Устройство ввода дискретных сигналов с диагностикой исправности входных цепей

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 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.
Наиболее близким аналогом (прототипом) является «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, входные цепи которых содержат последовательно соединенные резистор 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, каждый канал дополнительно содержит вторые входные резисторы и последовательно соединенные с ними элементы оптронной развязки, при этом оба резистора подключены к входу канала, а вторые выводы входов элементов оптронной развязки раздельно объединены в общие провода вторых выводов соответственно первых и вторых элементов оптронной развязки входных цепей гальванически связанных контролируемых сигналов, а общие провода через встречно включенные или двуполярные стабилитроны соединены с разными полюсами источника питания контролируемых 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.
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, а выходы элементов оптронной развязки соединены с микропроцессорным элементом предпочтительно по принципу мультиплексного группового опроса, с целью упрощения устройства и снижения требований к величине напряжения стабилизации стабилитронов предлагаемое устройство для каждой группы входных сигналов 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.
На рисунке 1 приведена структурная схема устройства ввода дискретных сигналов, где: 1 - контролируемые сигналы; 2 - группы входных каналов; 3 - узлы переключения полюсов источников питания групп контролируемых сигналов; 4 - мультиплексированная шина считывания входных данных; 5 - выходы стробирующих сигналов микропроцессорного элемента; 6 - выход управления узлами переключения полюсов; 7 - микропроцессорный элемент; 8 - узел приема/передачи данных с гальванической развязкой; 9 - элемент стабилизации напряжения 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: 10 - элемент управления нагрузкой контролируемой цепи; 11 - нагрузка; U+, U- - полюса питания контролируемых сигналов; 3 - узел переключения полюсов источников питания контролируемых сигналов; Bx1 - вход канала; R1 -входной резистор; VZ1 - стабилитрон входной цепи, VE1 - входной оптрон; VEy - оптрон управления узлом переключения; Оп1 - общий провод контроля группы сигналов; VZ2 - общий стабилитрон группы сигналов.
Устройство работает под управлением микропроцессорного элемента (7), который выходом (6) устанавливает узел переключения полюсов источника питания контролируемых сигналов (3) в состояние подключения к одному из полюсов (стандартно - к общему полюсу нагрузок входных сигналов), выдает стробирующие сигналы (5) на группы выходных транзисторов оптронов входных каналов (2), считывает информацию о состоянии контролируемых цепей с мультиплексной шины (4) и передает результаты через элементы (8) гальванической развязки цепей обмена информацией на более высокий уровень системы управления или контроля. Затем через определенный интервал времени производится изменение состояния 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, нагрузки, монтажа, потере контакта в разъеме - 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).
При контроле сигналов переменного тока программой микропроцессорного элемента необходимо учитывать снижение до нуля тока в цепях оптронов в каждом полупериоде частоты сигнала.
Напряжение стабилизации стабилитронов выбирается только из необходимости отсечки помех или наведенного напряжения определенного уровня.