МОНИТОРИНГА И УПРАВЛЕНИЯ

ОПИСАНИЕ

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к обработке цифровых данных с помощью электрических устройств, представляющих собой соединение запоминающих устройств, устройств ввода- вывода, устройств центрального процессора, устройств передачи информации или других сигналов между этими устройствами, и предназначенных для использования в системах глобального мониторинга и управления, в частности, в системах управления энергоресурсами на основе 1оТ-технологии.

Уровень техники

В настоящем описании и формуле, основанной на описании, используются следующие термины:

« I оТ » - Интернет вещей (Internet of Things),

«1-вещь» - интер нет- вещь,

«энергоданные» - числовые значения, характеризующие количественные и качественные показатели потребления, выработки, транспортировки и хранения различных видов энергетических ресурсов,

«IoT-управление» - управление посредством технологий Интернета вещей;

(см., например: Росляков А.В. Интернет вещей: учеб пособие / А. В. Росляков, С. В. Ваняшин, А.Ю. Гребешков. - Самара: ПГУТИ, 2015. - 200 с., которое опубликовано на http://eclib.psuti.ru).

Известен контроллер, содержащий брызгозащищенный корпус с кросс-платой, которая является объединяющим узлом, посредством которого обеспечивается электрическая коммутация сигнальных и питающих цепей в котроллере и подключение внешних цепей от соединителей, модуль источника вторичного электропитания, вырабатывающий вторичные напряжения, необходимые для питания установленных в контроллер модулей, системный модуль, содержащий вычислительное ядро системы и необходимые устройства для выполнения основных функций изделия, дополнительные модули, работающие под управлением системного модуля, включающие модуль унифицированных сигналов, содержащий цифровой последовательный интерфейс для связи с системным модулем, модуль телеизмерений и телесигнализации, содержащий цифровой параллельный интерфейс для связи с системным модулем, модуль GSM- модема, содержащий цифровой последовательный интерфейс для связи с системным модулем, контроллер снабжен набором до 4-х дополнительных модулей с функциями модулей, оптимально подобранными для всех типоисполнений станций катодной защиты в пределах ограниченного ряда, а также встроенными в основной модуль цифровыми интерфейсами, необходимыми для всех исполнений станций катодной защиты и интерфейсом Ethernet (Патент RU Ns 6440В, МПК G06F 17/00, опубликовано 27.06.2007 Бюл. Ns 18).

Признаки известного технического решения, являющиеся общими с заявленным, заключаются в наличии корпуса, кросс-платы, сигнальных и питающих цепей, источника вторичного питания, системного модуля с интерфейсом Ethernet, модуль GSM-модема.

Причина, препятствующая получению в известном техническом решении требуемого технического результата, заключается в том, что контроллер имеет ограниченные функциональные возможности, что не даёт возможности использовать его в системах глобального мониторинга и управления энергоресурсами на основе 1оТ- технологии.

Наиболее близким аналогом (прототипом) является контроллер телемеханики, содержащий встроенные в общий корпус системный модуль, модуль питания, модули ввода-вывода, модуль связи, работающие под управлением системного модуля и объединяемые посредством кросс-платы, обеспечивающей электрическую коммутацию сигнальных и питающих цепей, а также подключение внешних цепей от первой группы соединителей, при этом контроллер также дополнительно содержит внешние модули ввода-вывода, подключенные к системному модулю по цифровому последовательному интерфейсу через вторую и третью группу соединителей, и соединенные с датчиками и исполнительными устройствами через четвертую группу соединителей. (Патент RU Ns 110198 U1, МПК G06F13/00, опубликовано 10.11.2011 Бюл. Ns 31).

Признаки известного технического решения, являющиеся общими с заявленным, заключаются в том, что он содержит встроенные в общий корпус системный модуль, модули ввода-вывода, модуль связи, работающие под управлением системного модуля и объединяемые посредством кросс-платы, обеспечивающей электрическую коммутацию сигнальных и питающих цепей, а также подключение внешних цепей.

Причина, препятствующая получению в известном техническом решении требуемого технического результата, заключается в том, что контроллер имеет сложную конструкцию и ограниченные функциональные возможности, что не даёт возможности использовать его в системах глобального мониторинга и управления энергоресурсами на основе 1оТ-технологии.

Раскрытие изобретения

Техническая проблема, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в необходимости расширения арсенала контроллеров за счёт создания универсального модульного 1оТ-контроллера для систем глобального мониторинга и управления энергопотреблением на базе технологии 1оТ.

Технический результат заключается в реализации указанного назначения: расширение арсенала контроллеров путём создания универсального модульного 1оТ- контроллера, характеризующегося возможностью контроля энергоданных, управления потреблением энергоресурсов как в автономном режиме, так и, преимущественно, в рамках центра глобального управления потреблением энергоресурсов на базе технологии IoT-управления. При этом заявленный контроллер относительно прототипа характеризуется более простой модульной конструкцией за счёт, во-первых, выполнения модулем ввода-вывода функции кросс-платы контроллера, за счёт, во-вторых, отсутствия в конструкции контроллера отдельного модуля его электропитания благодаря размещению элементов цепей электропитания как непосредственно на кросс-плате, так и на плате системного модуля, так что трансформатор этой цепи своим входом соединён с входной электросетью первого измерительного канала контроллера. Что касается универсальности контроллера, то она, с одной стороны, обеспечивается уже упомянутой возможностью работы контроллера автономно и в системе глобального IoT-управления, а с другой стороны, возможностью использования разных каналов взаимодействия контроллера с центром IoT-управления (прежде всего Ethernet, но также исходя из возможностей заказчика и на выбор заказчика: Wi-Fi, GSM/GPRS или LORA).

Достигается технический результат тем, что универсальный модульный 1оТ- контроллер для системы глобального мониторинга и управления энергопотреблением содержит встроенные в общий корпус и электрически связанные между собой системный модуль и модуль ввода-вывода, работающий под управлением системного модуля, при этом модуль ввода-вывода выполнен с возможностью измерений энергоданных и управления объектами энергопотребления, и представляет собой кросс-плату, объединяющую системный модуль, снабжённый разъёмом Ethernet и LAN адаптером для связи контроллера с 1оТ-центром, упомянутый модуль ввода-вывода и разъём для установки модуля связи, предназначенного для установления под управлением системного модуля альтернативного канала радиосвязи контроллера с 1оТ-центром при помощи радиомодема Wi-Fi, GSM/GPRS или LORA, при этом модуль ввода-вывода содержит измерительные каналы для измерения параметров энергопотребления подключенных к этим каналам объектов энергопотребления, причём каждый измерительный канал включает блок согласования, подключенный к измерительной микросхеме, которая через блок гальванической развязки подключена к информационным входам-выходам центрального процессора, входящего в состав системного модуля, твёрдотельные реле для включения и выключения внешних приборов по командам центрального процессора, с которым указанные реле соединены посредством расширителя входов-выходов, дискретные входы, соединённые с информационными входами-выходами центрального процессора через расширитель входов-выходов, для контроля состояния внешних приборов путём измерения входных дискретных сигналов, а также цепь электропитания контроллера, состоящую из последовательно соединённых трансформатора, выпрямителя и стабилизатора напряжения, соединённого с входом питания расширителя входов-выходов, при этом трансформатор этой цепи соединён с одним из входов блока согласования первого измерительного канала.

Достигается технический результат также тем, что контроллер содержит модуль связи, установленный на кросс-плате в предназначенный для него разъём на этой плате, при этом модуль связи содержит разъёмы для установки радиомодемов Wi-Fi, GSM/GPRS и LORA, а также блок идентификации радиомодема, при помощи которого с системным модулем соединён только один радиомодем, установленный на плате связи в предназначенный для него на этой плате разъём.

Новые признаки заявленного технического решения заключаются в выполнении модуля ввода-вывода. Новые признаки также заключаются в наличии и выполнении модуля связи.

Краткое описание чертежей

На фигуре 1 показана функциональная схема универсального модульного 1оТ- контроллера для системы глобального IoT-управления и мониторинга энергопотребления (далее, - контроллер).

Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения

Контроллер содержит встроенные в общий корпус модуль ввода-вывода 1, являющийся одновременно кросс-платой, стационарно установленный на кросс-плате системный модуль 2, а также установленный на кросс-плате разъём, предназначенный для установки на кросс-плате модуля связи В (корпус, кросс-плата как таковая и какие- либо разъёмы на фигуре не показаны). При этом модуль ввода-вывода 1, системный модуль 2 и модуль связи 3 (если установлен) электрически связаны между собой через кросс-плату, так что модуль ввода-вывода 1 и модуль связи 3 (если установлен) работают под непосредственным управлением системного модуля 2.

Модуль ввода-вывода 1 выполнен с возможностью измерений параметров, связанных с энергопотреблением (энергоданных), и управления объектами энергопотребления. На прилагаемой фигуре показана (в том числе) функциональная схема возможного варианта выполнения этого модуля, а именно варианта, связанного с измерением параметров 3-х фазных электрических линий питания различных 1-вещей (объектов энергопотребления, т.е. энергопотребляющего оборудования технологических линий, подключенного к контроллеру, например, двигателей, насосов, компрессоров и АР·)·

Модуль 1 в данном конкретном варианте его выполнения содержит четыре измерительных канала (на фигуре показано два), каждый из которых включает последовательно включенные блок согласования 4, измерительную микросхему 5 и блок гальванической развязки 6. Каждый измерительный канал предназначен для измерения шести электрических параметров электропотребления одной определённой 1-вещи (три напряжения и три тока в соответствие с тремя фазами сети электропитания 1-вещи). При этом напряжение заводится непосредственно на кросс-плату, а ток - через трансформаторы тока. Блок согласования 4 предназначен для перевода высокого напряжения (220 В) в низкое, которое подаётся на измерительную микросхему 5, и перевода (при помощи шунтирующего резистора) большого тока в малый до 10 мА, который также подаётся на измерительную микросхему 5. В качестве измерительной микросхемы 5 используется выпускаемая промышленностью большая интегральная микросхема V9203 (производство Китая), предназначенная для измерения параметров трёхфазных цепей. Она включает блоки для калибровки, измерения последовательности фаз, мгновенных и среднедействующих значений напряжений и токов, мощности (активной, реактивной, полной), блока расчёта коэффициента мощности, память, цифровой интерфейс и другие. В качестве блока гальванической развязки б используется выпускаемая промышленностью интегральная микросхема ADUM 1401 BRW. Модуль ввода-вывода 1 содержит, кроме того, расширитель входов- выходов 14, обеспечивающий передачу информации с множества его входов на один его выход и с одного его входа на множество его выходов (функция мультиплексирования и демультиплексирования). В качестве расширителя 14 используется выпускаемая промышленностью интегральная микросхема РСА 9555 PW.

Модуль ввода-вывода 1 содержит, кроме того, четыре твердотельных реле 7 (показаны два), каждое из которых представляет собой полупроводниковый ключ, предназначенный для включения и выключения внешних приборов по командам центрального процессора 15, с которым указанные твердотельные реле соединены посредством расширителя 14.

Модуль ввода-вывода 1 содержит, кроме того, четыре дискретных входа 8 (показаны два), каждый из которых представляет собой электрическую цепь согласования сигнала и измерительную интегральную логическую схему и предназначен для внешних подключенных устройств и датчиков с типом выхода «сухой контакт» или транзисторные ключи, а также контроля состояния внешних приборов и оборудования, в том числе выключателей, кнопок, концевых выключателей, контактов реле и т.д. путем измерения входных дискретных сигналов.

Модуль ввода-вывода 1 содержит интегрированную в модуль цепь электропитания контроллера (последовательно соединённые трансформатор 9, выпрямитель 10 и стабилизатор напряжения 11), а также интегрированный в модуль интерфейс RS-485 12, предназначенный для проводного подключения (до 1 км) внешних устройств с цифровым интерфейсом, блок гальванической развязки 1В, посредством которого интерфейс 12 соединён с центральным процессором 15. При этом один из выходов стабилизатора 11 указанной цепи электропитания соединён с входом питания расширителя 14, а трансформатор 9 этой цепи соединён с одним из входов блока согласования 4 первого измерительного канала (данное соединение на фигуре не показано), что позволяет исключить из конструкции контроллера модуль питания как конструктивно обособленный модуль, что в свою очередь упрощает конструкцию контроллера и его эксплуатацию.

Каждое твердотельное реле 7 и каждый дискретный вход 8 через расширитель 14 соединены с соответствующими информационными входами-выходами центрального процессора 15. С информационными входами-выходами центрального процессора 15 также соединены через соответствующие блоки гальванической развязки б выходы измерительных микросхем 5 измерительных каналов, а также через блок гальванической развязки 1В входы-выходы интерфейса RS-485 12.

Конкретные варианты выполнения (модификации) модуля ввода-вывода 1 могут отличаться количеством измерительных каналов, функцией этих каналов исходя из видов контролируемой энергии потребления, наличием разного количества реле 7 и дискретных входов 8, разным их конструктивным выполнением или их отсутствием. Однако все возможные варианты выполнения (модификации) модуля ввода-вывода 1 содержат измерительные каналы, цепь электропитания (позиции 9, 10, 11), включая упомянутые соединения входящих в её состав блоков 9 и 11, интерфейс RS-485 12 с блоком гальванической развязки 13 и расширитель 14.

Системный модуль 2 содержит центральный процессор 15 (32-х разрядная интегральная микросхема STM32), с которым соединены два блока оперативной памяти 16, блок постоянной памяти 17, SD карта памяти 18, разъём программатора 19, разъём USB 20 через диодную защиту 21, разъём Ethernet 22 через LAN адаптер 23, блок светодиодных индикаторов 24, а также дополнительная цепь электропитания, включающая дополнительный стабилизатор 25, соединённый с выходом стабилизатора 11, аккумуляторную батарею 26, контроллер 27 заряда аккумуляторной батареи и регулятор напряжения 28, соединённый своим выходом с входом питания центрального процессора 15 и соответствующим контактом разъёма для установки модуля связи 3. Блоки оперативной памяти 16 являются энергозависимыми, они предназначены для временного хранения переменных, массивов. Блок постоянной памяти 17 является энергонезависимым, он предназначен для хранения программы работы котроллера. SD- карта 18 предназначена для хранения архива; она является съёмной. Разъём программатора 19 предназначен для подключения внешнего устройства для загрузки и отладки программы в процессе изготовления контроллера. Разъём 19 расположен на плате системного модуля 3 и недоступен пользователю; он предназначен для специалиста, осуществляющего загрузку и отладку программы. Разъём USB 20 через диодную защиту 21 соединён с центральным процессором 15. Разъём 20 предназначен для подключения внешнего компьютера с целью отладки и обновления программного обеспечения для центрального процессора, настройки и конфигурирования параметров работы устройства. Диодная защита 21 предназначена для предотвращения передачи возможных высоких напряжений и токов на внешний компьютер. Разъём Ethernet 22, соединённый с процессором 15 через LAN адаптер 23, предназначен для установления информационной (проводной) связи контроллера с 1оТ-центром. Блок 24 содержит множество соединённых с процессором 15 светодиодов, через которые осуществляется визуальная индикация работы котроллера. Дополнительная цепь электропитания (позиции 25-28) обеспечивает работу системного модуля 2 и модуля связи В (если установлен) в период временного отключения внешнего источника электроэнергии.

Модуль связи 3 предназначен для установления радиосвязи контроллера с 1оТ- центром, альтернативной проводной связи через разъём Ethernet 22. Данный модуль не является обязательным, так как в конструкции системного модуля 2 содержится упомянутый канал связи Ethernet. По этой причине в конструкции контроллера на кросс- плате установлен лишь разъём для установки модуля связи 3. При этом сам модуль связи 3 содержит три разъёма для установки на модуль связи радиомодемов Wi-Fi, GSM/GPRS и LORA (позиции 29, 30, 31). Кроме того, модуль связи содержит постоянно установленный на этом модуле блок идентификации 32, предназначенный для идентификации радиомодема (одного из трёх), предназначенного для установления радиосвязи контроллера с 1оТ-центром. При этом указанный блок 32 в его наиболее простом варианте исполнения представляет собой электрические перемычки, соединяющие только один радиомодем с процессором 15. В этом случае в корпусе контроллера на кросс-плате, одновременно являющейся модулем ввода-вывода, в соответствующий разъём установлен модуль связи 3 с тем радиомодемом (либо 29, либо 30, либо 31), который задан на блоке идентификации 32. Таким образом, потребителю могут быть поставлены контроллеры в трёх вариантах комплектации:

1) без модуля связи 3, когда связь контроллера с 1оТ-центром может осуществляться только посредством Ethernet (позиции 22, 23);

2) с модулем связи 3, содержащим один радиомодем из возможных трёх, так что поставщиком на блоке идентификации 32 предварительно задан фактически установленный радиомодем;

3) с модулем связи 3, содержащим все радиомодемы (позиции 29, 30, 32), с тем чтобы сам потребитель определил при помощи блока идентификации 32 тот радиомодем, который будет им фактически использоваться для связи с 1оТ-центром.

Использование контроллера заключается в следующем.

Юридическое лицо, являющееся собственником IoT-центра, заключает договоры с клиентами центра на возмездное оказание услуг автоматизированного 1оТ контроля и управления потреблением энергоресурсов. При этом клиент может находиться в любом месте земного шара при условии доступа к сети Интернет посредством Ethernet или по одному из радиоканалов (Wi-Fi, GSM/GPRS, LORA). С этой целью каждый клиент приобретает в свою собственность и устанавливает на своих объектах, энергоданные которых подлежат контролю и управлению, множество контроллеров для формирования и соответствующих 1-вещей. Каждая 1-вещь представляет собой одно или множество потребляющего электроэнергию объектов, подключенного к контроллеру. Все эти объекты делят на группы, каждая из которых подключается к одному контроллеру. При этом к первому измерительному каналу (позиции 4, 5, 6) подключают общую линию трёхфазного питания группы объектов, к которой также подключен трансформатор 9 цепи питания контроллера. К другим измерительным каналам (они на фиг. под теми же позициями 4, 5, 6) подключают трёхфазные линии питания отдельных объектов энергопотребления, входящих в рассматриваемую группу. При необходимости в рамках рассматриваемой группы объектов также делают подключения к твердотельным реле 7 и дискретным входам 8 рассматриваемого контроллера.

Сформированные таким образом 1-вещи оказываются включенными в систему глобального 1оТ контроля и управления, в рамках которой рассматриваемое множество образует нижний (клиентский) уровень системы, осуществляющей функцию глобального контроля и управления.

В зависимости от задач клиента ему могут быть предложены разные модификации контроллера для формирования разных наборов 1-вещей в пределах заявленных патентных притязания. Ниже приведен типовой набор 1-вещей, формируемых при помощи заявленного контроллера.

Самый простым 1оТ-контроллером в этом наборе является регистратор, который представляет собой устройство, подключаемое либо в однофазную сеть, либо в трёхфазную сеть (однофазный или трёхфазный регистратор). Он производит измерение мгновенных и среднедействующих токов по фазам, напряжений, активной, реактивной и полной мощности, энергии, частоты и ряда других параметров, характеризующих количество и качество проходящей электрической энергии. Такой регистратор устанавливает, как поставщик электроэнергии (на своём выходе), так и потребитель (на своём входе). Если нет потерь, нет несанкционированных подключений, то оба контрагента фиксируют одинаковое количество электроэнергии. Но, поскольку существует КПД, перепады, обрыв, короткое замыкание, утечки, то очевидно, что потребитель получит фактически меньше энергии, чем отдал поставщик. При этом каждый регистратор рассматриваемой пары накапливает в своей памяти информацию, где эта информация сохраняется до полугода. Но, поскольку у регистратора есть интерфейс подключения к Интернету, то каждый заинтересованный контрагент эту информацию может получить через Интернет. Регистраторы могут быть одноканальные или многоканальные. Одноканальный регистратор - это устройство, которое можно подключить только к одной линии электропередач. Многоканальный регистратор имеет несколько каналов, каждый из которых может подключаться на свою линию электропередач. Кроме того, для управления на нижнем уровне системы используется диммер, который является многоканальным. Он может управлять нагрузкой до 2-х киловатт, в том числе мощным коммутационным оборудованием, автоматическими выключателями или контакторами. На нижнем (клиентском) уровне также используется универсальный контроллер, который представляет собой обычное устройство ввода-вывода аналоговых и дискретных сигналов, куда можно завести сигналы стандарта 0-10 В, сигналы от датчиков температуры, влажности, давления. Устройства могут работать как шлюзы (преобразователи протоколов): с одной стороны, интернет, а с другой промышленная сеть с протоколами Modbus RTU и др. Шлюз позволяет преобразовывать сигналы и отправлять данные в Интернет.