Система управления "умным поселком" Российский патент 2023 года по МПК G05B23/00 

Представленное техническое решение относится к автоматизированным системам управления, а именно к системам управления инженерно-техническими системами и сервисами, поддерживающими интегрированную среду для работы, обучения и проживания человека, и может быть использовано для автоматизированного управления «умными поселками» с повышенными требованиями по надежности, безопасности и эффективности.

В настоящее время активно развиваются цифровые технологии автоматизированного управления городами, поселками, кампусами и отдельными зданиями с включением в состав систем управления компонентов, реализующих автоматический сбор, обработку и анализ полевых данных и автоматическое управление исполнительными механизмами подсистем жизнеобеспечения (ПНСТ 443-2020 Информационные технологии. Умный город. Общие положения по интеграции и функционированию инфраструктур умного города; SuqinGu. Cloud Campus 3.0 Solution. IP Network eBook Series. 19/10/2021 [электронный ресурс] https://support.huawei.com/enterprise/en/doc/EDOC1100201111).

Данное изобретение предназначено для применения в качестве автоматизированной системы управления инженерно-техническими подсистемами и сервисами «умных поселков» (УП), активное проектирование и строительство которых ведется для обеспечения трудовыми ресурсами производственной деятельности в тяжелых природных и климатических условиях проживания и работы пользователей и обслуживающего персонала.

«Умным поселком» заявитель называет комплекс быстровозводимых модульных зданий, предназначенный для работы и проживания обслуживающего персонала и пользователей поселка, оснащенный автоматизированным системой управления, обеспечивающей управление инженерно-технологическими системами и предоставляемыми в поселке сервисами в автоматическом и автоматизированном режиме. Концепция "умного поселка" объединяет информационно-коммуникационные технологии и различные физические устройства, подключенные к автоматизированной системе управления (ПНСТ 438-2020 Информационные технологии. Интернет вещей. Типовая архитектура).

Система управления «умным поселком» (СУУП), представленная в заявленном техническом решении, строится с применением модульного принципа и соответствует высоким требованиям по эффективности, надежности и безопасности эксплуатации.

Известна микропроцессорная информационно-управляющая система "умный дом", содержащая контроллер, выполненный с возможностью работы в проводной сети, а также подключенные к контроллеру с использованием проводной сети исполнительные проводные модули, предназначенные для подключения к контроллеру датчиков и исполнительных механизмов (патент RU №53510 U1, МПК Н02Н 7/00, G06F 19/00, опубликовано 10.05.2006).

Также известна полезная модель системы цифрового поселка (патент CN 210442909 U, Digital camp system, опубликовано 2020-05-01), которая обеспечивает цифровую систему управления лагерем, и включает элемент управления бизнесом, блок видеомониторинга, блок мониторинга окружающей среды и блок управления энергопотреблением, при этом блок управления обслуживанием, блок видеомониторинга, блок мониторинга окружающей среды и блок управления энергопотреблением электрически соединены с базой данных посредством проводов, база данных электрически соединена с центральным процессорным блоком посредством проводов, центральный процессорный блок электрически соединен с сигнализацией, трехмерным дисплеем в реальном времени и позиционером посредством проводов, а трехмерный дисплей в реальном времени электрически соединен с терминалом посредством проводов.

Наиболее близким аналогом (прототипом) для данного изобретения является Система управления оборудованием поселка/устройство управления (патент CN 103092169 B, Digital camp apparatus management/control device, опубликовано 2016-01-06). Признаки указанного известного технического решения, являющиеся общими с заявленным, заключаются в том, что в состав системы входят сервисная информационная шина, модуль автоматизированного управления, включающий в себя сервер управления, связанный соответственно двунаправленными линиями связи с интерфейсом оператора, блоком аналитики и отчетности, блоком конфигурирования, блоком баз данных, а также сервисной информационной шиной, а также содержит K модулей автоматического управления, которые содержат L измерительных преобразователей и М датчиков, выходы которых соединены со входами шины полевого уровня, а также N исполнительных блоков, соединенных двунаправленной линией связи с шиной полевого уровня, программируемый контроллер, связанный двунаправленной линией связи с шиной полевого уровня, а сервисная информационная шина двунаправленными линиями связи последовательно соединена с приемопередатчиком, телекоммуникационной сетью и S абонентскими модулями.

Основными недостатками известных систем управления является отсутствие адаптивности к изменению конфигурации управляемых подсистем, а также отсутствие возможности оперативного перехода от автоматического на автоматизированный режим управления.

Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей заявленной системы, адаптивность системы к изменению состава функциональных модулей и оперативный переход от автоматического режима управления на автоматизированный в аварийных и внештатных ситуациях при эксплуатации поселка для обеспечения требований надежности и безопасности.

Сущность заявленного технического решения заключается в том, что система управления «умным поселком» содержит сервисную информационную шину, модуль автоматизированного управления, включающий в себя сервер управления, связанный соответственно двунаправленными линиями связи с интерфейсом оператора, блоком формирования аналитики и отчетности, блоком конфигурирования, блоком баз данных, а также сервисной информационной шиной, а также содержит K модулей автоматического управления, которые содержат L измерительных преобразователей и М датчиков, выходы которых соединены со входами шины полевого уровня, а также N исполнительных блоков, соединенных двунаправленной линией связи с шиной полевого уровня, а также программируемый контроллер, связанный двунаправленной линией связи с шиной полевого уровня, а сервисная информационная шина двунаправленными линиями связи последовательно соединена с приемопередатчиком, телекоммуникационной сетью и S абонентскими модулями, при этом модуль автоматизированного управления дополнительно снабжен блоком авторизации пользователей, блоком обработки заявок, блоком мониторинга модулей, связанными двунаправленными линиями связи с сервером управления, при этом каждый из K модулей автоматического управления дополнительно снабжен блоком аварийного управления и первым приемопередатчиком, при этом входы-выходы блока аварийного управления двунаправленными линиями связи соответственно соединены с шиной полевого уровня, с первым приемопередатчиком и с программируемым контроллером, соединенным двунаправленной линией связи с первым приемопередатчиком, дополнительно в систему введен интерфейс администратора, соединенный двунаправленной линией связи с телекоммуникационной сетью, а также Р функциональных модулей, каждый из которых содержит второй приемопередатчик, блок управления сервисами, блок управления, локальный терминал, соединенные последовательно двунаправленными линиями связи с входами-выходами блока управления, при этом второй приемопередатчик связан двунаправленной линией связи с сервисной информационной шиной.

На Фиг. 1 представлена функциональная схема заявленной системы управления «умным поселком», включающая в себя:

• сервисную информационную шину 1;

• модуль автоматизированного управления 2, включающий в себя:

сервер управления - 2.1,

интерфейс оператора - 2.2,

блок авторизации пользователей - 2.3,

блок обработки заявок - 2.4,

блок формирования аналитики и отчетности - 2.5,

блок конфигурирования - 2.6,

блок мониторинга модулей - 2.7,

блок баз данных - 2.8;

• K модулей автоматического управления - 3, включающих в себя:

шину полевого уровня - 3.1,

первый приемопередатчик - 3.2,

программируемый контроллер - 3.3,

блок аварийного управления - 3.4,

L измерительных преобразователей - 3.5,

М датчиков - 3.6,

N исполнительных блоков - 3.7;

• приемопередатчик -4.1;

• телекоммуникационную сеть - 4.2;

• интерфейс администратора - 4.3;

• абонентский модуль - 4.4;

• Р функциональных модулей - 5, включающих в себя:

локальный терминал - 5.1,

интерфейс оператора модуля - 5.2,

блок управления - 5.3,

блок управления сервисами - 5.4,

второй приемопередатчик - 5.5.

Реализация выполняемых модулями в целом и отдельными блоками функций представлена в описании технического решения в явном виде или определена при описании работы СУУП.

Все модули системы реализованы известным способом в соответствии с требованиями ГОСТ 33701-2016 и представляют собой жесткую рамочную конструкцию, обеспечивающую механическую поддержку блоков, вставляемых в объединительную плату, надлежащее сочленение соединителей, отсутствие контакта между соединенными модулями, распределение охлаждающих воздушных потоков в системе и невозможность нарушения контакта между вставленными модулями и объединительной платой вследствие вибрации или ударов.

Сервер управления модулей реализован в соответствии с требованиями ГОСТ IEC 60050-2016 и выполнен в виде микропроцессорной подсистемы с управляющим и функциональным программным обеспечением.

Все функциональные блоки СУУП, входящие в систему, являются комплексными объектами технических средств и математического обеспечения, предназначены для выполнения конкретной функции и представляют собой интегральную схему, центральная часть которой построена на одном или нескольких микропроцессорах и являются функционально законченными устройствами, которые по программе, задаваемой управляющими сигналами, обрабатывает информационные сигналы. Результат обработки определяется программой, а аппаратные средства остаются неизменными.

Все двунаправленные и однонаправленные линии связи СУУП представляют собой шины данных, которые могут использовать как параллельные, так и битовые последовательные соединения, и могут быть подключены либо по многоуровневой (электрической параллельной), либо по последовательной топологии, либо соединены коммутируемыми концентраторами, как в случае универсальной последовательной шины. При этом все линии связи, представленные в функциональной схеме системы, позволяют передавать сигналы управления, сигналы синхронизации и информационные сигналы, используя проводные или беспроводные каналы.

СУУП функционирует в режимах автоматического и автоматизированного управления одновременно. При этом для автоматических модулей управления возможно использование только одного из указанных режимов.

Введем в описание модифицированные определения терминов из ГОСТ Р 58538-2019.

Автоматизированное управление: совокупность воздействий на объект с непосредственным участием оператора в процессах управления, выбранных из множества возможных на основании определенной информации и направленных на поддержание или улучшение функционирования управляемого объекта в соответствии с целью управления.

Автоматическое управление: совокупность воздействий на объект без участия человека, выбранных из множества возможных на основании определенной информации и направленных на поддержание или улучшение функционирования управляемого объекта в соответствии с целью управления.

Автоматический процесс: процесс, выполняемый техническими средствами по ранее заданному алгоритму без участия человека.

Ниже описаны функции модулей и блоков СУУП, обеспечивающие получение заявленного технического результата.

Модуль автоматизированного управления 2 - сборный компонент СУУП, предназначенный для непосредственного выполнения следующих автоматизированных функций:

• управление конфигурацией СУУП, включая:

планирование управления конфигурацией СУУП;

идентификацию конфигурации;

аудит конфигурации;

управление изменениями конфигурации;

сохранение статуса конфигурации;

• управление заявками на сервисы и изменения, включая формирование, учет и контроль выполнения внештатных заявок от пользователей, а также созданных функциональными модулями и средствами полевого мониторинга в автоматическом режиме;

• управление базами данных и информационными моделями объектов управления и технологических процессов;

• обеспечение функциональной и информационной интеграции компонентов и сервисов СУУП;

• организацию и координацию вычислительных процессов, реализующих задачи контроля и управления компонентами СУУП, технологическими, информационными и вспомогательными процессами;

• организацию и управление единой базой данных СУУП, хранящейся в блоке баз данных 2.8;

• предоставление оператору системы в графической форме в реальном времени информации о технологических процессах СУУП и состоянии объектов управления и среды;

• прием от оператора системы управляющих команд и информации, их обработку передачу в исполнительные блоки СУУП.

Каждый модуль автоматического управления 3 является сборным компонентом СУУП, предназначенным для реализации автоматических процессов, поддерживающих следующие автоматические функции:

• прием оперативной информации о состоянии оборудования и иных объектов управления и мониторинга, включая окружающую среду;

• обработку, анализ и передачу управляющих и информационных сигналов через сервисную информационную шину 1 в сервер управления 2.1 и в функциональные модули;

• контроль обновления данных и фильтрации по предельным значениям параметров объектов управления;

• контроль технологических цифровых и аналоговых параметров объектов управления;

• формирование информационных сигналов для поддержки выполнения процедур удаленной диагностики и мониторинга оборудования и среды.

Программируемый контроллер (ПК) 3.3, входящий в состав модуля автоматического управления, представляет собой микропроцессорное устройство, предназначенное для сбора, преобразования, обработки, хранения информации и выработки команд управления, имеющий конечное количество входов и выходов, подключенных к ним датчиков, преобразователей, исполнительных механизмов и работающий в режиме реального времени.

Исполнительные блоки, входящие в состав модуля автоматического управления, которые принимают входные сигналы и воздействуют на одно или несколько свойств физической сущности.

Датчики, входящие в состав модуля автоматического управления, являются устройствами, которые считывают некоторые свойства физической сущности и преобразуют их в цифровые сигналы для дальнейшей обработки в программируемом контроллере.

Функциональный модуль 5 - сборный компонент СУУП, имеющий типовую структуру, реализующий автономный набор прикладных функций, предоставляющий специализированные сервисы для пользователей, персонала и владельцев УП и использующий разделяемые информационные ресурсы СУУП, доступ к которым осуществляется через сервисную информационную шину 1 с применение известных протоколов информационного обмена, и предназначенный для облегчения проектирования системы, интеграции, и повторного использования.

Сервисная информационная шина 1 является связующим программно-аппаратным компонентом СУУП и применяется для функциональной интеграции компонентов СУУП и централизованного и унифицированного событийного обмена сообщениями и управляющими сигналами между модулями и блоками СУУП. Применение сервисной информационной шины позволяет реализовать в СУУП принцип сервисно-ориентированной архитектуры информационного и управляющего взаимодействия модулей.

Шина полевого уровня 3.1 в составе модуля автоматического управления 1 является программно-аппаратным блоком коммуникации и применяется для интеграции компонентов СУУП и автоматических сервисов внутри автоматического модуля. Полевая шина реализуется стандартно на физическом, канальном уровнях и уровне приложений многоуровневой сетевой модели.

Приемопередатчики в составе СУУП являются комбинацией передатчика и приемника в одном функциональном блоке, при которой для передачи и приема используются общие схемные элементы и специализированное программное обеспечение.

Все интерфейсы в составе СУУП исполняются в соответствии с ГОСТ 30721-2020 и являются совместно используемыми средствами, связывающими две функциональные единицы с различными функциональными характеристиками, параметрами физического соединения, параметрами взаимосвязи при обмене сигналами.

Выполнение СУУП функций основано на программно-аппаратной обработке на семантическом (информационном) уровне следующих структурированных и закодированных информационных объектов: профилей пользователей, информационных моделей объектов управления, технологических карт сервисов, электронных документов, цифровых идентификаторов объектов управления и учета, записей классификаторов и справочников. Список видов информационных объектов может расширяться в процессе эксплуатации СУУП.

Далее описана работа системы на примере реализации сценария присоединения к существующей инфраструктуре УП нового технологического модуля (строения, вагончика, кабинета, места обслуживания пользователей). Для обеспечения ввода в эксплуатацию технологического модуля и сервисов для его обеспечения проектируется, комплектуется, монтируется, интегрируется на полевом и информационном уровне с существующей структурой СУУП новый р-й функциональный модуль 5, состоящий из локального терминала 5.1, интерфейса оператора модуля 5.2, блока управления 5.3, блока управления сервисами 5.4 и второго приемопередатчика 5.5 и новый k-й модуль автоматического управления 3, состоящий из шины полевого уровня 3.1, первого приемопередатчика 3.2, программируемого контроллера 3.3, блока аварийного управления 3.4, L измерительных преобразователей 3.5, М датчиков 3.6 и N исполнительных блоков 3.7.

В момент подключения р-го функционального модуля 5 к сервисной информационной шине (СИШ) 1 блок управления 5.3 передает управляющий сигнал через СИШ 1 в сервер управления (СУ) 2.1, и после получения ответного сигнала через СИШ 1, подтверждающего готовность к сеансу обмена, блок управления 5.3 передает управляющий сигнал о готовности в интерфейс оператора модуля 5.2. Далее оператор через интерфейс оператора модуля 5.2 и блок управления передает информационный пакет в блок управления сервисами 5.4, в котором происходит подготовка конфигурационной и информационной частей пакета, который последовательно с управляющим сигналом передается в блок управления 5.3 и далее через СИШ 1 в СУ 2.1. Далее СУ 2.1 передает управляющий сигнал в интерфейс оператора 2.2 и блок мониторинга модулей 2.7, конфигурационную часть пакета СУ 2.1 передает параллельно в блок конфигурирования 2.6 и блок обработки заявок 2.4, а информационную часть пакета СУ 2.1 передает параллельно в блок баз данных 2.8, в блок обработки заявок 2.4 и блок формирования аналитики и отчетности 2.5. В результате завершения предыдущей операции в блоке конфигурирования 2.6 производится формирование обновленной схемы конфигурации, соответствующей подключению к СУУП нового модуля и блоков в его составе, включая логические адреса и форматы протоколов обмена, а в блоке управления заявками инициируются изменения в реестрах заявок и сценариях обработки заявок от пользователей р-го функционального модуля 5 и автоматических заявок от блока управления 5.3.

СУУП реализует принцип единой регистрации, пользователи могут зарегистрироваться в СУУП, сформировать заявку и получить доступ к общим сервисам, используя локальный терминал любого из функциональных модулей.

Работа блока конфигурирования соответствует общим принципам управления конфигурацией системы, описанным в ГОСТ Р 59193-2020.

Блок авторизации пользователей 2.3 выполняет процедуры проверки подлинности пользователя и обслуживающего персонала и предоставляет права на выполнение определенных видов деятельности, включая доступ к сервисам СУУП, реализуя процедуру надежного установления подлинности путем защищенного сопоставления предъявленного и хранящегося идентификаторов.

СУ 2.1 выполняет процедуры первоначального присваивания уникальных идентификаторов компонентам СУУП, обслуживаемому оборудованию и иным объектам управления, и при эксплуатации выполняет определение объекта на основании контроля идентификатора при выполнении СУУП автоматических процедур. Уникальные идентификаторы применяются для формирования аналитики и отчетов о состоянии объектов оборудования и выполненных процедурах в блоке формирования аналитики и отчетности 2.5.

Ниже описана работа СУУП в режимах, при которых задействованы блоки, описание работы которых не вошло в предыдущий сценарий.

Интерфейс администратора 4.3 предназначен для функциональной информационной интеграции с СУУП удаленных устройств, обеспечивающих сбор, обработку, хранение и анализ информации о техническом состоянии компонентов СУУП и объектов управления СУУП, информация о которых собирается и обрабатывается СУ 2.1 и хранится в блоке баз данных 2.8. Интерфейс администратора 4.3 передает запрос на получение информации через телекоммуникационную сеть 4.2, приемопередатчик 4.1, СИШ 1, СУ 2.1 и в блок баз данных 2.8 и получает обратно информационный пакет от блока баз данных 2.8, СУ 2.1, СИШ 1, приемопередатчик 4.1 и телекоммуникационную сеть 4.2.

Абонентский модуль 4.4 предназначен для подключения к системе в различных режимах, включая режим удаленного оператора функционального модуля обслуживающего персонала и пользователей СУУП. При этом управляющие сигналы и информация передается от абонентского модуля 4.4 через телекоммуникационную сеть 4.2, приемопередатчик 4.1, СИШ 1 в СУ 2.1.

Работа каждого из К модулей автоматического управления 3 и входящих в него следующих блоков: шины полевого уровня 3.1, программируемого контроллера 3.3, блока аварийного управления 3.4, первого приемопередатчика 3.2, L измерительных преобразователей, М датчиков и N исполнительных блоков является известной и соответствует классической схеме автоматического управления. В связи с повышенными требованиями к надежности и безопасности системы в СУУП расширены функции блока аварийного управления 3.4. Данный блок обеспечивает оперативный контроль состояния всех контуров автоматического управления, для чего введены дублирующие прямые связи блока аварийного управления 3.4 с программируемым контроллером 3.3 и шиной полевого уровня 3.1. В случае аварий или внештатных ситуаций блок аварийного управления 3.4 обеспечивает перевод работы СУУП в автоматизированный режим для аварийных контуров управления с обеспечением непрерывности функционирования всех сервисов СУУП.

Достижение СУУП заявленного выше технического результата, а именно: расширение функциональных возможностей заявленной системы, адаптивность системы к изменению состава функциональных модулей и оперативный переход от автоматического режима управления на автоматизированный в аварийных и внештатных ситуациях, позволяет обеспечить снижение, по сравнению с известными решениями, стоимости проектирования, строительства, монтажа и владения «умными поселками» за счет снижения затрат трудовых и материальных ресурсов на всех этапах жизненного цикла, и снижения времени на запуск в эксплуатацию новых функциональных модулей и сервисов для пользователей. Дополнительным эффектом является снижение вероятности аварий и стоимости устранения последствий и технических неисправностей в автоматических контурах управления СУУП.

Заявленная СУУП включается в типовые стандартизованные проекты УП для северных вахтовых поселков нефтяников, что позволяет обеспечить компоновку и монтаж СУУП в заводских условиях при производстве мобильных технологических модулей. При монтаже технологических модулей на строительной площадке подключение функционального модуля к СУУП производится с минимальными настройками и затратами на монтаж. Адаптивность системы обеспечивает возможность наращивать, как сервисы, реализуемые модулями, так и функциональный набор модулей по мере развития инфраструктуры УП.

В настоящий момент реализована типовая СУУП, включающая в свой состав следующие функциональные модули:

• управления номерным фондом и размещением;

• управления столовой и питанием;

• кассовое обслуживание;

• управление коммунальной инфраструктурой;

• учебный класс;

• цифровой офис;

• медицинский кабинет.

Настоящее изобретение относится к автоматизированным системам управления, а именно к системам управления инфраструктурой и сервисами, поддерживающими интегрированную среду для работы, обучения и проживания человека, и может быть использовано для автоматизированного управления «умными поселками» с повышенными требованиями по надежности, безопасности и эффективности. Сущность изобретения заключается в применении технологического принципа функциональной модульности и включения дополнительно в состав модуля автоматизированного управления блока авторизации пользователей, блока обработки заявок, блока мониторинга модулей, связанных двунаправленными линиями связи с сервером управления, при этом каждый из K модулей автоматического управления дополнительно снабжен блоком аварийного управления и первым приемопередатчиком, и при этом входы-выходы блока аварийного управления соответственно соединены двунаправленными линиями связи с шиной полевого уровня, с первым приемопередатчиком и с программируемым контроллером, соединенным двунаправленной линией связи с первым приемопередатчиком, дополнительно в систему введен интерфейс администратора, соединенный двунаправленной линией связи с телекоммуникационной сетью, а также Р функциональных модулей, каждый из которых содержит второй приемопередатчик, блок управления сервисами, блок управления, локальный терминал, соединенные последовательно двунаправленными линиями связи с входами-выходами блока управления, при этом второй приемопередатчик связан двунаправленной линией связи с сервисной информационной шиной.

Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей заявленной системы, адаптивность системы к изменению состава функциональных модулей и оперативный переход от автоматического режима управления на автоматизированный в аварийных и нештатных ситуациях при эксплуатации «умного поселка» для обеспечения требований надежности и безопасности. 1 ил.

Система управления «умным поселком», содержащая сервисную информационную шину, модуль автоматизированного управления, включающий в себя сервер управления, связанный соответственно двунаправленными линиями связи с интерфейсом оператора, блоком формирования аналитики и отчетности, блоком конфигурирования, блоком баз данных, а также сервисной информационной шиной, а также содержащая K модулей автоматического управления, которые содержат L измерительных преобразователей и М датчиков, выходы которых соединены со входами шины полевого уровня, а также N исполнительных блоков, соединенных двунаправленной линией связи с шиной полевого уровня, а также программируемый контроллер, связанный двунаправленной линией связи с шиной полевого уровня, а сервисная информационная шина двунаправленными линиями связи последовательно соединена с приемопередатчиком, телекоммуникационной сетью и S абонентскими модулями, отличающаяся тем, что модуль автоматизированного управления дополнительно снабжен блоком авторизации пользователей, блоком обработки заявок, блоком мониторинга модулей, связанными двунаправленными линиями связи с сервером управления, при этом каждый из K модулей автоматического управления дополнительно снабжен блоком аварийного управления и первым приемопередатчиком, при этом входы-выходы блока аварийного управления двунаправленными линиями связи соответственно соединены с шиной полевого уровня, с первым приемопередатчиком и с программируемым контроллером, соединенным двунаправленной линией связи с первым приемопередатчиком, дополнительно в систему введен интерфейс администратора, соединенный двунаправленной линией связи с телекоммуникационной сетью, а также Р функциональных модулей, каждый из которых содержит второй приемопередатчик, блок управления сервисами, блок управления, локальный терминал, соединенные последовательно двунаправленными линиями связи с входами-выходами блока управления, при этом второй приемопередатчик связан двунаправленной линией связи с сервисной информационной шиной.