Коммутатор для обеспечения автономной работы контрольно-измерительных приборов и/или контроллеров автоматики по интерфейсам: 4-20 мА/HART, и/или RS-485, и/или RS-232 (протокол MODBUS), и беспроводной передачи данных в сетях LoRaWAN, и/или NB-IoT, и/или 6LoWPAN Российский патент 2022 года по МПК G01R19/00 

Предлагаемое изобретение предназначено для получения, преобразования и управления сигналов от контроллеров и датчиков с выходом 4-20 мА и HART протоколу или RS-485 интерфейсу по Modbus протоколу в автономном режиме (при помощи подключаемого, не зависящего от внешних сетей электроснабжения, элемента питания) с последующей передачей по беспроводной сети LoRaWAN, NB-IoT, 6LoWPAN.

В патентной литературе известна полезная модель, которая относится к устройству сбора данных с дистанционной передачей переменной частоты на основе NB-IoT. Система в основном используется для удаленного сбора данных в водном хозяйстве. Удаленное устройство сбора передачи переменной частоты содержит контроллер чипа, запоминающее устройство, в данных передатчик, ортогональную форму волны коллектор, активный / пассивный импульсный коллектор, ЖК-дисплей, напряжение батареи коллектора, в 485 данных коллектора и кнопки устройства Холла, (см. 211783675 «УСТРОЙСТВО СБОРА ДАННЫХ С ДИСТАНЦИОННОЙ ПЕРЕДАЧЕЙ ПЕРЕМЕННОЙ ЧАСТОТЫ НА БАЗЕ NB-IOT» CN - 27.10.2020 IntClass G01F 15/06 Appl. No 201920947072.5 Applicant WUXI WATER GROUP CO., LTD.Inventor DA YUEWU).

Недостатками патента аналога является ограниченное наличие каналов связи (только частоты на основе NB-IoT) и отсутствие возможности работы устройства в автономном режиме.

Известен автономный сборщик данных, включающий, микроконтроллер и модуль связи, отличающийся тем, что микроконтроллер с модулем связи сообщен с прибором учета посредством устройства ввода/вывода и подключен к стабилизированному преобразователю напряжения системы питания, причем микроконтроллер сообщен с модулем связи посредством интерфейса USART, a модуль связи выполнен с возможностью беспроводной связи с сетевым сервером по протоколу LoRaWAN, причем устройство ввода/вывода содержит преобразователи логического уровня, импульсный вход, модуль RS-485, выход типа «открытий коллектор», дискретный выход, релейный выход (см. патент KZ 5411, G08C 17/00, опубл. 02.10.20 г.).

Недостатками патента аналога является ограниченное наличие каналов связи и отсутствие возможности работы устройства в автономном режиме.

Известен беспроводной измеритель для измерения, преобразования и управления давления в цифровой сигнал с последующей передачей по сети LoraWAN содержит прибор измерения с выходным током сигнала токовая петля 4-20 мА, выход которого связан с первым входом/выходом контроллера и входом преобразователя, выход которого подключен ко второму входу/выходу контроллера и входу делителя напряжения, выход которого последовательно связан с логическими ключами, расположенными на контроллере, а выходы ключей и контроллера подключены к источнику питания. Устройство дополнительно содержит преобразователь интерфейсов RS-485, RS-422, RS-232, Modbus; прибор измерения с выходными сигналами 0-0,01 В / 0-1 В / 0-10 В; прибор с выходными сигналами RS-485, RS-422, RS-232, Modbus; прибор с выходным дискретным сигналом типа «сухой контакт» (см. патент РФ №2694789, МПК G01R 15/00, опубл. 16.07.19 г.). Недостатками патента - аналога является ограниченное наличие каналов связи.

Известен беспроводной измеритель-коммутатор (ROSSMA IIOT-AMS ANALOG), Производитель: ООО «РОССМА», Чипсет: SX1272, IM880B-L, Технология: LoRaWAN, Частоты: 868 МГц, содержащий элемент питания, источник питания, преобразователь напряжения контроллер STM, радиопередатчик, вычислительное устройство, подключенное к первичному преобразователю. Автономный измеритель-коммутатор ROSSMA IIOT-AMS Analog является универсальным беспроводным устройством. Как результат, коммутатор совместим с контрольно-измерительными приборами (датчиками) широкого спектра производителей. Измеритель-коммутатор ROSSMA IIOT-AMS Analog обеспечивает автономную работу и беспроводную передачу данных в сетях с низким энергопотреблением (Low Power Wide Area Network), стандартов LoRaWAN, NB-IoT или 6L0WPAN. (https://rossma.ru/wp-content/uploads/2019/07/%D0%9F%D0%B0%D1%81%D0%BF%D0%BE%D1%80%D1%82-ROSSMA-IIOT-AMS-Analog-Ex-single-channel.pdf).

Основной недостаток: Протокол передачи данных/опроса устройства: токовая петля 4-20 мА либо резистивный pt1000, Ni1000, TK5000. Это снижает функциональные возможности устройства-прототипа.

Задачей создания изобретения является расширение функциональных возможностей устройства при работе с данными от датчиков и контроллеров по HART протоколу и RS-485 интерфейсу по Modbus протоколу в полностью автономном режиме, обеспечение электропитанием датчиков и контроллеров производится от предлагаемого изобретения. Проблема, решается с помощью существенных признаков, указанных в формуле изобретения, таких как коммутатор для работы контрольно-измерительных приборов и/или контроллеров автоматики по интерфейсам: 4-20 мА/HART, и/или RS-485 и/или RS-232 (протокол MODBUS) и беспроводной передачи данных в сетях LoRaWAN, и/или NB-IoT, и/или 6LoWPAN» характеризуется тем, что содержит HART модем и драйвер RS-485 позволяющие производить обмен данными с датчиками и контроллерами работающими по HART протоколу и RS-485 интерфейсу, выход HART модема связан с входом/выходом контроллера и входом фильтра согласования, вход которого подключен через шунт и фильтр электромагнитных помех к HART выходу прибора, выход шунта подключен через второй фильтр электромагнитных помех и через блок согласования к контроллеру, причем питание прибора с выходным протоколом HART и RS-485 интерфейсом осуществляется при помощи преобразователя напряжения, который позволяет обеспечить требуемые характеристики тока и напряжения для обеспечения электропитания подключенных датчиков и контроллеров от элемента питания, которые, в свою очередь, подключены к контроллеру, а драйвер RS-485 подключен к входу/выходу контроллера и через третий фильтр электромагнитных помех к прибору получения данных, при этом контроллер подключен к модулю связи LoRaWAN, NB-IOT или 6LoWPAN для передачи данных по беспроводной сети и подключен к модулю памяти для возможности сохранения полученных и отправленных данных.

Вышеперечисленная совокупность существенных признаков, позволяет получить следующий технический результат - расширение функциональных возможностей устройства при работе с контроллерами и датчиками по интерфейсу 4-20 мА и HART протоколу или RS-485 интерфейсу по Modbus протоколу, и обеспечить длительную автономную работу, как самого устройства, так и подключенных к нему датчиков и контроллеров от элемента питания входящего в состав устройства.

Изобретение иллюстрируется блок-схемой, где на Фиг. 1 позициями обозначены:

1. HART модем. Выполняет модуляцию выходного сигнала и демодуляцию входного сигнала HART.

2. Драйвер RS-485. Предназначен для обеспечения получения данных по интерфейсу RS-485 и выполнение функции изолятора для гальванической развязки цифрового сигнала.

3. Контроллер. Выполняет функции работы по протоколам LoRaWan NB-IoT, 6LowPAN, GSM, и прочими, запуском измерений АЦП, преобразованием и фильтрацией данных АЦП, запросом и приемом данных по протоколу HART и RS-485. Также выполняет другие сервисные функции.

4. Фильтр согласования. Предназначен для фильтрации входного сигнала с целью выделить сигнал HART. Также выполняет согласование выходного HART сигнала и подмесом его в сеть HART.

5. Шунт. Предназначен для измерения тока в цепи. Выполнен на основе высокоточного резистора

6. Фильтр электромагнитных помех. Предназначен для гашения помех амплитудой выше допустимого напряжения для контроллера малой длительности, а также выполняем роль первичной защиты от перенапряжения на входе устройства. Выполнен на основе TVS-диода.

7. Прибор измерения с выходным протоколом 4-20 мА и HART

8. Второй фильтр электромагнитных помех. Предназначен для защиты входа АЦП от перенапряжений и остаточных помех. Выполнен на основе резистора и сдвоенного диода.

9. Блок согласования Предназначен для защиты входа АЦП от перенапряжений и остаточных помех. Выполнен на основе резистора и сдвоенного диода

10. Выход питания. Предназначен для обеспечения электропитанием приборов измерения (приборов получения данных).

11. Преобразователь напряжения с защитой. Выполняет преобразование входного напряжения с батареи устройства в напряжение питания приборов с 4-20 мА и HART протоколом, RS-485 интерфейсом.

12. Элемент питания 3,6 В.

13. Третий Фильтр электромагнитных помех. Предназначен для гашения помех амплитудой выше допустимого напряжения для контроллера малой длительности, а также выполняем роль первичной защиты от перенапряжения на входе устройства.

14. Прибор получения данных по интерфейсу RS-485.

15. Модуль связи LoRaWAN, и/или NB-IoT, и/или 6LoWPAN

16. Модуль памяти. Предназначен для хранения данных. Является энергонезависимой памятью. Универсальный автономный беспроводной коммутатор содержит (Фиг. 1) HART модем (1) и драйвер RS-485 (2) позволяющие производить обмен данными с датчиками и контроллерами, работающими по HART протоколу и RS-485 интерфейсу, выход HART модема (1) связан с входом/выходом контроллера (3) и входом фильтра согласования (4), вход которого подключен через шунт (5) и фильтр электромагнитных помех (6) к HART выходу прибора (7), выход шунта (5) подключен через второй фильтр электромагнитных помех (8) и через блок согласования (9)) к контроллеру (3). Питание прибора с выходным интерфейсом 4-20 мА и протоколом HART и RS-485 интерфейсом (10) осуществляется при помощи преобразователя напряжения (11), который позволяет обеспечить требуемые характеристики тока и напряжения для обеспечения электропитания подключенных датчиков и контроллеров от элемента питания (12), которые в свою очередь подключены к контроллеру (3), а драйвер RS-485 (2) подключен к входу/выходу контроллера (3) и через третий фильтр электромагнитных помех (13) к прибору получения данных (14). Контроллер (3) подключен к модулю связи LoRaWAN, и/или NB-IOT и/или 6L0WPAN (15) для передачи данных по беспроводной сети и подключен к модулю памяти (16) для возможности сохранения полученных и отправленных данных.

Устройство работает следующим образом.

Напряжение питания от элемента питания 12 подается на контроллер 3. После подачи питания контроллер регистрируется в сети LoRaWAN либо NB-IOT либо 6LoWPAN и далее контроллер 3 через преобразователь напряжения 11 производит включение выход 10 по питанию на 5 сек. После выдержки времени контроллер 3 через HART модем 1 производит запрос в прибор 7 и ждет ответ. Дополнительно контроллер 3 через драйвер RS-485 2 делает запрос по интерфейсу RS-485 в прибор 14. После получение ответа от приборов 7 и 14 контроллер 3 записывает в модуль памяти 16 полученные данные и производит отправку данных через модуль связи LoRaWAN, NB-IoT или 6LoWPAN 15 по беспроводной сети.

Применение стандартного датчика или контроллера с выходным интерфейсом 4-20 мА и HART протоколом и RS-485 интерфейсом, вынуждает применять повышающий преобразователь напряжения с довольно большим током потребления от батареи 3,6 В (до 120 мА). И включать его на время начала работы датчика (в данном случае на 5 сек). Это снижает общее время автономной работы от батареи питания. Зато позволяет подключаться к любому виду датчиков и контроллеров без использования дополнительного электропитания, главное - чтобы выходной интерфейс был 4-20 мА, протокол был HART или RS-485. И передавать любой вид параметра (давление, температура, уровень, вибрация, расход, угол открытия и т.п.) в беспроводные сети стандартов LoRaWAN, NB-IoT или 6LoWPAN.

Из описания и практического применения настоящего технического решения специалистам будут очевидны и другие частные формы его выполнения.

Данное описание и чертежи рассматриваются как материал, иллюстрирующий изобретение, сущность которого и объем патентных притязаний определены в нижеследующей формуле изобретения, совокупностью существенных признаков и их эквивалентами.

Изобретение относится к технике передачи сигналов, в частности к коммутаторам для работы контрольно-измерительных приборов. Технический результат - расширение функциональных возможностей устройства. Результат достигается тем, что коммутатор содержит HART модем и драйвер RS-485, позволяющие производить обмен данными с устройствами, работающими по HART протоколу и RS-485 интерфейсу, выход HART модема связан с входом/выходом контроллера и входом фильтра согласования, вход которого подключен через шунт и фильтр электромагнитных помех (ФЭП) к HART выходу прибора, выход шунта подключен через второй ФЭП и через блок согласования к контроллеру, причем питание прибора с выходным интерфейсом 4-20 мА, протоколом HART (RS-485 интерфейсом) осуществляется при помощи преобразователя напряжения, который задает ток и напряжение для электропитания подключенных устройств от элемента питания, которые подключены к контроллеру, а драйвер RS-485 подключен к входу/выходу контроллера и через третий ФЭП к прибору получения данных, при этом контроллер подключен к модулю связи LoRaWAN (NB-IOT и/или 6LoWPAN) для передачи данных по беспроводной сети и к модулю памяти. 1 ил.

Коммутатор для работы контрольно-измерительных приборов и/или контроллеров автоматики по интерфейсам: 4-20 мА/HART и/или RS-485 и/или RS-232 по протоколу MODBUS и беспроводной передачи данных в сетях LoRaWAN, и/или NB-IoT, и/или 6LoWPAN, характеризующийся тем, что содержит: HART модем (1) и драйвер RS-485 (2), позволяющие производить обмен данными с датчиками и контроллерами, работающими по HART протоколу и RS-485 интерфейсу,

выход HART модема (1) связан с входом/выходом контроллера (3) и входом фильтра согласования (4),

вход которого подключен через шунт (5) и фильтр электромагнитных помех (6) к HART выходу прибора (7),

выход шунта (5) подключен через второй фильтр электромагнитных помех (8) и через блок согласования (9) к контроллеру (3),

причем питание прибора с выходным интерфейсом 4-20 мА, протоколом HART и/или RS-485 интерфейсом (10) осуществляется при помощи преобразователя напряжения (11), который позволяет обеспечить требуемые характеристики тока и напряжения для обеспечения электропитания подключенных датчиков и контроллеров от элемента питания (12), которые, в свою очередь, подключены к контроллеру (3),

а драйвер RS-485 (2) подключен к входу/выходу контроллера (3) и через третий фильтр электромагнитных помех (13) к прибору получения данных (14),

при этом контроллер (3) подключен к модулю связи LoRaWAN, и/или NB-IOT, и/или 6LoWPAN (15) для передачи данных по беспроводной сети и подключен к модулю памяти (16) для возможности сохранения полученных и отправленных данных.