БЕСПРОВОДНОЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к устройствам дистанционного управления и предназначена для беспроводного управления устройствами и системами противоаварийной автоматики и сигнализации (газовыми и водяными клапанами, световой и звуковой сигнализацией, вентиляцией, электрическими реле), входящими в качестве исполнительных устройств в состав беспроводной сенсорной сети для контроля состава газовой среды и предотвращения катастрофических последствий в случае утечки горючих газов.
Уровень техники
Известно устройство (Патент RU 2173924, МПК Н02, Н7/26, опубл. 20.09.2001), содержащее блоки гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде тока и напряжения, блок частотных фильтров, аналого-цифровой преобразователь и микропроцессорную систему управления выходными реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты.
Недостатком данного устройства является наличие блоков гальванической развязки и масштабирования входных сигналов, схемы их обработки, преобразования и анализа. Это усложняет конструкцию устройства. При этом входные сигналы поступают в устройство по проводной линии. Поскольку число входных блоков ограничено, это уменьшает универсальность всего устройства. Кроме того, при необходимости обеспечения приема входных сигналов с большого удаления от устройства увеличивается расход кабельной продукции и стоимость прокладки кабельных линий. Подключение ПЭВМ для обмена данными также осуществляется по проводному каналу связи, что не обеспечивает устройству достаточной функциональности.
Известно устройство контроля и управления сигналами релейной защиты и противоаварийной автоматики энергетических сетей (Патент РФ №2479903, МПК Н02Н 3/00, Н02Н 7/26, опубл. 20.04.2013), содержащее микропроцессорный модуль, к которому подключены своими входами-выходами: модуль приема сигналов сигнализаций, модуль выхода сигналов сигнализаций, группа входов и выходов для соединения с ПЭВМ и АСУ ТП, при этом устройство дополнительно содержит: модуль внешней синхронизации часов, который входами-выходами подключен к микропроцессорному модулю, а модули приема и выхода сигналов сигнализаций снабжены механическими размыкателями отключения внешних цепей, которые выполнены с ручным управлением и электронной сигнализацией коммутационного положения размыкателя, которая выведена на лицевую панель устройства и подключена к АСУ ТП для контроля и отключения устройства от входных и выходных цепей.
Недостатком данного устройства, как и устройства, описанного выше, является необходимость подключения к нему модуля приема сигналов сигнализаций. Поскольку число подобных модулей ограничено, это уменьшает универсальность всего устройства. Кроме того, подключение ПЭВМ осуществляется по проводному каналу связи, что не обеспечивает устройству достаточной функциональности.
Наиболее близким техническим решением является микропроцессорное устройство релейной защиты и автоматики (Патент РФ №2222083, Н02Н 7/26, опубл. 20.08.2003), содержащее блоки гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде тока и напряжения, блок частотных фильтров, аналого-цифровой преобразователь и микропроцессорную систему управления выходным реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмом защиты, причем в устройство для обмена данными введен приемопередатчик.
Достоинством данного устройства является введение приемопередатчика для обмена данными. Однако, как и в предыдущих случаях, недостатком данного устройства является наличие ограниченного числа блоков входных сигналов, схемы их обработки, преобразования и анализа, а также применение для приема входных сигналов проводных линий связи.
Раскрытие полезной модели
Предлагаемое решение направлено на достижение технического результата, заключающегося в предотвращении катастрофических последствий чрезвычайных ситуаций и расширение арсенала технических средств для управления исполнительными устройствами и системами противоаварийной автоматики и сигнализации.
Сущность полезной модели заключается в том, что беспроводное исполнительное устройство содержит схему питания, выходы коммутации, микропроцессорную систему управления с подключенными к ней выходными реле, память и приемопередатчик, при этом управляющий сигнал, активирующий выходы коммутации устройства дистанционного управления, поступает по радиоканалу в цифровом виде.
Таким образом, в данном устройстве беспроводного управления отсутствует функция контроля и обработки входных сигналов. Оно служит исключительно для управления устройствами противоаварийной автоматики и сигнализации различного типа (в частности, их включения-выключения) после получения цифровых команд по радиоканалу. Решение о посылке цифровых команд, обеспечивающих срабатывание выходов коммутации устройства беспроводного управления, принимается либо координатором беспроводной сенсорной сети на основе данных, получаемых от беспроводных контрольно-измерительных устройств (беспроводных датчиков), либо непосредственно беспроводными контрольно-измерительными устройствами. При этом весь обмен данными между устройством дистанционного управления, координатором беспроводной сенсорной сети и беспроводными контрольно-измерительными устройствами выполняется по радиоканалу.
Разделение функции контроля и анализа входных сигналов и функции управления устройствами противоаварийной автоматики и сигнализации одновременно с использованием радиоканала для обмена данными снимает ограничение на число контрольно-измерительных устройств, от которых может поступить сигнал на срабатывание устройства беспроводного управления, что увеличивает функциональность устройства в целом.
Кроме того, технический результат достигается за счет того, что для передачи данных используется приемопередатчик, поддерживающий стандарт IEEE 802.15.4; использования устройства в составе системы мониторинга концентрации горючих газов; использования четырех выходов коммутации, предназначенных для выключения-выключения внешних электрических цепей, клапанов и сигнализации; использования программно-аппаратного интерфейса для передачи данных по RS 232, RS 485, CAN; использования резервного автономного питания от батарей или аккумуляторов; возможности отправки данных удаленному пользователю по сетям на основе стандарта для мобильной сотовой связи (GSM) и стандарта IEEE 802.11 (Wi-Fi); использования питания от альтернативных источников генерации электрической энергии (солнечных батарей, топливных элементов, термоэлектрических генераторов, пьезоэлектрических преобразователей).
Предлагаемое устройство предполагается использовать в составе распределенных контрольно-измерительных систем, а именно беспроводных сенсорных сетей, обеспечивающих охранные функции, функции сбора и анализа данных, в частности, контролирующих концентрацию горючих и взрывоопасных газов в воздухе. Беспроводные сенсорные сети состоят из беспроводных датчиков различного назначения, информация от которых стекается на координатор беспроводной сенсорной сети. Каждый беспроводный датчик содержит микроконтроллер, память, аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи, приемопередатчик, источник питания и измерительные сенсоры. Измерительные сенсоры, в зависимости от типа, могут контролировать: газовый состав среды, расход и факт протечки воды, температуру, влажность, освещенность, движение и другие параметры окружающего пространства.
Важной особенностью датчиков в беспроводных сенсорных сетях является их способность обмениваться информацией между собой с помощью приемопередатчиков, работающих в радиодиапазоне. При этом информация передается от одних беспроводных датчиков к другим по цепочке, пока не достигнет координатора беспроводной сенсорной сети. С помощью операционной программы беспроводные датчики самостоятельно входят в связь с соседними подобными устройствами и могут образовывать беспроводную сенсорную сеть различной структуры.
Для передачи данных в беспроводных сенсорных сетях разработан стандарт IEEE 802.15.4 и протоколы высокого сетевого уровня ZigBee. Их программно-аппаратный интерфейс, в отличие от обычных радиоканалов, позволяет создавать беспроводные сенсорные сети различной конфигурации из практически неограниченного числа беспроводных датчиков и других элементов беспроводной сенсорной сети, охватывающие большие пространства.
Кроме ZigBee для построения беспроводной сенсорной сети может быть использована технология NanoNet, отличающаяся от Zigbee линейно-частотной модуляцией и имеющая более высокую скорость передачи данных и более высокую помехоустойчивость.
Для реакции на происходящие события беспроводные сенсорные сети дополняются беспроводными исполнительными устройствами, которые предназначены для управления функциональными исполнительными устройствами и системами противоаварийной автоматики и сигнализации (клапанами, выключателями, сигнализацией), которые предназначены для предотвращения наступления чрезвычайных ситуаций. При этом число беспроводных датчиков неограниченно.
Существующие устройства релейной защиты и автоматики не способны работать в составе распределенных беспроводных сенсорных сетей, поскольку не имеют соответствующего программно-аппаратного интерфейса.
Для расширения функциональных возможностей устройства беспроводного управления и его интегрирования в существующие охранные системы, системы сбора данных (например, расхода газа, воды, электричества, тепла и др), глобальные информационные и другие сети оно может быть дополнительно оснащено беспроводными GSM/GPRS, Wireless M-Bus, Wi-Fi, Bluetooth приемо-передающими устройствами, а также устройствами для передачи данных с использованием промышленных проводных протоколов передачи RS 232, RS 485, CAN и др.
Для работы устройства беспроводного управления в автономном режиме оно может дополнительно комплектоваться батареей или аккумулятором, которые обеспечат выполнение функций устройства в случае, если произойдет отключение электрической энергии.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1. Блок-схема беспроводного исполнительного устройства.
1. AC-DC преобразователь
2. Регулируемый DC-DC преобразователь 7-20 В
3. DC-DC преобразователь 12 В
4. DC-DC преобразователь 3,3 В
5. Микросхема энергонезависимой памяти
6. Микроконтроллер
7. ZigBee приемопередатчик
8-11. Реле
Осуществление полезной модели
Пример. Функционирование беспроводного исполнительного устройства в составе беспроводной сенсорной сети для мониторинга концентрации метана и предотвращения наступления чрезвычайной ситуации в случае его утечки.
Устройство предназначено для работы в составе беспроводной сенсорной сети (Патент РФ №110205, G08B 17/00), обеспечивающее мониторинг концентрации метана в воздухе и предотвращения наступления чрезвычайной ситуации (воспламенения метана) в случае, если концентрация метана в атмосфере превысит пороговое значение (2% об.), за счет: перекрытия газовой магистрали, отключения электрического питания, включения вентиляции и информирования окружающих звуковым сигналом.
Устройство состоит из корпуса, размещенной в нем платы с электронной схемой управления и четырех выходов коммутации. На плате размещены схема питания устройства, микропроцессорный модуль, память, модуль приемопередачи, порты для программирования устройства и реле. Устройство имеет аппаратно- программный интерфейс для беспроводного обмена данными с координатором беспроводной сенсорной сети, который, в свою очередь, принимает данные от беспроводных автономных газовых датчиков (Патент РФ №111675, G01N 33/00; Патент №95849, G01N 33/00). Блок-схема устройства дистанционного управления представлена на Фиг. 1.
Микропроцессорный модуль представляет собой микроконтроллер 6 (Фиг. 1) со схемой его подключения.
Устройство беспроводного управления использует технологию передачи данных ZigBee и осуществляет передачу данных по протоколу BACnet. Модуль беспроводной передачи данных представляет собой модем стандарта ZigBee, использующий частотный канал 2,4 ГГц. Для этой цели используется модем Telegesis ETRX3 7 (Фиг. 1), реализующий технологию ZigBee. Модем ETRX3 подключается к микроконтроллеру по интерфейсу передачи данных UART. При этом управление модем осуществляется с помощью АТ-команд.
Питание устройства беспроводного управления осуществляется от сети переменным напряжением 220 В. Далее переменное напряжение 220 В с помощью AC-DC 1 (Фиг. 1) преобразователя преобразуется в постоянное напряжение 24 В, которое используется для питания узлов и схем устройства дистанционного управления.
Питание микроконтроллера, микросхемы памяти EEPROM и ZigBee модема осуществляется от напряжения 3,3 В. Данное напряжение получается из напряжения 24 В с помощью микросхемы DC-DC преобразователя 4 (Фиг. 1).
Управление внешними устройствами производится с помощью переключения выходов внешней коммутации или коммутации на них заданного напряжения. Беспроводное исполнительное устройство имеет 4 выхода коммутации, подключенных к реле соответствующим образом. Два выхода внешних коммутаций 10 и 11 (Фиг. 1) (в которых стоят коммутирующие реле на 220 В и 10 А) предназначены для включения-выключения электрических цепей устройств противоаварийной защиты и автоматики. Выход коммутации 9 (Фиг. 1) предназначен для питания внешнего устройства противоаварийной защиты и сигнализации напряжением 12 В. Выход коммутации 8 (Фиг. 1) предназначен для питания внешнего устройства противоаварийной защиты и сигнализации, имеющего напряжение питания в диапазоне 7-20 В.
Все четыре выхода коммутации коммутируются путем подачи напряжения 12 В от DC-DC преобразователя 3 (Фиг. 1).
Данное напряжение так же используется для подачи на выход 9 постоянного напряжения 12 В. При этом питание реле и выход напряжения 12 В развязаны друг от друга с помощью двух диодов, включенных навстречу.
Формирование регулируемого напряжения 7-20 В на выходе коммутации 8 осуществляется с помощью микросхемы DC-DC преобразователя 2 (Фиг. 1).
Выходы внешней коммутации 10 и 11 коммутируют выводы между собой, обеспечивая включение-выключение устройств противоаварийной автоматики. Выход 10 обеспечивает включение вентиляции, а выход 11 - отключение электрических цепей (в частности, напряжения в помещении с повышенной концентрацией метана). Выход коммутации 9 коммутирует на выходе напряжение 12 В, предназначенное, в частности, для управления сиреной, а выход коммутации 8 коммутирует на выходе регулируемое напряжения в диапазоне от 7 до 20 В, предназначенное, в частности, для управления газовым клапаном.
Функционирование беспроводного исполнительного устройства в составе беспроводной сенсорной сети осуществляется следующим образом. Беспроводные автономные газовые датчики располагаются в местах, в которых возможна утечка метана. Беспроводной координатор сенсорной сети располагается в месте, доступном для наблюдения (например, на диспетчерском пульте). Устройство дистанционного управления располагается в месте, удобном для подключения устройств противоаварийной автоматики (например, во вспомогательном помещении). Если один из беспроводных газовых датчиков фиксирует превышение пороговой концентрации метана (2% об.), он отправляет полученные данные координатору беспроводной сенсорной сети, который, в свою очередь, отправляет цифровую команду устройству дистанционного управления.
После получения данной команды микроконтроллер устройства дистанционного управления отдает команды на срабатывание внешних выводов коммутации. Происходит отключение напряжения питания в помещении, включение вентиляции, закрытие газовой магистрали, а также звучит предупреждающий сигнал.
После отдачи команды на срабатывание устройств противоаварийной автоматики и сигнализации устройство дистанционного управления отсылает команду подтверждения на координатор беспроводной сенсорной сети и записывает данные о событии в свою память.
Возможно функционирование беспроводного исполнительного устройства и без координатора беспроводной сенсорной сети. Функционирование устройства в паре с одним или несколькими беспроводными газовыми датчиками осуществляется аналогичным образом. Различие состоит лишь в том, что команда на срабатывание устройства дистанционного управления поступает не от координатора беспроводной сенсорной сети, а от одного из беспроводных газовых датчиков. При этом команда подтверждения о срабатывании устройств противоаварийной автоматики и сигнализации отсылается на соответствующий газовый датчик.
С целью отправки данных удаленному пользователю (например, в аварийно-спасательную службу, диспетчерский или пульт охраны) в состав устройства дистанционного управления могут быть включены приемопередатчики стандартов GSM, GPRS, WiMax, Wi-Fi, WPAN, SRD, ISM, a также интерфейсы сопряжения для передачи данных по кабельным сетям с использованием Internet и промышленных протоколов передачи данных RS 232, RS 485 и CAN.