СИСТЕМА КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ДОСТУПОМ К ОБОРУДОВАНИЮ НА ПРОМЫШЛЕННОМ ПРЕДПРИЯТИИ Российский патент 2024 года по МПК G08C17/02 H04W12/63 G05B19/48 

Область техники

Изобретение относится к системе, реализующей контроль и управление доступом персонала предприятия к работам, связанным с эксплуатацией, ремонтом и техническим обслуживанием станков и механизмов с электрическим, пневматическим, паровым и иным приводом, и направлено на обеспечение безопасной организации труда на промышленных предприятиях и на объектах различных отраслей экономики, где используются механизмы с приводом.

Уровень техники

Известна система безопасности (см. http://www.ohranatruda.in.ua/index.php?id=4824 [1]), защищающая персонал от случайного включения промышленного оборудования как при его ремонте или техническом обслуживании, так и его эксплуатации. Указанная система безопасности реализована в виде так называемой бирочной системы допуска авторизованного персонала предприятия к проведению работ на механизмах и станках с электроприводом.

Допуск к проведению работ на конкретных электромеханизмах в рамках указанной системы осуществляется передачей авторизованному персоналу:

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

либо ключ-бирки, при вставлении которой в специальный электрозамок станка или механизма с электроприводом (электромеханизма) включается электросеть управления этим механизмом, а при извлечении ключа из гнезда замка электроснабжение пульта управления механизма или станка блокируется, предотвращая тем самым случайное включение станка или механизма неавторизованным персоналом.

Вышеуказанная система безопасности труда основана на использовании физических элементов, таких как таблички, жетон-бирки, ключ-бирки, электро-замки, журналы допуска, требующих обеспечение их изготовления, а также хранения, выдачи персоналу и получения назад под запись в журнал допуска всех указанных элементов системы, за исключением электрозамков, стационарно установленных на станках или электромеханизмах.

Другой известной системой контроля допуска персонала к различным объектам предприятия, включая станки и электромеханизмы, является Система Контроля и Управления Доступом (СКУД) (см. http://idmatic.ru/solutions/faq-tipovie-skd/369-skd-stanki-zavod [2]).

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

Вариант 1. Используются автономные контроллеры управления доступом к станкам или механизмам с помощью персональных смарт-карт, установленные прямо на станках или рядом с ними и связанные с электропультами их управления, без их соединения с единой базой данных. Ввод номеров карт в контроллер происходит с помощью мастер-карты. Всего может использоваться до 64 000 смарт-карт. Этот вариант является самым простым, но он обеспечивает только контроль доступа к включению механизмов. Электрическая сеть в этом случае отсутствует, а для работы системы необходимо только питание 12В, обычно автономное.

Недостатки: при использовании 1-го варианта известной системы необходимо изготовление отдельных смарт-карт, которые требуют хранения в специальных шкафах, их программирование на доступ персонала к конкретным станкам или электромеханизмам, их личная выдача персоналу для работы на конкретном оборудовании под роспись в журнале допуска и сбор после работы. Это требует существенных материальных и временных затрат непроизводственного времени как для рабочего, так и для административного персонала.

При этом каждый станок необходимо оборудовать отдельным терминалом, или терминалом на два станка со считывателем смарт-карт. При этом автономность терминалов не позволяет оперативно анализировать историю подключений к механизмам, авторизацию этих подключений, и оперативно изменять права доступа.

Вариант 2. Контроллеры управления доступом подключаются к внутренней компьютерной сети предприятия по протоколу Ethernet посредством кабелей. Ввод номеров смарт-карт в контроллер происходит с помощью отдельной авторизованной или номерной мастер-карты.

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 приводных механизмов регистрируются в архиве событий с указанием номера смарт-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 формируется в отдельной программе.

Для каждого человека, зарегистрированного в системе и имеющего смарт-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 или механизмы включены/выключены, кто из персонала в данный момент работает. Существует возможность удаленно заблокировать (выключить) любой механизм.

Недостатки:

1. Все контроллеры в цеху или на предприятии необходимо соединить с серверами кабелями, а при большом количестве станков и механизмов общая длина кабелей может достигать нескольких десятков километров, а их приобретение и монтаж является трудоемкой и дорогостоящей операцией. Кроме того, при прокладке большого количества кабелей по цеху, в котором перемещается персонал и различные механизмы, в том числе механизмы типа кран-балок, которые также необходимо обеспечить контроллерами для управления доступом к ним персонала и соединить гибкими кабелями, возникает существенный риск повреждения кабелей и, соответственно, риск существенного снижения надежности и возникновения отказов системы.

Вариант 3. Контроллеры управления доступом к приводным механизмам подключаются к внутренней компьютерной сети предприятия (Local Area Network, LAN) через маршрутизаторы беспроводной передачи данных Wi-Fi. В этом случае кабели между контроллерами и маршрутизаторами не требуются.

Управление контроллерами также осуществляется с группы серверов, но уже через маршрутизаторы, подключенные по кабелям к серверам сети. Для их обслуживания также требуется 2 рабочих места.

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 распространенного 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 потребляемая мощность одного маршрутизатора составляет 0,25-1 Вт и более.

Остальные функциональные возможности варианта 3 системы [2] полностью совпадают с вышеприведенными возможностями варианта 2.

Недостатки:

1. Несмотря на то, что кабели между контроллерами и маршрутизаторами в этом варианте реализации не требуется, кабели все же требуются для обеспечения связи сетевых серверов с маршрутизаторами Wi-Fi. А поскольку зона стабильного покрытия Wi-Fi-маршрутизатора до оконечного устройства (контроллера) невелика (20-50 м), то для больших производственных цехов, имеющих длину, например, в несколько километров, требуется установка большого количества маршрутизаторов и повторителей (репитеров), чтобы полностью покрыть сетью Wi-Fi всю площадь цеха, что, в свою очередь, также требует использования большой длины кабелей для соединения сервера с Wi-Fi-маршрутизаторами, а приобретение и монтаж маршрутизаторов, репитеров и кабелей и их последующее обслуживание является трудоемкой и дорогостоящей операцией.

2. Использование большого количества передающих приборов и кабелей в производственном цехе также повышает риск их повреждения и возникновения отказов в работе, что существенно снижает надежность работы такой СКУД, а их обслуживание требует привлечения большого количества квалифицированного персонала.

3. В цехах с большим количеством оборудования, а особенно электрооборудования, возникают существенные помехи для сетей Wi-Fi, что негативно влияет на точность и качество управления контроллерами управления доступом, а также дополнительно снижает надежность работы СКУД.

4. Большое количество маршрутизаторов и репитеров, необходимых для покрытия площади больших цехов с приводными механизмами требует потребления больших электрических мощностей, измеряемых уже киловаттами и десятками киловатт.

5. Несмотря на теоретическую и техническую возможность использования радиосигналов, в частности сетей Wi-Fi для связи между компонентами СКУД при реализации «бирочной системы охраны труда» на промышленном предприятии в цехах с большим количеством станков или других механизмов с приводом, примеров успешной реализации такой системы на практике авторами настоящего изобретения не обнаружено, что, по-видимому, связано с многочисленными вышеперечисленными недостатками их применения, а также с большими материальными и трудовыми затратами, требуемыми как при внедрении системы, так и при ее эксплуатации, или даже невозможности ее реализации с учетом технической сложности и доступных на рынке беспроводных устройств.

Описанный выше вариант 3 реализации СКУД, известной из [2], может быть принят в качестве прототипа заявленного изобретения.

Таким образом, при реализации СКУД к приводным механизмам на промышленном предприятии актуальным является решение следующих проблем:

1. Максимальное снижение или исключение использования кабелей для передачи сигналов от базовых станций до контроллеров управления доступом, что приведет к существенному повышению ее надежности, а также снижению трудоемкости и стоимости внедрения и обслуживания СКУД;

2. Увеличения стабильности, помехоустойчивости и дальности передачи информационных сигналов, в особенности беспроводных сигналов, между базовой станцией и контроллерами управления доступом, что позволит расширить зону надежного покрытия сигналами, передаваемыми от сервера до всех контроллеров, установленных у станков и электромеханизмов по всей площади цеха или предприятия;

3. Уменьшение энергопотребления, требуемого для получения и передачи информационных сигналов на оконечных устройствах (контроллерах), что, соответственно, увеличит срок работы оконечных устройств в автономном режиме;

4. Повышение степени и информативности контроля, мониторинга и управления приводными механизмами промышленного предприятия и, тем самым, существенное повышение эффективности защиты персонала при использовании производственного оборудования.

Выявленные недостатки и проблемы известных систем контроля доступа предлагается устранить с помощью системы контроля и управления доступом (СКУД) к механизмам с приводом на промышленном предприятии согласно заявленному изобретению.

Раскрытие сущности изобретения

Благодаря применению предлагаемой системы контроля и управления доступом (СКУД) к оборудованию на промышленном предприятии обеспечивается существенное повышение надежности при эксплуатации СКУД за счет полного отказа от использования соединительных кабелей между базовой станцией и контроллерами управления доступом, в частности благодаря исключению использования многочисленных маршрутизаторов и повторителей Wi-Fi сигналов, требуемых в случае применения для реализации СКУД сетей Wi-Fi, в особенности, при больших площадях производственных цехов, увеличение зоны надежного покрытия при передаче сигналов, передаваемых от базовой станции СКУД контроллерам управления доступом (оконечным устройствам), установленным у станков и электромеханизмов цеха или предприятия, за счет увеличения стабильности, помехоустойчивости и дальности передачи беспроводных сигналов между базовой станцией и контролерами, снижение энергопотребления при передаче беспроводных сигналов между базовой станцией и контроллерами благодаря применению протокола канального уровня LoRaWAN по сравнению со стандартными протоколами Wi-Fi, и соответственно, увеличение срока работы контроллеров управления доступом в автономном режиме, повышение уровня контроля, мониторинга и эффективности защиты персонала при использовании производственных механизмов, оборудованных приводом, снижение трудовых и материальных затрат при внедрении СКУД, а также устранение недостатков известных СКУД уровня техники.

Указанные выше технические результаты достигаются благодаря системе контроля и управления доступом (СКУД) к механизмам с приводом на промышленном предприятии, обеспечиваемого посредством электронных смарт-карт, содержащей считыватели, выполненные с возможностью считывания уникального идентификатора (ID) метки указанных смарт-карт с целью идентификации лиц персонала, имеющих допуск к работе на указанных механизмах, и его передачи контроллерам доступа, контроллеры доступа, соединенные с указанными считывателями и выполненные с возможностью проверки прав доступа персонала к указанным механизмам и управления приводом указанных механизмов в зависимости от результата указанной проверки, сетевой сервер и беспроводную базовую станцию, выполненную с возможностью приема данных доступа от контроллеров и их передачи сетевому серверу, а также передачи данных доступа от сетевого сервера к контроллерам, причем контроллеры доступа соединены с базовой станцией беспроводным образом, при этом указанное беспроводное соединение контроллеров доступа с базовой станцией осуществлено по схеме «звезда» на основе технологии LoRa и канального протокола LoRaWAN.СКУД согласно настоящему изобретению также обозначается как СКУД-LoRa.

В Интернете вещей (Internet of Things, IoT) большинство устройств имеет батарейное питание. В связи с этим, одной из важных характеристик Интернета вещей является продолжительная автономная работа устройства без дополнительного обслуживания и подзарядки. Эффективное решение задач, связанных с энергопотреблением, обеспечивается типом сетей LPWAN (Low Power Wide Area Networks). Известная технология LoRa, являющаяся одним из типов сетей LPWAN, 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 (см., например, Кумаритова Д. Л., Киричек Р. В. Обзор и сравнительный анализ технологий LPWAN сетей // Информационные технологии и телекоммуникации. 2016. Том 4. № 4. С. 33-48 [3]).

Технология LoRa была 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 передачи данных до 50 Кбит/с, а также обеспечивает минимальную электрическую мощность, потребляемую оконечным устройством, равную 0,025 Вт, что в 10-40 раз ниже, чем при использовании технологии Wi-Fi, и поэтому может обеспечивать несколько лет автономной работы оконечного устройства на одном аккумуляторе.

Указанная технология представляет собой сочетание особого метода модуляции LoRa и открытого протокола взаимодействия LoRaWAN. Все устройства, обычно используемые в архитектуре данной системы, такие как сервер, базовая станция и контроллеры, между которыми происходит беспроводной обмен, являются как источником, так и приемником сигналов. Указанная технология связи для Интернета вещей (IoT) может обслуживать до 1 млн. устройств в одной сети, предоставляя им возможность автономной работы до 10 лет от одной батарейки формата AA.

Предлагаемая СКУД-LoRa позволяет реализовать контроль доступа, дистанционного мониторинга и управления процедурой запуска/остановки оборудования/механизмов за счет использования преимуществ технологии LoRa и канального протокола LoRaWAN на промышленном предприятии, в том числе имеющим большое число (до сотен и тысяч) единиц промышленного оборудования.

Предлагаемая СКУД основана на использовании для передачи информационных радиосигналов, передаваемых от сервера к контроллерам доступа через базовую станцию (БС) и обратно, узкополосного разрешенного нелицензируемого для использования радиочастотного диапазона с установленной для каждого региона мира своей частотой. Для Европы такой разрешенной 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. Базовую станцию в архитектуре LoRa чаще называют шлюзом, поскольку сама базовая станция проходящие через нее сигналы не искажает, не изменяет и не обрабатывает. Небольшая, но приемлемая для условий передачи информации такого уровня, максимальная скорость приема сигнала не превосходит 50 кбит/сек, при этом амплитуда сигнала (электрическая мощность) не может превышать 25 мВт. В связи с этим для поддержки такого маломощного и мало-информационного сигнала требуется минимальное энергопотребление, 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 для обеспечения нескольких лет работы на каждом устройстве класса А.

Согласно настоящему изобретению предлагается система для реализации контроля и управления доступом (СКУД) к механизмам с приводом, в частности, отвечающая основным требованиям так называемой «бирочной системы охраны труда и доступа к механизмам с электроприводом», описанной в [1], включающая оконечные устройства (контроллеры, узлы, модули), управляющие и взаимодействующие с электроприводом механизмов, разрешительный контролируемый доступ к которым обеспечивается посредством электронных персональных смарт-карт, выполняющих роль ключ-бирок, приемопередающую беспроводную базовую станцию, соединенную с сетевым сервером, имеющим выход на интерфейс пользователя (тонкого клиента), причем соединение оконечных устройств с базовой станцией осуществлено на основе сети LoRa и канального протокола LoRaWAN.

СКУД-LoRa содержит:

1. Считыватели персональных смарт-карт для считывания записанных на них данных и передачи их контроллеру доступа по проводному или беспроводному каналу связи;

2. Контроллеры доступа, связанные с соответствующими механизмами с приводом, доступ к которым обеспечивается, и получающие данные, сигналы и инструкции от базовой станции (БС) и считывателей для обеспечения управления доступом указанными механизмами с обеспечением различных режимов их работы, при этом передача данных между контроллерами и базовой станцией осуществляется по беспроводному каналу связи на основе технологии LoRa с использованием канального протокола LoRaWAN;

3. Базовую станцию, связанную с сетевым сервером и передающую информационные сигналы и команды контроллерам для активизации требуемых режимов контроллеров в процессе управления доступом к указанным механизмам, а также информационные сигналы от контроллеров сетевому серверу, используемые, например, для мониторинга событий СКУД;

4. Сетевой сервер, управляющий работой базовой станции, а также передачей на базовую станцию данных, далее передаваемых базовой станцией контроллерам, и обработкой данных, получаемых базовой станцией от контроллеров СКУД.

В одном из вариантов реализации изобретения сетевой сервер выполнен с возможностью передачи информации о матрице плана доступа персонала к указанным механизмам на контроллеры через базовую станцию посредством протокола LoRaWAN. Это позволяет гибко и оперативно изменять планы доступа персонала к механизмам с приводом на их персональных смарт-картах, не задерживая и не отвлекая рабочих на обновление персональных планов и задач и, соответственно, устраняя тем самым непроизводственные затраты времени рабочего персонала, мастеров и администрации, повышая тем самым производительность и безопасность труда. Такой вариант хранения информации непосредственно на контроллерах позволяет также на порядок ускорить скорость реакции контроллера при проверке прав доступа.

В одном из вариантов реализации изобретения сетевой сервер соединен с сервером приложений, имеющим интерфейс оператора. Такое соединение позволяет оперативно вносить изменения в конфигурацию посредством графического интерфейса пользователя.

В одном из вариантов реализации изобретения сервер приложений выполнен с возможностью удаленного контроля работы контроллеров, сбора с них необходимых данных доступа, мониторинга режимов работы и времени работы персонала, допущенного к работе на конкретном станке или механизме с приводом, в том числе для ремонта механизмов с приводом, и их передачи через интерфейс оператору. Это позволяет своевременно получать объективные данные по конфигурации и статусам контроллеров для мониторинга работы СКУД, анализа и принятия решений администрацией в отношении работы СКУД.

В одном из вариантов реализации изобретения СКУД выполнена с возможностью дистанционного мониторинга и управления процедурой запуска и остановки указанных механизмов с приводом. Это позволяет в режиме онлайн отслеживать статусы и доступность оконечных контроллеров и реализовывать различные сценарии их реакции на появление соответствующих событий СКУД.

Настоящее изобретение также относится к контроллеру для системы управления и контроля доступа (СКУД) персонала к механизмам с приводом на промышленном предприятии, обеспечиваемого посредством электронных смарт-карт, причем контроллер снабжен или выполнен с возможностью соединения со считывателем смарт-карт и получения от него идентификатора (ID) метки смарт-карты, проверки прав доступа персонала к указанному приводному механизму и соответствующего управления приводом указанного механизма в зависимости от результата указанной проверки, а также с возможностью беспроводного соединения с беспроводной базовой станцией СКУД для передачи и приема данных доступа на основе технологии LoRa и канального протокола LoRaWAN.

Таким образом реализуется автоматизированный механизм аутентификации и авторизации персонала в зависимости от назначенных администратором прав, введенных в СКУД через интерфейс оператором.

В одном из вариантов реализации изобретения контроллер снабжен или соединен со считывателем для считывания смарт-карт с целью идентификации лиц персонала, имеющих допуск к работе на конкретных механизмах. Это позволяет персоналу непосредственно взаимодействовать со станком или механизмом с приводом под контролем СКУД, обеспечивающей требования «бирочной системы безопасности труда». Такими образом, считыватель смарт-карт может являться как отдельным устройством, расположенным отдельно от контроллера и соединенным с ним проводными или беспроводными каналами связи, так и являться компонентом контроллера.

В процессе практической реализации предлагаемой СКУД авторами настоящего изобретения было установлено, что доступные на рынке считыватели смарт-карт обычно однократно «мгновенно» или достаточно быстро осуществляют идентификацию и проверку прикладываемой к ним или вставляемой в них идентификационной смарт-карты, как это происходит, например, на банковских терминалах или транспортных валидаторах, и на этом их взаимодействие с данной смарт-картой обычно завершается.

Однако для повышения надежности работы СКУД-LoRa и уровня безопасности персонала, имеющего допуск к механизмам с приводом, оказалось желательным не только однократно прикладывать идентификационную карту к считывателю для ее идентификации, но и постоянно отслеживать ее нахождение в рабочей зоне считывателя, обычно расположенного непосредственно на оборудовании с приводом, к которому осуществляется допуск персонала, в течение всего времени работы указанного персонала на данном оборудовании. При этом извлечение карты из рабочей зоны считывателя должно вызывать автоматическое прекращение доступа персоны к данному оборудованию и/или его остановку.

Для решения указанной проблемы в одном из вариантов реализации настоящего изобретения считыватель смарт-карт снабжен дополнительным электронным модулем, позволяющим непрерывно или с определенной периодичностью контролировать нахождение идентификационной смарт-карты в зоне считывателя в течение всего времени санкционированного допуска конкретного работника к оборудованию с приводом к работе на нем или его сервисному обслуживанию с обеспечением допуска работника к оборудованию с приводом и работы на нем только при нахождении смарт-карты в считывателе. Этот механизм позволяет исключить подмену смарт-карты или продолжение работы механизма при отсутствии карты в считывателе, тем самым обеспечивая один из существенных аспектов безопасности труда - исключение управления приводным механизмом неавторизованным пользователем.

При этом, постоянный контроль нахождения идентификационных карт допуска в считывателе может осуществляться с помощью периодического опроса смарт-карты считывателем с периодичностью не более 0,5-1,0 секунды, предпочтительно не более 0,7 секунды, что является надежным временным интервалом, обеспечивающим невозможность быстрой подмены установленной в считыватель карты другой картой, например, злоумышленником.

В одном из вариантов реализации изобретения контроллер выполнен с возможностью приема от базовой станции информации о матрице плана доступа персонала к указанным механизмам посредством протокола LoRaWAN.

В процессе практической реализации контроллера для предлагаемой СКУД авторами настоящего изобретения было также установлено, что типовые контроллеры с приемо-передатчиком, работающим по протоколу LoRa, обычно снабжены небольшим объемом свободной памяти (~2 кб), который позволяет хранить очень ограниченный объем данных и не позволяет хранить большие объемы информации, которые могут потребоваться в случае реализации СКУД для большого промышленного предприятия, например с несколькими сотнями единиц оборудования и многочисленным персоналом, в частности номера всех идентификационных карт персонала и т.п. Кроме того, типовой радио-модуль протокола LoRa, обычно располагаемый на таком контроллере, не предназначен для обеспечения интенсивного и/или объемного информационного обмена с базовой станцией.

Для СКУД, используемой для реализации бирочной системы на промышленном предприятии, размер пакета информационного сообщения, пересылаемого по одному каналу базовой станции, обычно не превышает 2 кбита, а максимальная скорость обмена составляет всего 50 кбит/сек. С увеличением размера предприятия, даже в случае оснащения базовой станции несколькими приемопередающими каналами данных с целью увеличения ее производительности, это может привести к неспособности базовой станции своевременно «обслужить» такое значительное количество (например, сотни или даже тысячи) контроллеров, соответствующее количеству единиц оборудования, особенно одновременно, поэтому скорость обмена данными между базовой станцией и контроллерами существенно замедляется, а иногда фактически совсем прекращается. Таким образом, стандартные контроллеры с приемопередающим модулем LoRa, доступные на рынке, оказались непригодными для реализации СКУД по настоящему изобретению, в особенности для больших промышленных предприятий.

Для решения указанной проблемы контроллер СКУД-LoRa по настоящему изобретению снабжен дополнительным электронным модулем для выполнения локальных вычислений, хранения и обработки части данных доступа, который позволяет хранить и обрабатывать большой объем данных доступа, в особенности по существу неизменных или редко обновляемых данных доступа (объемом до 2 Гбайт и более), в «локальном» режиме, что позволяет минимизировать или даже устранить необходимость передачи указанного значительного объема информации между оконечным устройством (контролером СКУД) и базовой станцией, что существенно разгружает линии связи между базовой станцией и контроллерами СКУД-LoRa и позволяет, тем самым, обеспечить надежную передачу оставшегося существенно уменьшенного объема данных между базовой станцией и контроллерами без превышения пропускной способности канала обмена данными, обеспечиваемой с помощью протокола LoRA.

Реализация «локального» режима хранения и обработки части данных доступа на контроллерах СКУД-LoRa позволяет снизить время взаимодействия между БС и каждым отдельным контроллером и, соответственно, увеличить возможное количество контроллеров, которые могут быть подключены к базовой станции по протоколу LoRa, до 10 тысяч на одну БС без риска замедления или остановки их информационного обмена с базовой станцией, что позволяет увеличить количество «обслуживаемых» одной базовой станцией оконечных устройств, реализованных в виде контроллеров доступа, практически на два порядка по сравнению с использованием типовых контролеров, не имеющих дополнительного электронного модуля, а также повысить помехоустойчивость и помехозащищенность информационного обмена между базовой станцией и контроллерами.

Настоящее изобретение также относится к базовой станции для системы контроля и управления доступом (СКУД) персонала к механизмам с приводом на промышленном предприятии, выполненная с возможностью проводного соединения с сетевым сервером СКУД и беспроводного соединения с контроллерами (1) СКУД, причем указанное беспроводное соединение контроллеров (1) с базовой станцией (2) осуществлено по схеме «звезда» на основе технологии LoRa и канального протокола LoRaWAN.

Таким образом, при практической реализации применения известной технологии LoRa и канального протокола LoRaWAN для СКУД на больших производственных площадях авторами изобретения была идентифицирована техническая невозможность прямого использования стандартных оконечных устройств, доступных на рынке, поскольку они не предназначены для решения задач, возникающих при реализации СКУД с использованием большого количества контроллеров доступа, что потребовало модернизации на уровне изобретения как считывателей, так и контроллеров для адаптации технологии LoRa и канального протокола LoRaWAN к применению для СКУД, в особенности для больших промышленных предприятий.

Таким образом, особенностью предлагаемой СКУД-LoRa перед традиционными проводными или беспроводными схемами реализации СКУД является использование технологии LoRa и протокола LoRaWAN при обмене данными между контроллерами и базовой станцией.

Предлагаемое решение по реализации СКУД выгодно отличается от известных проводных решений, при которых требуется организация кабельной сети передачи всех данных в условиях протяженных производственных объектов (цехов) с присоединением указанных кабелей к оборудованию, в том числе движущемуся, например, к кран-балкам, на котором размещаются контролеры доступа. При этом присоединение кабельных линий к оборудованию связано с существенной сложностью, которая обусловлена необходимостью обеспечения гибкой и прочной защиты кабельных электрических цепей от повреждений в виду значительной подвижности и массивности промышленного оборудования (такого как, например, кран-балки и подвижная техника), перемещающегося по территории производственных объектов (цехов).

В известных беспроводных решениях, например, предполагающих использование сетей Wi-Fi, в условиях протяженных производственных объектов (цехов), требуется установка и обслуживание большого количества точек доступа (Wi-Fi роутеров) с целью компенсации неизбежного затухания Wi-Fi сигнала, а также возникающих электромагнитных помех. Кроме того, возникает проблема обслуживания большого количества (сотен или тысяч единиц) оконечных устройств, зарегистрированных на таких точках доступа в виду особенностей реализации подобных технологий.

Благодаря использованию технологии LoRa и протокола LoRaWAN для обеспечения беспроводного соединения и обмена данными между базовой станцией и контроллерами предлагаемая СКУД-LoRa позволяет отказаться от организации сложных кабельных сетей для передачи данных к подвижному производственному оборудованию, а также размещения и обслуживания большого числа единиц сетевого оборудования, такого как, например, маршрутизаторы и повторители.

Таким образом, СКУД-LoRa согласно настоящему изобретению обеспечивает реализацию энергоэффективной и надежной СКУД, обеспечивающей эффективный контроль, мониторинг и управление доступом, а также высокий уровень защиты персонала при использовании производственного оборудования, оснащенного приводом, в том числе на больших производственных предприятиях с сотнями и тысячами единиц оборудования.

Краткое описание чертежей

Ниже заявленное изобретение описывается более подробно на основании примеров его реализации со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых изображено:

Фиг. 1 - схема системы контроля и управления доступом СКУД-LoRa по настоящему изобретению;

Фиг. 2 - схема оконечного устройства (контроллера) СКУД-LoRa, оснащенного считывателем смарт-карт, а также дополнительным электронным блоком.

Осуществление изобретения

СКУД-LoRa содержит следующие компоненты (см. фиг. 1):

- оконечные устройства (End-Node) (контроллеры) (1);

- базовую станцию (БС) LoRa (2), также называемую «шлюзом» (Gateway/Concentrator), представляющую собой устройство, принимающее данные от оконечных устройств (контроллеров (1) доступа) с использованием радиоканала и передающее их в транзитную сеть сетевому серверу (3), при этом сама базовая станция (2) проходящие через нее сигналы не искажает, не изменяет и не обрабатывает.

- сетевой сервер (Network Server) (3) и, при необходимости,

- сервер (4) приложений (Application Server) с интерфейсом (консолью) (5) для оператора (6). Операторами являются участники процесса (работники, мастера).

Каждое оконечное устройство (см. фиг. 2) выполнено в виде электронного контроллера (1), в рамках настоящей заявки также называемого «контроллером доступа», который размещается в непосредственной близости от механизмов с приводом или на них и предназначен для осуществления управляющих, контролирующих и измерительных функций, реализуемых в процессе контроля и управления доступом персонала к указанным механизмам с приводом, также называемых в настоящей заявке «приводными механизмами».

Взаимодействие контролера (1) и базовой станции (2) осуществляется по протоколу LoRaWAN. Взаимодействие базовой станции (2) и сетевого сервера (3) происходит по протоколу TCP/IP. Базовая станция (2) выступает в роли маршрутизатора пакетов (информационного шлюза) между ней и контроллерами (1) по радиоинтерфейсу, и между ней и сервером системы (3) - по проводному интерфейсу.

Контроллер (1) содержит набор необходимых датчиков, управляющих и/или исполнительных компонентов для взаимодействия со смарт-картами и приводными механизмами, в частности, подсоединенный к контроллеру считыватель (7) персональных смарт-карт. Каждый контроллер (1) имеет, как правило, батарейное питание для обеспечения его автономной работы. Контроллер (1) соединён со считывателем (7) персональных смарт-карт с помощью физического кабеля или беспроводным способом. Каждый контроллер (1) также имеет приемопередатчик LoRa и обеспечивает передачу данных (состояния контроллера, журналы событий) базовой станции (2) в течение лишь короткого промежутка времени (обычно в течение 1-5 секунд), по окончании которого в нем открываются два временных окна для приема данных доступа (например, списка смарт-карт) или команд управления от базовой станции (2), передаваемых от сетевого сервера (3). Остальное время приемо-передатчики контроллеров (1) находятся либо в неактивном состоянии, либо в состоянии приема, в зависимости от класса устройства (A, B или С)

Под данными доступа в рамках настоящей заявки понимаются любые данные, передаваемые между компонентами СКУД-LoRa и предназначенные для реализации функций контроля и управления доступом к приводным механизмам, в том числе данные, используемые для обработки, систематизации, мониторинга, хранения и обновления информации, относящейся к событиям СКУД-LoRa, например: статусов контроллеров и возможных ошибок загрузки и/или обработки команд, журналов событий (попытки авторизации и их результаты), списков смарт-карт.

Как было отмечено выше, к ограничениям протокола LoRaWAN можно отнести относительно невысокую скорость (около 50 кбит/с) обмена информацией оконечного устройства (контроллера) с базовой станцией, а также малый размер пакета информационного сообщения (до 2 кбит). Для преодоления указанных ограничений по скорости и пропускной способности канала передачи данных между контроллером и базовой станцией в случае больших промышленных предприятий контроллер может быть снабжен дополнительным электронным модулем для локального хранения и локальной обработки данных с целью минимизации объема данных, передаваемого по беспроводной сети LoRaWan. Таким образом, авторами изобретения был разработан механизм локального хранения в дополнительном электронном модуле контроллера значимой информации, требующей нечастого обновления, а также протоколы ее поддержания в актуальном состоянии, с учетом изменений, производимых на сетевом сервере.

Таким образом, например, списки меток индивидуальных смарт-карт, обычно занимающие большой объем памяти, но не требующие частного обновления, хранятся локально на контроллерах (1) и не участвуют в обмене данными между контроллерами (1) и базовой станцией (2), за исключением ситуации с обновлением и/или заменой списка меток. Такой перенос места хранения информации о метках с сетевого сервера (3) на контроллеры (1) существенно уменьшает объём передаваемой информации между базовой станцией (2) и оконечными устройствами в виде контроллеров (1) и способствует значительному увеличению количества обслуживаемых контроллеров (1) одной базовой станцией (2).

Это позволяет обеспечить возможность успешного внедрения СКУД-LoRa в том числе на больших промышленных предприятиях с большим количеством (до сотен и тысяч единиц) приводных механизмов.

Сетевой сервер (Network Server) (3) предназначен для управления транзитной сетью, в частности для задания расписания событий по управлению доступом, адаптации скорости обмена данными с компонентами СКУД, передачи, приема, хранения и обработки данных, принимаемых от контроллеров (1) и сервера (4) приложений.

Сервер приложений (Application Server) (4) предназначен для удаленного контроля работы оконечных устройств (контроллеров) (1), сбора с них необходимых данных и их передачи через интерфейс (5) оператору (6), например, для отображения событий СКУД. В СКУД также может быть реализован дистанционный мониторинг и управление процедурой запуска и остановки приводных механизмов, например, по команде оператора (6) или в соответствии с заданными алгоритмами. Это позволяет в режиме онлайн отслеживать статусы и доступность оконечных контроллеров и реализовывать различные сценарии их реакции на появление соответствующих событий СКУД.

В отличие от большинства известных сетей, в том числе сетей Wi-Fi, использующих mesh-архитектуру, где узлы сети, для расширения зоны покрытия передают информацию от одного к другому, сеть СКУД-LoRa использует топологию «звезда», в которой оконечные устройства/контроллеры (1) подключаются к сетевому серверу (3) через шлюз LoRa, выполняющий роль БС (2), который, в свою очередь, подключен к сетевому серверу (3) с помощью стандартных протоколов IP. Это позволяет уменьшить энергопотребление оконечных устройств за счет исключения необходимости пересылки пакетов между компонентами СКУД-LoRa, т.е. между собой, и упростить архитектуру сети.

Таким образом, базовая станция (2) и оконечные устройства/контроллеры (1) СКУД-LoRa соединяются между собой по схеме «звезда» с помощью протокола канального уровня LoRaWAN, а серверы (3) с базовой станцией (2) соединяются с помощью стандартных транзитных сетей, в качестве которых могут выступать проводные сети типа LAN, Ethernet, LTE или любые другие телекоммуникационные каналы, а также беспроводные сети, такие как: сотовая сеть 3G, Wi-Fi и т.п. Все устройства СКУД-LoRa, такие как контроллеры (1), базовая станция (2) и сетевой сервер (3), между которыми происходит беспроводной обмен данными, являются как источником, так и приемником сигналов.

Базовая станция (2) СКУД-LoRa может также содержат многоканальные приемо-передатчики для обработки сигналов в нескольких каналах одновременно, что позволяет «обслужить» необходимое множество оконечных устройств в цеху производственного предприятия.

Каждое оконечное устройство содержит блок контроллера (1), снабженный или соединенный блоком считывателя (7).

Блок контроллера (1) содержит радио-модуль (1.1), дополнительный электронный модуль контроллера (1.2) и исполнительное реле (1.3), связанное с исполнительным механизмом (1.4), взаимодействующим с приводом приводного механизма.

Блок считывателя (7) содержит два функциональных блока: электронный модуль (7.2) считывания с катушкой (7.1) считывателя и дополнительный электронный модуль (7.3) считывателя. Модуль (7.2) считывания представляет собой антенну и электронную схему с микроконтроллером, обеспечивающие считывание беспроводных носителей информации (меток) индивидуальных смарт-карт доступа персонала по различным протоколам беспроводной связи (NFC, RFID, BLE).

В качестве средства идентификации прав пользователя для доступа к конкретному механизму используется электронная смарт-карта с уникальной ID-меткой работника (далее - метка), являющаяся уникальным средством идентификации пользователя СКУД-LoRa в пределах промышленного предприятия.

При внесении метки в рабочее поле действия катушки (7.1) считывателя (7) инициируется чтение данных, записанных в метке (ID метки), т.е. уникального идентификатора (ID) метки смарт-карты, управляемое контроллером (1), для пересылки в модуль (7.2) считывания. В отличие от стандартных модулей считывания, в которых процесс считывания осуществляется однократно, дополнительный электронный модуль (7.3) считывателя реализует логику постоянного или периодического чтения (опроса) присутствия ID метки смарт-карты в поле катушки (7.1) считывателя с интервалом чтения/опроса, составляющим 0,5-1 с, предпочтительно не превышающим 700 мс. При извлечении метки из рабочего поля катушки (7.1) считывателя процесс чтения прекращается. В результате чтения ID метки смарт-карты формируется битовая последовательность, соответствующая уникальному идентификатору прочитанной метки.

От модуля (7.2) считывания по проводному протоколу UART (Universal asynchronous receiver/transmitter) информация об уникальном идентификаторе метки передается в дополнительный электронный модуль (7.3) считывателя, в котором реализована обработка и валидация полученной информации, а также ее преобразование для дальнейшей передачи в блок контроллера (1) доступа. При считывании метки, формировании и передаче формируемой битовой последовательности возможно возникновение различного рода шумов и помех, искажающих исходную информацию. Для исключения влияния указанных шумов и помех на результат считывания в дополнительном электронном модуле (7.3) считывателя предусмотрена проверка и синхронизация кадров приема-передачи модулей (7.2) и (7.3). В дополнительном электронном модуле (7.3) считывателя битовая последовательность преобразуется в числовой формат, добавляется информация о контрольной сумме числовой последовательности и по интерфейсу UART указанная информация направляется в контролер (1).

Дополнительный электронный модуль (1.2) блока контроллера (1) доступа получает идентификационный номер метки и производит его сравнение с записями, сохраненными в локальной таблице номеров меток. В случае совпадения номера метки и записи в таблице производится проверка прав доступа и, в случае наличия таковых, выдается сигнал на исполнительное реле (1.3), которое, в свою очередь, замыкает контактную цепь питания привода исполнительного механизма (1.4), посредством чего обеспечивается доступ персонала к работе на указанном приводном механизме.

Вся информация о происходящих в СКУД событиях передается на радио-модуль (1.1) контроллера (1) и затем по беспроводному каналу связи направляется на базовую станцию (2), представляющую собой шлюз LoRa, и далее на сетевой сервер (3).

При первоначальном конфигурировании СКУД-LoRA на контроллер (1) со стороны базовой станции (2) передаются списки номеров меток. Эти данные сохраняются в памяти дополнительного электронного модуля (1.2) контроллера. В случае возникновения любых изменений на сетевом сервере (3) указанные данные через базовую станцию (2) и радио-модуль (1.1) направляются в дополнительный электронный модуль (1.2) контроллера (1), где происходит обновление соответствующих записей локальной таблицы меток. Объем сохраняемой информации в дополнительном электронном модуле контроллера (1.2) может достигать десятков тысяч записей о метках.

Работает предлагаемая СКУД-LoRa следующим образом. Базовая станция (2), обычно установленная вблизи сетевого сервера (3) и на определенной удаленности от оконечных устройств, в частности контроллеров (1), постоянно слушает радиоэфир в заданном диапазоне частот согласно протоколу LoRaWAN. При поступлении информации от контроллера (1) базовая станция (2) дает ответ активному контроллеру (1) на частоте обращения. Ширина канала передачи данных составляет 125 кГц, а максимально допустимая скорость передачи данных - 50 кбит/сек.

Обеспечение электронного доступа персонала к станкам и механизмам с электрическим, пневматическим, паровым и иным приводом для реализации электронной бирочной системы включает составление в электронном виде матрицы плана доступа персонала к указанным станкам в соответствии с планом производства работ на этих станках. Матрица плана доступа хранится на сетевом сервере (3) и содержит данные по допуску конкретных лиц персонала в определенные рабочие дни и в определенное время к конкретным станкам для выполнения на них конкретных видов работ или их обслуживания. Матрица плана доступа заводится в сетевой сервер (3), который передает эту информацию базовой станции (2), которая, в свою очередь, посредством протокола канального уровня LoRaWAN обменивается этой информацией с оконечными устройствами в виде контроллеров (1) доступа.

Идентификация лиц персонала, имеющих соответствующий доступ к работе на приводных механизмах, происходит посредством считывателей (7), подсоединенных к контроллеру (1) доступа или являющихся его частью посредством вложения в считыватель (7)

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

или персональных электронных пропусков, в случае их объединения со смарт-картами доступа.

После окончания работ на соответствующих механизмах смарт-карты или персональные пропуска вынимаются из считывателя контроллера (1), предотвращая тем самым, за счет прерывания контроллером питания, например, электроснабжения станка или механизма, доступ к работе на этом станке или механизме неавторизованных персон или персон, не имеющих права доступа к этим станкам.

Благодаря применению предлагаемой СКУД-LoRa обеспечивается существенное повышение надежности при эксплуатации СКУД за счет полного отказа от использования соединительных кабелей между базовой станцией (2) и контроллерами (1) управления доступом, в частности благодаря исключению использования многочисленных маршрутизаторов и повторителей беспроводных сигналов, требуемых, например, в случае применения сетей Wi-Fi, в особенности, при больших площадях производственных цехов, увеличение зоны надежного покрытия при передаче сигналов, передаваемых от базовой станции (2) СКУД к контроллерам (1) (оконечным устройствам), установленным у станков и иных приводных механизмов цеха или предприятия, за счет увеличения стабильности, помехоустойчивости и дальности передачи беспроводных сигналов между базовой станцией (2) и контролерами (1), существенное снижение энергопотребления при передаче беспроводных сигналов между базовой станцией (2) и контроллерами (1) благодаря применению протокола канального уровня LoRaWAN, и соответственно, увеличение срока автономной работы контроллеров (1) управления доступом, а также повышение уровня контроля, мониторинга и эффективности защиты персонала при использовании производственных механизмов, оборудованных приводом, и снижение трудовых и материальных затрат при внедрении и эксплуатации СКУД.

Предлагаемая система СКУД-LoRa позволяет реализовать «бирочную систему» контроля доступа, дистанционного мониторинга и управления процедурой запуска/остановки оборудования или механизмов, при этом имеет пониженное энергопотребление, повышенную надежность, стабильность, помехоустойчивость и безопасность для персонала, а также надежное покрытие информационным беспроводным сигналом от базовой станции (2) до всех установленных контроллеров (1) доступа (оконечных устройств) у приводных механизмов по всей площади цеха или предприятия.

Изобретение относится к области систем контроля и управления доступом (СКУД). Техническим результатом является повышение надежности при эксплуатации СКУД. Система контроля и управления доступом (СКУД) персонала к механизмам с приводом на промышленном предприятии, обеспечиваемого посредством электронных смарт-карт, содержит считыватели (7) для считывания идентификатора (ID) метки указанных смарт-карт и его передачи контроллерам (1) доступа, контроллеры (1) доступа, соединенные с указанными считывателями (7) и выполненные с возможностью проверки прав доступа персонала к указанным механизмам и управления приводом указанных механизмов в зависимости от результата указанной проверки, сетевой сервер (3) и беспроводную базовую станцию (2), выполненную с возможностью приема данных доступа от контроллеров (1) доступа и их передачи сетевому серверу (3), а также передачи данных доступа от сетевого сервера (3) к контроллерам (1) доступа, причем контроллеры (1) доступа соединены с базовой станцией (2) беспроводным образом, при этом указанное беспроводное соединение контроллеров (1) доступа с базовой станцией (2) осуществлено по схеме «звезда» на основе технологии LoRa и канального протокола LoRaWAN. 3 н. и 9 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Система контроля и управления доступом (СКУД) персонала к механизмам с приводом на промышленном предприятии, обеспечиваемого посредством электронных смарт-карт, содержащая считыватели (7) для считывания идентификатора (ID) метки указанных смарт-карт и его передачи контроллерам (1) доступа, контроллеры (1) доступа, соединенные с указанными считывателями (7) и выполненные с возможностью проверки прав доступа персонала к указанным механизмам и управления приводом указанных механизмов в зависимости от результата указанной проверки, сетевой сервер (3) и беспроводную базовую станцию (2), выполненную с возможностью приема данных доступа от контроллеров (1) доступа и их передачи сетевому серверу (3), а также передачи данных доступа от сетевого сервера (3) к контроллерам (1) доступа, причем контроллеры (1) доступа соединены с базовой станцией (2) беспроводным образом, при этом указанное беспроводное соединение контроллеров (1) доступа с базовой станцией (2) осуществлено по схеме «звезда» на основе технологии LoRa и канального протокола LoRaWAN.

2. Система по п. 1, в которой считыватели (7) оснащены дополнительным электронным модулем (7.3), выполненным с возможностью непрерывного или периодического контроля нахождения идентификационных смарт-карт в зоне считывателя (7) с обеспечением допуска работника к оборудованию с приводом и работы на нем только при нахождении смарт-карты в считывателе (7).

3. Система по п.1, в которой контроллеры (1) доступа содержат дополнительный электронный модуль (1.2) для локальных вычислений, хранения и обработки части данных доступа для уменьшения информационного обмена с базовой станцией.

4. Система по п. 1, в которой сетевой сервер (3) выполнен с возможностью передачи информации о матрице плана доступа персонала к указанным механизмам на контроллеры (1) доступа через базовую станцию (2) посредством протокола LoRaWAN.

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

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

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

8. Контроллер (1) доступа для системы контроля и управления доступом (СКУД) персонала к механизмам с приводом на промышленном предприятии, обеспечиваемого посредством электронных смарт-карт, причем контроллер (1) доступа снабжен или выполнен с возможностью соединения со считывателем (7) смарт-карт и получения от него идентификатора (ID) метки смарт-карты и выполнен с возможностью проверки прав доступа персонала к указанному приводному механизму и управления приводом указанного механизма в зависимости от результата указанной проверки, а также с возможностью беспроводного соединения с беспроводной базовой станцией (2) СКУД для передачи и приема данных доступа на основе технологии LoRa и канального протокола LoRaWAN.

9. Контроллер (1) по п. 8, в котором считыватель (7) оснащен дополнительным электронным модулем, выполненным с возможностью непрерывного или периодического контроля нахождения идентификационной смарт-карты в зоне считывателя (7) и обеспечения допуска работника к оборудованию с приводом и работы на нем только при нахождении смарт-карты в считывателе (7).

10. Контроллер (1) по п. 8, который выполнен с возможностью приема от базовой станции (2) информации о матрице плана доступа персонала к указанным механизмам посредством протокола LoRaWAN.

11. Контроллер (1) по п. 8, который содержит дополнительный электронный модуль для локальных вычислений, хранения и обработки части данных доступа для уменьшения объема информационного обмена с базовой станцией (2).

12. Базовая станция (2) для системы контроля и управления доступом (СКУД) персонала к механизмам с приводом на промышленном предприятии, выполненная с возможностью проводного соединения с сетевым сервером (3) СКУД и беспроводного соединения с контроллерами (1) доступа СКУД, причем указанное беспроводное соединение базовой станции (2) с контроллерами (1) доступа осуществлено по схеме «звезда» на основе технологии LoRa и канального протокола LoRaWAN.