Универсальный программно-аппаратный комплекс автоматизации процессов и управления оборудованием Российский патент 2024 года по МПК G08G1/00 

Изобретение относится к области автоматизации процессов и управления оборудованием, системами. Изобретение используется для контроля и управления различными устройствами, легко масштабируется, модифицируется и позволяет интерактивно создавать логические схемы и задавать последовательность действий, которые выполняются в соответствии с заданными условиями и вводными данными. Может использоваться в различных отраслях, таких как сельское хозяйство, производство, энергетика, транспорт и другие, где требуется автоматизация и контроль процессов.

Из уровня техники известен патент РФ №2635832 «Комплекс контроля безопасности на стационарном объекте, способ работы комплекса контроля безопасности на стационарном объекте, системе управления комплексами контроля безопасности на стационарных объектах и способ контроля безопасности в системе, состоящей из множества комплексов контроля безопасности. Данный комплекс обеспечивает повышение безопасности на стационарном объекте и в окружающем его пространстве. Для этого осуществляют сбор и обработку информации, которые позволяют упростить и ускорить для человека ее восприятие и выявление угроз, а также формализовать и автоматизировать процесс выявления угроз и подтверждения ранее выявленных угроз в динамически изменяющейся обстановке с большим числом контролируемых стационарных объектов. Обеспечен способ контроля безопасности комплексом контроля безопасности, установленном на стационарном объекте, содержащий регистрацию данных средством регистрации комплекса контроля безопасности, определение географических координат стационарного объекта, на котором установлен комплекс контроля безопасности, для автоматизации настройки упомянутого комплекса и нацеливания средств регистрации при его включении, формирование фрейма безопасности посредством разбиения регистрируемых данных на фреймы безопасности, определение скалярного значения контрольного показателя уровня безопасности для формируемого фрейма безопасности на основании содержимого формируемого фрейма безопасности и динамического набора инструкций определения уровня безопасности, формирование маркера безопасности для каждого формируемого фрейма безопасности, сохранение фрейма безопасности и связанного с ним маркера безопасности и передачу маркера безопасности в центральный узел системы управления комплексами контроля безопасности по сети связи.

Известен многофункциональный мобильный комплекс обеспечения потребителей мониторинговой информацией по патенту РФ №2475968, который относится к системам связи, а именно к информационным системам для обеспечения потребителей мониторинговой информацией, и может быть использован для контроля объекта (района, явления) и прогнозирования развития ситуации на территориях без стационарных средств мониторинга. Для этого многофункциональный мобильный комплекс обеспечения потребителей мониторинговой информацией (МКОПМИ) состоит из автоматизированного рабочего места (АРМ) видеонаблюдения объектов и районов и документирования полученных данных, АРМ метео- и датчикового контроля состояния окружающей (газовой) среды и объектов, АРМ навигационного и телекоммуникационного обеспечения (связью), комплекса энергообеспечения и телекоммуникационного сопряжения АРМ, автотранспортного средства повышенной проходимости. Указанные подсистемы выполнены таким образом, что использование их в составе МКОПМИ позволяет, в частности, принимать информацию дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) и данных от наземных датчиков, осуществлять видеонаблюдение в видимом и ближнем ИК диапазонах и дистанционное зондирование атмосферы с определением концентрации опасных химических веществ, определять параметры метеообстановки, определять как собственное местоположение, так и удаленных объектов контроля, осуществлять связь и защищенный обмен данными с удаленными центрами.

Данное техническое решение, как наиболее близкое к заявленному по техническому существу и достигаемому результату, принято в качестве его прототипа.

Данный комплекс обеспечивает мобильность и автономность функционирования, а также возможности сбора, обработки и документирования комплексной мониторинговой информации.

Недостатками известного технического решения является отсутствие возможности масштабирования и интерактивного определения логики его функционирования. Так же к недостаткам можно отнести ограниченность в областях его применения.

Задачей заявляемого изобретения является создание программно-аппаратного комплекса в виде многофункциональной и универсальной программно-аппаратной платформы модульного типа с широкой линейкой модулей расширения и датчиков с возможностью их интерактивного агрегирования в единое устройство с точки зрения физического и программного взаимодействия.

Сущность заявленного технического решения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для решения указанной заявителем технической проблемы и получения обеспечиваемого изобретением технического результата.

Согласно изобретению универсальный программно-аппаратный комплекс, включающий аппаратную часть с головным устройством, программную часть, модули и датчики, характеризуется тем, что в качестве вычислительного ядра головного устройства и всех модулей, использован микроконтроллер ESP32 S3 фирмы EspressifSystems на базе двух ядерного микропроцессора TensilicaXtensaLX, работающего на частоте 240 МГц, на котором реализована полноценная двухпотоковая работа с ядрами микропроцессора, а основной средой разработки является ESP-IDF, при этом головное устройство выполнено в с возможностью работать как в режиме внешнего управления системой SCADA, так и в автономном режиме в соответствии с заданной на самом устройстве логикой, при этом при взаимодействии с внешней SCADA посредством ТСРМР головное устройство использует протокол MQTT, кроме того аппаратная часть включает релейный модуль для включения\выключения реле по команде от головного устройства, модуль управления шаговыми двигателями для одновременного управления четырьмя шаговыми двигателями, модуль управления актуатором, модуль диммирования на DIN рейку, многофункциональный модуль для установки в монтажную коробку, радиоканальный модуль для радиоканальной связи с последующей трансляцией данных в RS485 и GSM(LTE) модуль, для CSM связи с последующей трансляцией данных в RS485, кроме того аппаратная часть снабжена датчиком температуры и влажности, герметичным датчиком температуры, датчиком освещенности, концевым датчиком, датчиком СО₂, датчиком С₂Н₄, датчиком давления, универсальным аналогово-цифровым преобразователем, датчиком электропроводности жидкости, датчиком РН, датчиком направления и скорости ветра и энкодером, при этом программная часть комплекса включает в себя инструменты по настройке доступной инфраструктуры с последующим логическим объединением в одно устройство, внутреннюю SCADA систему для интерактивного построения логических схем и последовательностей действий данного устройства.

Заявленная совокупность существенных признаков обеспечивает достижение технического результата, который заключается в том, что обеспечивается возможность интерактивного агрегирования всех модулей расширения и датчиков в единое устройство и существенную экономию времени работы интегратора с точки зрения физического и программного взаимодействия. Кроме того, заявленный комплекс поддерживает 5 каналов связи - WiFi, BLE, радиоканал, Ethernet, RS485, что увеличивает надежность и гибкость управления и программирования системы. В заявленном комплексе использован двух ядерный процессор, который обеспечивает работу операционная система в режиме реального времени.

Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежом, на котором на фиг.1 представлена функциональная схема реализации заявленного комплекса для автоматизации распределения забора воды из территориально разнесенных скважинах, на фиг.2 представлена функциональная схема реализации заявленного комплекса для автоматизации проветривания и регулирования температуры в теплице, на фиг.3 представлена функциональная схема реализации заявленного комплекса для автоматизации весового контроля, на фиг.4 представлена функциональная схема реализации заявленного комплекса для автоматизации системы «Умный дом».

Заявленный комплекс работает следующим образом.

Головное устройство предназначено для управления подчиненными модулями и датчиками. Может работать как в режиме внешнего управления системой SCADA, так и в автономном режиме в соответствии с заданной на самом устройстве логикой. При взаимодействии с внешней SCADA посредством ТСРМР головное устройство использует протокол MQTT. Брокер MQTT может быть установлен в облаке или непосредственно на головном устройстве.

В качестве системы 8САОАможет использоваться «1С».

Модуль оснащен: часами реального времени; RS485; 1Wire; Wifi; Bluetooth; Ethernet интерфейсом; шестью реле с максимальным, постоянным током нагрузки 10А.; слотом для установки SD карты; четырьмя аналоговыми входами\выходами. FLASH 128Mb.

Релейный модуль предназначен для включения\выключения реле по команде от головного устройства. Модуль поддерживает 12 реле с максимальным значением управляемого постоянного тока 10А. Модуль оснащен: часами реального времени; RS485; 1Wire; \ Wifi;Bluetooth; 12 реле с максимальным, постоянным током нагрузки 10A.

Модуль управления шаговыми двигателями предназначен для одновременного управления четырьмя шаговыми двигателями. Драйвер шагового двигателя устанавливается отдельно. Модуль оснащен: часами реального времени; RS485; 1Wire; Wifi; Bluetooth; 4 каналами (enable, step, direction) управления шаговыми двигателями;

Модуль управления актуатором предназначен для управления актуатором с максимальным постоянным током нагрузки 10А. Модуль оснащен: часами реального времени; RS485; 1Wire; Wifi; Bluetooth; интерфейсом подключения актуатора с контролем крайних положений, интерфейсом подключения энкодера, для контроля угла поворота, датчиком тока 10А для контроля перегрузки устройства; FLASH 128Mb.

Модуль диммирования на DIN рейку предназначен для диммирования переменного напряжения 220 В,максимальным током 1.5А.Модуль оснащен: часами реального времениД8485; 1 Wire; Wifi; Bluetooth.

Многофункциональный модуль для установки в монтажную коробку(подрозетник) предназначен для диммирования переменного напряжения 220 В, максимальным током 1.5 А, сбора, воспроизведения и передачи голосовой информации; сбора информации о температуре и влажности воздуха(опционально); сбора информации об освещенности (опционально). Модуль оснащен: RS485; Ethernet (опционально); Wifi; Bluetooth. Модуль содержит микрофон; динамик; 2 реле; 2 входа для подключения клавиш управления; датчик температуры и влажности (опционально); датчик освещенности (опционально).

Радиоканальный модуль предназначен для радиоканальной связи с последующей трансляцией данных в RS485. Модуль оснащен интерфейсом для подключения внешней антенны и обеспечивает стабильный прием на расстоянии до 2 км. Модуль оснащен: часами реального времени; RS485;Wifi; Bluetooth; 4 реле с максимальным, постоянным током нагрузки 10A.;FLASH 128Mb (опционально).

GSM (LTE) модуль предназначен для CSM связи с последующей трансляцией данных в RS485. Модуль может быть использован в качестве CSM модема, в этом случае на модуль дополнительно устанавливается контроллер Wiznet w5500 для обеспечения Ethernet соединения.

Модуль оснащен: часами реального времени; RS485;Wifi; Bluetooth;4 реле с максимальным, постоянным током нагрузки 10A.;FLASH 128Mb (опционально).

Аппаратная часть помимо этого снабжена датчиком температуры и влажности, герметичным датчиком температуры, датчиком освещенности, концевым датчиком, датчиком СО₂, датчиком С₂Н₄, датчиком давления, универсальным аналогово-цифровым преобразователем, датчиком электропроводности жидкости, датчиком РН, датчиком направления и скорости ветра и энкодером.

Все модули выполнены в корпусах на DIN рейку и имеют шинное подключение друг к другу. Шина используется для соединения модулей по RS485 и подачи питания на логическую часть модуля. Все модули имеют разъем для подключения внешней антенны WiFi. Bce модули могут использоваться как в связке с головным устройством, так и самостоятельно. Все датчики оснащены интерфейсом RS485, имеют один сухой контакт с максимальным, постоянным током нагрузки 5А.

Датчики помещены в герметичный корпус-капсулу за исключением тех в чью задачу входит непосредственный контакт с измеряемой средой. Примеры применения заявленного комплекса.

Пример 1. Автоматизация распределения забора воды из территориально разнесенных скважин.

Задача: необходимо, централизованно управлять забором воды из трех скважин, находящихся на значительном удалении друг от друга и контролировать уровень водяного столба внутри скважины с целью недопущения ее полного осушения и повреждения. Т.е. система должна распределять нагрузку между скважинами по мере их осушения.

Комплектность: Головное устройство; Радио-канальный модуль на каждую скважину; Датчик давления на каждую скважину, который герметично монтируется в верхнюю часть опущенной на нужный уровень в скважину трубы и позволяет измерять давление водяного столба внутри скважины;

При этом взаимодействие составных частей комплекса будет выглядеть следующим образом:

1. Датчики давления (уровня жидкости), размещенные в каждой скважине, будут собирать информацию о текущем уровне жидкости и транслировать ее на шину rs 485.

2. Радиоканальный модуль, подключенный на эту же шину, будет ретранслировать данные в виде радиосигнала.

3. Головное устройство, находящееся на удалении от скважин с помощью радиоканального модуля, установленного на одной с ним шине, будет получать радиосигналы от скважин и на основании полученных данных принимать решение о том какую скважину стоит выключить, а какую наоборот включить.

4. После принятия решения, головное устройство отправляет команду с помощью своего радиоканального модуля, на радиоканальный модуль соответствующей скважины. Тот в свою очередь осуществляет включение либо отключение скважинного насоса. Для реализации управления оборудованием на радиоканалном модуле присутствует твердотельное реле.

Пример 2. Автоматизация проветривания и регулирования температуры в теплице.

Задача: Управление температурой и влажностью в теплице. Управление осуществляется путем открытия форточек теплицы и включением системы отопления. Для обеспечения максимальной точности управления температурой и влажностью необходимо учитывать уличную температуру и влажность воздуха, а также скорость и направление ветра. От значений данных параметров зависит угол(щель) открытия форточек. Так же для предотвращения обморожения растений при открытии форточек в зимний период необходимо осуществлять перемешивание внутри теплицы поступающего воздуха.

Комплектность: Головное устройство; Модуль управления актуатором; Релейный модуль; Датчик температуры и влажности 2 шт (внутри и снаружи теплицы); Анемометр; Датчик угла поворота(энкодер);

При этом взаимодействие составных частей комплекса будет выглядеть следующим образом:

1. Головное устройство с определенной периодичностью опрашивает датчики температуры и влажности.

2. В том случае, если показание датчика температуры не соответствует установленной величине, головное устройство принимает следующее решение:

- в случае, если значение ниже требуемой величины, то принимается решение о включение посредством релейного модуля подачи теплоносителя в водяные регистры;

- в случае, если значение выше требуемой величины выше, то принимается решение об открытии форточек проветривания с помощью модуля актуатора. При этом в зависимости от наружной температуры и скорости ветра регулируется угол(щель) открытия форточек из соображений недопущения обморожения растений в зимний период.

3. В том случае, если показания датчика влажности не соответствуют установленной величине, головное устройство принимает следующее решение:

- если влажность ниже требуемого уровня, головное устройство с помощью релейного модуля активирует испарители и вентиляторы подмеса. Это необходимо для равномерного распределения увлажненного воздуха внутри теплицы;.

- если влажность выше требуемого значения, головное устройство с помощью модуля актуатора, релейного модуля и опираясь на данные наружных датчиков открывает форточки на микропроветривание и включает вентиляторы подмеса.

Пример 3. Автоматизация весового контроля.

Задача: необходимо считывать вес грузовой машины при въезде/выезде на территорию. Комплектность: Головное устройство; Весы.

При этом взаимодействие составных частей комплекса будет выглядеть следующим образом:

1. Головное устройство с интенсивностью в 1 сек. опрашивает датчик весов на пункте весового контроля.

2. В том случае если показание датчика свидетельствует о том, что на него заехала машина, головное устройство фиксирует устоявшееся значение и посредством веб сервиса записывает его в высокоуровневую среду хранения и обработки информации, например «1С». Таким образом, оператор, работающий с «1С» будет видеть текущее состояние и сможет принять соответствующее решение.

3. Так же задав допустимые значения веса, можно автоматизировать работу шлагбаума, передавая управляющий сигнал об его открытии или закрытии.

Пример 4. Умный дом.

Задача: управление электропитанием розеток и оборудования, управление светом (диммирование) централизованное и индивидуальное(из комнаты), управление температурой и проветриванием в помещениях, голосовое управление. Комплектность: Головное устройство; Многофункциональный модуль (в каждую комнату); Релейный модуль; Модули диммирования; Уличный датчик температуры и влажности.

Управление программной частью комплекса осуществляется путем обращения по RS485 к АР1 головного устройства (ГУ) и передаче соответствующей команды. ГУ располагает web интерфейсом доступным по ethernet и wifi.

Основной функционал системы управления являются: настройка ГУ, Настройка сетевых параметров ethernet и wifi, Настройка основных параметров ГУ.

Комплекс позволяет осуществлять несколько режимов управления.

Ручной. Позволяет вручную управлять всей инфраструктурой, подключенной к головному устройству. Остальные каналы получения команд игнорируются.

Внешний. Головное устройство воспринимает команды только из внешней системы SCADA.

Автономный. Головное устройство воспринимает команды только от внутренней системы SCADA.

Сканирование окружения на предмет подключенных устройств, с последующей их агрегацией и конфигурированием. Сканирование осуществляется по шине RS485 и радиоканалу.

Агрегация включает в себя: Закрепление конкретного модуля расширения или датчика за ГУ, с последующей невозможностью закрепления его за другим ГУ, получение информации о агрегируемом устройстве, доступных командах, доступных параметрах управления, подключенных к нему устройствах с перечнем доступных команд и параметрах управления.

В дальнейшем, команды и параметры всех агрегированных с ГУ модулей расширения и датчиков будут доступны при обращении к АРI ГУ.

Конфигурирование предполагает определение взаимосвязей между агрегированными устройствами.

На этой стадии можно определить иерархическую структуру подчиненных головному устройству модулей и задать получателей информационных пакетов по умолчанию(опционально).

Это означает, что каждое подчиненное устройство по умолчанию может отправлять информацию о своем состоянии вышестоящему устройству, а - то в свою очередь может самостоятельно принимать решение о реакции на это событие.

Способ реакции тоже определяется на этапе конфигурирования взаимосвязей.

В свою очередь ГУ устройство всегда сможет получить необходимые данные по отдельному запросу. Это позволит узлам функционировать более оперативно в рамках ГУ.

Мониторинг. Графическое отображение инфраструктуры ГУ и доступных для мониторинга параметров агрегированных устройств.

Концепция визуализации заключается в отображении картинки, символизирующей устройство и его доступных параметров внутри. Эту совокупность, в дальнейшем, будем называть графическим представлением устройства.

Возможности конфигурирования мониторинга:

Пользователь имеет возможность масштабировать графическое представление устройства и определять размер и местоположение информационного блока внутри.

Пользователь может размещать графическое представление одного устройства внутри графического представления другого устройства с возможностью закрепления местоположения и размера.

Пользователь может определить доступные для ручного управления параметры устройства и размещение данного блока внутри графического представления устройства.

Внутренняя SCAD система. Предназначена для сбора информации и управления агрегированными с ГУ устройствами.

Внутренняя SCAD позволяет получать данные с устройств, управлять устройствами, задавать логику управления устройствами в зависимости от данных, полученных с агрегированных устройств, хранить историю полученных данных и отданных команд управления.

Принцип прохождения команд.

Основным конвейером данных в системе является головное устройство.

Для инициации любого процесса, в том числе для получения доступа к web интерфейсу, необходимо обратиться к API головного устройства с соответствующей командой.

Обращение к API может осуществляться по трем физическим каналам:

RS485; Ethernet. Посредством web или mqtt сервера; WiFi. Посредством web или mqtt сервера.

Если команда относится непосредственно к ГУ, то произойдет ее выполнение с ответом о результате.

Если команда адресована не ГУ, то в соответствии с конфигурацией, она будет перенаправлена подчиненному модулю или датчику. Получение команды в обязательном порядке сопровождается ответом с принимающей стороны о результате выполнения.

Так же в комплексе предусмотрена возможность автоматического информирования вышестоящего в дереве агрегации устройства о наступлении определенного состояния у подчиненного устройства. Это может потребоваться, например в случае достижения актуатором нужного положения, энкодер напрямую, без запроса отправит сообщение модулю управления актуатором о наступлении данного события.

Возможность промышленного применения заявленного технического решения подтверждается известными и описанными в заявке средствами и методами, с помощью которых возможно осуществление изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения.

Изобретение относится к области автоматизации процессов и управления оборудованием, системами. Изобретение используется для контроля и управления различными устройствами, легко масштабируется, модифицируется и позволяет интерактивно создавать логические схемы и задавать последовательность действий, которые выполняются в соответствии с заданными условиями и вводными данными. Может использоваться в различных отраслях, таких как сельское хозяйство, производство, энергетика, транспорт и другие, где требуется автоматизация и контроль процессов, обеспечивается возможность интерактивного агрегирования всех модулей расширения и датчиков в единое устройство и существенная экономия времени работы интегратора с точки зрения физического и программного взаимодействия. Кроме того, заявленный комплекс поддерживает 5 каналов связи - WiFi, BLE, радиоканал, Ethernet, RS485, что увеличивает надежность и гибкость управления и программирования системы. В заявленном комплексе использован двухъядерный процессор, который обеспечивает работу операционной системы в режиме реального времени. 4 ил.

Универсальный программно-аппаратный комплекс автоматизации процессов и управления оборудованием, включающий аппаратную часть с головным устройством, программную часть, модули и датчики, отличающийся тем, что в качестве вычислительного ядра головного устройства и всех модулей использован микроконтроллер ESP32 S3 фирмы EspressifSystems на базе двухъядерного микропроцессора TensilicaXtensaLX, работающего на частоте 240 МГц, на котором реализована полноценная двухпотоковая работа с ядрами микропроцессора, а основной средой разработки является ESP-IDF, при этом головное устройство выполнено с возможностью работать как в режиме внешнего управления системой SCADA, так и в автономном режиме в соответствии с заданной на самом устройстве логикой, при этом при взаимодействии с внешней SCADA посредством ТСР/IP головное устройство использует протокол MQTT, кроме того, аппаратная часть включает релейный модуль для включения/выключения реле по команде от головного устройства, модуль управления шаговыми двигателями для одновременного управления четырьмя шаговыми двигателями, модуль управления актуатором, модуль диммирования на DIN рейку, многофункциональный модуль для установки в монтажную коробку, радиоканальный модуль для радиоканальной связи с последующей трансляцией данных в RS485 и GSM (LTE) модуль, для GSM связи с последующей трансляцией данных в RS485, кроме того, аппаратная часть снабжена датчиком температуры и влажности, герметичным датчиком температуры, датчиком освещенности, концевым датчиком, датчиком СО₂, датчиком С₂Н₄, датчиком давления, универсальным аналого-цифровым преобразователем, датчиком электропроводности жидкости, датчиком РН, датчиком направления и скорости ветра и энкодером, при этом программная часть комплекса включает в себя инструменты по настройке доступной инфраструктуры с последующим логическим объединением в одно устройство, внутреннюю SCADA систему для интерактивного построения логических схем и последовательностей действий данного устройства.