Автоматизированная универсальная система управления процессами в промышленности, торговле и сфере услуг

УДК 62-523.8

12 3

А.Л. Ганюшкин , Е.А. Болвачев , В.А. Игнатюк

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ УНИВЕРСАЛЬНАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССАМИ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ, ТОРГОВЛЕ И СФЕРЕ УСЛУГ

Разработано универсальное устройство управления цифровыми приборами для автоматизации различных процессов, организации управления, контроля, получения отчетности (в том числе финансовой) на удаленном расстоянии в сфере производства, оказания услуг, торговли и др.

В настоящее время на базе микроконтроллера А1те§а разрабатывается универсальное устройство, позволяющее управлять различными видами исполнительных устройств, осуществлять их диагностику, отправлять отчеты об ошибках с координатами места нахождения, изменять управляющие параметры исполнительного устройства, формировать и передавать финансовые отчеты.

Вся информация может передаваться на персональный компьютер и/или мобильный телефон. Изменение управляющих параметров исполнительного устройства будет осуществляться при помощи мобильного телефона и/или персонального компьютера.

Технический результат реализации данного устройства достигается при организации большой сети: объединения нескольких управляющих модулей и исполнительных устройств с одним ПК и/или мобильным телефоном.

Одной из функций такой сети является формирование и передача подробных инструкций, позволяющих в десятки раз рациональней организовывать техническое обслуживание и бухгалтерскую отчетность. Практическая реализация разработки позволяет существенно уменьшить расходы на техническое обслуживание за счет отсутствия оператора в технологическом процессе.

Система имеет высокую рентабельность, удобство в эксплуатации пользователем. Универсальность устройства и поддержка ведения

1 Игнатюк Виктор Александрович - научный руководитель, д-р техн. наук, проф. кафедры электроники ВГУЭС.

2 Болвачев Евгений Александрович - аспирант кафедры электроники ВГУЭС.

3 Ганюшкин Александр Львович - аспирант кафедры электроники ВГУЭС.

бухгалтерии позволит легко внедриться в различные сферы деятельности, и вызвать высокий спрос.

Как пример реализации узконаправленного управляющего устройства денежно-приёмными приборами и офисной техникой, мы изготовили экспериментальную модель копировального автомата, способного принимать как монеты, так и купюры, выдавать сдачу, выполнять все необходимые функции, востребованные потребителем, сообщать о неисправностях обслуживающему персоналу, сообщать о количестве листов, находящихся в данный момент в лотке копира.

При анализе существующей аппаратной базы с целью выявления устройств, пригодных для решения подобных задач, найдена информация о довольно ограниченном ряде устройств. Недостатком известных устройств по отношению к нашему является невозможность внедрения в различные сферы деятельности; ограниченное количество объектов управления; ограниченный алгоритм управления; отсутствует возможность вычисления сложных арифметических задач в технологическом цикле; отсутствие возможности его полного дистанционного управления по средством GSM-модуля; невозможность объединение устройств в организованные системы; отсутствие необходимого количества счетчиков; отсутствие возможности вести свою внутреннюю бухгалтерию с периодичной отчетностью; отсутствие автоматической отчетности и исправления возможных ошибок.

Универсальность применения данной системы определяется исключительно программно-аппаратной частью. Аппаратная часть устройства построена так, что в зависимости от сферы и целей применения к основным портам возможно подключение различных объектов управления. Это позволяет при крупносерийном изготовлении устройства уменьшить себестоимость во много раз. Небольшие модификации ПО позволят разработать различные версии: от

узкофункциональных до универсальных в зависимости от сферы и целей применения. Поэтому основным целевым рынком предлагаемой разработки могут стать не только крупные компании, использующие разработку для автоматизации процессов в производстве и оптимизации ведения экономической деятельности, но и предприниматели малого и среднего бизнеса, работающие в сфере предоставления услуг и торговли посредством самообслуживающих автоматов.

Универсальное управляющее устройство дорабатывается на базе уже ранее разработанного нами устройства управления офисной техникой и денежно приемными приборами, и будет содержать те же основные функциональные узлы, но более расширенные и доработанные. Так в качестве основного управляющего блока нами использовался микроконтроллер ATmega8, а управляющий блок универсального устройства решено организовать на более производительном микроконтроллере ATmega 128 или XMmega128. Будет организовано

большее количество портов для подключения внешних устройств (объектов управления), также планируем реализовать работу по протоколу RS485 для подключения к линии до 255 устройств или цифровых датчиков различного типа.

Планируется усовершенствовать систему слежения за состоянием устройства, объектов управления и исправлением возможных ошибок (с применением интеллектуальных сетевых решений).

Также в устройстве будет организована работа универсальных портов для возможности подключения к каждому порту различных объектов управления, в зависимости от выбранного программного обеспечения.

Аппаратная часть устройства состоит из двухсторонней печатной платы размерами 70 х 140 мм, на которой расположены следующие функциональные блоки:

1. Основной управляющий блок - микроконтроллер ATmega8. Управляющий блок универсального устройства решено организовать на более производительном микроконтроллере ATmega 128 или XMmega128.

2. Блок увеличения количества прерываний микроконтроллера;

3. Блок вывода графической информации и настройки LCD;

4. Блок установки основных констант в 16-ти комбинаций;

5. Блок подключения внешнего управления, представлен портом Body Device;

6. Блок преобразования уровней портов TX/RX по протоколу RX232;

7. GSM-модуль компании Sim Technology SIM300DZ для организации приема/передачи информации через GSM сеть, выхода в интернет по протоколу GPRS и организации системы управления путем объединения всех устройств в единую сеть по протоколу TCP/IP;

8. Блок идентификации в сети GSM;

9. Блок управления много функциональными устройствами, представлен портом Print с оптической развязкой;

10. Блок управления денежно-приемными устройствами по протоколу Pulse и RS232, представлены портами BILL и COIN;

11. Блок приема и передачи звуковой информации;

12. Блок включения внешних исполнительных устройств по протоколу RS-485;

13. Блок слежения за состоянием устройства и обнаружения ошибки много функционального устройства;

14. Блок ввода служебной информации и установки счетчиков микроконтроллера;

15. Блок индикации состояния устройства и GSM-модуля.

Функциональные блоки аппаратной части устройства

представлены на рисунке 1.

ТІ

к

о

Є

'С

X

я

с

к

о

X

РЭ

и

СҐ

X

Е

в

ОЇ

и

о

я

к

РЭ

я

я

РЭ

43

РЭ

н

X

о

SC

л

РЭ

о

н

К

'С

о

-ё

о

SC

о

н

со

IV. HITECH

Электрическая принципиальная схема устройства разрабатывалась в системе Electronics Lab center (Proteus 7.4) предназначенной для проектирования аналоговых, цифровых и аналого-цифровых устройств и показана на рисунке 2.

Первоначально электрическая схема устройства версии 1.1 включала в себя блок управления тремя цифровыми приборами (2-ми денежноприёмными устройствами и МФУ) на основе микроконтроллера ATmega 8, обвязку микроконтроллера, три порта ввода-вывода, порт вывода графической информации, и была разработана в соответствии с первоначальным программным обеспечением Ганюшкина А. Л. Устройство было реализовано в целях проведения опытно-конструкторских работ и изучения методов согласования, протоколов передачи данных с 3-мя объектами управления.

Электрическая схема устройства версии 1.2 выполняла те же функции и обеспечивало подключение внешнего сотового телефона по протоколу RS232, для возможности внешнего управления и получения технических отчетов через канал GSM. На этом этапе работы изучались методы преобразования уровней сигнала, согласование линий на ПП, построение транзисторных ключей.

В устройство версии 1.3 одновременно с возможностью подключения внешнего сотового телефона был встроен GSM - модуль SIM300DZ, блок идентификации в сети GSM, блок ввода и воспроизведения звуковой информации. С момента создания этого устройства началась огромная работа по изучению и организации правильной работы GSM - модуля.

Устройство версии 1.4 было уже более приближено к конечной цели

- коммерческой реализации, собрало в себе все предыдущие доработки и имело задатки универсальности. Были организованы: блок увеличения количества прерываний микроконтроллера, блок слежения за состоянием устройства и обнаружения ошибки МФУ, блок ввода служебной информации и установки счетчиков микроконтроллера, блок индикации состояния устройства и GSM-модуля.

Электрическая схема устройства версии 1.5 представляет собой уже полностью доработанную схему, где решена основная проблема -стабильность и надежность работы GSM - модуля, корректное управление и получение инструкций технического обеспечения через GSM канал. Устройство собирается на двух сторонней ПП, где улучшен блок ввода служебной информации и установки счетчиков микроконтроллера.

На данный момент нами производиться небольшая серия устройств версии 1.6, для установки в аппараты «КиберКопир» и активно ведется НИОКР по разработке универсального устройства версии 2.G на микроконтроллере XMega128.

Электрическая принципиальная схема устройства управления денежно-приемными устройствами и офисной техникой версии 1.4,

разработанная

рисунке.

в системе Electronics Lab center показана на следующем

Рис. 2 Электрическая принципиальная схема устройства разработанная в системе Electronics Lab center

Печатная плата устройства разрабатывалась с помощью программы Sprint Layout 5.G ручной разводкой дорожек по заданной электрической схеме (рис. 4). При проектировании печатной платы мы столкнулись с рядом сложностей, таких как:

- согласование микроконтроллера с ЖК-индикатором, денежноприёмными устройствами и многофункциональным устройством XEROX;

- согласование микроконтроллера и GSM-модуля по протоколу RS-232;

- целостность сигналов на печатной плате;

- согласование линий передачи данных на печатной плате;

- обеспечение волновых сопротивлений на этапе изготовления прототипа ПП;

- разветвления, отводы и буферизация сигналов и др.

Эти задачи удалось решить после изготовления прототипа печатной платы, проведения тестирования, лабораторных и полевых испытаний. Но в полной мере обеспечить стабильность и надежность работы удалось только после изготовления шестого прототипа печатной платы.

В процессе работы было изготовлено 9 прототипов печатных плат по ЛУТ-технологии, на которых производилась более детальная доработка устройства и эксплуатационные испытания. Проработаны вопросы целостности сигналов на печатной плате, волновое сопротивление, согласование линий передачи данных, и д. р.

На рисунке 3 представлена структурная схема работы управляющего устройства. Устройство может работать в двух режимах: автономная работа и режим работы в сети

В первом режиме устройство передает СМС сообщения о своем текущем состоянии на персональный компьютер или на мобильный телефон, управление осуществляется так же при помощи персонального компьютера или мобильного телефона.

настройки и синхронизации устройств, а на ЖК-индикаторе отобразиться текст, изображенный

GSM модуль в виде СМС сообщений. Изменение параметров работы блока управления, а так же управление исполнительным устройством может производиться на удаленном расстоянии с

помощью обычного мобильного телефона, по

средствам передачи специальны»: команд в еиде СМС сообщений на GSM модуль блока управления.

Особенность данного устройства заключается в том, что управляющий блок разра&отан на базе

написана на низкоуровневом языке

программирования Такой подход позволил

сократить, расходы на изготовление устройства, повысил надежность и функциональность-, такзке позволил избавиться от дорогостоящего програвлмного обеспечения.

Рис. 3 - Структурная схема работы универсального устройства

упращк ния

Файл Редактор Проект Действия Опции Регистрация Помощь

Рис. 4. Печатная плата устройства в программе Sprint Layout 5.0

- 119 -

Основные сферы применения устройства

Разработанное устройство можно применять в различных сферах деятельности, на рисунке 2 приведена структурная схема наиболее перспективных сфер.

Внедрение данного устройства в сферу предоставления услуг копирования документов. При традиционном ведении услуг копирования существует ряд недостатков, главные из которых являются рабочий персонал, и большая арендуемая площадь, в результате чего возникает необходимость в разработке и производстве автоматических копировальных аппаратов небольших габаритов и невысокой стоимостью без использования рабочего персонала.

Таким образом, в этом направлении появляется перспективная возможность по реализации и внедрению нашей разработки, которая будет исполнять роль персонала. Более того, при организации сети услуг с использованием автоматического копировального аппарата вся служебная (техническая и экономическая) информация будет передаваться по назначению. Это позволит существенно снизить затраты и время на обслуживание аппаратов, и упростит ведение бухгалтерии всей сети.

В сфере перевозки пассажиров в муниципальном транспорте наша разработка позволит решить ряд задач, таких как: определение типа и количества транспорта на маршрутах, введение новой оптимизированной схемы маршрутной сети, определение местонахождения и количества транспортного средства, подсчета посажиропотоков. Для этого необходимо оснастить муниципальный транспорт данными устройствами и присвоить каждому тип транспорта. В результате получиться глобальная сеть для мониторинга муниципального транспорта. При необходимости в сеть могут быть включены диспетчерские пункты. Вся служебная информация будет передаваться в один управляющий центр, в качестве которого может служить обычный персональный компьютер.

В сфере безопасности к разработанному устройству, достаточно, подключить охранно-пожарные датчики, турникеты, электромагнитные или электромеханические замки. В результате сработки одного из датчиков информации о взломе или пожара придет на мобильный телефон. При этом при помощи того же мобильного телефона, возможно, запирать двери или управлять турникетом.

В настоящее время существует множество различных торговых аппаратов, поэтому универсальное устройство может послужить управляющей платой или ее заменой в случае поломки.

Особо перспективной сферой применения можно отметить электросеть. В любом населенном пункте в каждом доме есть электросчетчики, показания которых снимает рабочий персонал, это занимает достаточно много времени и средств. Разработанное устройство,

возможно, применить в данной сфере в качестве съема показаний электросчетчика при этом показания будут сниматься непосредственно со счетчика и до него, используемый подход позволить контролировать недобросовестных плательщиков электричества, а используемый протокол Я8-485 позволит подключать к одной универсальной плате управления до 255 счетчиков. Информацию о показаниях можно снять в любой момент по запросу, так же возможно организовать автоматизированную систему, которая по заданному календарному времени будет передавать показания автоматически.

В промышленности данное устройство можно использовать в качестве управления конвейером, а так же в качестве осуществления диагностики объекта управления, оповещении оператора при возникновении неполадки, устранение возможных ошибок алгоритма производства.

На рисунке 5 представлена структурная схема наиболее перспективных сфер применения универсального устройства управления.

Безопасность

Промышленность и производство

Рис. 5. Структурная схема наиболее перспективных сфер применения универсального устройства управления

Как пример реализации устройства мы изготовили

экспериментальную модель копировального автомата, способного

принимать как монеты, так и купюры, выдавать сдачу, выполнять все необходимые функции, востребованные потребителем, сообщать о неисправностях обслуживающему персоналу, сообщать о количестве листов и др.

В настоящее время получен патент № 82047 от 10.04.2008г. на полезную модель для данного автомата.

На данный момент для коммерциализации научно-технических результатов получен патент на полезную модель, организовано малое

- 121 -

предприятие ООО «ИНТЕХРОС», произведен запуск серийного производства разработанного устройства на заводе «Электроконнект» в г. Новосибирске, интенсивно ведуться продажи как самого устройства, так и вендинговых систем на его основе. Вендинговый копировальный аппарат на базе данного управляющего устройства, разработанный нами в 2009 году и запущенный ООО «ИНТЕХРОС» в серийное производство, а так же патент показан на следующем рисунке 6.

Рис. 6. Копировальный автомат.