенный для него на этой плате разъем.
Новые признаки заявленного технического решения заключаются в выполнении модуля ввода-вывода. Новые признаки также заключаются в наличии и выполнении модуля связи.
Краткое описание чертежей
На прилагаемой фигуре показана функциональная схема универсального модульного IoT-контроллера для системы глобального IoT-управления и мониторинга энергопотребления (далее, - контроллер).
Осуществление полезной модели
Контроллер содержит встроенные в общий корпус модуль ввода-вывода 1, являющийся одновременно кросс-платой, стационарно установленный на кросс-плате системный модуль 2, а также установленный на кросс-плате разъем, предназначенный для установки на кросс-плате модуля связи 3 (корпус, кросс-плата как таковая и какие-либо разъемы на фигуре не показаны). При этом модуль ввода-вывода 1, системный модуль 2 и модуль связи 3 (если установлен) электрически связаны между собой через кросс-плату, так чтомодуль ввода-вывода 1 и модуль связи 3 (если установлен) работают под непосредственным управлением системного модуля 2.
Модуль ввода-вывода 1 выполнен с возможностью измерений параметров, связанных с энергопотреблением (энергоданных), и управления объектами энергопотребления. На прилагаемой фигуре показана (в том числе) функциональная схема возможного варианта выполнения этого модуля, а именно варианта, связанного с измерением параметров 3 фазных электрических линий питания различных I-вещей (объектов энергопотребления, т.е. энергопотребляющего оборудования технологических линий, подключенного к контроллеру, например, двигателей, насосов, компрессоров и др.).
Модуль 1 в данном конкретном варианте его выполнения содержит четыре измерительных канала (на фигуре показано два), каждый из которых включает последовательно включенные блок согласования 4, измерительную микросхему 5 и блок гальванической развязки 6. Каждый измерительный канал предназначен для измерения шести электрических параметров электропотребления одной определенной I-вещи (три напряжения и три тока в соответствие с тремя фазами сети электропитания I-вещи). При этом напряжение заводится непосредственно на кросс-плату, а ток - через трансформаторы тока. Блок согласования 4 предназначен для перевода высокого напряжения (220 В) в низкое, которое подается на измерительную микросхему 5, и перевода (при помощи шунтирующего резистора) большого тока в малый до 10 мА, который также подается на измерительную микросхему 5. В качестве измерительной микросхемы 5 используется выпускаемая промышленностью большая интегральная микросхема V9203 (производство Китая), предназначенная для измерения параметров трехфазных цепей. Она включает блоки для калибровки, измерения последовательности фаз, мгновенных и среднедействующих значений напряжений и токов, мощности (активной, реактивной, полной), блока расчета коэффициента мощности, память, цифровой интерфейс и другие. В качестве блока гальванической развязки 6 используется выпускаемая промышленностью интегральная микросхема ADUM 1401 BRW.
Модуль ввода-вывода 1 содержит, кроме того, расширитель входов-выходов 14, обеспечивающий передачу информации с множества его входов на один его выход и с одного его входа на множество его выходов (функция мультиплексирования и демультиплексирования). В качестве расширителя 14 используется выпускаемая промышленностью интегральная микросхема PCA 9555 PW.
Модуль ввода-вывода 1 содержит, кроме того, четыре твердотельных реле 7 (показаны два), каждое из которых представляет собой полупроводниковый ключ, предназначенный для включения и выключения внешних приборов по командам центрального процессора 15, с которым указанные твердотельные реле соединены посредством расширителя 14.
Модуль ввода-вывода 1 содержит, кроме того, четыре дискретных входа 8 (показаны два), каждый из которых представляет собой электрическую цепь согласования сигнала и измерительную интегральную логическую схему и предназначен для внешних подключенных устройств и датчиков с типом выхода «сухой контакт» или транзисторные ключи, а также контроля состояния внешних приборов и оборудования, в том числе выключателей, кнопок, концевых выключателей, контактов реле и т.д. путем измерения входных дискретных сигналов.
Модуль ввода-вывода 1 содержит интегрированную в модуль цепь электропитания контроллера (последовательно соединенные трансформатор 9, выпрямитель 10 и стабилизатор напряжения 11), а также интегрированный в модуль интерфейс RS-485 12, предназначенный для проводного подключения (до 1 км) внешних устройств с цифровым интерфейсом, блок гальванической развязки 13, посредством которого интерфейс 12 соединен с центральным процессором 15. При этом один из выходов стабилизатора 11 указанной цепи электропитания соединен с входом питания расширителя 14, а трансформатор 9 этой цепи соединен с одним из входов блока согласования 4 первого измерительного канала (данное соединение на фигуре не показано), что позволяет исключить из конструкции контроллера модуль питания как конструктивно обособленный модуль, что в свою очередь упрощает конструкцию контроллера и его эксплуатацию.
Каждое твердотельное реле 7 и каждый дискретный вход 8 через расширитель 14 соединены с соответствующими информационными входами-выходами центрального процессора 15. С информационными входами-выходами центрального процессора 15 также соединены через соответствующие блоки гальванической развязки 6 выходы измерительных микросхем 5 измерительных каналов, а также через блок гальванической развязки 13 входы-выходы интерфейса RS-485 12.
Конкретные варианты выполнения (модификации) модуля ввода-вывода 1 могут отличаться количеством измерительных каналов, функцией этих каналов исходя из видов контролируемой энергии потребления, наличием разного количества реле 7 и дискретных входов 8, разным их конструктивным выполнением или их отсутствием. Однако все возможные варианты выполнения (модификации) модуля ввода-вывода 1 содержат измерительные каналы, цепь электропитания (позиции 9,10,11), включая упомянутые соединения входящих в ее состав блоков 9 и 11, интерфейс RS-485 12 с блоком гальванической развязки 13 и расширитель 14.
Системный модуль 2 содержит центральный процессор 15 (32-х разрядная интегральная микросхема STM32), с которым  соединены два блока оперативной памяти 16, блок постоянной памяти 17, SD карта памяти 18, разъем программатора 19, разъем USB 20 через диодную защиту 21, разъем Ethernet 22 через LAN адаптер 23, блок светодиодных индикаторов 24, а также дополнительная цепь электропитания, включающая дополнительный стабилизатор 25, соединенный с выходом стабилизатора 11, аккумуляторную батарею 26, контроллер 27 заряда аккумуляторной батареи и регулятор напряжения 28, соединенный своим выходом с входом питания центрального процессора 15 и соответствующим контактом разъема для установки модуля связи 3. Блоки оперативной памяти 16 являются энергозависимыми, они предназначены для временного хранения переменных, массивов. Блок постоянной памяти 17 является энергонезависимым, он предназначен для хранения программы работы котроллера. SD-карта 18 предназначена для хранения архива; она является съемной. Разъем программатора 19 предназначен для подключения внешнего устройства для загрузки и отладки программы в процессе изготовления контроллера. Разъем 19 расположен на плате системного модуля 3 и недоступен пользователю; он предназначен для специалиста, осуществляющего загрузку и отладку программы. Разъем USB 20 через диодную защиту 21 соединен с центральным процессором 15. Разъем 20 предназначен для подключения внешнего компьютера с целью отладки и обновления программного обеспечения для центрального процессора, настройки и конфигурирования параметров работы устройства. Диодная защита 21 предназначена для предотвращения передачи возможных высоких напряжений и токов на внешний компьютер. Разъем Ethernet 22, соединенный с процессором 15 через LAN адаптер 23, предназначен для установления информационной (проводной) связи контроллера с IoT-центром. Блок 24 содержит множество соединенных с процессором 15 светодиодов, через которые осуществляется визуальная индикация работы котроллера. Дополнительная цепь электропитания (позиции 25-28) обеспечивает работу системного модуля 2 и модуля связи 3 (если установлен) в период временного отключения внешнего источника электроэнергии.
Модуль связи 3 предназначен для установления радиосвязи контроллера с IoT-центром, альтернативной проводной связи через разъем Ethernet 22. Данный модуль не является обязательным, так как в конструкции системного модуля 2 содержится упомянутый канал связи Ethernet. По этой причине в конструкции контроллера на кросс-плате установлен лишь разъем для установки модуля связи 3. При этом сам модуль связи 3 содержит три разъема для установки на модуль связи радиомодемов Wi-Fi, GSM/GPRS и LORA (позиции 29, 30, 31). Кроме того, модуль связи содержит постоянно установленный на этом модуле блок идентификации 32, предназначенный для идентификации радиомодема (одного из трех), предназначенного для установления радиосвязи контроллера с IoT-центром. При этом указанный блок 32 в его наиболее простом варианте исполнения представляет собой электрические перемычки, соединяющие только один радиомодем с процессором 15. В этом случае в корпусе контроллера на кросс-плате, одновременно являющейся модулем ввода-вывода, в соответствующий разъем установлен модуль связи 3 с тем радиомодемом (либо 29, либо 30, либо 31), который задан на блоке идентификации 32. Таким образом, потребителю могут быть поставлены контроллеры в трех вариантах комплектации: 1) без модуля связи 3, когда связь контроллера с IoT-центром может осуществляться только посредством Ethernet (позиции 22, 23); 2) с модулем связи 3, содержащим один радиомодем из возможных трех, так что поставщиком на блоке идентификации 32 предварительно задан фактически установленный радиомодем; 3) с модулем связи 3, содержащим все радиомодемы (позиции 29, 30, 32), с тем чтобы сам потребитель определил при помощи блока идентификации 32 тот радиомодем, который будет им фактически использоваться для связи с IoT-центром.
Использование контроллера заключается в следующем.
Юридическое лицо, являющееся собственником IoT-центра, заключает договора с клиентами центра на возмездное оказание услуг автоматизированного IoT контроля и управления потреблением энергоресурсов. При этом клиент может находиться в любом месте земного шара при условии доступа к сети Интернет посредством Ethernet или по одному из радиоканалов (Wi-Fi, GSM/GPRS, LORA). С этой целью каждый клиент приобретает в свою собственность и устанавливает на своих объектах, энергоданные которых подлежат контролю и управлению, множество контроллеров для формирования и соответствующих I-вещей. Каждая I-вещь представляет собой одно или множество потребляющего электроэнергию объектов, подключенного к контроллеру. Все эти объекты делят на группы, каждая из которых подключается к одному контроллеру. При этом к первому измерительному каналу (позиции 4, 5, 6) подключают общую линию трехфазного питания группы объектов, к которой также подключен трансформатор 9 цепи питания контроллера. К другим измерительным каналам (они на фиг. под теми же позициями 4, 5, 6) подключают трехфазные линии питания отдельных объектов энергопотребления, входящих в рассматриваемую группу. При необходимости в рамках рассматриваемой группы объектов также делают подключения к твердотельным реле 7 и дискретным входам 8 рассматриваемого контроллера.
Сформированные таким образом I-вещи оказываются включенными в систему глобального IoT контроля и управления, в рамках которой рассматриваемое множество образует нижний (клиентский) уровень системы, осуществляющей функцию глобального контроля и управления.
В зависимости от задач клиента ему могут быть предложены разные модификации контроллера для формирования разных наборов I-вещей в пределах заявленных патентных притязания. Ниже приведен типовой набор I-вещей, формируемых при помощи заявленного контроллера.
N Nп/п
ТипIoT-контроллера
Число каналов
Входы
Выходы
Примечания
1
Одноканальный трехфазный регистратор
1
U: L1..3, NI: ТТ1..3
1 DO
На каждый канал:- аналоговый вход для измерения напряжения между каждой фазой (L) и нейтралью (N);- аналоговый вход для измерения тока (с помощью трансформатора тока - TT) по каждой фазе;- 1 дискретный выход, реализованный на базе твердотельного релеИзмерения:действующие значения тока и напряжения; полная, активная и реактивная мощности; коэффициент мощности; суммарная энергия; частота сети; коэффициент гармонических составляющих; коэффициент искажений по току; несимметрия тока
2
Четырехканальный трехфазный регистратор
4
4 U: L1..3, N4 I: ТТ1..3
4 DO
3
Одноканальный однофазный регистратор
1
4 U: L, N4 I: ТТ
4 DO
4
Четырехканальный однофазный регистратор
4
4 U: L, N4 I: ТТ
4 DO
5
Восьмиканальный однофазный регистратор
8
8 U: L, N8 I: ТТ
8 DO
6
Одноканальный диммер
1
2 AI
1 AO
На каждый канал:- 2 аналоговых входа (0-10в / 0-20 мА / 4-20 мА);- 1 выход для управления нагрузкой от 0 до 2 кВт;Измерения:действующие значения тока и напряжения; полная, активная и реак9тивная мощности; суммарная энергия
7
Четырехканальный диммер
4
8 AI
4 AO
8
Восьмиканальный диммер
8
16 AI
8 AO
9
Одноканальный релейный модуль
1
2 DI
1 DO
На каждый канал:- 2 дискретных входа (12-24В);- 1 выход для управления нагрузкой до 2 кВт, реализованный на базе твердотельного релеИзмерения:действующие значения тока и напряжения; полная, активная и реактивная мощности; суммарная энергия
10
Четырехканальный релейный модуль
4
8 DI
4 DO
11
Восьмиканальный релейный модуль
8
16 DI
8 DO
12
ИК-трансивер
1
1 IR
4 DO
ИК приемопередатчик (угол передачи команд по вертикали/горизонтали - 900)4 дискретных выхода, реализованных на базе твердотельного реле
13
Одноканальный универсальный контроллер
1
1 AI2 DI
1 AO2 DO
На каждый канал:- 1 аналоговый вход (0-10в / 0-20 мА / 4-20 мА);- 2 дискретных входа (12-24В) со счетным режимом;- 1 аналог выхода (0-10в / 0-20 мА / 4-20 мА);- 2 выхода для управления нагрузкой до 2 кВт, реализованный на базе твердотельного реле
14
Четырехканальный универсальный контроллер
4
4 AI8 DI
4 AO8 DO
15
Восьмиканальный универсальный контроллер
8
8 AI16 DI
8 AO16 DO
16
Климатический модуль
1
4 AI
-
Измерения:температура, влажность, освещенность, угарный газ
17
Шлюз Modbus RTU / IoT
1
RS-485EthernetWi-Fi
RS-485EthernetWi-Fi
Предусматривается возможность Modbus Master / slave переключения
18
Модуль счетно-импульсного ввода
8
8 DI
-
Минимальная длительность сигнала 100 мксМаксимальная измеряемая частота по входу 5000 ГцДиапазоны: 0...10 Гц; 0...100 Гц; 0...1000 Гц; 0...5000 Гц
Самый простым IoT-контроллером в этом наборе является регистратор, который представляет собой устройство, подключаемое либо в однофазную сеть, либо в трехфазную сеть (однофазный или трехфазный регистратор). Он производит измерение мгновенных и среднедействующих токов по фазам, напряжений, активной, реактивной и полной мощности, энергии, частоты, гармоник, несимметрии тока, несинусоидальности и ряда других параметров, характеризующих количество и качество проходящей электрической энергии. Такой регистратор устанавливает, как поставщик электроэнергии (на своем выходе), так и потребитель (на своем входе). Если нет потерь, нет несанкционированных подключений, то оба контрагента фиксируют одинаковое количество электроэнергии. Но, поскольку существует кпд, перепады, обрыв, короткое замыкание, утечки, то очевидно, что потребитель получит фактически меньше энергии, чем отдал поставщик. При этом каждый регистратор рассматриваемой пары накапливает в своей памяти информацию, где эта информация сохраняется до полугода. Но, поскольку у регистратора есть интерфейс подключения к Интернету, то каждый заинтересованный контрагент эту информацию может получить через Интернет. Регистраторы могут быть одноканальные или многоканальные. Одноканальный регистратор - это устройство, которое можно подключить только к одной линии электропередач. Многоканальный регистратор имеет несколько каналов, каждый из которых может подключаться на свою линию электропередач. Кроме того, для управления на нижнем уровне системы используется диммер, который также является одноканальным или многоканальным. Он может управлять нагрузкой до 2 киловатт, в том числе мощным коммутационным оборудованием, автоматическими выключателями или контакторами. На нижнем (клиентском) уровне также используется универсальный контроллер, который представляет собой обычное устройство ввода-вывода аналоговых и дискретных сигналов, куда можно завести сигналы 4-20 мА (стандарт), либо 0-10 В. На нижнем уровне есть также климатический модуль (4-20 мА, 0-10 В) для ввода сигналов от датчиков температуры, влажности, давления, а также инфракрасный модуль для дистанционного включения и выключения потребителей электроэнергии. К нижнему (клиентскому) уровню системы относятся, кроме того, шлюзы (преобразователи протоколов): с одной стороны, интернет, а с другой промышленная сеть с протоколами Modbus RTU, ASCII, Profibus, CAN, HART, 1-wire, MBus и др. Шлюз позволяет преобразовывать сигналы и отправлять данные в Интернет.