Автоматизированное информационное устройство дистанционного контроля параметров опасных объектов

Заявляемое автоматизированное информационное устройство дистанционного контроля (АИУДК) параметров опасных объектов относится к области автоматизации контроля параметров технологических процессов опасных объектов, а именно к комплексам для сбора и отображения на экране оператора информации с измерительных преобразователей, имеющих выход в виде аналогового сигнала по напряжению или цифровой выход с интерфейсом RS-485 или Ethernet.
8
8
Известны разработки заявителя - ОАО «Авангард» «Устройство для контроля концентрации опасных газов» по патенту РФ: RU 2411511 C1 от 10.02.2011 года, МПК G01N 27/12, G01W 1/00 - [1] и «Система контроля расхода и утечек бытового газа в многоквартирных домах» по патенту РФ: RU 2414003 С1 от 10.03.2011 года, МПК G08B 17/10, G08B 25/00 - [2].
Однако эти технические решения узконаправленные и решают задачи только для контроля утечек бытового и опасных газов. В представленном виде эти системы не могут универсально использоваться для решения других задач, и тем более применены на особо опасных объектах гражданского и специального назначения.
8
Известный аналог «Интеллектуальная система управления зданиями на основе облачной обработки данных» по патенту Китая: CN 202794982 U от 13.03.2013 г., МПК G05B 19/418 - [3], отличается применением платформы облачных вычислений и управления, что существенно снижает быстродействие системы, а также ее надежность, т.к. система зависит от удаленного сервера и состояния каналов связи к этому серверу.
Аналог «Автоматическая система мониторинга безопасности плотины» по патенту Китая: CN 202837989 U от 27.03.2013 года, МПК 8 G05B 19/418 - [4], представляет собой узкоспециализированную систему для мониторинга плотин. Этот аналог имеет один уровень сети, а это не позволяет создавать протяженные системы с широким охватом территории.
6
В аналоге «Система передачи и обработки сигналов о состоянии объектов» по патенту на изобретение RU 2087036 С1 от 10.08.1997 г., МПК G08C 19/00, G08B 25/00 - [5] применяется локальная вычислительная сеть Ethernet, что повышает помехозащищенность системы. Однако у аналога нет беспроводной связи между элементами системы, что существенного сужает область его применения.
8
Аналог «Система мониторинга безопасной эксплуатации зданий и инженерно-строительных сооружений» по патенту на изобретение РФ: RU 2472129 С1 от 10.01.2013 года, МПК G01M 7/00 - [6], содержит автоматизированное рабочее место (АРМ), объекты диагностики, цифровую линию связи, блоки предварительной обработки сигналов, блок параметрических датчиков состояния конструкции объектов диагностики, блок пожарных датчиков, блок датчиков химического состава воздуха, блок датчиков химического состава воды, компьютер, устройство цветного мнемонического отображения текущего и аварийного состояния объекта диагностики, устройство аварийной сигнализации, микроЭВМ.
Однако, в системе [6] применен ограниченный набор типов датчиков, так как система предназначена только для мониторинга безопасной эксплуатации зданий и инженерно-строительных сооружений. В системе [6] вместо локальной вычислительной сети Ethernet применена сеть регионального оператора связи, что существенно снижает надежность системы и ее универсальность.
8
8
Известные аналоги «Комплекс программно-аппаратных средств автоматизации управления технологическими процессами» по патенту на изобретение РФ: RU 2279117 С2 от 27.02.2006 года, МПК G05B 19/418, G05B 15/02 - [7], и «Комплекс программно-аппаратных средств автоматизации управления технологическими процессами "ПАССАТ"» по патенту на полезную модель РФ: RU 35902 U1 от 10.02.2004 года, МПК G05B 15/02 - [8], содержат объединенные через локальную вычислительную сеть Ethernet рабочие станции и серверы на базе персональных электронных вычислительных машин (ПЭВМ), а также контроллеры и функциональные модули. Встроенные в каждый модуль функциональные (МФ) программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС) поддерживают «зашивку» практически любых алгоритмов обработки сигналов и управления, адекватных задачам, которые возлагает проектант на данный модуль. Возможны три варианта построения систем на базе средств комплекса: централизованного управления; локального управления; распределенного управления.
Недостатком известных комплексов [7] и [8] является то, что у них имеется широкий набор модулей с программируемой структурой, что снижает надежность и ремонтопригодность модулей. Также в этих комплексах нет беспроводных соединений с датчиками, что сужает область их применения.
8
В аналоге «Автоматизированная система управления объектами гражданского и промышленного назначения» по патенту на полезную модель РФ: RU 91635 U1 от 20.02.2010 года, МПК G05B 15/00 - [9], используется протокол передачи данных Profinet, что существенно усложняет программно-аппаратное обеспечение системы (более дорогие системы, особенно по аппаратному обеспечению). Протокол передачи данных Profinet сложно согласовать с большинством применяемых готовых (существующих) устройств. Кроме того, в известной системе нет беспроводных соединений с датчиками, что в некоторых условиях применения системы является крайне необходимым.
Известный «Комплекс аппаратно-программных средств автоматизации диагностирования и контроля устройств и управления технологическими процессами» по патенту на полезную модель РФ: RU 61438 U1, от 27.02.2007 года, МПК8 G05B 15/00 - [10], содержит объединенные через локальную вычислительную сеть Ethernet рабочие станции, автоматизированные рабочие места и серверы на базе персональных электронных вычислительных машин, а также объединенные через Ethernet контроллеры на базе промышленных компьютеров для сбора и обработки информации от контролируемых устройств через функциональные модули ввода задач и выдачи управляющих команд, и связанные с контроллерами по стандартному интерфейсу концентраторы связи.
Недостатком комплекса [10] является то, что контролируемые устройства, содержащие ком-интерфейс, подключаются к концентратору связи по линии «токовая петля», одно устройство - одно физическое подключение (подключение к порту концентратора). При этом концентратор имеет ограниченное количество портов (интерфейсов) для подключения.
Кроме приведенных аналогов дополнительно известны:
- «Система мониторинга удаленных необслуживаемых объектов и сбора данных о потребленной электроэнергии - аппаратно-программный комплекс "ЭЛЕКТРОН" по патенту на полезную модель РФ: RU 147253 U1 от 27.10.2014 года, МПК G06F 17/40, G06Q 50/06 - [11], содержит установленные с телекоммуникационном шкафу вводно-распределительное устройство (ВРУ), включающее счетчик электроэнергии, контроллер объекта (КО) с подключенными к нему измерительными и дискретными датчиками, источник бесперебойного питания (ИБП), соединенный с выводами питания, при этом КО выполнен с возможностью сбора информации с измерительных и дискретных датчиков, передачи ее в центр мониторинга. КО соединен со счетчиком электроэнергии и выполнен с возможностью мониторинга параметров ИБП, чтения показаний счетчика электроэнергии, передачи информации о событиях объекта и потребленной электроэнергии в центр мониторинга и приема управляющих команд от центра мониторинга для воздействия на КО и ИБП. ВРУ включает соединенный со счетчиком электроэнергии датчик пропадания питания 220 В, который соединен с входом переключателя, выходы которого соединены соответственно с входом ИБП и напрямую с выводами питания (блоком розеток), один из которых подключен к КО. Для связи с центром мониторинга по проводному каналу связи в телекоммуникационном шкафу установлен коммутатор, к разъему Ethernet которого подключен КО, а для связи с центром мониторинга по беспроводному каналу связи в телекоммуникационном шкафу установлен модем, к которому подключен КО. КО выполнен с возможностью мониторинга зависания коммутатора и приема из центра мониторинга управляющих команд для воздействия на коммутатор.
Недостатком аналога [11] является то, что он специализирован для мониторинга удаленных необслуживаемых объектов и сбора данных о потребленной электроэнергии, и при этом рассчитан для сбора информации с небольшого числа датчиков и не позволяет проводить контроль сложных объектов. Также в этом устройстве нет возможности работать с беспроводными датчиками и комбинированными устройствами.
8
- «Иерархическая тренажерная система для подготовки должностных лиц» по патенту на полезную модель РФ: RU 90247 U1 от 27.12.2009 года, МПК G09B 9/00, G09B 19/00 - [12], включает К локальных вычислительных сетей, соответствующих К уровням органа управления, при этом каждая локальная вычислительная сеть включает n автоматизированных рабочих мест, выполненных на базе персональных ЭВМ, локальные вычислительные сети связаны между собой коммуникационным оборудованием, причем М автоматизированных рабочих мест на нижнем уровне управления через устройство сопряжения связаны с тренажерами на отдельные образцы вооружения. L автоматизированных рабочих мест содержат устройства сопряжения с ранее разработанными тренажерами на образцы вооружения.
Недостатком аналога [12] является то, что он специализирован для обучения персонала, а использование концентраторов одного или более уровней иерархии применяется по иному назначению, чем в заявленном ниже техническом решении.
7
- «Интеллектуальный полевой контроллер для управления электрическими исполнительными механизмами БУ3-2» по патенту на полезную модель РФ: RU 19936 U1 от 10.10.2001 года, МПК G05B 13/00 - [13], содержит связанный с электрическим исполнительным механизмом датчик положения выходного вала механизма, блок бесконтактной силовой коммутации, соединенный с блоком управления, блок коммуникации, связанный с системным контроллером по полевой магистрали, и блок питания. В цепь между блоком бесконтактной силовой коммутации и электрическим исполнительным механизмом введен блок нормирования, осуществляющий съем с помощью зондов сигналов напряжения, пропорциональных токам нагрузки по трем фазам и преобразование их в однополярные сигналы напряжения, а также в цепь электрического исполнительного механизма введен блок диагностики электрического двигателя в состоянии покоя и силовой сети, отслеживающий изменения сопротивления обмоток статора электродвигателя электрического исполнительного механизма, целостность цепей силовой сети на входе и выходе электрического исполнительного механизма, контроль напряжения в сети, а также индикацию этих параметров при выходе их за допустимые пределы, при этом блок коммуникации выполнен в виде микропроцессорного контроллера, осуществляющего дешифрацию сообщений и команд, преобразование аналоговых сигналов с датчика положения выходного вала механизма в цифровую форму, а датчик положения выходного вала механизма выполнен в виде магниточувствительного бесконтактного преобразователя угла поворота выходного вала механизма в электрический сигнал.
Недостатком аналога [13] является то, что он имеет узкую специализацию, и не может применяться для распределенного и одновременного контроля множества параметров особо опасных объектов.
8
- «Автоматика ограничения снижения напряжения на шинах подстанций» по патенту на полезную модель РФ: RU 67302 U1 от 10.10.2007 года, МПК G05F 1/30 - [14], содержит блок автоматики отключения потребителей и блок разрешения автоматического повторного включения фидеров, вход которого соединен с выходом автоматики, вход блока автоматики отключения потребителей соединен с входом автоматики.
Недостатком аналога [14] является то, что хотя в нем и известны управляющие внешние блоки реле. Однако это устройство также имеет узкую специализацию, и не может применяться для распределенного и одновременного контроля множества параметров особо опасных объектов.
8
- «Информационно-управляющая система комплексного контроля безопасности опасного производственного объекта» по патенту на изобретение РФ: RU 2536351 С1 от 20.12.2014 года, МПК G06F 17/00, G08B 23/00, G01W 1/00 - [15], содержит средства получения натурных данных технологического процесса и экологической обстановки участков опасного производственного объекта во времени, включающие:
датчики концентрации паров жидкого опасного вещества в воздухе, датчики уровня и потерь жидкого опасного вещества на оборудовании передачи опасных веществ на технологических участках, снабженных пультами экстренного реагирования,
датчики концентрации паров жидкого опасного вещества в воздухе, датчики уровня, потерь и температуры жидкого опасного вещества, размещенные на участках хранения,
датчики концентрации паров жидкого опасного вещества в воздухе, датчики уровня и потерь жидкого опасного вещества и видеокамеры, размещенные на погрузочно-разгрузочных эстакадах,
программируемые коммутаторы, к входам которых подключены упомянутые датчики, а выходы через маршрутизаторы первичной информации связаны с визуальными табло данных технологического процесса и экологической обстановки, и с локальными технологическими сетями участков хранения, каждая из которых снабжена автоматизированным рабочим местом мастера участка, выполненными с возможностью учета текущего расходования межрегламентного и межремонтного периода периферийного оборудования, оценки локального уровня безопасности и локальных управляющих воздействий периферийного оборудования для обеспечения установленного уровня безопасности, каждая из сетей участков через маршрутизатор участка подключена к единой технологической сети предприятия, связанной через видеоконцентратор с упомянутыми видеокамерами, и через маршрутизатор административной сети - с административной сетью, к которой подключены автоматизированное рабочее место мастера цеха, автоматизированное рабочее место служб цеха, сервер базы данных, и через центральный маршрутизатор - к информационно-аналитическому центру предприятия, в составе которого находятся сервера информационно-аналитических центров локальных информационно-управляющих систем комплексного контроля безопасности опасного производственного объекта для комплексной оценки безопасности опасного производства по направлениям: безопасность техпроцесса; безопасность оборудования и экологическая безопасность, а также дежурно-диспетчерской службе предприятия, выполненными с возможностью разноуровневых локальных и централизованных управляющих воздействий с одновременным информированием территориальных служб контроля чрезвычайных ситуаций, при этом все маршрутизаторы снабжены единым программным обеспечением, а каждый маршрутизатор выполнен в виде сетевого компьютера с возможностью передачи пакетов информации от телеметрических коммутаторов и смежных маршрутизаторов.
Недостатком аналога [15] является его сложность в виду применения множества автоматизированных рабочих мест мастеров участков, а также локальных технологических сетей участков хранения, и как следствие низкая надежность и высокая стоимость системы. Также в этом устройстве нет возможности работать с беспроводными датчиками и комбинированными устройствами. Кроме того, аналог не может применяться на тех типах особо опасных объектов, на которых присутствуют повышенные температуры, вибрации и радиация, так как в аналоги не применены средства защиты.
- Техническое решение: «ONBOARD CONTROLLER FOR MULTISTATE WINDOWS» по патенту на изобретение США: US 2015049378 (А1) от 19.12.2014 года, МПК G02F 1/161, G02F 1/163 - [16], выполнен с возможностью непосредственного подсоединения к локальной вычислительной сети, при этом контроллер имеет собственные датчики.
Однако приведенный аналог [16], выполнен по сложной схеме и дополнительно содержит экран отображения информации, необходимость которого в нашем устройстве отсутствует.
8
Прототипом заявляемой полезной модели является «Автоматизированная информационная система дистанционного управления и контроля технологических параметров промышленных и гражданских объектов» по патенту на полезную модель РФ: RU 86022 U1 от 20.08.2009 года, МПК G05B 15/00, G05B 19/00 - [17]. Прототип содержит комплекс программно-аппаратных средств, объединяющий через локальную вычислительную сеть Ethernet распределенные в пространстве рабочие станции, серверы на базе персональных электронных вычислительных машин, а также объединенные через Ethernet промышленные микропроцессорные контроллеры. При этом прототип дополнительно включает станции распределенной периферии, подключенные к контролируемым устройствам, а рабочие станции выполнены с возможностью подключения к станциям распределенной периферии по оптическим, медным или беспроводным технологиям. Контролируемые устройства могут быть снабжены физическими последовательными ком-портами, а рабочие станции выполнены с возможностью подключения к контролируемым устройствам через преобразователи интерфейсов или напрямую через двух-четырехпроводные шины с помощью внешних или внутренних драйверов-адаптеров.
Недостатком прототипа [17] является его сложность в виду применения множества рабочих станций на базе персональных вычислительных машин и серверов, и как следствие низкая надежность и высокая стоимость. Дополнительно недостатком прототипа является то, что его сложно применить для разных типов промышленных и гражданских объектов, на которых осуществляются разнообразные технологические процессы, так как устройство по прототипу предполагает осуществление управления этими технологическими процессами, что в большинстве случаев требует конструкторской и технологической доработки этих объектов, и требует внесение изменений в их конструкторскую и эксплуатационную документацию. Прототип [17] также не может быть использован для дистанционного контроля параметров опасных объектов, так как в нем не использованы элементы защиты.
Сущность технического решения состоит в следующем: «Автоматизированное информационное устройство дистанционного контроля (АИУДК) параметров опасных объектов» содержит объединенные через локальную вычислительную сеть Ethernet рабочую станцию на базе персональной электронной вычислительной машины (ПЭВМ) - сервера и микропроцессорные контроллеры, которые подсоединены к датчикам при помощи проводной аналоговой, проводной цифровой и беспроводной связи. Рабочая станция выполнена в виде одного сервера на базе ПЭВМ с комплексом программно-аппаратных средств. Корпус ПЭВМ выполнен экранированным от радиационного и электромагнитного излучения, пыле-влагозащищенным и с виброзащитой. В корпусе ПЭВМ дополнительно расположены управляемые концентраторы нескольких уровней иерархии, микропроцессорные контроллеры, координаторы беспроводной сети. Корпус ПЭВМ снабжен разъемами внешних антенн, проводных датчиков, внешнего блока реле, комбинированных устройств и стандартными разъемами периферийного оборудования ПЭВМ. К разъемам соответственно могут быть подключены внешние антенны, и с помощью кабелей подключены проводные датчики, внешний блок реле с периферийными устройствами вывода информации и устройствами аварийной автоматики, а также комбинированные устройства с собственными датчиками и периферийное оборудование ПЭВМ. В корпусе ПЭВМ управляемые концентраторы нескольких уровней иерархии объединены через локальную вычислительную сеть Ethernet между собой и с микропроцессорными контроллерами.
Микропроцессорные контроллеры выполнены в двух вариантах, в первом варианте - с возможностью опроса датчиков по аналоговому интерфейсу по проводной связи, во втором варианте - с возможностью опроса по цифровому интерфейсу RS-485 проводных датчиков и связи по цифровому интерфейсу RS-485 с координаторами беспроводной сети, выполненными с возможностью опроса беспроводных датчиков и беспроводных комбинированных устройств, содержащих собственные микропроцессорные контроллеры с внутренними и внешними датчиками. Управляемые концентраторы и микропроцессорные контроллеры выполнены с возможностью индивидуального контроля и настройки. ПЭВМ, управляемые концентраторы и микропроцессорные контроллеры могут быть выполнены с применением элементной базы с повышенной стойкостью к температурным, вибрационным и радиационным воздействиям. Кабели локальной вычислительной сети Ethernet и проводной связи между датчиками и микропроцессорными контроллерами могут быть выполнены экранированными.
Технический результат заявляемой полезной модели состоит в повышении надежности АИУДК. Дополнительно технический результат состоит в создании возможности применения устройства для разных типов промышленных и гражданских объектов, на которых осуществляются разнообразные технологические процессы, так как заявленного устройство не предполагает осуществление управления этими технологическими процессами, и не требует конструктивной и технологической доработки этих объектов, и не требует внесения изменений в их конструкторскую и эксплуатационную документацию.
Введение в формулу изобретения ограничительных признаков: «Автоматизированное информационное устройство дистанционного контроля параметров опасных объектов» содержит объединенные через локальную вычислительную сеть Ethernet рабочую станцию на базе персональной электронной вычислительной машины (ПЭВМ) - сервера и микропроцессорные контроллеры, которые подсоединены к датчикам при помощи проводной аналоговой, проводной цифровой и беспроводной связи…» необходимо для общего описания устройства заявляемой полезной модели - АИУДК, прототипа и аналогов, которое определяет конфигурацию устройства.
Введение в формулу изобретения отличительного признака: «…рабочая станция выполнена в виде одного сервера на базе ПЭВМ с комплексом программно-аппаратных средств…» необходимо для повышения ее надежности, Это достигается тем, что вместо распределенных в пространстве рабочих станций и серверов применено одно рабочее место - сервер на основе персональной ПЭВМ, а множество рабочих станций заменяется микропроцессорными контролерами расположенными внутри одного корпуса ПЭВМ. При работе заявленной полезной модели «…с комплексом программно-аппаратных средств…» оператору ПЭВМ предоставляется подробная информация о работе всех контролируемых устройств (датчиков и комбинированных устройств) в режиме реального времени, доступную из одного места.
Введение отличительного признака: «…корпус ПЭВМ выполнен экранированным от радиационного и электромагнитного излучения, пыле-влагозащищенным и с виброзащитой…» необходимо для того, чтобы повысить надежность и помехозащищенность прототипа, обеспечив требуемые для применения АИУДК на особо опасных объектах гражданского и специального назначения характеристики чувствительности, помехоустойчивости и стойкости к внешним воздействиям.
Введение отличительного признака: «…в корпусе ПЭВМ дополнительно расположены управляемые концентраторы нескольких уровней иерархии, микропроцессорные контроллеры, координаторы беспроводной сети…» необходимо для одновременной защиты, как элементов ПЭВМ, так и управляемых концентраторов нескольких уровней иерархии, микропроцессорных контроллеров и координаторов беспроводной сети от внешних воздействий, что также позволяет повысить надежность.
Управляемые концентраторы нескольких уровней иерархии предназначены для одновременного подключения к АИУДК большего количества датчиков, и тем самим создания возможности измерения (контроля) большего количества параметров особо опасных объектов.
Управляемые концентраторы, в отличие от неуправляемых, позволяют избежать зацикливания при передаче данных в сети и дополнительно производить фильтрацию данных (избыточных для устройства), что уменьшает нагрузку на сеть и повышает надежность заявленной полезной модели.
Управляемые (сетевые) концентраторы предназначены для объединения микропроцессорных контроллеров первого и второго вариантов (аналоговых и цифровых) в сеть Ethernet и подключения ее к ПЭВМ оператора. Из особенностей можно отметить их построение на специальной компонентной базе (микросхемы производства, например, фирмы «Миландр») и использование специализированного сетевого протокола передачи данных на основе протокола UDP. Управляемые (сетевые) концентраторы полностью повторяет функции обычных сетевых концентраторов применяемых в локальных вычислительных сетях (ЛВС).
Микропроцессорные контроллеры необходимы для замены распределенных в пространстве рабочих станций и серверов в виде ПЭВМ. Это существенно повышает надежность прототипа, а также снижает его стоимость.
Координаторы беспроводной сети необходимы для опроса беспроводных датчиков и беспроводных комбинированных устройств с использованием интерфейсов беспроводной связи, например RF, IR, Bluetooth, WiFi, Zigbee или EnOcean.
Беспроводные комбинированные устройства, содержащие собственные микропроцессорные контроллеры с внутренними и внешними датчиками позволяют более эффективно использовать беспроводные каналы связи, а также расширить области применения заявленной полезной модели. Комбинированные беспроводные устройства могут производить предварительную обработку данных, поступающих с внутренних или внешних датчиков и тем самим повысить быстродействие заявленной полезной модели.
Введение отличительных признаков: «…корпус ПЭВМ снабжен разъемами внешних антенн, проводных датчиков, внешнего блока реле, комбинированных устройств и стандартными разъемами периферийного оборудования ПЭВМ…» и «…к разъемам соответственно могут быть подключены внешние антенны, и с помощью кабелей подключены проводные датчики, внешний блок реле с периферийными устройствами вывода информации и устройствами аварийной автоматики, а также комбинированные устройства с собственными датчиками и периферийное оборудование ПЭВМ…» необходимо для создания возможности подключения вышеперечисленных внешних устройств к АИУДК на самых различных объектах, и тем самим, повысить их надежность с заявляемой полезной моделью.
Внешние антенны предназначены для организации связи по выбранному беспроводному интерфейсу.
Проводные датчики предназначены для получения первичной измерительной иной информации от объекта контроля.
Внешний блок реле с периферийными устройствами вывода информации и устройствами аварийной автоматики необходим для того, чтобы дублировать информацию о произошедшей аварии на исполнительные устройства, сократив время оповещения персонала особо опасного объекта, а также автоматизировать некоторые действия оператора в случае возникновения аварийной ситуации.
Периферийное оборудование ПЭВМ представляет собой стандартные устройства ввода-вывода информации ПЭВМ, например, мышь, клавиатура, монитор и т.д., которые также могут быть выполнены в специализированном (защищенном) исполнении.
Комбинированные устройства с собственными датчиками, выполненные с возможностью непосредственного подключения к ЛВС Ethernet, позволяют расширить области применения АИУДК и повысить надежность за счет сокращения количества связей и преобразователей интерфейсов.
Введение отличительного признака: «…в корпусе ПЭВМ управляемые концентраторы нескольких уровней иерархии объединены через локальную вычислительную сеть Ethernet между собой и с микропроцессорными контроллерами…» необходимо для обеспечения стандартной универсальной связи между элементами АИУДК, что повышает надежность устройства за счет использования единого интерфейса.
Введение отличительных признаков: «…микропроцессорные контроллеры выполнены в двух вариантах, в первом варианте - с возможностью опроса датчиков по аналоговому интерфейсу по проводной связи, во втором варианте - с возможностью опроса по цифровому интерфейсу RS-485 проводных датчиков и связи по цифровому интерфейсу RS-485 с координаторами беспроводной сети, выполненными с возможностью опроса беспроводных датчиков и беспроводных комбинированных устройств, содержащих собственные микропроцессорные контроллеры с внутренними или внешними датчиками…» необходимо для того, чтобы посредством использования двух унифицированных типов микропроцессорных контроллеров повысить ремонтопригодность, как критерий надежности.
Микропроцессорные контроллеры первого варианта (аналоговые) предназначены для сбора информации от датчиков с аналоговым выходом по напряжению или току и передачи ее к ПЭВМ оператора через сеть Ethernet.
Микропроцессорные контроллеры второго варианта (цифровые) предназначены для сбора информации от датчиков с выходным интерфейсом типа RS-485 и передачи ее к ПЭВМ оператора через сеть Ethernet. Из особенностей следует отметить, что микропроцессорные контроллеры второго варианта могут поддерживать стандартный промышленный протокол MODBUS и DCON.
Введение отличительного признака: «…управляемые концентраторы и микропроцессорные контроллеры выполнены с возможностью индивидуального контроля и настройки» необходимо для обеспечения более гибкой и точной настройки заявленного АИУДК, что также повышает ремонтопригодность АИУДК, а также время его развертывания (монтажа) на объекте.
Введение отличительных признаков: «ПЭВМ, управляемые концентраторы и микропроцессорные контроллеры выполнены с применением элементной базы с повышенной стойкостью к температурным, вибрационном и радиационным воздействиям» и «кабели локальной вычислительной сети Ethernet и проводной связи между датчиками и микропроцессорными контроллерами выполнены экранированными» необходимо для того, чтобы повысить надежность и помехозащищенность прототипа, обеспечив требуемые (необходимые) характеристики для применения АИУДК на особо опасных объектах гражданского и специального назначения.
Программное обеспечение ПЭВМ представляет собой программу для операционной системы реального времени (RTOS) QNX, которая обеспечивает получение информации из сети и ее вывод на экран монитора ПЭВМ оператора.
В отличие от известных аналогов, разработанное АИУДК обладает более высокими критериями надежности, такими как ремонтопригодность и время восстановления устройства.
По сравнению с прототипом и расширены функциональные возможности конструкции АИУДК путем интеграции приборов и устройств различных производителей в один корпус ПЭВМ.
АИУДК предназначено для сбора информации от датчиков и отображения ее на ПЭВМ оператора. АИУДК построено на основе сетевого интерфейса Ethernet на верхнем уровне, непосредственно подходящем к ПЭВМ, и RS-485, совместно с одним из беспроводных интерфейсов, на нижнем уровне.
Особенностью заявленного технического решения является применение надежной и помехозащищенной компонентой базы в той ее части, которая взаимодействует через Ethernet, что обеспечивает широкий диапазон рабочих температур и устойчивость к внешним воздействующим факторам. Еще одной особенностью является то, что на ПЭВМ оператора применена операционная система реального времени, что позволяет системе реагировать на возникновение аварийных ситуаций с минимальной гарантированной задержкой.
Автоматизированное информационное устройство дистанционного контроля параметров опасных объектов представлено на следующих фигурах:
Фиг. 1 - Блок-схема АИУДК.
Фиг.2 - Функциональная схема управляемого концентратора.
Фиг. 3 - Режим работы (алгоритм) управляемого концентратора по нахождению и подключению устройств более низкого уровня иерархии.
Фиг. 4 - Фотография окна индивидуального контроля и настройки (WEB-интерфейса) управляемого контролера.
Фиг. 5 - Фотография окна индивидуального контроля и настройки (WEB-интерфейса) микропроцессорного контролера аналоговых датчиков (1-го типа).
Фиг. 6 - Фотография окна индивидуального контроля и настройки (WEB-интерфейса) микропроцессорного контролера датчиков с цифровым интерфейсом (2-го типа).
Фиг. 7 - Фотография окна программы для контроля параметров АИУДК (страница с измеренными значениями датчиков).
Фиг. 8 - Фотография окна программы для контроля параметров устройства (страница с визуальным отображением состояния объекта и прогнозированием масштаба возможной аварии).
На фиг. 1 обозначены:
1 - локальная вычислительная сеть Ethernet;
2 - сервер (рабочая станция) на базе персональной электронной вычислительной машины (ПЭВМ);
3 - микропроцессорный контроллер аналоговой связи (первого типа);
4 - микропроцессорный контроллер цифровой связи (второго типа);
5 - датчик проводной связи (аналоговый или цифровой);
6 - датчик беспроводной связи (аналоговый или цифровой);
7 - проводная аналоговая связь (аналоговый интерфейс);
8 - проводная цифровая связь (цифровой интерфейс);
9 - корпус заявляемого устройства, в котором размещена ПЭВМ;
10 - управляемые концентраторы нескольких уровней иерархии;
11 - координаторы беспроводной сети;
12 - разъем внешней антенны;
13 - разъем проводного датчика;
14 - разъем внешнего блока реле;
15 - разъем комбинированного устройства;
16 - стандартный разъемам периферийного оборудования;
17 - внешняя антенна;
18 - внешний блок реле;
19 - периферийное устройство вывода информации;
20 - устройство аварийной автоматики;
21 - проводное комбинированное устройство;
22 - собственный датчик комбинированного устройства;
23 - периферийное оборудование;
24 - беспроводное комбинированное устройство;
25 - датчики беспроводного комбинированного устройства. Дополнительно на фигурах обозначены:
ПО-1 - Программное обеспечение для конфигурации АИУДК;
ПО-2 - Программное обеспечение для контроля параметров АИУДК;
БД-1 - База данных со сведениями об объекте, на котором размещается АИУДК;
БД-2 - База данных для сохранения данных во время работы АИУДК;
ПЗУ-1 - Постоянное запоминающее устройство, хранящее конфигурацию управляемого концентратора и подключаемых к нему управляемых концентраторов и микропроцессорных контроллеров более низкого уровня иерархии;
ПЗУ-2 - Постоянное запоминающее устройство с программой АИУДК;
ОЗУ - Оперативное запоминающее устройство.
Автоматизированное информационное устройство дистанционного контроля параметров опасных объектов содержит (по фиг. 1) объединенные через локальную вычислительную сеть Ethernet (1) рабочую станцию на базе персональной электронной вычислительной машины (ПЭВМ) (2), выполненную в виде сервера и микропроцессорные контроллеры (3, 4), которые подсоединены к датчикам (5, 6) при помощи проводной аналоговой (7), проводной цифровой (8) и беспроводной связи. Рабочая станция - сервер на базе ПЭВМ (2) с комплексом программно-аппаратных средств расположена в корпусе (9) ПЭВМ (2), который выполнен экранированным от радиационного и электромагнитного излучения, пыле-влагозащищенным и с виброзащитой. В корпусе (9) дополнительно расположены управляемые концентраторы (10) нескольких уровней иерархии, микропроцессорные контроллеры (3,4), координаторы беспроводной сети (11). Сам корпус (9) снабжен разъемами внешних антенн (12), проводных датчиков (13), внешнего блока реле (14), комбинированных устройств (15) и стандартными разъемами периферийного оборудования (16) ПЭВМ (2). К разъемам (12, 13, 14, 15 и 16) могут быть подключены соответственно внешние антенны (17), с помощью кабелей подключены проводные датчики (5,6), внешний блок реле (18) с периферийными устройствами вывода информации (19) и устройствами аварийной автоматики (20), а также комбинированные устройства (21) с собственными датчиками (22) и периферийное оборудование (23) ПЭВМ (2), в корпусе (9) управляемые концентраторы (10) нескольких уровней иерархии объединены через локальную вычислительную сеть Ethernet (1) и с микропроцессорными контроллерами (3, 4). При этом микропроцессорные контроллеры могут быть выполнены в двух вариантах. В первом варианте микропроцессорные контроллеры (3) выполнены с возможностью опроса датчиков по аналоговому интерфейсу по проводной связи (7). Во втором варианте микропроцессорные контроллеры (4) выполнены с возможностью опроса по цифровому интерфейсу RS-485 (8) проводных датчиков (5) и связи по цифровому интерфейсу RS-485 (8) с координаторами беспроводной сети (11). Координаторы беспроводной сети (11) выполнены с возможностью опроса беспроводных датчиков (6) и беспроводных комбинированных устройств (24), содержащих собственные микропроцессорные контроллеры с внутренними и внешними датчиками (25), при этом эти управляемые концентраторы (10) и микропроцессорные контроллеры (3, 4) выполнены с возможностью индивидуального контроля и настройки.
Управляемые концентраторы (10) и микропроцессорные контроллеры (3, 4) могут быть выполнены с применением элементной базы с повышенной стойкостью к температурным, вибрационном и радиационным воздействиям. Кабели локальной вычислительной сети Ethernet (1) и проводной связи (7, 8) между датчиками (5) и микропроцессорными контроллерами (3, 4) могут быть выполнены экранированными.
Работает автоматизированное информационное устройство дистанционного контроля параметров опасных объектов следующим образом:
После включения питания АИУДК происходит его первичная самонастройка (конфигурирование), при этом выполняются следующие операции:
а) После включения питания (блок писания на схеме не показан, он подключается по всем модулям АИУДК), управляемые концентраторы (10) по алгоритму, приведенному на фиг. 3, записанному в ПЗУ-2 управляемых концентраторов (10), на основании конфигурации, хранящейся в ПЗУ-1 управляемых концентраторов (10), определяют подключенные к ним по локальной вычислительной сети Ethernet (1) управляемые концентраторы (10) более низкого уровня иерархии, микропроцессорные контроллеры первого типа (3), микропроцессорные контроллеры второго типа (4) и комбинированные устройства (21). Все данные во время работы управляемых концентраторов (10) сохраняются в их ОЗУ. Данные вовнутрь корпуса (9) и из него поступают через разъемы (12, 13, 14, 15 и 16), к которым подключены (могут быть подключены) соответственно внешние антенны (17), с помощью кабелей подключены проводные датчики (5, 6), внешний блок реле (18) с периферийными устройствами вывода информации (19) и устройствами аварийной автоматики (20), а также комбинированные устройства (21) с собственными датчиками (22) и периферийное оборудование (23) ПЭВМ (2). Во время работы ПЭВМ (2) оператор может производить управление устройством (АИУДК) с помощью периферийного оборудования (23).
б) Микропроцессорные контроллеры первого типа (3) определяют подключенные к ним по аналоговому интерфейсу (7) датчики (5).
в) Микропроцессорные контроллеры второго типа (4) определяют подключенные к ним по интерфейсу RS-485 (8) датчики (5) и координаторы (11).
г) Координаторы (11) определяют находящиеся в радиусе действия беспроводной сети (от антенн 17) беспроводные датчики (6) и беспроводные комбинированные устройства (24).
д) Персональная электронная вычислительная машина (2) определяет подключенный к ней по локальной вычислительной сети Ethernet (1) один из управляемых концентраторов (10).
е) Комбинированные устройства (21) определяют подключенные к ним датчики (22).
ж) Беспроводные комбинированные устройства (24) определяют подключенные к ним датчики (25).
При этом следует отметить, что вышеуказанные операции а)…ж) происходят параллельно и независимо от друг от друга, то есть практически одновременно.
После того, как завершается конфигурирование - выполнение позиций а)…ж), автоматизированное информационное устройство дистанционного контроля параметров опасных объектов переходит в штатный режим работы. Во время штатного режима работы осуществляются следующие действия (операции):
о.1. Управляемые концентраторы (10) производят непрерывный опрос подключенных к ним по локальной вычислительной сети Ethernet (1) управляемых концентраторов (10) более низкого уровня иерархии, микропроцессорных контроллеров первого типа (3), микропроцессорных контроллеров второго типа (4) и комбинированных устройств (21). В случае выявления в ходе опроса неполадок или возникновения аварийной ситуации, управляемые концентраторы (10) передают сообщение по локальной вычислительной сети Ethernet (1) на ПЭВМ (2).
о.2. Микропроцессорные контроллеры первого типа (3) проводят непрерывный опрос подключенных к ним по аналоговому интерфейсу (7) датчиков  (5). В случае выявления в ходе опроса неполадок или возникновения аварийной ситуации микропроцессорные контроллеры первого типа (3) передают сообщение по локальной вычислительной сети Ethernet (1) на ПЭВМ (2).
о.3. Микропроцессорные контроллеры второго типа (4) проводят непрерывный опрос подключенных к ним по интерфейсу RS-485 (8) датчиков (5) и координаторов (11). В случае выявления в ходе опроса неполадок или возникновения аварийной ситуации микропроцессорные контроллеры второго типа (4) передают сообщение по локальной вычислительной сети Ethernet (1) на ПЭВМ (2).
о.4. Координаторы (11) производят непрерывный опрос находящиеся в радиусе действия беспроводной сети (от антенн 17) беспроводных датчиков (6) и беспроводных комбинированных устройств (24). В случае выявления в ходе опроса неполадок или возникновения аварийной ситуации координаторы (11) передают сообщение по интерфейсу RS-485 (8) на микропроцессорные контроллеры второго типа (4), к котором они подключены, а микропроцессорные контроллеры второго типа (4) в свою очередь передают это сообщение по локальной вычислительной сети Ethernet (1) на ПЭВМ (2).
о.5. Комбинированные устройства (21) производят опрос подключенных к ним датчиков (22). Во время опроса комбинированные устройства (21) могут передавать сообщения по локальной вычислительной сети Ethernet (1) на ПЭВМ (2).
о.6. Беспроводные комбинированные устройства (24) производят опрос подключенных к ним датчиков (25). Во время опроса беспроводные комбинированные устройства (24) могут передавать сообщения по беспроводной сети (создаваемой антеннами 17, подключенные через разъемы 12) на координаторы (11). Координаторы (11) непрерывно анализируют приходящие сообщения от беспроводных комбинированных устройств (24), и в случае выявления в ходе анализа неполадок или возникновения аварийной ситуации координаторы (11) передают сообщение по интерфейсу RS-485 (8) на микропроцессорные контроллеры второго типа (4), к которому они подключены, а микропроцессорные контроллеры второго типа (4) в свою очередь передают это сообщение по локальной вычислительной сети Ethernet (1) на ПЭВМ (2).
о.7. Персональная электронная вычислительная машина (2) производит непрерывный опрос подключенного к ней по локальной вычислительной сети Ethernet (1) одного из управляемых концентраторов (10). В случае выявления в ходе опроса неполадок или возникновения аварийной ситуации, а также при получении сообщения от одного из управляемых концентраторов (10), микропроцессорных контроллеров первого типа (3) и микропроцессорных контроллеров второго типа (4) программное обеспечение ПО-2 ПЭВМ (2) производит запись полученного сообщения в базу данных БД-2, а также на основе данных об объекте, полученных из БД-1, производит автоматический расчет масштабов и последствий аварии и выводит рассчитанные данные оператору. В некоторых случаях, описанных в БД-1, программное обеспечение ПО-2 ПЭВМ (2) посылает сообщение на внешний блок реле (18), который в зависимости от типа сообщения управляет периферийными устройствами вывода информации (19) и устройствами аварийной автоматики (20).
Вышеуказанные операции (о.1…о.7) происходят параллельно и независимо друг от друга, то есть практически одновременно.
Настройка временного интервала опроса во всех операциях штатного режима работы (о.1…о.7), а также задание имен датчиков, отображаемых в сообщениях оператору от ПО-2, может производиться с использованием ПО-1, которое работает на ПЭВМ (2).
Основные параметры разработанной и изготовленного заявителем автоматизированного информационного устройства дистанционного контроля параметров опасных объектов приведены в таблице 1.
Заявляемое АИУДК обеспечивает следующие действия по контролю параметров опасных объектов:
- обнаружение факта изменения состояния безопасности объектов;
- автоматическую передачу и обработку информации о факте аварии на ПЭВМ (1), которая может быть установлена на рабочем месте у оператора;
- регистрацию и документирование сообщений о факте аварии;
- автоматизированный расчет масштабов и последствий возможных аварий;
- оповещение персонала особо опасных объектов гражданского и специального назначения о факте аварии.
Конструктивно ПЭВМ может располагаться в известном доработанном промышленном корпусе.
Функции ПЭВМ следующие:
- первичная конфигурация всей локальной вычислительной сети (ЛВС);
- хранение текущей карты ЛВС (IP адреса управляемых концентраторов, микропроцессорных контроллеров первого и второго вариантов и комбинированных устройств в соответствии с местом расположения на объекте);
- в случае прихода сигнала аварии с одного из узлов, запрос данных с требуемых управляемых концентраторов, микропроцессорных контроллеров первого и второго вариантов и комбинированных устройств для оценки масштаба аварии;
- периодический запрос данных (информации) с микропроцессорных контроллеров (цифровых и аналоговых);
- отображение полученных данных.
Функции микропроцессорных контроллеров (первого варианта - для опроса проводных датчиков по аналоговому интерфейсу, второго варианта - для опроса по цифровому интерфейсу проводных датчиков и координаторов, которые в свою очередь опрашивают беспроводные датчики и комбинированные устройства со своими датчиками):
- контроль целостности подключения датчиков, в случае изменения целостности подключения - передача сообщения на ПЭВМ;
- проверка условий для сигналов датчиков (превышение порогов, резкое повышение сигнала и пр.), в случае нарушения условий - передача аварийного сообщения на ПЭВМ;
- получение конфигурации от ПЭВМ;
- передача сигналов с определенных датчиков на ПЭВМ по запросу.
Функции управляемых концентраторов:
- контроль целостности сети, в случае изменения сети - передача сообщения на ПЭВМ;
- передача адресов подключенных узлов по запросу.
Полагаем, что предложенное автоматизированное информационное устройство дистанционного контроля параметров опасных объектов, обладает всеми критериями полезной модели, так как совокупность ограничительных и отличительных признаков формулы полезной модели является новым для таких устройств, и, следовательно, соответствует критерию "новизна", так как АИУДК может функционировать со всеми типами датчиков с электрическим выходом, которые используются на опасных и особо опасных объектах, а также в АИУДК используется новый алгоритм, описанный в разделе «работа устройства».
Соответствие критерию «новизна» также подтверждает совокупность заявленных признаков формулы полезной модели, которая неизвестна на данном уровне развития техники автоматизированных информационных устройств дистанционного контроля параметров опасных объектов, а именно:
- создание заявленной структуры АИУДК согласно фиг. 1;
- применение универсальных, созданных на однотипной элементной базе микропроцессорных контроллеров первого варианта и второго варианта;
- применение режима работы (алгоритма) управляемых концентраторов, приведенного на фиг. 3.
Разработка, конструирование и внедрение предложенного автоматизированного информационного устройства дистанционного контроля параметров опасных объектов не представляет никаких конструктивно-технических и технологических трудностей. АИУДК разработано, изготовлено и испытано заявителем, что доказывает соответствие критерию "промышленная применимость".
Разработанное АИУДК может применяться для контроля элементов корпуса, двигателя, вала и гребного винта судов ледового класса. В этом случае, на наименее надежные элементы корпуса судна устанавливаются датчики деформации, во всех помещениях устанавливаются датчики наличия опасных веществ и дыма, датчики температуры и влажности. На вал и гребной винт, а также в труднодоступные узлы судна могут устанавливаться беспроводные датчики температуры, деформации и прочих физических величин, по которым можно определить выход из строя или повреждение соответствующих элементов судна. Проводные датчики подключаются к микропроцессорным контроллерам, а беспроводные подключаются к координаторам беспроводной сети. Таким образом, на одно судно можно подключить порядка 100000 проводных и беспроводных датчиков. Благодаря применению устройства вся информация о состоянии судна может быть выведена на один главный диспетчерский пункт с установленным АИУДК с комплексом программно-аппаратных средств, позволяющих производить автоматизированный расчет масштабов и последствий возможных аварийных ситуаций, а также в удобном виде отображающих текущее состояние всех узлов судна. В случае необходимости, АИУДК может через внешний блок реле может подать сигнал на систему аварийного оповещения персонала судна.
Другим применением заявленной полезной модели может являться ее установка в технологический цех. В этом случае, АИУДК может не только собирать информацию с датчиков температуры, влажности, давления, контролировать параметры оборудования, но и передавать сигнал оператору при несанкционированном доступе в помещение.
Литература
8
1. Патент РФ: RU 2411511 С1 от 10.02.2011 года, МПК G01N 27/12, G01W 1/00, «Устройство для контроля концентрации опасных газов».
8
2. Патент РФ: RU 2414003 С1 от 10.03.2011 года, МПК G08B 17/10, G08B 25/00, «Система контроля расхода и утечек бытового газа в многоквартирных домах».
8
3. Патент Китая: CN 202794982 U от 13.03.2013 г., МПК G05B 19/418, «Интеллектуальная система управления зданиями на основе облачной обработки данных».
4. Патент Китая: CN 202837989 U от 27.03.2013 года, МПК8 G05B 19/418, «Автоматическая система мониторинга безопасности плотины».
6
5. Патент РФ: RU 2087036 С1 от 10.08.1997 г., МПК G08C 19/00, G08B 25/00, «Система передачи и обработки сигналов о состоянии объектов».
8
6. Патент РФ: RU 2472129 С1 от 10.01.2013 года, МПК G01M 7/00, «Система мониторинга безопасной эксплуатации зданий и инженерно-строительных сооружений».
8
7. Патент РФ: RU 2279117 С2 от 27.02.2006 года, МПК G05B 19/418, G05B 15/02, «Комплекс программно-аппаратных средств автоматизации управления технологическими процессами».
8
8. Патент РФ на полезную модель: RU 35902 U1 от 10.02.2004 года, МПК G05B 15/02, «Комплекс программно-аппаратных средств автоматизации управления технологическими процессами "ПАССАТ"».
8
9. Патент РФ на полезную модель: RU 91635 U1 от 20.02.2010 года, МПК G05B 15/00, «Автоматизированная система управления объектами гражданского и промышленного назначения».
10. Патент РФ на полезную модель: RU 61438 U1, от 27.02.2007 года, МПК8 G05B 15/00, «Комплекс аппаратно-программных средств автоматизации диагностирования и контроля устройств и управления технологическими процессами».
8
11. Патент на полезную модель РФ: RU 147253 U1 от 27.10.2014 года, МПК G06F 17/40, G06Q 50/06, «Система мониторинга удаленных необслуживаемых объектов и сбора данных о потребленной электроэнергии - аппаратно-программный комплекс "ЭЛЕКТРОН".
8
12. Патент на полезную модель РФ: RU 90247 U1 от 27.12.2009 года, МПК G09B9/00, G09B 19/00, «Иерархическая тренажерная система для подготовки должностных лиц».
7
13. Патент на полезную модель РФ: RU 19936 U1 от 10.10.2001 года, МПК G05B 13/00, «Интеллектуальный полевой контроллер для управления электрическими исполнительными механизмами БУЗ-2».
8
14. Патент на полезную модель РФ: RU 67302 U1 от 10.10.2007 года, МПК G05F 1/30, «Автоматика ограничения снижения напряжения на шинах подстанций».
8
15. Патент на изобретение РФ: RU 2536351 С1 от 20.12.2014 года, МПК G06F 17/00, G08B 23/00, G01W 1/00, «Информационно-управляющая система комплексного контроля безопасности опасного производственного объекта».
16. Патент на изобретение США: US 2015049378 (А1) от 19.12.2014 года, МПК G02F 1/161, G02F 1/163, Техническое решение: «ONBOARD CONTROLLER FOR MULTISTATE WINDOWS».
17. Патент РФ на полезную модель: RU 86022 U1 от 20.08.2009 года, МПК G05B 15/00, G05B 19/00, «Автоматизированная информационная система дистанционного управления и контроля технологических параметров промышленных и гражданских объектов» - прототип.