Устройство ввода дискретных сигналов с диагностикой обрывов во входных цепях

Устройство относится к контрольно-измерительной технике и предназначено для использования в устройствах контроля сигналов постоянного и переменного тока в автоматизированных системах контроля, диагностики и управления технологическими процессами.
Известен комплекс ИВК-АДК - «Комплекс аппаратно-программных средств автоматизации диагностирования и контроля устройств и управления технологическими процессами» (патент на полезную модель RU №61438, G05B 15/00, G05B 19/4063, B61L 27/04, опубликован 27.02.2007), при этом комплекс включает в себя функциональный модуль ввода дискретных сигналов МДВ содержит микропроцессорный элемент, предназначенный для предварительной обработки информации о входных дискретных сигналах и синхронного обмена информацией с удаленным концентратором связи по цепям с элементами гальванической развязки, элемент стабилизации напряжения питания микропроцессорного элемента и каналы ввода дискретных сигналов напряжения постоянного тока, входные цепи которых содержат последовательно соединенные резистор, диод и стабилитрон, предназначенный для отсечки помех, а также элемент гальванической оптронной развязки, при этом, входные цепи объединены в группы для сокращения числа общих проводов, а выходы элементов оптронной развязки опрашиваются микропроцессорным элементом матричным способом для сокращения необходимого числа его линий ввода/вывода.
Комплекс также содержит функциональный модуль ввода дискретных сигналов переменного тока МДВ1, отличающийся от модуля МДВ тем, что во входных цепях каналов ввода дискретных сигналов диод заменен на второй стабилитрон, включенный встречно первому.
Известен комплекс ИВК-ТДМ - «Комплекс программно-аппаратных средств автоматизации диагностирования и мониторинга устройств и управления технологическими процессами» (патент на полезную модель RU №68723, G05B 15/00, G05B 19/4063, B61L 27/04, опубликован 27.11.2007), в который входят функциональные микромодули ввода дискретных сигналов ММД, содержащие микропроцессорный элемент, предназначенный для предварительной обработки информации о входных дискретных сигналах (в том числе - определение длительностей и кодов импульсных и кодированных сигналов) и синхронного обмена информацией с управляющим модулем концентратора информации через элементы цепей связи, и каналы ввода дискретных сигналов, входные цепи которых содержат последовательно соединенные резистор, диод, стабилитрон, предназначенный для отсечки помех, и элемент гальванической оптронной развязки.
Недостатками данных аналогов является то, что указанные функциональные модули ввода дискретных сигналов не могут диагностировать неисправности, возникающие в канале - такие как: обрыв монтажа или нагрузки контролируемой цепи, а также неисправность элементов самого канала.
Известно также «Устройство ввода дискретных сигналов постоянного и переменного тока с диагностикой обрыва монтажа или нагрузки контролируемой цепи» (патент на полезную модель RU №159354, G05B 15/00, G05B 19/00, опубликован 10.02.2016), содержащее микропроцессорный элемент, источник стабилизированного напряжения питания микропроцессорного элемента, узел приема/передачи данных с гальванической развязкой и каналы ввода дискретных сигналов, в котором, с целью диагностирования неисправностей, возникающих в элементах каналов, а также обрыва монтажа или нагрузки контролируемых цепей, введены вторые дополнительные каналы, контролирующие входные сигналы относительно второго полюса источника питания сигналов.
Недостатком данного устройства является увеличенное в два раза количество элементов входных цепей и необходимость применения стабилитронов с напряжением стабилизации более половины напряжения источника питания входных сигналов.
Наиболее близким аналогом (прототипом) является « Устройство ввода дискретных сигналов с диагностикой исправности входных цепей» (заявка на полезную модель RU №2016143320, G05B 15/00, G05B 19/00, заявлена 02.11.2016), содержащее микропроцессорный элемент, источник стабилизированного напряжения питания микропроцессорного элемента, узел приема/передачи данных с гальванической развязкой и каналы ввода дискретных сигналов, входные цепи которых содержат последовательно соединенные входной резистор, стабилитрон и вход элемента оптронной развязки, при этом, для гальванически связанных контролируемых сигналов входные цепи объединены в группы с общим проводом, а выходы элементов оптронной развязки соединены с микропроцессорным элементом предпочтительно по принципу мультиплексного группового опроса, при этом, с целью диагностирования неисправностей, возникающих в элементах каналов, а также обрыва монтажа или нагрузки контролируемых цепей, для каждой группы входных сигналов устройство дополнительно содержит управляемый микропроцессорным элементом узел переключения полюсов источника питания контролируемых сигналов, выход которого подключен к общему проводу группы через стабилитрон, включенный встречно по отношению к стабилитронам входных цепей.
Недостатком данного устройства является возможность диагностирования неисправностей, возникающих в элементах каналов, а также обрыва монтажа или нагрузки контролируемых цепей только при подключении к цепям, имеющим нагрузку (двухполюсный сигнал), но не имеет этой возможности при подключении к замыкающему (размыкающему) контакту через который подается только один из полюсов источника питания. Такие сигналы часто встречаются при контроле устройств железнодорожной автоматики, в которых используются реле (незаменимые пока реле первого (высшего) класса надежности). Данную проблему можно было бы решить установкой в устройстве резисторов, имитирующих нагрузку, и диагностировать исправность только элементов входных цепей самого устройства, но при этом теряется возможность контроля обрыва монтажа до точки подключения (в том числе потерю контакта в разъеме устройства и обрыв нагрузки в контролируемой цепи). Проблема решается созданием двух типов модулей на базе данного устройства: с дополнительными резисторами - для контроля однополюсных сигналов и без дополнительных резисторов - для контроля двухполюсных сигналов (сигналы с нагрузкой в цепи), но это усложняет проектирование, требует привязки типа сигнала к типу модуля.
Целью предлагаемого технического решения является создание универсального устройства.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что в известном устройстве ввода дискретных сигналов, содержащем микропроцессорный элемент, источник стабилизированного напряжения питания микропроцессорного элемента, узел приема/передачи данных с гальванической развязкой и каналы ввода дискретных сигналов, входные цепи которых содержат последовательно соединенные входной резистор, стабилитрон и вход элемента оптронной развязки, при этом для гальванически связанных контролируемых сигналов входные цепи объединены в группы с общим проводом, к которому через стабилитрон, включенный встречно по отношению к стабилитронам входных цепей, подключен выход управляемого микропроцессорным элементом первого узла переключения полюсов источника питания контролируемых сигналов, а выходы элементов оптронной развязки соединены с микропроцессорным элементом предпочтительно по принципу мультиплексного группового опроса, при этом дополнительно для каждой группы входных сигналов устройство содержит управляемые микропроцессорным элементом вторые узлы переключения полюсов источника питания контролируемых сигналов, к выходам которых подключены дополнительные резисторы, вторыми выводами соединенные с входами каналов своей группы.
На рисунке 1 приведена структурная схема устройства ввода дискретных сигналов, где: 1 - контролируемые сигналы; 2 - группы входных каналов; 3 - первые узлы переключения полюсов источников питания групп контролируемых сигналов; 4 - вторые узлы переключения полюсов источников питания групп контролируемых сигналов; 5 мультиплексированная шина считывания входных данных; 6 - выходы стробирующих сигналов микропроцессорного элемента; 7 - выход микропроцессорного элемента для управления первыми узлами переключения полюсов; 8 - выход микропроцессорного элемента для управления вторыми узлами переключения полюсов; 9 - микропроцессорный элемент; 10 - узел приема/передачи данных с гальванической развязкой; 11 - элемент питания устройства (значение напряжений показано условно); U1-U3 - входы полюсов источников питания контролируемых сигналов.
На рисунке 2 приведена схема входной части одного из каналов устройства, подключенного к контролируемой цепи сигнала постоянного тока, где: 12 - элемент управления контролируемой цепи; 13 - нагрузка; U1+, U1- - полюса питания контролируемых сигналов; 3 - первый узел переключения полюсов источников питания контролируемых сигналов; 4 - второй узел переключения полюсов источников питания контролируемых сигналов; Bxl - вход канала; R1 - входной резистор; R1a - дополнительный резистор, имитирующий нагрузку; VZ1 - стабилитрон входной цепи, VE1 - входной оптрон; VEy - оптрон управления первым узлом переключения; VEy2 - оптрон управления вторым узлом переключения; Оп1 - общий провод контроля группы сигналов; VZ2 - общий стабилитрон группы сигналов.
Работу устройства условно можно разделить на два режима: основной и чисто диагностический.
Основной режим. Микропроцессорный элемент (9) выходом (8) устанавливает второй узел переключения полюсов источника питания контролируемых сигналов (4) в состояние подключения к общему полюсу (U1-) нагрузок (13) входных сигналов, а выходом (7) - первый узел переключения полюсов источника питания контролируемых сигналов (3) в состояние подключения к одному из полюсов (стандартно - также к общему полюсу нагрузок входных сигналов), выдает стробирующие сигналы (6) на группы выходных транзисторов оптронов входных каналов (2), считывает информацию о состоянии контролируемых цепей с мультиплексной шины (5) и передает результаты через элементы (10) гальванической развязки цепей обмена информацией на более высокий уровень системы управления или контроля. Затем, через определенный интервал времени производится изменение состояния первого узла переключения полюсов (подключение к другому полюсу) и очередное считывание информации о состоянии контролируемых цепей, которая должна быть инверсной по отношению к предыдущей. Т.е. каждый канал описывается состоянием «01» или «10» (как и в прототипе). Любое несоответствие говорит о неисправности в канале: отсутствие инверсии считанной информации говорит о неисправности в цепи управления узлом переключения полюсов (например, неисправность оптрона VEy), при обрыве входных элементов (до разъема устройства) - будет считано состояние «00», а состояние «11» возможно при неисправности в узле переключения полюсов источника питания контролируемых сигналов, отсутствии подключения одного из полюсов (например, потеря контакта в разъеме, что приводит к возникновению тока между каналами с разным состоянием) или при неисправности в выходной цепи канала (например, замыкание выходного транзистора оптрона).
Чисто диагностический режим. Микропроцессорный элемент (9) выходом (8) устанавливает второй (4) узел переключения полюсов источника питания контролируемых сигналов в состояние подключения к общему полюсу (U1+) управляющих элементов (12) контролируемой цепи. В этом режиме для однополюсных сигналов остается только диагностическая информация о состоянии элементов каналов: если первый узел переключения находится в состоянии U1+, то при исправном состоянии входных элементов должны считываться только "1" (ток во входной цепи), а при нахождении первого узла (3) в состоянии Ш- должны считываться только "О". Для двухполюсных же сигналов работа устройства аналогична основному режиму, но диагностируются обрывы во входных цепях вплоть до точки подключения к нагрузке (потеря контакта в разъеме, обрывы монтажа и самой нагрузки).