СПОСОБ ОБРАБОТКИ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО СИГНАЛА Российский патент 2025 года по МПК G06F7/06 

Изобретение относится к области обработки данных с воздействием на порядок их расположения или на содержание, в частности к способам обработки высокочастотных сигналов для мониторинга производственного оборудования с частотой сбора параметров более 10кГц [G06F7/00]; [G06F7/06]; [G06F7/76].

Из уровня техники известны СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ СБОРА И ХРАНЕНИЯ ДАННЫХ О ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ВИБРАЦИЯХ НА БАЗЕ СЕТИ 5G [CN112698786A, опубл. 23.04.2021], изобретение предлагает способ и устройство для сбора и хранения данных о высокочастотной вибрации, основанные на сети 5G, и способ включает этапы: передачу данных, собранных датчиком вибрации, через сетевой модуль 5G, выполнение последовательного сжатия данных о высокочастотной вибрации и запись сжатых данных о высокочастотной вибрации. Данные о частотной вибрации передают на уровень буферизации данных; проводят мониторинг уровня кэширования данных и десериализация вновь полученных данных о высокочастотной вибрации в режиме реального времени; десериализованные данные о вибрации отправляют в базу данных в соответствии с заданным временным правилом.

Недостатками данных способа и устройства для сбора и хранения данных о высокочастотных вибрациях на базе сети 5G является наличие этапа сжатия данных непосредственно перед передачей, что обуславливает снижение скорости обработки высокочастотного сигнала, а также десериализация данных перед отправкой в базу данных, что также обуславливает снижение скорости обработки высокочастотного сигнала, и, кроме того, повышает объем данных, занимаемый в базе данных.

Наиболее близким по технической сущности являются СПОСОБ И СИСТЕМА ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ [CN115883545A, опубл. 31.03.2023], способ содержит этапы: сбор высокочастотных данных, выполнение вычисления агрегации высокочастотных данных, очистку высокочастотных данных после вычисления агрегации, запись очищенных высокочастотных данных в формат данных CSV файл, регулярно генерирующий CSV-файл, позволяющий CSV-файлу генерировать ZIP-сжатый файл данных с помощью инструмента предварительной сборки и сохраняющий ZIP-сжатый файл данных в базе данных. Файл CSV содержит идентификатор датчика, временную метку данных и значение сбора, выполняющее передачу высокочастотных данных в режиме реального времени после расчета агрегации, выполняющее локальную передачу в сжатом ZIP-файле данных, сохраняющее высокочастотные данные после расчета агрегации и передающее их в режиме реального времени в систему. Основной технической проблемой прототипа является запись высокочастотных данных в формат данных CSV-файл, что увеличивает число необходимых считываний данных, что влечет за собой увеличение алгоритма ввода-вывода и, как следствие, снижение скорости обработки высокочастотного сигнала.

Задачей изобретения является устранение недостатков прототипа.

Технический результат изобретения заключается в повышении скорости обработки высокочастотного сигнала.

Указанный технический результат достигается за счет того, что способ обработки высокочастотного сигнала, осуществляемый с применением системы обработки высокочастотного сигнала, состоящей из устройства сбора данных для токовых сигналов, устройства сбора данных для вибрационных сигналов и устройства для обработки и передачи данных, при этом устройство сбора данных для токовых сигналов состоит из микроконтроллера и платы оперативной памяти, соединённого с микроконтроллером аналого-цифрового преобразователя, а также дискретных выходов, подключенных к микроконтроллеру, при этом входные формирователи сигнала промышленного оборудования подключены к аналого-цифровому преобразователю, в то же время устройство сбора данных для вибрационных сигналов состоит из микроконтроллера и платы оперативной памяти, соединённого с микроконтроллером аналого-цифрового преобразователя, а также дискретных выходов, подключенных к микроконтроллеру, при этом входные формирователи сигнала промышленного оборудования подключены к аналого-цифровому преобразователю, в то же время устройство для обработки и передачи данных содержит процессорный модуль, а также соединенные с процессорным модулем разъёмы для подключения датчиков и устройств сбора данных, при этом дискретные выходы устройства сбора данных для токовых сигналов и устройства сбора данных для вибрационных сигналов связаны с входами для подключения датчиков и устройств сбора данных устройства для обработки и передачи данных, характеризуется тем, что устройство сбора данных для токовых сигналов, устройство сбора данных для вибрационных сигналов и устройство для обработки и передачи данных устанавливают в непосредственной близости к промышленному оборудованию, затем подключают к аналого-цифровым преобразователям устройства сбора данных для токовых сигналов и устройства сбора данных для вибрационных сигналов входные формирователи сигнала промышленного оборудования, после чего посредством микроконтроллеров устройства сбора данных для токовых сигналов и устройства сбора данных для вибрационных сигналов посылают высокочастотный сигнал от устройства сбора данных для токовых сигналов и устройства сбора данных для вибрационных сигналов к устройству для обработки и передачи данных, затем высокочастотный сигнал посредством процессорного модуля устройства для обработки и передачи данных преобразуют в колонковое представление и разделяют на файлы, после чего посредством процессорного модуля полученные файлы сохраняют в файлы формата Parquet.

Осуществление изобретения.

Система обработки высокочастотного сигнала состоит из устройства сбора данных для токовых сигналов и устройства сбора данных для вибрационных сигналов, соединённых с устройством для обработки и передачи данных, при этом устройство сбора данных для токовых сигналов состоит из микроконтроллера и платы оперативной памяти, соединённого с микроконтроллером аналого-цифрового преобразователя, а также дискретных выходов и панели индикации и управления, соединенных с микроконтроллером, при этом входные формирователи сигнала напряжения фаз тока промышленного оборудования посредством операционных усилителей подключены к аналого-цифровому преобразователю, в то же время устройство сбора данных для вибрационных сигналов состоит из микроконтроллера и платы оперативной памяти, соединённого с микроконтроллером аналого-цифрового преобразователя, а также дискретных выходов и панели индикации и управления, соединенных с микроконтроллером, при этом входные формирователи сигнала источников питания вибродатчиков промышленного оборудования посредством операционных усилителей подключены к аналого-цифровому преобразователю, в то же время устройство для обработки и передачи данных содержит процессорный модуль, соединенные с процессорным модулем внутренний модуль для передачи данных в мобильных сетях LTE, внутренний модуль для подключения навигации и внутренний модуль для подключения WiFi и Bluetooth антенны, а также непосредственно подключенные к процессорному модулю входы для подключения датчиков и устройств сбора данных, порты USB и разъем HDMI, при этом дискретные выходы устройства сбора данных для токовых сигналов и устройства сбора данных для вибрационных сигналов связаны с входами для подключения датчиков и устройств сбора данных устройства для обработки и передачи данных.

Система обработки данных используется следующим образом.

Устройство сбора данных для токовых сигналов, устройство сбора данных для вибрационных сигналов и устройство для обработки и передачи данных устанавливают в непосредственной близости к промышленному оборудованию, затем посредством операционных усилителей подключают к аналого-цифровым преобразователям устройства сбора данных для токовых сигналов и устройства сбора данных для вибрационных сигналов входные формирователи сигнала напряжения фаз тока и источников питания вибродатчиков промышленного оборудования, после чего посредством микроконтроллеров устройства сбора данных для токовых сигналов и устройства сбора данных для вибрационных сигналов посылают высокочастотный сигнал от устройства сбора данных для токовых сигналов и устройства сбора данных для вибрационных сигналов к устройству для обработки и передачи данных, затем высокочастотный сигнал посредством процессорного модуля устройства для обработки и передачи данных разбивают на колонки и разделяют на части по несколько секунд на файл, после чего посредством процессорного модуля полученные части высокочастотного сигнала в колонковом представлении сохраняют в файлы формата Parquet для дальнейшего хранения, причём после сохранения файлов в формате Parquet с некоторой периодичностью запускаются фоновые задачи по их обработке, при этом все вычисления, необходимые сервисам при использовании файлов данных формата Parquet, выполняются в момент требования, а формат хранения файлов данных обеспечивает возможность сформировать запрос на обработку исторических данных для графического отображения в реальном времени с целью повышения гибкость инструментов обнаружения отклонений в работе оборудования, в то же время файлы данных в формате Parquet имеют дополнительную информацию о других параметрах оборудования в виде телеметрии, которая обеспечивает возможность применения искусственного интеллекта для выявления отклонений в работе промышленного оборудования.

Пример осуществления изобретения.

В соответствии с настоящим изобретением была изготовлена и испытана система обработки высокочастотных сигналов. Проводились испытания станка с ЧПУ – фрезерного обрабатывающего центра. Для мониторинга его состояния использовалась предлагаемая система, которая состояла из устройства сбора данных для токовых сигналов, устройства сбора данных для вибрационных сигналов и устройство для обработки и передачи данных, при этом устройство сбора данных для токовых сигналов состоит из микроконтроллера на базе ARM Cortex-M4, выбранного из-за баланса производительности, энергопотребления и наличия необходимых периферийных интерфейсов, и являющегося ядром системы сбора токовых данных, платы оперативной памяти 16 МБ SDRAM, достаточной для буферизации данных до их передачи в блок обработки, плата связана с микроконтроллером через параллельный интерфейс, аналого-цифрового преобразователя 16-битного АЦП с высокой частотой дискретизации, подключенного к микроконтроллеру через SPI интерфейс, а входными формирователями сигнала промышленного оборудования являлись: трансформаторы тока, устанавливаемые на силовые кабели привода шпинделя и приводов подачи, операционные усилители, используемых для масштабирования выходного сигнала трансформаторов тока до уровня, допустимого для аналого-цифрового преобразователя, данные элементы формируют входной сигнал для аналого-цифрового преобразователя, который преобразует ток в цифровой код. В то же время устройство сбора данных для вибрационных сигналов состоит из микроконтроллера на базе ARM Cortex-M4, выбранного из-за баланса производительности, энергопотребления и наличия необходимых периферийных интерфейсов, платы оперативной памяти 16 МБ SDRAM, связанной с микроконтроллером через параллельный интерфейс, аналого-цифрового преобразователя 24-битного АЦП с высокой частотой дискретизации, подключенного к микроконтроллеру через SPI интерфейс, а входными формирователями сигнала промышленного оборудования являлись: акселерометры, устанавливаемые на корпусе шпинделя и других ключевых компонентах станка, усилители заряда усиливающие слабые сигналы от акселерометров до уровня, необходимого для аналого-цифрового преобразователя, согласователи импеданса, согласующие импеданс выходных цепей датчиков с входным импедансом аналого-цифрового преобразователя, данные элементы формируют сигнал для аналого-цифрового преобразователя, который преобразует вибрацию в цифровой код. В то же время устройство для обработки и передачи данных состоит из процессорного модуля на архитектуре ARM Cortex-A53, обеспечивающего достаточную вычислительную мощность для обработки больших объемов данных, оперативной памяти 2 ГБ LPDDR4 для хранения программ и промежуточных данных, флеш-памяти 16 ГБ eMMC для хранения операционной системы, программ и результатов анализа, интерфейсов связи: Ethernet, Wi-Fi, 4G/5G для передачи данных на удаленный сервер, разъемов Ethernet для подключения к устройствам сбора токовых и вибрационных данных, разъема USB для подключения дополнительных датчиков (например, температуры, давления) при необходимости.

Технический результат изобретения заключается в повышении скорости обработки высокочастотного сигнала.

Указанный технический результат достигается за счет того, что при реализации способа применяются отдельно устройство для сбора данных токовых сигналов, устройство для сбора данных вибрационных сигналов и устройство для обработки и передачи данных, что обеспечивает более быструю обработку сигнала, т.к. каждый блок специализируется на конкретной задаче, поскольку осуществляется более эффективное использование ресурсов каждого блока. Также указанный технический результат достигается за счёт того, что применяемый при реализации способа аналого-цифровой преобразователь с высокой частотой дискретизации, подключенный к микроконтроллеру, обеспечивает быстрое и точное преобразование аналогового сигнала в цифровой формат, а входные формирователи сигнала подготавливают сигнал для аналого-цифрового преобразователя, минимизируя искажения и позволяя аналого-цифровому преобразователю работать в оптимальном режиме. В то же время указанный технический результат достигается за счет колонкового представления и фрагментирования высокочастотного сигнала, благодаря чему значительно увеличивается скорость доступа к данным и уменьшается время, необходимое для анализа отдельных признаков сигналов. Кроме того, сохранение фрагментов высокочастотного сигнала в файлы формата Parquet позволяет достичь заявленного технического результата за счет того, что благодаря такому формату файлов читаются только необходимые столбцы данных, что сводит алгоритм ввода-вывода к минимуму.

Таким образом, благодаря заявленному изобретению возможно эффективное и быстрое получение и преобразование высокочастотного сигнала в удобный и ёмкий формат данных при мониторинге состояния промышленного оборудования с возможностью обработки исторических данных и наличием дополнительной информации о других параметрах оборудования в виде телеметрии.

Изобретение относится к области обработки данных. Технический результат изобретения заключается в повышении скорости обработки высокочастотного сигнала. Способ обработки высокочастотного сигнала, осуществляемый с применением системы обработки высокочастотного сигнала, состоящей из устройства сбора данных для токовых сигналов и устройства сбора данных для вибрационных сигналов, соединённых с устройством для обработки и передачи данных, при этом входные формирователи сигнала промышленного оборудования подключены к аналого-цифровым преобразователям устройства сбора данных для токовых сигналов и устройства сбора данных для вибрационных сигналов, характеризуется тем, что к аналого-цифровым преобразователям устройств сбора данных подключают входные формирователи сигнала промышленного оборудования, после чего посылают высокочастотный сигнал от устройства сбора данных к устройству для обработки и передачи данных, затем высокочастотный сигнал преобразуют в колонковое представление и разделяют на файлы, после чего полученные файлы сохраняют в файлы формата Parquet.

Способ обработки высокочастотного сигнала, осуществляемый с применением системы обработки высокочастотного сигнала, состоящей из устройства сбора данных для токовых сигналов, устройства сбора данных для вибрационных сигналов и устройства для обработки и передачи данных, при этом устройство сбора данных для токовых сигналов состоит из микроконтроллера и платы оперативной памяти, соединённого с микроконтроллером аналого-цифрового преобразователя, а также дискретных выходов, подключенных к микроконтроллеру, при этом входные формирователи сигнала промышленного оборудования подключены к аналого-цифровому преобразователю, в то же время устройство сбора данных для вибрационных сигналов состоит из микроконтроллера и платы оперативной памяти, соединённого с микроконтроллером аналого-цифрового преобразователя, а также дискретных выходов, подключенных к микроконтроллеру, при этом входные формирователи сигнала промышленного оборудования подключены к аналого-цифровому преобразователю, в то же время устройство для обработки и передачи данных содержит процессорный модуль, а также соединенные с процессорным модулем разъёмы для подключения датчиков и устройств сбора данных, при этом дискретные выходы устройства сбора данных для токовых сигналов и устройства сбора данных для вибрационных сигналов связаны с входами для подключения датчиков и устройств сбора данных устройства для обработки и передачи данных, характеризуемый тем, что устройство сбора данных для токовых сигналов, устройство сбора данных для вибрационных сигналов и устройство для обработки и передачи данных устанавливают в непосредственной близости к промышленному оборудованию, затем подключают к аналого-цифровым преобразователям устройства сбора данных для токовых сигналов и устройства сбора данных для вибрационных сигналов входные формирователи сигнала промышленного оборудования, после чего посредством микроконтроллеров устройства сбора данных для токовых сигналов и устройства сбора данных для вибрационных сигналов посылают высокочастотный сигнал от устройства сбора данных для токовых сигналов и устройства сбора данных для вибрационных сигналов к устройству для обработки и передачи данных, затем высокочастотный сигнал посредством процессорного модуля устройства для обработки и передачи данных преобразуют в колонковое представление и разделяют на файлы, после чего посредством процессорного модуля полученные файлы сохраняют в файлы формата Parquet.