Универсальный высоковольтный блок коммутации

Предлагаемый блок коммутации предназначен для коммутации измерительных сигналов, в том числе высоковольтных, в составе автоматизированной контрольно-испытательной аппаратуры.
На базе блоков коммутации возможно построение сложных автоматизированных коммутационных систем, позволяющих в составе контрольно-испытательной аппаратуры при помощи различных средств измерений выполнять контроль и испытания электротехнических изделий и кабельной продукции с большим числом точек подключения. В зависимости от количества блоков коммутации в аппаратуре, коммутаторов в блоках коммутации и топологии объединения блоков коммутации, становится возможным выполнять коммутацию измерительных каналов для:
1) измерения сопротивления электрических цепей по двух и четырехпроводной схеме;
2) измерения сопротивления электрических цепей повышенным током методом вольтметра-амперметра;
3) измерения электрического сопротивления изоляции и контроля электрической прочности изоляции цепей методами «каждая с каждой», «одна относительно всех закороченных» или любыми другими;
4) подачи в контролируемое изделие электрического напряжения или тока при функциональном тестировании;
5) создания электрических цепей в изделии при его функциональном тестировании;
6) произвольной комбинации указанных выше применений;
7) других видов измерений электрических величин;
Аналогами предлагаемого блока коммутации являются:
- Информтест ВВК5, ВВК-7 в крейте VXI;
- Информтест ВВК AXIE в крейте AXI;
- Информтест РК-36, РК-27 в крейте БРК-308-LXI;
- Weetech W434R с платами мультиплексирования ТРМ 5-В single point, Hybrid.
Недостатками аналогов являются:
- используются корпуса высотой от 3U (здесь и далее по ГОСТ 28601.1-90), занимающие много места в 19'' конструктиве;
- объединительные платы расположены вертикально, что увеличивает габариты по высоте;
- высоковольтные измерительные и цифровые управляющие сигналы разведены по одним и тем же печатным платам, что повышает риск пробоя высокого напряжения из измерительной в управляющую часть;
- отсутствует индивидуальная индикация включения для каждого реле, что усложняет отладку программ проверки изделий;
- замена вентиляторов системы охлаждения доступна только при разборке корпуса, что усложняет обслуживание;
- вентиляция всего крейта независимо от установленных модулей, что повышает энергопотребление и снижает ресурс вентиляторов;
- использование прямоугольных байонетных соединителей с винтовой фиксацией, что увеличивает время подключения переходных жгутов к объекту контроля.
Задачей полезной модели является устранение указанных недостатков, посредством создания нового универсального блока коммутации.
Техническим результатом заявленной полезной модели является уменьшение габаритов устройства. Кроме того, достигается упрощение отладки программ проверки изделий и диагностики коммутаторов, снижение риска пробоя высокого напряжения в низковольтную часть, упрощение обслуживания вентиляторов, снижение энергопотребления и экономия времени на стыковку переходных жгутов к изделию.
Технический результат достигается путем:
- горизонтального расположения объединительных плат;
- использования корпуса 1U, что позволяет минимум в три раза уменьшить занимаемое место в конструктиве 19'' при построении систем с количеством точек подключения к изделию до 200 шт. и минимум в 1,5 раза с количеством точек подключения к изделию до 400 шт.
В вариантах осуществления полезной модели может обеспечено:
- разведение в блоке коммутации и в коммутаторах по разным печатным платам высоковольтных измерительных и цифровых управляющих сигналов;
- наличие индивидуальной для каждого реле индикации включения, видимой без разборки корпуса блока коммутации;
- доступность замены вентиляторов системы охлаждения без разборки корпуса блока коммутации;
- обеспечение вентиляции только служебного отсека и отсеков с установленными коммутаторами;
- использование круглых байонетных выходных соединителей.
На фиг. 1 изображен блок коммутации.
На фиг. 2 - блок коммутации со снятой верхней крышкой, вид сзади.
На фиг. 3 - передняя часть блока коммутации.
На фиг. 4 - задняя часть блока коммутации.
На фиг. 5 - коммутатор.
На фиг. 6 представлена схема коммутации реализованная в блоке коммутации.
На фиг. 7 представлена функциональная схема устройства.
Блок коммутации (фиг. 1) собирается в корпусе высотой 1U.
Корпус (фиг. 2) состоит из каркаса 1, который в свою очередь, составляют продольные
направляющие 2 зафиксированные передней панелью 3 и двумя поперечными пластинами 4 сверху и снизу в задней части. Направляющие образуют пять продольных отсеков: четыре отсека коммутаторов 5 и один служебный 6. Все направляющие имеют продольные пазы 7 в верхней и нижней части для установки в отсеки печатных плат.
Благодаря такой конструкции, сборка и наладка блока коммутации может осуществляться без установки верхней и нижней крышек, что дает свободный доступ ко всем электронным компонентам.
Направляющие в передней части имеют гнезда для установки верхней 8 и нижней 9 объединительных плат, проходящих через все отсеки. Объединительные платы устанавливаются на изолирующие подкладки 10 и прижимаются сверху изолирующими пластинами 11.
Верхняя и нижняя крышки фиксируются в задней части в пазу под пластинами и по всей площади винтами к направляющим. Верхняя крышка имеет прозрачные окна для световой индикации включения реле в коммутаторах.
На передней панели (фиг. 3) монтируются пять вентиляторов 12 с фильтрами 13 для индивидуального охлаждения отсеков, а также тумблер включения питания 14.
В блок коммутации устанавливается от одного до четырех коммутаторов 15 (фиг. 2, фиг. 4). Пустые отсеки закрываются сплошными заглушками 16 (фиг. 2, фиг. 4). Служебный отсек 6 (фиг. 2) закрывается панелью 17 (фиг. 2, фиг. 4), с расположенными на ней:
1) соединителями «ШИНА ВХОД» и «ШИНА ВЫХОД» 18 (фиг. 4) предназначенными для подключения средств измерений и каскадирования блоков коммутации;
2) соединителем «ETHERNET» 19 (фиг. 4) для подключения посредством витой пары управляющего компьютера;
3) соединителем «~220В» 20 (фиг. 4) для подключения к питающей сети переменного тока.
В служебном отсеке установлен источник питания 21 (фиг. 4), преобразующий переменное напряжение 220В в постоянное 7,5 В. Также в служебном отсеке проложены жгуты:
1) от соединителей «ШИНА ВХОД» и «ШИНА ВЫХОД» 18 (фиг. 4) до нижней объединительной платы 9 (фиг. 2);
2) от соединителя «-220В» 20 (фиг.4) до выключателя питания 14 (фиг. 3) на передней панели 3 (фиг. 2) и входа питающего напряжения на источнике питания 21 (фиг. 2);
3) от выхода источника питания 21 до входа питания 7,5 В верхней объединительной платы 8 (фиг. 2);
4) от выхода питания 5В верхней объединительной платы 8 до входа питания 5 В контроллера 22 (фиг. 2) на задней панели;
5) от выхода интерфейсов UART контроллера 22 до входа интерфейсов UART на верхней объединительной плате 8.
Плата контроллера 22 монтируется на задней панели 17 служебного отсека 6 посредством кронштейна. На ней расположены: контроллер 22 с входным соединителем «ETHERNET» 19 (фиг. 4) для подключения витой парой к управляющему компьютеру; входной соединитель питания 5В.; линейный стабилизатор преобразующий напряжение питания 5В в напряжение питания 3,3В контроллера; выходной соединитель четырех каналов UART.
Плата объединительная верхняя 8 устанавливается в гнезда направляющих 2 поперек отсеков 5 и 6 в верхней передней части блока коммутации. На ней расположены: выходной соединитель питания 5В в служебном отсеке 6; два входных соединителя питания 7,5В в служебном отсеке 6; входной соединитель четырех каналов UART в служебном отсеке 6; DC/DC конвертер в служебном отсеке 6, который преобразует напряжение 7,5В в 5В для питания коммутаторов 15 и контроллера 22; пять выходных соединителей питания вентиляторов охлаждения 12 во всех отсеках; четыре выходных соединителя питания 7,5В, питания 5В и интерфейса UART по одному в каждом из отсеков коммутаторов 5; пять светодиодов индикации включения питания и наличия коммутаторов во всех отсеках 5 и 6.
Плата объединительная нижняя 9 устанавливается в гнезда направляющих поперек отсеков 5 и 6 в нижней передней части блока коммутации. На ней расположены: входной соединитель десяти измерительных каналов в служебном отсеке 6; входной соединитель двух высоковольтных измерительных каналов в служебном отсеке 6; четыре выходных соединителя обычных и высоковольтных измерительных каналов в отсеках коммутаторов 5, по одному в каждом отсеке.
Коммутатор 15 (фиг. 2) является конструктивно законченным блоком и состоит из двух горизонтально расположенных печатных плат 23 и 24 (фиг. 5) и закрепленной на нижней плате 24 посредством кронштейна 25 (фиг. 5) задней панели 26 (фиг. 5) с выходным байонетным соединителем 27 (фиг. 5).
На нижней плате 24 (фиг. 5) смонтированы электромеханические реле в SIL корпусе 28 (фиг. 5), выполняющие коммутацию высоковольтных измерительных сигналов.
На верхней плате 23 (фиг. 5) смонтирована схема управления реле на базе микроконтроллера 29 (фиг. 5), восьмиразрядных регистров 30, драйверов реле 31 и схема автоопределения подстыкованного к выходу жгута на базе того же микроконтроллера и драйвера 1-Wire 32.
Также на верхней плате 23 смонтированы светодиоды 33 загорающиеся при подаче напряжения на катушку реле 28. Каждому реле 28 соответствует свой светодиод 33.
Платы 23 и 24 соединены посредством вертикальных разъемов 34. Выходной соединитель 27 соединен с нижней платой 24 проводным монтажом.
Каждый коммутатор на нижней плате 24 имеет 12 измерительных входов и 50 выходов, соединенных с выходным соединителем 27. Входы соединены с выходами через два релейных мультиплексора 6x1 и релейную матрицу 2х50. Элементами коммутации в мультиплексорах и матрице являются указанные выше реле 28 (фиг. 5). Входы всех коммутаторов в пределах блока коммутации объединены с помощью нижней объединительной платы 9 (фиг. 2). Входы нескольких блоков коммутации объединяются через соединители «ШИНА ВЫХОД» и «ШИНА ВХОД» на задней панели 17 служебного отсека 6.
Рассмотрим работу устройства. После включения питания при помощи тумблера 14 на передней панели 3 начинают работать вентиляторы охлаждения 12 и загораются светодиоды на верхней объединительной плате 8 показывающие наличие питания в служебном отсеке 6 и наличие коммутаторов в отсеках коммутаторов 5 (фиг. 2). Контроллер 22 каждого блока коммутации в системе готов принимать команды от управляющего компьютера по Ethernet и передавать их через UART микроконтроллеру в соответствующем коммутаторе (фиг. 7).
В процессе ожидания команд микроконтроллер выполняет циклический поиск цифровых идентификаторов на шине 1-Wire и сохраняет информацию о них в оперативной памяти. Обмен с цифровым идентификатором выполняется при помощи драйвера 1-Wire.
Система команд коммутатора совместима с SCPI (IEEE 488.2). Команды выполняют следующие функции:
1) Выдача запрашивающему компьютеру информации о коммутаторе.
2) Включение, либо выключение одного или нескольких реле в произвольном порядке.
3) Выдача запрашивающему компьютеру информации о состоянии реле (включено или выключено).
4) Выдача запрашивающему компьютеру информации о количестве включений/выключений реле.
5) Выдача запрашивающему компьютеру информации о цифровых идентификаторах подключенных к выходу коммутатора.
6) Сброс коммутатора в начальное состояние.
Программное обеспечение коммутатора является собственной разработкой и функционирует на базе микроконтроллера.
При поступлении команды на включение либо выключение реле, микроконтроллер обновляет данные в регистрах 1-14 по 8-разрядной шине, выходы которых через драйверы включают либо выключают нужные реле в двух релейных мультиплексорах и/или релейной матрице. При этом увеличивается счетчик срабатываний соответствующих реле.
Информация о количестве срабатываний хранится в энергонезависимой памяти микроконтроллера. При поступлении соответствующей команды она передается управляющему компьютеру.
Прием и обработка всех команд выполняется по прерыванию от порта UART, поэтому время реакции на них минимально и определяется быстродействием микроконтроллера.
Универсальный высоковольтный блок коммутации:
1) Выдерживает между любыми входами и выходами при разомкнутых контактах реле, 1000В напряжения постоянного тока, или 1000В действующего значения напряжения переменного тока частотой от 40 до 60 Гц.
2) Имеет сопротивление изоляции между любыми входами и выходами при разомкнутых контактах реле не менее 1000 МОм.
3) Коммутирует под нагрузкой напряжение 30В постоянного тока или 250В действующего значения переменного тока. Для работы с более высокими напряжениями, коммутация должна выполняться до подачи высокого напряжения на любые из входов блока коммутации.
4) Коммутирует между любым входом и выходом или группой выходов ток до 5 А.
5) Коммутирует сигналы мощностью до 150 Вт при постоянном токе и до 1250В А при переменном токе (cos(ϕ)=1).
6) Позволяет параллельное подключение до 64 блоков коммутации либо их каскадирование через выходные соединители.
7) Обеспечивает автоопределение соединителей состыкованных с выходами блока коммутации путем считывания цифровых идентификаторов, установленных в соединителях по интерфейсу 1-Wire.
8) Запитывается от сети переменного тока частотой 50 Гц напряжением 220В.