СИСТЕМА И СПОСОБ ДЛЯ МОНИТОРИНГА И УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ УСТРОЙСТВАМИ
SYSTEM AND METHOD FOR MONITORING AND CONTROLLING ELECTRICAL DEVICES

Область техники, к которой относится изобретение
.
Изобретение относится к области электротехники, более конкретно к способам и системам для мониторинга и управления электрическими устройствами, включающим в себя линию электропитания электрических устройств, соединенную с контроллером мониторинга и управления электрическими устройствами, и соединенную с, по меньшей мере, одним коммутационным модулем подключения электрического устройства.
Уровень техники системы.
Согласно первой из своих сторон, настоящее изобретение относится к системе для мониторинга и управления электрическими устройствами, которая включает в себя линию электропитания электрических устройств, соединенную с контроллером мониторинга и управления электрическими устройствами, и соединенную с, по меньшей мере, одним коммутационным модулем подключения электрического устройства.
Такая система описана в патенте РФ на полезную модель № 152467, опубликованном 27 мая 2015.
Данная система является наиболее близкой по технической сути и достигаемому техническому результату и выбрана за прототип предлагаемого изобретения как устройства.
Недостатком этого прототипа является невозможность простой коммутации устройств по одному кабелю, что приводит к невозможности мониторинга и управления электрическими устройствами при соединении устройств по одному кабелю. Кроме того такая система имеет и другие недостатки:
• невозможность простого проектирования любых систем.
• невозможность простого масштабирования системы,
• невозможность реконструкции существующих систем, при повышении качества мониторинга и управления, и при одновременном сокращения числа коммутационных проводов.
Раскрытие изобретения как системы.
Настоящее изобретение, главным образом, имеет целью предложить систему для мониторинга и управления электрическими устройствами, позволяющую, по меньшей мере, сгладить, как минимум, один из указанных выше недостатков, а именно: обеспечить возможность мониторинга и управления электрическими устройствами при соединении их между собой одним кабелем, что и является решаемой поставленной задачей.
Для достижения этой цели коммутационный модуль подключения электрического устройства имеет расположенный в корпусе процессор, соединенный через блок передачи данных с линией передачи данных, процессор также соединен с блоком питания коммутационного модуля и блоком гальванической развязки, который соединен с силовым каналом подключения электрического устройства.
Благодаря данным выгодным характеристикам появляется возможность подключения электрических устройств, например силовых установок, датчиков и прочего, к контроллеру мониторинга и управления через  коммутационный модуль подключения электрического устройства, который позволяет продолжать наращивать систему, подключая новые электрические устройства, через один кабель.
Кроме того это дает возможность простого проектирования любых систем, не нужно каждый раз решать задачу сложной электрической коммуникации, что важно, когда система включает большое количество различных электрических устройств, например система «Умный дом» или любая сложная очистная система.
Дополнительно это дает возможность простого масштабирования уже существующей системы, можно при необходимости в любой момент без какой-либо переделки системы добавить новые электрические устройства. Например, в существующую систему «Умный дом», которая управляет электрическими устройствами внутри дома и считывает информацию с датчиков, расположенных внутри дома, просто добавить любые датчики или электрические устройства, расположенные снаружи дома, например подсистему «Умный сад» с автоматическим освещением и поливом.
Кроме того, что также важно, это дает возможность реконструкции существующих систем, при повышении качества мониторинга и управления, и при одновременном сокращения числа коммутационных проводов. То есть существующие датчики и различные электрические устройства, можно заново подсоединить через один кабель, просто подключив везде предлагаемый коммутационный модуль подключения электрического устройства.
Существует вариант изобретения, в котором система включает в себя преобразователь, выполненный с возможностью сложения сигнала линии передачи данных и электропитания в суммарный сигнал в линии электропитания, соединенный с контроллером мониторинга и управления электрическими устройствами, и обратный преобразователь, выполненный с возможностью выделения информационного сигнала из суммарного сигнала в линии электропитания, соединённый с каждым коммутационным модулем подключения электрического устройства.
Благодаря данным выгодным характеристикам появляется возможность достигать все вышеперечисленное путем соединения не только одним кабелем, но и одной линией, совмещающей в себе и электропитание и передачу информационных сигналов. Это дополнительно упрощает проектирование, монтаж и реконструкцию различных систем для мониторинга и управления электрическими устройствами.
Существует еще и такой вариант изобретения, в котором корпус коммутационного модуля выполнен водонепроницаемым.
Благодаря данной выгодной характеристике появляется возможность использование коммутационного модуля в жидких средах, например в резервуарах с насосным оборудованием или в естественных природных условиях, под открытым небом, в водоемах.
Существует также вариант изобретения, в котором линия электропитания электрических устройств имеет несколько фаз, а коммутационный модуль выполнен с возможностью защиты каждой фазы отдельным предохранителем.
Благодаря данной выгодной характеристике появляется возможность автоматического отключения электрооборудования в случае короткого замыкания или превышения контролируемых параметров.
Существует кроме того и такой вариант изобретения, в котором коммутационный модуль включает в себя, по меньшей мере, один датчик температуры устройства.
Благодаря данной выгодной характеристике появляется возможность контроля температуры устройства, и автоматического формирования управляющих сигналов при превышении заданных параметров температуры.
Существует еще один вариант изобретения, в котором коммутационный модуль включает в себя, по меньшей мере, один датчик силы тока по каждой фазе.
Благодаря данной выгодной характеристике появляется возможность контроля силы тока по каждой фазе и автоматического формирования управляющих сигналов при превышении заданных параметров силы тока по каждой фазе.
Существует также вариант изобретения, в котором линия электропитания электрических устройств имеет несколько фаз, а коммутационный модуль выполнен с возможностью управления каждой фазой отдельно или синхронно.
Благодаря данной выгодной характеристике появляется возможность управления каждой фазой отдельно или синхронно.
Существует, наконец, вариант изобретения, в котором процессор коммутационного модуля выполнен с возможностью отключения подключённых электрических устройств при превышении заранее предустановленных значений по нагрузке для каждого из электрических устройств.
Благодаря данной выгодной характеристике появляется возможность контроля предустановленных значений по нагрузке и автоматического формирования управляющих сигналов при превышении заданных параметров предустановленных значений по нагрузке для каждого из электрических устройств.
Таким образом, в данном изобретении поставлена задача – возможность мониторинга и управления электрическими устройствами при соединении их между собой одним кабелем. Поставленная задача решена с помощью указанных выше характеристик.
Уровень техники способа.
Другой своей стороной настоящее изобретение к способу мониторинга и управления электрическими устройствами, при котором соединяют линию электропитания электрических устройств с контроллером мониторинга и управления электрическими устройствами.
Такой способ описан в описании работы системы по патенту РФ на полезную модель № 152467, опубликованном 27 мая 2015.
Данный способ является наиболее близким по технической сути и достигаемому техническому результату и выбран за прототип предлагаемого изобретения.
Недостатком этого прототипа также является невозможность простой коммутации устройств по одному кабелю, что приводит к невозможности мониторинга и управления электрическими устройствами при соединении устройств по одному кабелю. Кроме того такой способ имеет и другие недостатки:
• невозможность простого проектирования любых систем.
• невозможность простого масштабирования системы,
• невозможность реконструкции существующих систем, при повышении качества мониторинга и управления, и при одновременном сокращения числа коммутационных проводов
Раскрытие изобретения как способа.
Опирающееся на это оригинальное наблюдение настоящее изобретение, главным образом, имеет целью предложить способ мониторинга и управления электрическими устройствами, при котором соединяют линию электропитания электрических устройств с контроллером мониторинга и управления электрическими устройствами, позволяющий, по меньшей мере, сгладить, как минимум, один из указанных выше недостатков, а именно: обеспечить возможность мониторинга и управления электрическими устройствами при соединении их между собой одним кабелем, что и является решаемой поставленной задачей.
Для достижения этой цели способ включает в себя следующие этапы:
• соединяют линию электропитания электрических устройств с, по меньшей мере, одним коммутационным модулем подключения электрического устройства, имеющим расположенный в корпусе процессор,
• соединяют процессор через блок передачи данных с линией передачи данных,
• соединяют процессор также с блоком питания коммутационного модуля и блоком гальванической развязки, который
• соединяют с силовым каналом подключения электрического устройства,
• для управления электрическими устройствами передают через контроллер мониторинга и управления электрическими устройствами управляющие сигналы на коммутационный модуль подключения электрического устройства, и далее на само электрическое устройство,
• для мониторинга состояния электрического устройства, передают сигналы с процессора коммутационного модуля подключения электрического устройства.
Благодаря данным выгодным характеристикам появляется возможность подключения электрических устройств, например силовых установок, датчиков и прочего, к контроллеру мониторинга и управления через  коммутационный модуль подключения электрического устройства, который позволяет продолжать наращивать систему, подключая новые электрические устройства, через один кабель.
Кроме того это дает возможность простого проектирования любых систем, не нужно каждый раз решать задачу сложной электрической коммуникации, что важно, когда система включает большое количество различных электрических устройств, например система «Умный дом» или любая сложная очистная система.
Дополнительно это дает возможность простого масштабирования уже существующей системы, можно при необходимости в любой момент без какой-либо переделки системы добавить новые электрические устройства. Например, в существующую систему «Умный дом», которая управляет электрическими устройствами внутри дома и считывает информацию с датчиков, расположенных внутри дома, просто добавить любые датчики или электрические устройства, расположенные снаружи дома, например подсистему «Умный сад» с автоматическим освещением и поливом.
Существует вариант изобретения, в котором способ включает в себя следующие этапы, при которых складывают через преобразователь, соединенный с контроллером мониторинга и управления электрическими устройствами, сигнал линии передачи данных и электропитания в суммарный сигнал в линии электропитания, а при подачи его на каждый коммутационный модуль подключения электрического устройства выделяют через обратный преобразователь, соединенный с указанным коммутационным модулем, информационный сигнал из суммарного сигнала в линии электропитания.
Благодаря данным выгодным характеристикам появляется возможность достигать все вышеперечисленное путем соединения не только одним кабелем, но и одной линией, совмещающей в себе и электропитание и передачу информационных сигналов. Это дополнительно упрощает проектирование, монтаж и реконструкцию различных систем для мониторинга и управления электрическими устройствами.
Существует еще один вариант изобретения, в котором автоматически отключают подключённые электрические устройства при превышении заранее предустановленных значений по нагрузке для каждого из электрических устройств при помощи процессора коммутационного модуля.
Благодаря данным выгодным характеристикам появляется возможность автоматически отключать подключённые электрические устройства при превышении заранее предустановленных значений по нагрузке для каждого из электрических устройств при помощи процессора коммутационного модуля.
Краткое описание чертежей.
Другие отличительные признаки и преимущества изобретения ясно вытекают из описания, приведенного ниже для иллюстрации и не являющегося ограничительным, со ссылками на прилагаемые рисунки, на которых:
- фигура 1 схематично изображает устройство системы для мониторинга и управления электрическими устройствами согласно изобретению,
- фигура 2 схематично изображает устройство коммутационного модуля системы для мониторинга и управления электрическими устройствами согласно изобретению,
- фигура 3 схематично изображает этапы способа мониторинга и управления электрическими устройствами, согласно изобретению
- фигура 4 изображает интерфейс программы управления контроллером при реализации способа мониторинга и управления электрическими устройствами, согласно изобретению.
Согласно фигуре 1 система для мониторинга и управления электрическими устройствами 1 включает в себя линию электропитания электрических устройств 1, соединенную с контроллером 2 мониторинга и управления электрическими устройствами 1, и соединенную с, по меньшей мере, одним коммутационным модулем 3 подключения электрического устройства 1. Коммутационный модуль 3 подключения электрического устройства имеет расположенный в корпусе 30 процессор 31, соединенный через блок передачи данных 32 с линией передачи данных. Процессор 31 также соединен с блоком питания 33 коммутационного модуля и блоком гальванической развязки 34, который соединен с силовым каналом подключения электрического устройства. На фигурах показано сразу три канала для варианта трехфазной сети, обозначены как 351, 352, 353.
Система опционально включает в себя преобразователь 41, выполненный с возможностью сложения сигнала линии передачи данных (например, выполненную по стандарту RS485) и электропитания в суммарный сигнал в линии электропитания, соединенный с контроллером 2 мониторинга и управления электрическими устройствами, и обратный преобразователь 42, выполненный с возможностью выделения информационного сигнала из суммарного сигнала в линии электропитания, соединённый с каждым коммутационным модулем 3 подключения электрического устройства.
На фигуре 1 показан пульт оператора 5, который соединен линией передачи данных. При этом линии передачи данных обозначены пунктиром, а силовые линии электропитания – толстой линией. Буквой N обозначена «Земля», а L – фаза. То есть видно, что система может управлять удаленно, например с помощью компьютера, выполняющего роль пульта оператора 5, который может быть соединен с контроллером 2 с помощью беспроводной сети.
Корпус 31 коммутационного модуля может быть опционально  выполнен водонепроницаемым.
Линия электропитания электрических устройств может иметь несколько фаз, а коммутационный модуль 3 может быть выполнен с возможностью защиты каждой фазы отдельным предохранителем. Показаны как 361, 362, 363.
Коммутационный модуль может включать в себя, по меньшей мере, один датчик температуры устройства. Обозначен как 37.
Коммутационный модуль включает в себя, по меньшей мере, один датчик силы тока 38 по каждой фазе.
Линия электропитания электрических устройств имеет несколько фаз, а коммутационный модуль выполнен с возможностью управления каждой фазой отдельно или синхронно.
Процессор коммутационного модуля выполнен с возможностью отключения подключённых электрических устройств при превышении заранее предустановленных значений по нагрузке для каждого из электрических устройств.
Блок передачи данных 32  является приемником и передатчиком физического протокола передачи данных RS485.
Блок питания 33 может быть выполнен в виде блока питания на 220 В и мощностью 3 Ватта, обеспечивает коммутационный модуль 3 постоянным напряжением 5В и током 500 ма. Трансформатор блока питания может играть роль датчика напряжения с гальванической развязкой от сети 220 вольт.
Процессор 31 со встроенным АЦП сбирает аналоговые данные с датчиков тока, напряжения и температуры, обеспечивает логику протокола МОДБАС слейв, обеспечивает защитную функцию от перегрева и перегрузки по току.
Датчики тока 38 на базе эффекта Холла обеспечивают точный мониторинг токовой нагрузки при минимальных потерях. В роли каждого датчика тока на каждый канал может выступать ACS712.
Блок гальванической развязки 34 может быть выполнен ка опторазвязка на основе МОС3083, которая обеспечивает гальваническую развязку силовых цепей с низковольтными, так же производит коммутацию нагрузки при переходе через ноль.
На фигуре 2 также показан разъем для подсоединения следующего коммутационного устройства как 39.
Осуществление изобретения.
Система для мониторинга и управления электрическими устройствами работает следующим образом.
Этап А1. Предварительно соединяют линию электропитания электрических устройств с контроллером мониторинга и управления электрическими устройствами.
Этап А2. Соединяют линию электропитания электрических устройств с, по меньшей мере, одним коммутационным модулем подключения электрического устройства, имеющим расположенный в корпусе процессор.
Этап А3. Соединяют процессор через блок передачи данных с линией передачи данных.
Этап А4. Складывают через преобразователь, соединенный с контроллером мониторинга и управления электрическими устройствами, сигнал линии передачи данных и электропитания в суммарный сигнал в линии электропитания.
Этап А5. При подачи его на каждый коммутационный модуль подключения электрического устройства выделяют через обратный преобразователь, соединенный с указанным коммутационным модулем, информационный сигнал из суммарного сигнала в линии электропитания.
Этап А6. Соединяют процессор также с блоком питания коммутационного модуля и блоком гальванической развязки.
Этап А7. Соединяют с силовым каналом подключения электрического устройства.
Этап А8. Для управления электрическими устройствами передают через контроллер мониторинга и управления электрическими устройствами управляющие сигналы на коммутационный модуль подключения электрического устройства, и далее на само электрическое устройство.
Этап А9. Для мониторинга состояния электрического устройства, передают сигналы с процессора коммутационного модуля подключения электрического устройства.
Этап А10. Автоматически отключают подключённые электрические устройства при превышении заранее предустановленных значений по нагрузке для каждого из электрических устройств при помощи процессора коммутационного модуля.
Промышленная применимость.
Предлагаемая система для мониторинга и управления электрическими устройствами может быть осуществлена специалистом на практике и при осуществлении обеспечивает реализацию заявленного назначения, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «промышленная применимость» для изобретения.
В соответствии с предложенным изобретением изготовлен опытный образец системы для мониторинга и управления электрическими устройствами.
Мониторинг и управление электрическими устройствами велся через контроллер, который был выведен на компьютер, на экране которого выведен контроль и управление в виде данных регистров MODBUS см. фиг. 4.
Назначение регистров MODBUS было таково:
0 – Канал 351, значения 0-3
0. Выключить канал 351
1. Включить канал 351
2. Выключить все каналы (351,352,353)
3. Включить все каналы (351,352,353)
1 – Канал 352, значение 0,1-65535
0. Выключить канал 352
1. Включить канал, любое значение больше 1 включает канал.
2 – Канал 353, значение 0,1-65535
0. Выключить канал 353
1. Включить канал, любое значение больше 1 включает канал.
3 – Потребление тока каналом 351, погрешность до 100мА
4 – Потребление тока каналом 352, погрешность до 100мА
5 – Потребление тока каналом 353, погрешность до 100мА
6 – Температура устройства, защита отключает каналы при температуре устройства 80°С. Показания корректируются путем ввода правильного значения в регистр.
7 – Лимит потребления тока по каналу 351, 0-20000мА
8 – Лимит потребления тока по каналу 352, 0-20000мА
9 – Лимит потребления тока по каналу 353, 0-20000мА
10 – Адрес в сети МОДБАС
11 – Baudrate
0. 9600
1. 14400
2. 19200
3. 38400
4. 57600
5. 115200
12 – Stop bit
0. 1бит
1. 2бит
13 – Напряжение питающей сети между Фаза 1 и ноль 170-270В погрешность 3%. Показания корректируются путем ввода правильного значения в регистр.
14 – Общая потребляемая мощность
15 – Наличие ошибки
0. – Прибор работает в штатном режиме
1. – Был превышен порог тока 20 000 мА в течении 40мс
2. – Был превышен заданный лимит по току
3. – Слишком частые запросы по сети МОДБАС
4. – Температура вышла за пределы 0С - 80°С
Испытания опытного образца системы показали, что она обеспечивает возможность:
- быстрого проектирования,
- простого подключения всех узлов,
- подключения как датчиков для сбора данных, так и силовых агрегатов для управления,
- соединения всех узлов одним кабелем.
Таким образом, за счет того, что в системе коммутационный модуль подключения электрического устройства имеет расположенный в корпусе процессор, соединенный через блок передачи данных с линией передачи данных, процессор также соединен с блоком питания коммутационного модуля и блоком гальванической развязки, который соединен с силовым каналом подключения электрического устройства, а в способе
• соединяют линию электропитания электрических устройств с, по меньшей мере, одним коммутационным модулем подключения электрического устройства, имеющим расположенный в корпусе процессор,
• соединяют процессор через блок передачи данных с линией передачи данных,
• соединяют процессор также с блоком питания коммутационного модуля и блоком гальванической развязки, который
• соединяют с силовым каналом подключения электрического устройства,
• для управления электрическими устройствами передают через контроллер мониторинга и управления электрическими устройствами управляющие сигналы на коммутационный модуль подключения электрического устройства, и далее на само электрическое устройство,
• для мониторинга состояния электрического устройства, передают сигналы с процессора коммутационного модуля подключения электрического устройства
и достигается заявленный технический результат, а именно: возможность мониторинга и управления электрическими устройствами при соединении их между собой одним кабелем.
Дополнительным полезным техническим результатом заявленного изобретения является то, что оно обеспечивает:
• возможность простого проектирования любых систем.
• возможность простого масштабирования системы.
• возможность реконструкции существующих систем, повышение качества мониторинга и управления, сокращения числа коммутационных проводов.
• удешевление и ускорение монтажа,
• удешевление и ускорение монтажных работ,
• удешевление и ускорение пуско-наладочных работ систем с электрическими устройствами.