КОММУНИКАЦИОННОЕ ЦИФРОВОЕ УСТРОЙСТВО

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к области информационных коммуникационных технологий, в частности к комплексам мониторинга технологических параметров наблюдаемых объектов и управления подключенного к нему технологического оборудования (ТО).
Бокс может быть использован в составе системы технологического мониторинга наблюдаемых параметров в ЖКХ, нефтедобывающей и других отраслях, в том числе и в условиях Крайнего Севера.
Уровень техники
Решение не имеет аналогов.
Задачи, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, заключаются: в увеличении потенциала энергетической эффективности названных отраслей хозяйства, оптимизации режимов работы оборудования и уменьшение влияния человеческого фактора на технологические процессы, а так же дистанционного анализа работы и управления оборудованием в суровых климатических условиях.
Раскрытие полезной модели
Полезная модель относится к области информационных коммуникационных технологий, в частности к комплексам мониторинга технологических параметров наблюдаемых объектов и управления подключенного к нему технологического оборудования (ТО).
Бокс может быть использован в составе системы технологического мониторинга наблюдаемых параметров в ЖКХ, нефтедобывающей и других отраслях, в том числе и в условиях Крайнего Севера.
Задачи, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, заключаются: в увеличении потенциала энергетической эффективности названных отраслей хозяйства, оптимизации режимов работы оборудования и уменьшение влияния человеческого фактора на технологические процессы, а так же дистанционного анализа работы и управления оборудованием в суровых климатических условиях.
Коммуникационное цифровое устройство, включающее блок защиты по напряжению, по меньшей мере один автоматический выключатель, по меньшей мере один блок питания, по меньшей мере один первый контроллер, содержащий контроллер импульсных входов, контроллер токовых входов, преобразователь напряжения, элементы энергонезависимой оперативной памяти, по меньшей мере один коммуникационный разъем, по меньшей мере один гальванический элемент, по меньшей мере один блок приема-передачи данных, по меньшей мере один процессор, связанный с контроллером импульсных входов, контроллером токовых входов, преобразователь напряжения, элементом энергонезависимой оперативной памяти, элементом оперативной памяти, по меньшей мере одним коммуникационным разъемом, гальваническим элементом, по меньшей мере с одним блоком приема-передачи данных.
Краткое описание чертежей
Настоящая полезная модель и уровень техники поясняется нижеследующими чертежами:
Фиг.1 - Структурная схема Бокса АСУ ТП «Оазис»
Фиг.2 - Внешний вид бокса АСУ ТП
Фиг.3 - Внешний вид бокса для максимальной комплектации
Специалист в данной области техники, используя настоящее описание и чертежи, может осуществить полезную модель так, как она заявлена в формуле полезной модели с достижением указанных технических результатов.
Осуществление полезной модели
Основу Бокса сбора и передачи технологических параметров составляет интеллектуальный контроллер «Оазис» (ИК) и комплектованием до 8-ми штук, и в зависимости от климатических условий и функциональной направленности применения бокса он доукомплектовывается соответствующим вспомогательным оборудованием.
Коммуникационное цифровое устройство, включающее блок защиты по напряжению, по меньшей мере один автоматический выключатель, по меньшей мере один блок питания, по меньшей мере один первый контроллер, содержащий контроллер импульсных входов, контроллер токовых входов, преобразователь напряжения, элемент энергонезависимой памяти, элемент оперативной памяти, по меньшей мере один коммуникационный разъем, по меньшей мере один гальванический элемент, по меньшей мере один блок приема-передачи данных, по меньшей мере один процессор, связанный с контроллером импульсных входов, контроллером токовых входов, преобразователь напряжения, элементом энергонезависимой памяти, элементом оперативной памяти, по меньшей мере одним коммуникационным разъемом, гальваническим элементом, по меньшей мере с одним блоком приема-передачи данных.
Информационный контролер в составе Бокса применяется для реализации следующих основных функций:
- информационных - через сбор данных с разнородных устройств на объекте (станции управления, узлы учета ТЭР, АГЗУ, устьевая телеметрия и пр.) и хранение принятых данных во встроенной памяти в виде локальной базы данных;
- аналитических - через анализ данных по алгоритмам, определяемым службами Заказчика; формирование выходных форм, в том числе отчетов, актов, протоколов; отслеживание аварийных событий, их обработка и передача по аварийным каналам связи.
- управления - через выполнение управляющих команд для станций управления двигателем сформированных на АРМ «ОАЗИС-Сервис» по алгоритмам, задаваемым Заказчиком, в том числе:
- запуск тестовых программ;
- контроль действий персонала на технологическом объекте (кустовой площадке);
- коммутационных - через передачу и синхронизацию данных и событий в базу данных верхнего уровня по любым беспроводным и проводным каналам связи периодически и по запросу; через работу с любыми протоколами обмена и их адаптацию с протоколом верхнего уровня Заказчика.
Каждый из устанавливаемых ИК имеет следующие технические характеристики:
- обеспечение связи через подключаемые устройства одновременно по 3-м каналам, при этом выбор канала происходит автоматически исходя из доступности и качества связи, включая, но не ограничиваясь:
- Ethernet 802;
- RS485;
- RS232;
- наличие часов реального времени с питанием от встроенной батареи и обеспечением бесперебойной работы в течение 10 лет, с возможностью корректировки времени от -50 до +50 секунд;
- хранения данных в формализованной структуре:
- по объекту (принадлежность к СУ, скважине, кусту, ЦДНГ, месторождение);
- по данным (принадлежность к источнику собранных данных);
- по вычисляемым данным, обновляемым в реальном масштабе времени (удельные параметры, инженерные расчеты и пр.);
- по событиям, включая действия персонала на объекте;
- предоставление доступа ко всем функциям оборудования третьих производителей, при этом возможна эксплуатация одновременно в составе нескольких АСУ ТП (Например, АСУ ТП «Регион» и АСУ ТП «ОАЗИС»);
- высокая надежность за счет использования многократного резервирования цепей питания и связи (GSM, Ethernet);
- встраивание программ управления и анализа данных, передаваемых по каналам связи, причем, программы создаются в удобном, интуитивно понятном графическом интерфейсе (обозревателе);
- возможность перепрограммирования ИК по существующим каналам связи;
- наличие USB порта с пропускной способностью 480 Мбит/с и возможностью считывания информации при помощи устройства USB Flash;
- небольшие габариты (плата размером 95×95×20 мм);
- простота и скорость монтажа;
- низкое энергопотребление.
ИК имеет возможность подключения:
- до 2×256 устройств по интерфейсу RS485;
- до 2×256 устройств по интерфейсу RS485 поддерживающий протокол Modbus RTU);
- до 2-х устройств по интерфейсу RS232;
- до 3-х устройств по интерфейсу 4-20 мА;
- до 3-х устройств типа «сухой контакт»;
- до 3-х устройств по цифровым интерфейсам, которые могут быть сконфигурированы как входные и как выходные;
- любых устройств, поддерживающих протокол Ethernet 10/100 Base-T (IEEE 802.3 с протоколом Modbus TCP) и объединенных в сеть LAN.
ИК обеспечивает подключение к:
- типовым станциям управления скважинами;
- системе беспроводной телеметрии устьевых параметров СТМ-У;
- автоматизированным групповым замерным установкам;
- устройствам управления и защиты электропривода задвижки без применения концевых выключателей;
- преобразователям частоты;
- датчикам:
- закрытия/открытия дверей (вскрытия);
- объема (движения);
- разбития стекла;
- температуры;
- влажности;
- дымовой;
- загазованности;
- давления;
- наклона;
- уровня;
- контроля питания;
- расхода:
- электроэнергии;
- тепла;
- топлива
- газа;
- жидкости.
Бокс предназначен обеспечить двусторонний обмен информацией между станцией управления (СУ) технологическим оборудованием, измерительными устройствами и исполнительными механизмами с удаленными автоматизированными рабочими местами пользователей через серверное программное обеспечение и оборудование АСУ ТП «Оазис» либо другими АСУ ТП по протоколу Modbus RTUYTCP.
В настоящий момент для организации взаимодействия с «верхним» уровнем АСУ ТП используются каналы связи, выбор которых происходит так же автоматически, исходя из доступности и качества связи: GPRS;
- Ethernet 802.
По функциональному назначению Бокс независим от варианта исполнения СУ и по виду управления технологическим оборудованием дополняет СУ интеллектуальной системой управления (ИС).
Бокс, управляя изменением режимов работы ТО, под воздействием внешних факторов в соответствии с заданными критериями обеспечивает интерактивное автоматическое управление в соответствии с реализованными алгоритмами управления и обмена без участия человека-оператора.
В настоящее время используются различные устройства съема и передачи данных от технологических объектов, с помощью которых пользователи могут организовывать АСУ ТП различной функциональной направленности.
Однако создание универсального в комплектовании в зависимости от климатических условий и функциональной направленности применения бокса является актуальной задачей.
Структурная схема Бокса АСУ ТП «ОАЗИС» представлена на Фиг.1.
Конструктивно Бокс сбора и передачи технологических параметров на базе интеллектуального контроллера как законченное изделие АСУ ТП собран в металлическом корпусе-оболочке, имеющем класс защиты не хуже IP 54 в соответствии с требованиями ГОСТ 14254.
Напряжение питания (220 В) подается непосредственно на клеммы блока защиты по напряжению, предназначенный для защиты Бокса от повышенного напряжения.
С выхода блока защиты по напряжению, напряжение раздается по группе механических автоматических выключателей, предназначенных для защиты оборудования от токов короткого замыкания и перегрузки.
С выходов автоматических выключателей, напряжение, по группам, подводится к электрическим розеткам, дополнительному оборудованию Бокса, датчику отсутствия питания и импульсному блоку питания.
Розетки предназначены для подачи питания на внешнее дополнительное оборудование.
К дополнительному оборудованию Бокса относятся:
- нагревательный элемент (ТЭН), предназначенный для поддержания оптимальной температуры внутри Бокса при отрицательных температурах окружающей среды при этом включение и выключение ТЭНа автоматическое и обеспечивается встроенным тепловым реле;
- люминесцентный светильник, предназначенный для удобства проведения визуального осмотра Бокса и имеет встроенный выключатель.
В качестве датчика отсутствия питания применено электромеханическое реле с нормально разомкнутыми контактами, при отсутствии питания (220 В) контакты реле размыкаются и на импульсный вход одного из Интеллектуальных Контроллеров (ИК) посылается импульс, по которому ИК формирует команду и передается на рабочее место оператора.
Импульсный источник питания является высокотехнологичным устройством с высоким коэффициентом полезного действия, обеспечивающим стабильное выходное напряжение при изменении тока нагрузки или входного напряжения, и предназначен для подачи напряжения питания (12 В), через винтовые клеммные зажимы на элементы оборудования АСУ ТП:
- вентиляторы ТЭНа,
- сетевой коммутатор,
- WIFI точка доступа
- Интеллектуальные Контроллеры.
Так же источник питания имеет клеммы для подключения и зарядки аккумулятора, что обеспечивает его работу в качестве источника бесперебойного питания, при отсутствии напряжения сети.
Вентиляторы ТЭНа предназначены для обеспечения равномерного распределения температуры по всему объему бокса.
Сетевой коммутатор предназначен для соединения ИК, WIFI точки доступа и внешних подключаемых устройств по локальной сети.
WIFI точка доступа предназначена для удаленного управления ИК.
Интеллектуальные Контроллеры являются основой АСУ ТП и обеспечивают взаимодействие всех устройств Бокса и внешних подключаемых устройств, а так же обеспечивают двусторонний обмен информацией между АСУ ТП и автоматизированными рабочими местами пользователей через серверное программное обеспечение и оборудование.
В Боксе АСУ ТП может быть установлено до восьми ИК. В состав ИК входят:
- преобразователь напряжения, обеспечивающий подачу напряжения на элементы ИК и внешние подключаемые датчики;
- процессор, управляющий работой всех элементов ИК;
- оперативная память, обеспечивающая временное хранение команд, необходимых для работы процессора;
- энергонезависимая память, обеспечивающая хранение накопленных данных;
- гальванический элемент, поддерживающий работу встроенных часов процессора;
- два разъема USB, предназначенные для ввода/вывода информации на внешние устройства;
- слот мини SO, предназначенный для ввода информации;
- разъем дисплея, предназначенный для подключения устройства визуального отображения информации;
- GSM модем, работающий в диапазоне GSM-GPRS 850/900/1800/1900 и возможностью подключения двух SIM карт;
- RF приемопередатчик, предназначенный для удаленного подключения внешних устройств по радиоканалу, в разрешенном диапазоне частот 868-868.2 МГц, при помощи установленных приемопередатчиков на внешних устройствах;
- контроллер импульсных входов, с возможностью подключения до пяти внешних датчиков, с импульсным интерфейсом;
- контроллер токовых входов, с возможностью подключения до пяти внешних датчиков, с токовым интерфейсом;
- два контроллера RS232, предназначенных для подключения устройств по интерфейсу RS232;
- два контроллера RS585, предназначенных для подключения устройств по интерфейсу RS485;
- контроллер Ethernet, предназначенный для подключения по локальной сети.
Внешний вид и размещение элементов АСУ ТП в Боксе представлены на Фиг.2.
Передача информации осуществляется при помощи выносной, штыревой антенны (6), устанавливаемой вне Бокса, при помощи встроенного магнита.
Элементы системы управления устанавливаются на монтажной панели (2) бокса.
В своем составе Бокс имеет до 8 (восьми) интеллектуальных контроллеров (3), являющихся основой системы управления, которые, попарно, крепятся к алюминиевой пластине, на латунных стойках.
Далее пластина крепится к замку-защелке, установленном на DIN-рейке (4), которая в свою очередь закреплена на монтажной панели бокса.
Аналогично, на данную DIN-рейку, установлен сетевой коммутатор (5), обеспечивающий сопряжение блоков ИК между собой и между периферийными устройствами, по локальной сети Ethernet.
Каждый интеллектуальный контроллер оборудован GSM-модемом, обеспечивающим двусторонний обмен информацией между станцией управления оборудованием, измерительными устройствами и исполнительными механизмами с автоматизированными рабочими местами пользователей через серверное программное обеспечение и оборудование.
Передача информации осуществляется при помощи выносных, штыревых антенн (6), устанавливаемых вне Бокса, при помощи встроенного магнита.
Каждый интеллектуальный контроллер обеспечивает подключение нескольких датчиков с токовым и импульсным интерфейсом; подключение измерительных приборов и приборов управления, по интерфейсам: RS485, RS232 и Ethernet и подключение средства вывода визуальной информации (дисплей).
Так же возможно беспроводное подключение удаленного оборудования, по радиоканалу, в разрешенном (открытом) частотном диапазоне связи, при помощи встроенного приемопередатчика и установленного приемопередатчика на подключаемом устройстве.
На данную DIN-рейку так же установлены винтовые клеммные зажимы (7), обеспечивающие повышение качества и технологичность монтажа и предназначенные для соединения проводов питания установленных ИК и сетевого коммутатора с источником импульсного питания (8).
Импульсный источник питания крепится к DIN-рейке (9), расположенной перпендикулярно вышерассмотренной, при помощи замка-защелки, предусмотренного производителем.
Импульсный источник питания является высокотехнологичным устройством с высоким коэффициентом полезного действия, обеспечивающим стабильное выходное напряжение при изменении тока нагрузки или входного напряжения, он так же имеет клеммы для подключения и зарядки аккумулятора (10), что обеспечивает его работу в качестве источника бесперебойного питания, при отсутствии напряжения сети, и прижимается к монтажной панели фиксирующей планкой, на шпильках с гайками (11).
В Боксе реализована сигнализация отсутствия питания, при отсутствии питания, размыкаются контакты реле (12), на один из подсоединенных к реле ИК посылается импульс, который формируется в команду и передается на рабочее место оператора, реле установлено на DIN-рейке, рядом с источником питания, при помощи штатного зажима.
Ввод сигнальных кабелей и питающего кабеля бокса АСУ ТП осуществляется в нижней части бокса, через установленные сальники-гермовводы (13).
Питающий кабель подключается непосредственно к блоку защиты по напряжению (14), предназначенному для защиты АСУ ТП от повышенного напряжения, при этом блок защиты по напряжению крепится на DIN-рейку (9), при помощи штатного зажима.
Далее, с выхода блока защиты по напряжению, питающее напряжение раздается по группе механических автоматических выключателей (15), предназначенных для защиты оборудования от токов короткого замыкания и перегрузки, которые так же установлены на данной DIN-рейке, при помощи штатных зажимов.
С выходов автоматических выключателей, напряжение, по группам, подводится к электрическим розеткам (16), предназначенным для питания внешнего дополнительного оборудования и дополнительному оборудованию бокса. Электрические розетки так же установлены на данную DIN-рейку, при помощи штатных зажимов.
К дополнительному оборудованию бокса относятся нагревательный элемент (ТЭН) и лампа освещения бокса.
ТЭН (17) обеспечивает поддержку оптимальной температуры внутри Бокса при отрицательных температурах окружающей среды. Включение и выключение ТЭНа автоматически обеспечивается встроенным тепловым реле.
ТЭН установлен непосредственно на монтажной панели (2), в нижней части бокса, при помощи винтовых соединений. На ТЭНе установлены вентиляторы, обеспечивающие равномерное распределение температуры по объему бокса. Вентиляторы подключаются к клеммам напряжения питания клеммных зажимов (7).
Лампа освещения (18) предназначена удобства проведения визуального осмотра бокса и имеет встроенный механический выключатель. Лампа закреплена на Г-образные пластины, в левой части бокса, при помощи винтовых соединений.
Для обеспечения качества и технологичности монтажа, и его эстетики, в Боксе установлены перфорированные кабель-каналы (19), предназначенные для прокладки кабельных и сигнальных трасс.
Для установки дополнительного оборудования, в боксе предусмотрены дополнительные крепления, прижимные планки и шпильки с гайками (20), размещенные в середине бокса.
Для обеспечения внешних удаленных подключений к установленным интеллектуальным контроллерам, без необходимости открытия лицевой двери, в Боксе конструктивно предусмотрена установка WiFi оборудования «точка-точка», которое устанавливается на DIN-рейке (4) и подключаемо через сетевой коммутатор (5), при этом питание оборудования WiFi берется с розеток (16).
Допускается удлинение канала USB (переходник) с обеспечением подключения USB Flash поставляемой в комплекте для выгрузки ПЗУ в оговоренном формате.
Все токопроводящие детали и коммутационные элементы соединены между собой таким образом, чтобы в условиях эксплуатации исключить возможность ослабления соединения.
Электрическая схема соединений исключает возможность самопроизвольного включения, отключения и изменения режимов работы оборудования поставляемого Бокса.
На корпусе Бокса установлен датчик вскрытия - геркон, служащий средством сигнализации при попытках несанкционированного доступа к оборудованию бокса и подключенный к клеммам ИК, ответная часть датчика вскрытия - магнит, установлена на двери бокса, напротив геркона.