Система и способ сбора, обработки, хранения и передачи цифровых данных
DIGITAL DATA COLLECTION, PROCESSING, STORAGE AND TRANSMISSION SYSTEM AND METHOD

Изобретение относится к области автоматизации с интерактивным контролем параметров технологических процессов, а именно к устройствам для сбора, обработки, передачи, хранения и визуализации цифровых данных, собранных в результате опроса набора датчиков и контролирующих устройств систем мониторинга.
В настоящее время интерактивный мониторинг технологических процессов стал неотъемлемой частью модернизации производственных процессов. В частности, по статистике, в нефтегазовой промышленности до 20% непроизводительных потерь времени связаны со сбоями в работе промышленного оборудования. В связи с чем, интерактивное управление сложными программно аппаратными комплексами, основанное на своевременной, точной и бесперебойной передаче данных является основополагающей задачей в области автоматизации систем управления технологическими процессами и поддержки принятия решений.
Большинство известных систем мониторинга построены по принципу удаленный модем – сервер – клиент, чем обеспечивается возможность удаленного контроля работы оборудования и управление технологическими процессами с оперативным принятием решений.
Поэтому существует потребность в системе, обеспечивающей доступ к информации о производстве на местах в режиме реального времени, предоставляющей данные, которые постоянно обновляются, предоставляются конечному пользователю в оптимальном для использования виде, что позволяет проводить анализ производства, а также наблюдение и контроль в режиме реального времени.
Из уровня техники известна «Унифицированная система управления информационными потоками предприятия» (патент РФ на полезную модель №123562). Система содержащая близкие по своему функциональному назначению блок сбора данных с внешних источников, базу данных, модуль выборки данных, модуль подготовки данных, модуль сохранения информации о передачи данных, модуль формирования и передачи данных во внешнюю систему, модуль справочной информации, относится к системам сбора телеметрических данных, передачи их после обработки во внешние информационные системы и предназначена для решения задач обмена данными между программными комплексами, используемыми на предприятии.
Из патента на изобретение США US6978210B1 известна система сбора и обработки информации (SCADA) включающая множество удаленных измерительных устройств, программируемых логических контроллеров и др., связанные с центральным сервером с программным обеспечением для обработки данных посредством удаленного модема. Удаленный сервер обеспечивает сбор и хранение данных с возможностью их последующего использования.
Из патента США на изобретение US8301386В1 известна система сбора, классификации и представления данных наблюдения в реальном времени (SCADA), полученных из множества источников информации или устройств в нефтяном или газовом поле. Указанная система реализована на базе устройства содержащего процессор, элемент памяти для хранения набора инструкций, хранящихся на машиночитаемом носителе и исполняемый процессором.
Получение данных о нефти или газе из множества серверов SCADA, причем данные о нефти или газе исходят из множества измерительных устройств в нефтяном или газовом поле и в которых серверы SCADA сконфигурированы для получения данных о состоянии скважин из множества измерительных устройств по беспроводной линии связи, через модем.
При передаче выполняют нормализацию данных, включающую стандартизацию входящих данных, так что согласованный набор типов и значений данных позволяет анализ собранных данных. Также описанная система предусматривает возможность сохранение нормализованных данных в базу данных для последующей обработки; а также представление нормализованных данных пользователю с использованием визуального интерфейса. Позволяя пользователю получать визуальное представление данных, полученных из множества серверов SCADA, и исходящих из множества измерительных устройств.
В качестве ближайшего аналога принята информационная система отображения и передачи высокодискретных данных телеметрии, известна из патента на полезную модель RU 142241
Описанная информационная система обеспечивает автоматизацию анализа и обработки данных с целью представления ее в удобном для проведения аналитической работы виде и передачи проанализированной информации в другую систему.
Информационная система отображения и передачи высокодискретных данных телеметрии принципиально состоит из следующих элементов
1. Блок сбора данных с внешних источников.
2. База данных.
3. Модуль выборки данных.
4. Модуль подготовки данных.
5. Модуль отображения данных.
6. Модуль определения пластового давления.
7. Модуль зонирования кривой восстановления давления.
8. Модуль автоматического определения возможных участков кривой восстановления давления.
9. Модуль визуализации глубинных давлений.
10. Модуль справочной информации.
11. Модуль сохранения информации о передаче данных кривой восстановления давления.
12. Модуль формирования и передачи данных во внешнюю систему.
К недостаткам известных аналогов можно отнести отсутствие возможности интеллектуального хранения и пользовательской фильтрации данных, что приводить к увеличению объема передаваемой информации и перегруженности серверов, а также недостаточную гибкость пользовательского интерфейса, что не позволяет обеспечить визуализацию данных в оптимальном для восприятия виде.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение является реализация способа и системы обработки, хранения и передачи цифровых данных с повышенной надежностью передачи и хранения, оптимальным потреблением ресурсов, возможностью индивидуально настраиваемой визуализации, а также расширенными возможностями доступа к данным и подтверждения их актуальности.
Технический результат, достигнутый от реализации заявляемого изобретения заключается в повышении оптимизации потребления ресурсов заявляемой системой, используемых при обработке хранении и передаче данных, а также в повешении функциональности пользовательского интерфейса с обеспечением индивидуально настраиваемой визуализации данных, а также в обеспечении глобального доступа к данным.
Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что система сбора, обработки, хранения и передачи цифровых данных, содержит управляющий компьютер (УК) с программируемым пользовательским интерфейсом, удаленный сервер (УС) с центральным узлом процессора и соответствующим клиент-серверным программным обеспечением, программируемый модем с центральным процессором и разъемами интерфейсов Ethernet, RS485, связанный с набором датчиков системы мониторинга и осуществляющий трансфер данных, как по проводной линии связи, так и через GSM канал. Программируемый модем является мастером по отношению к удаленному серверу, и содержит сформированные на базе встроенного ЦП блоки, сбора данных, интеллектуального сжатия, фильтрации, архивирования и хранения данных, формирования запросов на (УС) и блок обмена данными с УС. При этом УС связан, с по меньшей мере, одним УК и содержит реализованные в центральном узле процессора блоки обмена данными с ПМ и УК. Блок хранения данных функционально связанный с запоминающим устройством и выполненный с возможностью интеллектуального сжатия объема данных со временем при сохранении ключевых параметров данных.
Согласно предпочтительному варианту реализации изобретения, управляющий компьютер (УК) содержит блоки ЦП обеспечивающие интерактивную визуализацию данных посредством инструментов формирования индивидуально настраиваемых виджетов и мнемосхем. При этом, по меньшей мере, один управляющий компьютер является элементом сети с распределенным реестром обмена данными.
Согласно описанному изобретению, способ основанный на реализации системы сбора, обработки, хранения и передачи цифровых данных заключается в том, что указанную систему формируют из управляющего компьютера (УК) с программируемым пользовательским интерфейсом, удаленного сервера (УС) с центральным узлом процессора и соответствующим клиент-серверным программным обеспечением, а также программируемого модема (ПМ) с центральным процессором (ЦП) связанного с набором датчиков и контролирующих устройств системы мониторинга, и осуществляющего трансфер данных, как по проводной линии связи, так и через беспроводной GSM канал. Посредством программируемого модема (ПМ) выполняют опрос набора датчиков и контролирующих устройств системы мониторинга выполняя пользовательскую фильтрацию, а также интеллектуальное сжатие и шифрование полученных сигналов с формированием пакетов данных. Посредством указанного ПМ формируют регулярные периодические запросы на удаленный сервер (УС), далее после получения программируемым модемом обратной связи о наличии на УС запроса от управляющего компьютера (УК) выполняют передачу сигналов с запрашиваемыми данными на УС с их последующим дешифрованием и отображением посредством пользовательского интерфейса.
Согласно описанному варианту реализации указанного способа, периодические запросы/пакеты данных, отправляемые программируемым модемом на удаленный сервер содержат данные позволяющие безошибочно идентифицировать указанный программируемый модем. На удаленном сервере периодически выполняют интеллектуальное сжатие объема данных сохраняя при этом ключевые параметры данных.
Также одной из особенностей заявляемого способа является, то что при отсутствии ответа от УС на запрос программируемого модема, посредством указанного программируемого модема (ПМ) выполняют логирование получаемые данные с опрашиваемых устройств и накапливают их на внутреннем накопителе ПМ до момента восстановления связи с УС.
Обеспечить существенную оптимизации потребления ресурсов удается посредство пользовательской фильтрации данных, которую выполняют путем установления пользователем диапазона значений сбора и передачи данных.
Сущность заявляемого изобретения поясняется, но не ограничивается приведенными графическими материалами:
фиг.1 – блок-схема системы сбора, обработки, хранения и передачи
цифровых данных;
фиг.2 – блок-схема алгоритма сбора, обработки, хранения и передачи цифровых данных.
Согласно преимущественному варианту реализации изобретения система сбора, обработки, хранения и передачи цифровых данных (фиг.1) содержит управляющий компьютер (УК) 1 с программируемым пользовательским интерфейсом, удаленный сервер (УС) 2 с центральным узлом процессора 3 и соответствующим клиент-серверным программным обеспечением, программируемый модем (ПМ) 4 с центральным процессором и разъемами интерфейсов Ethernet, RS485, связанный с набором датчиков 5 системы мониторинга и осуществляющий трансфер данных, как по проводной линии связи, так и через GSM канал.
В указанной системе программируемый модем 4 является мастером по отношению к удаленному серверу 2, и содержит сформированные на базе встроенного центрального процессора (ЦПМ) 6 блоки, сбора данных 7, интеллектуального сжатия 8, фильтрации 9, архивирования и хранения данных10 на встроенное запоминающем устройстве 11, блок 12 формирования запросов на (УС) 2 и блок 13 обмена данными с УС. При этом УС 2 связан, с по меньшей мере, одним УК 1 и содержит реализованные в центральном узле процессора 3 блоки обмена данными 14 с ПМ и УК, блок 15 хранения данных функционально связанный с запоминающим устройством 16 и выполненный с возможностью интеллектуального сжатия объема данных со временем при сохранении ключевых параметров данных.
Управляющий компьютер (УК) 1 содержит блоки 17 ЦП 18 обеспечивающие интерактивную визуализацию данных посредством инструментов формирования индивидуально настраиваемых виджетов и мнемосхем. Указные элементы визуализации пользователь может формировать самостоятельно, отображая на экране персонального электронного устройства параметры и наборы данных в оптимальной для восприятия форме. Также согласно одному из возможных вариантов реализации изобретения, по меньшей мере, один управляющий компьютер 1 является элементом сети с распределенным реестром обмена данными, обеспечивая глобальный доступ к данным и обмен данными между всеми участниками такой сети.
Способ, основанный на реализации описанной системы, схематически показан на блок-схеме (фиг.2) алгоритма сбора, обработки, хранения и передачи цифровых данных. Согласно одному из возможных вариантов реализации, схема содержит блок 19 сбора данных, на данном этапе посредством ПМ выполняют опрос набора датчиков и контролирующих устройств системы мониторинга. После чего в блоке 20 обработки данных, выполняют пользовательскую фильтрацию 21, при которой фильтруют данные поступающие на вход ПМ посредством установления диапазона значений сбора и передачи данных для каждого измеряемого параметра. Также в блоке 20 выполняют интеллектуальное сжатие 22, при котором фиксируют изменения измеряемых параметров в течении заданного периода,  регулируя при этом частоту опроса измерительных устройств в зависимости от изменения значений параметров. Далее сигналы с данными оптимизируют посредством шифрования и архивирования 23. После чего на выходе блока 20 формируют пакеты с данными 24. Также посредством ПМ формируют регулярные периодические запросы 25 на удаленный сервер (УС) 2, запрашивая обратную связь о наличии и характере запросов от управляющего компьютера (УК). Периодические запросы/пакеты данных, отправляемые программируемым модемом на удаленный сервер содержат данные позволяющие безошибочно идентифицировать указанный программируемый модем. При отсутствии на УС положительного ответа, алгоритм переходит на этап сбора данных. После получения программируемым модемом обратной связи о наличии на УС запроса от управляющего компьютера (УК) выполняют передачу 26 пакетов данных на УС с их последующим дешифрованием 27 и визуализацией 28 посредством пользовательского интерфейса на УК. Также на данном этапе обеспечивают передачу полученных данных в базу данных (БД) 29, где периодически выполняют интеллектуальное сжатие 30 объема данных, сохраняя при этом ключевые параметры данных, например пиковые показатели измеренных значений, при необходимости система позволяет восстановить оптимизированные данные.
На случай аварий и других внештатных ситуаций на УС, например, при отсутствии ответа от УС на запрос программируемого модема, заявленный способ предусматривает логирование получаемых данных с опрашиваемых устройств с хранением на внутреннем накопителе ПМ до момента восстановления связи с УС.
Пользовательский интерфейс может быть сформирован в зависимости от индивидуальных потребностей пользователя с отображением необходимых для контроля технологического процесса параметров. Построению информативного пользовательского интерфейса способствует реализованный на базе центрального узла процессора УС инструмент формирования индивидуально настраиваемых виджетов и мнемосхем.
Заявляемое изобретение способствует достижению указанного технического результата обеспечивая повышение точности и скорости передачи данных, за счет применения беспроводной передачи информации с с применением пользовательской фильтрации и интеллектуального сжатия фиксируемых данных. Также реализация заявляемого способа позволяет повысить надежность хранения данных с оптимизацией потребляемых ресурсов, за счет наличия накопительных устройств, как на удаленном сервере, так и на программируемом модеме обеспечивая при длительном хранении интеллектуальное сжатие объема данных.
Хачатуров Д.В.