Система контроля доступа к механизмам с приводом на промышленном предприятии на основе технологии LoRa, обеспечиваемого посредством идентификационных карт Российский патент 2024 года по МПК G06F21/34 G07C9/29 G05B19/418 

Область техники

Изобретение относится к устройствам, реализующим электронную бирочную систему (ЭБС) допуска и контроля допуска персонала предприятия к работам, связанным с эксплуатацией и ремонтом станков и механизмов с электрическим, пневматическим, паровым и т.п. приводом, и направленным на обеспечение безопасной организации труда на промышленных предприятиях и на объектах различных отраслей экономики, где используются механизмы с приводом.

Уровень техники

Для обеспечения безопасности персонала при ремонте или техническом обслуживании промышленного оборудования известны системы защитной блокировки LOTO («LOCKOUT/TAGOUT») [1-3], которые предотвращают возможность случайного или умышленного включения электрооборудования персоналом, за счёт надежной фиксации ручек управления источником энергии в определенном положении, их блокировки с помощью навесного замка и информировании персонала с помощью бирки, содержащей информацию о виде работ, времени начала и окончания работ, ответственном лице и т.д.

[1] https://safetin.ru/sistema-loto.html

[2] https://master-lock.org/information/loto-system/

[3] https://line-safety.biz/services/lockout-tagout/

Известна также альтернативная система безопасности, защищающая персонал от случайного включения электромеханизма не только при ремонте или техническом обслуживании промышленного оборудования, но и при его эксплуатации, а именно, бирочная система допуска авторизованного персонала предприятия, отмеченного в журнале допуска, к проведению работ на механизмах и станках с электроприводом.

[4] http://www.ohranatruda.in.ua/index.php?id=4824

Допуск к проведению работ на конкретных электромеханизмах осуществляется передачей авторизованному персоналу:

или жетон-бирки, которая вешается на пульт управления электромеханизмом и информирует о допуске к проведению ремонтных или эксплуатационных работ на данном конкретном электроагрегате,

или ключ-бирки, при вставлении которой в специальный замок станка или механизма с электроприводом включается электросеть управления этим механизмом, а при вынимании ключа из гнезда замка электроснабжения пульта управления электромеханизма или станка электросеть блокируется, предотвращая тем самым случайное включение станка авторизованным или неавторизованным персоналом.

[4] http://www.ohranatruda.in.ua/index.php?id=4824

Обе вышеуказанные системы безопасности труда основаны на использовании физических элементов и требуют приобретение или изготовление таких физических элементов системы как блокираторы, навесные замки, таблички, жетон-бирки, ключ-бирки, электро-замки, журналы допуска, а также хранение, выдачу персоналу и получение назад под запись в журнал допуска всех этих элементов системы, за исключением электрозамков, стационарно установленных на станках или электромеханизмах.

Другой известной системой допуска и контроля допуска персонала к различным объектам предприятия, включая станки и электро-механизмы, является электронная система СКД (Система Контроля Доступа) [5].

[5] http://idmatic.ru/solutions/faq-tipovie-skd/369-skd-stanki-zavod

Реализация данной системы может происходить по трём вариантам, которые можно рассматривать в качестве аналогов предлагаемого изобретения:

Вариант 1. Используются автономные контроллеры, установленные прямо на станках или рядом с ними и связанные с электропультами их управления, без соединения с единой базой данных. Ввод номеров карт в контроллер происходит с помощью отдельной мастер-карты, не связанной с личным пропуском персоны на предприятие. Всего может использоваться до 64 000 карт. Этот вариант является самым дешевым, но он обеспечивает только контроль доступа к включению механизмов. Сеть отсутствует, необходимо только питание 12В.

Недостатки: при использовании 1-го варианта необходимо изготовить и иметь отдельные от личного пропуска мастер-карты, которые надо хранить в специальных шкафах, программировать на доступ к конкретным станкам или электро-механизмам, лично выдавать персоналу для работы на конкретном оборудовании под роспись в журнале допуска и собирать после работы. Это требует материальных затрат и большого количества непроизводственного времени как для рабочего персонала, так и для административного персонала.

Каждый станок необходимо оборудовать отдельным терминалом, или терминалом на два станка со считывателем. При этом автономность терминалов не позволяют оперативно анализировать историю подключений к механизмам и авторизацию этих подключений.

Вариант 2. Контроллеры подключаются к внутренней сети предприятия, по протоколу Ethernet, посредством кабелей. Ввод номеров карт в контроллер происходит с помощью отдельной авторизованной или номерной мастер-карты, не связанной с личным пропуском работника на предприятие.

Управление контроллерами, смонтированными и установленными у конкретных станков или электромеханизмов, осуществляется с сервера или группы серверов через кабельную компьютерную сеть. Для их обслуживания требуется 2 рабочих места. При этом все события включения и отключения регистрируются в архиве событий с указанием номера карты, ФИО владельца, даты/времени, номера (названия) станка.

Такая система позволяет оперативно составлять отчеты по интервалу времени, конкретной карте работника (на каких станках работал), по конкретному станку и т.д.

Для ввода разрешений на доступ персонала к оборудованию используется так называемый Регламент, который заполняется в отдельной программе.

Для каждого человека, зарегистрированного в системе и имеющего карту, заполняется список механизмов, на которых ему разрешено работать, с указанием дней недели и диапазона времени (временных зон).

В программе оператора реализован интерфейс просмотра, какие станки включены/выключены, кто именно сейчас работает. Есть возможность удаленно заблокировать любой механизм (выключить).

Недостатки:

1. При использовании 2-го варианта необходимо изготовить и раздать персоналу отдельные от личного пропуска мастер-карты.

2. Все контроллеры в цеху или на предприятии надо соединить с серверами кабелями, а при большом количестве станков их общая длина может составлять километры, а их приобретение и монтаж является дорогостоящей операцией.

В качестве прототипа остановимся на варианте 3.

Вариант 3. Контроллеры подключаются к внутренней сети предприятия (Local Area Network- LAN) посредством технологии беспроводной передачи данных Wi-Fi, в этом случае кабели между контроллерами и маршрутизаторами не нужны.

Управление контроллерами также осуществляется с группы серверов, но уже от маршрутизаторов посредством сети Wi-Fi. Для их обслуживания также требуется 2 рабочих места.

Остальные функциональные возможности варианта 3 полностью совпадают с вышеприведёнными возможностями варианта 2.

Недостатки:

1.При использовании 3-го варианта необходимо также изготовить и раздать персоналу отдельные от личного пропуска мастер-карты.

2. Несмотря на то, что кабели между контроллерами и маршрутизаторами в этом варианте не нужны, кабели всё же нужны для связи серверов с маршрутизаторами. А поскольку зона стабильного покрытия Wi-Fi от маршрутизатора до оконечного устройства невелика (20-50 м), то для больших цехов надо ставить большое количество маршрутизаторов и повторителей (репитеров), чтобы полностью покрыть сетью Wi-Fi всю площадь цеха, что, в свою очередь, требует использования также большой длины кабелей, а приобретение и монтаж маршрутизаторов, репитеров и кабелей является дорогостоящей операцией.

3. В цехе с большим количеством оборудования могут быть существенные помехи для сетей Wi-Fi.

Wi-Fi - набор стандартов (протоколов) связи для коммуникации в беспроводной локальной сетевой зоне в частотных радиодиапазонах 0,9; 2,4; 3,6; 5 и 60 ГГц. Дальность Wi-Fi роутера (маршрутизатора) наиболее распространённого стандарта (протокола) 802.11g не превосходит 150 м на открытой местности и до 50 м в помещении при реальной скорости передачи данных до 16 Мбит/сек, при этом энергопотребление составляет 0,25-1 Вт и более.

Таким образом, актуальным является решение проблем:

1. уменьшения количества выдаваемых персоналу пластиковых мастер-карт или их устранения за счёт совмещения их функций с личными электронными пропусками, изготовленными на базе пластиковых карт или других носителей информации, что приведёт к снижению непроизводственных затрат времени для персонала за счет исключения выдачи карт для работы на станках и их сбора после работы;

2. уменьшения или исключения использования кабелей для передачи сигналов от серверов до контроллеров, что приведёт к снижению трудоемкости и стоимости внедрения и обслуживания электронной бирочной системы, а также повышению ее надежности;

3. увеличения стабильности и помехоустойчивости информационного волнового сигнала, что увеличит зону покрытия этим сигналом от сервера до всех установленных контроллеров у станков и электромеханизмов по всей площади цеха или предприятия;

4. уменьшения энергопотребления при передаче радиосигнала на оконечные устройства;

5. Повышение эффективности защиты персонала при использовании механизмов, оборудованных приводом.

Выявленные недостатки устройств, известных из [5], предлагается устранить благодаря предлагаемому изобретению.

Раскрытие сущности изобретения

Техническим результатом предлагаемого изобретения электронной бирочной системы с использованием технологии LoRa (Long Range) вместо технологии Wi-Fi является снижение материальных затрат и повышение надежности при внедрении и эксплуатации ЭБС, за счёт полного отказа от соединительных кабелей между сервером и контроллерами, за счёт устранения необходимости использования многочисленных маршрутизаторов и повторителей для Wi-Fi сигналов в больших цехах вследствие недостаточной и ограниченной зоны покрытия площадей Wi-Fi сигналами, а также, за счёт отказа от использования отдельных мастер-карт благодаря их объединению с личными электронными пропусками, снижение непроизводственных затрат времени для персонала при исключении выдачи мастер-карт под роспись в журнале-допуска для работы на станках и их сбора после работы, также благодаря их объединению с электронными личными пропусками, снижение энергопотребления при передаче радиосигнала по протоколу канального уровня LoRaWAN, сравнительно со стандартными протоколами (стандартами) Wi-Fi, и повышение безопасности персонала при использовании механизмов, оборудованных приводом.

[6] Кумаритова Д. Л., Киричек Р. В. Обзор и сравнительный анализ технологий LPWAN сетей // Информационные технологии и телекоммуникации. 2016. Том 4. № 4. С. 33-48.

https://www.sut.ru/doci/nauka/review/20164/33-48.pdf

В Интернете вещей (Internet of Things - IoT) большинство устройств имеет батарейное питание. В связи с этим, одной из важных характеристик Интернета вещей является продолжительная работа устройства без дополнительного обслуживания и зарядки. Эффективное решение задач, связанных с энергопотреблением, обеспечивается типом сетей LPWAN (Low Power Wide Area Networks). Известная технология LoRa, являющаяся одним из типов сетей LPWAN (от англ. Low Power Wide Area Network), позволяет подключать множество автономных устройств к глобальной сети для выполнения функций управления, учета и телеметрии для централизованного сбора данных на серверах, в том числе облачных.

Технология LoRa создана с целью принятия и продвижения протокола LoRaWAN в качестве единого стандарта для глобальных сетей с низким энергопотреблением (LPWAN) для межмашинного (Machine-to-Machine, M2M) взаимодействия и имеет значительные преимущества перед сетями Wi-Fi и сотовыми сетями, благодаря возможности развертывания межмашинных соединений с высокой устойчивостью связи на расстоянии до 20-25 км при скорости до 50 Кбит/с, а также имеет минимальное потребление электроэнергии - 0,025 Вт, что в 10-40 раз ниже, чем при использовании Wi-Fi, и поэтому обеспечивает несколько лет автономной работы оконечного устройства на одном аккумуляторе.

Она представляет собой сочетание особого метода модуляции LoRa и открытого протокола взаимодействия LoRaWAN. Все устройства, используемые в архитектуре системы, такие как сервер, базовая станция и контроллеры, между которыми происходит радиообмен являются как источником, так и приёмником сигналов. Эта технология связи для Интернета вещей (IoT) разработана таким образом, что может обслуживать до 1 млн. устройств в одной сети, давая им автономность до 10 лет от одной батарейки формата AA.

Предлагаемое устройство позволяет реализовать электронно-бирочную систему контроля доступа, дистанционного мониторинга и управления процедурой запуска/остановки оборудования/механизмов за счёт применения технологии LoRaWAN.

Предлагаемое устройство основано на использовании в качестве информационных волновых сигналов, идущих от сервера к контроллерам через базовую станцию (БС) (в архитектуре LoRa ее чаще называют шлюзом) и обратно, узкополосного разрешенного нелицензируемого для использования радиочастотного диапазона с установленной для каждого региона мира своей частотой. Для Европы такой разрешённой нелицензируемой частотой является 868 МГц, для Северной Америки 169, 433, 915 МГц, для Китая 470 МГц, Для Индии 866 МГц, для Кореи и Японии 923 МГц. Небольшая, но приемлемая для условий передачи информации такого уровня, максимальная скорость приёма сигнала не превосходит 5,5 кбит/сек, при этом амплитуда сигнала не может превышать 25 мВт. В связи с этим энергопотребление для поддержки такого маломощного и мало информационного сигнала требуется минимальное, в зависимости от класса оконечных устройств.

Отличительной особенностью сети LoRa является то, что она предусматривает три класса устройств для решения различных задач и применений в сети: класс А (для всех по умолчанию), класс B и класс C. Данные классы устройств различаются своей функциональностью и, соответственно, энергопотреблением. Так, например, одной батарейки или аккумулятора типа АА ориентировочно хватает на несколько лет работы на каждом устройстве класса А.

Согласно изобретению предлагается устройство для реализации электронной бирочной системы охраны труда и доступа к механизмам с электроприводом, включающее оконечные устройства (контроллеры, узлы, модули), управляющие и взаимодействующие с электроприводом механизмов, разрешительный контролируемый доступ к которым обеспечивается электронными персональными мастер-картами, выполняющими роль ключ-бирок и функционально объединёнными с электронными картами-пропусками, передающую и принимающую беспроводную радиостанцию, соединённую с сетевым сервером, имеющим выход на интерфейс пользователя (тонкого клиента), причем соединение оконечных устройств с базовой радиостанцией осуществлено на основе сети LoRa и канального протокола LoRaWAN.

В одном из вариантов реализации изобретения персональные электронные пропуска объединены с мастер-картами и служат в качестве ключ-бирок для допуска персонала к эксплуатации или ремонту определённых конкретных механизмов с электроприводом на производстве или стройплощадке.

Краткое описание чертежей

Изобретение иллюстрируется с помощью фигуры, на которой изображена схема устройства по изобретению.

Осуществление изобретения

Классическая сеть LoRaWAN состоит из следующих элементов (см. фигуру): оконечные устройства (End-Node) (контроллеры) (1), Базовые станции (БС) LoRaWAN - устройства, принимающее данные от конечных устройств с помощью радиоканала и передающее их в транзитную сеть - Базовая станция - шлюз LoRa (Gateway/Concentrator) (2), сетевой сервер (Network Server) (3) и сервер приложений (Application Server) (4) с интерфейсом (консолью) (5) для оператора (6). Операторами являются участники процесса (работники, мастера).

Оконечное устройство (1) - (контроллер) предназначено для осуществления управляющих, контролирующих и измерительных функций. Оно содержит набор необходимых датчиков и управляющих элементов. Имеет, как правило, батарейное питание. Оконечные устройства включают передачу данных лишь на некоторый промежуток времени (обычно на 1-5 секунд), по окончании которого открывается два временных окна для приема данных. Остальное время приемопередатчик оконечных устройств находятся либо в неактивном состоянии, либо в состоянии приема, в зависимости от класса устройства (A, B или С).

Сетевой сервер (Network Server) (3) предназначен для управления сетью: заданием расписания, адаптацией скорости, хранением и обработкой принимаемых данных. Сервер приложений (Application Server) (4) может удаленно контролировать работу конечных узлов и собирать необходимые данные с них и передавать через интерфейс оператору.

В отличие от большого числа существующих сетей, в том числе Wi-Fi, использующих mesh-архитектуру, где узлы сети, для расширения покрытия передают информацию от одного к другому, LoRa - сеть использует топологию «звезда», в которой устройства подключаются через шлюзы LoRa (БС) (2), которые, в свою очередь, подключены к общему сетевому серверу (Network Server) (3) через стандартные протоколы IP. Это позволяет уменьшить энергопотребление устройств (за счет отсутствия необходимости пересылки пакетов от других устройств), и упростить архитектуру сети.

Базовая станция (2) и оконечные устройства (1) соединяются между собой по схеме «звезды» с помощью протокола канального уровня LoRaWAN, а серверы (3) с базовой станцией соединяются стандартными транзитными сетями, которыми могут выступать проводные сети типа LAN, Ethernet, LTE и любые другие телекоммуникационные каналы, а также беспроводные: сотовая сеть 3G, Wi-Fi и т.п. Все устройства, такие как сервер (3), базовая станция (2) и контроллеры (1), между которыми происходит радиообмен, являются как источником, так и приёмником сигналов.

Предлагаемое устройство содержит многоканальные приёмопередатчики для обработки сигналов в нескольких каналах одновременно или даже, нескольких сигналов в одном канале. Соответственно, несколько таких устройств обеспечивает зону полного покрытия сети и прозрачную двунаправленную передачу данных между оконечными устройствами и сервером.

Работает предлагаемое устройство следующим образом. Базовая станция (2), установленная на определенной удаленности от оконечного устройства, постоянно слушает радиоэфир в заданном диапазоне частот, при поступлении информации-сигнала базовая станция (2) дает ответ на частоте обращения. Ширина канала передачи данных составляет 125 кГц, а максимально допустимая скорость - 5,5 кбит/сек.

Обеспечение электронного доступа персонала к станкам и механизмам с электроприводом для реализации электронной бирочной системы включает составление в электронном виде матрицы плана доступа персонала к станкам в соответствии с планом производства работ на этих станках. В матрице сформулирован допуск конкретных лиц персонала в определённые рабочие дни в определённое время к конкретным станкам для выполнения конкретных видов работ. Матрица плана доступа заводится в сервер (3), который передаёт эту информацию базовой радиостанции (2), а та, посредством протокола канального уровня LoRaWAN, обменивается этой информацией с оконечными устройствами (1).

Идентификация лиц персонала, имеющих соответственный доступ, происходит через считывающие устройства на оконечном устройстве (контроллере) (1) посредством вложения в считыватель карт

или идентификационных карт, типа мастер-карт, которые могут быть специально изготовлены, и выданы лицам, получившим или имеющим допуск к работе на конкретных механизмах,

или же персональных электронных пропусков.

После окончания работ карты или персональные пропуска вынимаются из считывателя контроллера (1), предотвращая тем самым, за счёт прерывания контроллером электроснабжения станка, доступ к работе на этом конкретном станке неавторизованных персон или персон, не имеющих права доступа к этим станкам.

Предлагаемое устройство позволяет реализовать электронно-бирочную систему контроля доступа, дистанционного мониторинга и управления процедурой запуска/ остановки оборудования/механизмов, имеющую пониженное энергопотребление, а также повышенную надежность, стабильность, помехоустойчивость и безопасность для персонала.

Изобретение относится к вычислительной технике. Технический результат заключается в повышении надежности при внедрении и эксплуатации электронной бирочной системы. Система контроля доступа к механизмам с приводом на промышленном предприятии, обеспечиваемого посредством идентификационных карт, содержит контроллеры, базовую станцию и сетевой сервер, причем контроллеры соединены с базовой станцией беспроводным образом по схеме «звезда» на основе технологии LoRa и канального протокола LoRaWAN, при этом сетевой сервер выполнен с возможностью передачи информации о матрице плана доступа персонала к указанным механизмам на контроллеры через базовую станцию посредством протокола LoRaWAN. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Система контроля доступа к механизмам с приводом на промышленном предприятии, обеспечиваемого посредством идентификационных карт, содержащая контроллеры (1), выполненные с возможностью считывания указанных идентификационных карт для идентификации допущенного персонала и управления приводом соответствующих механизмов, базовую станцию (2), выполненную с возможностью двунаправленной беспроводной связи с контроллерами (1), и сетевой сервер (3), выполненный с возможностью проводной или беспроводной связи с базовой станцией (2) для передачи данных о доступе через базовую станцию (2) к контроллерам (1),

причем контроллеры (1) соединены с базовой станцией (2) беспроводным образом по схеме «звезда» на основе технологии LoRa и канального протокола LoRaWAN,

при этом сетевой сервер (3) выполнен с возможностью передачи информации о матрице плана доступа персонала к указанным механизмам на контроллеры (1) через базовую станцию (2) посредством протокола LoRaWAN.

2. Система по п. 1, в которой контроллеры (1) снабжены считывающим устройством для считывания идентификационных карт с целью идентификации лиц персонала, имеющих доступ к работе на конкретных механизмах.

3. Система по п. 1, в которой сетевой сервер (3) соединен с сервером (4) приложений, имеющим интерфейс (5) оператора (6).

4. Система по п. 3, в которой сервер (4) приложений выполнен с возможностью удаленного контроля работы контроллеров (1), сбора с них необходимых данных и их передачи через интерфейс (5) оператору (6).

5. Система по п. 1, в которой персональные электронные пропуска объединены с электронными идентификационными картами и служат в качестве ключ-бирок для допуска персонала к эксплуатации или ремонту конкретных механизмов с приводом.

6. Система по п. 1, которая выполнена с возможностью дистанционного мониторинга и управления процедурой запуска и остановки разных указанных механизмов.

7. Контроллер (1) для системы контроля доступа (СКД) к механизмам с приводом на промышленном предприятии, обеспечиваемого посредством идентификационных карт, причем контроллер (1) выполнен с возможностью считывания указанных идентификационных карт для идентификации допущенного персонала и управления приводом соответствующих механизмов, а также возможностью беспроводного соединения с базовой станцией (2) СКД с возможностью передачи и приема данных о доступе на основе технологии LoRa и канального протокола LoRaWAN,

при этом контроллер выполнен с возможностью приема от базовой станции (2) информации о матрице плана доступа персонала к указанным механизмам посредством протокола LoRaWAN.

8. Контроллер по п. 7, который снабжен считывающим устройством для считывания идентификационных карт с целью идентификации лиц персонала, имеющих допуск к работе на конкретных механизмах.