ДИСКРЕТНЫЙ ВХОД МИКРОПРОЦЕССОРНОГО УСТРОЙСТВА КОНТРОЛЯ
DISCRETE INPUT OF MICROPROCESSOR CONTROL UNIT

Изобретение относится к микропроцессорным устройствам релейной защиты и автоматики, в частности - к конструкции дискретного входа данных устройств, и может найти применение при проектировании и реализации указанных устройств контроля.
Дискретные входы цифровых устройств релейной защиты и автоматики обеспечивают преобразование сигналов с напряжением 220 В или 110 В постоянного либо переменного тока, поступающих от электрических контактов устройств контролируемого энергетического объекта и информирующих об изменении положения их коммутационных устройств - высоковольтных выключателей, реле различного типа и других, в сигналы с напряжениями логических уровней нуля и единицы, принятых в микропроцессорном устройстве контроля. К дискретным входам предъявляется ряд требований, которые определяют значения входных напряжений и токов со стороны высокого напряжения, параметры тока инжекции для очистки механических контактов от окисной пленки, временные соотношения, пороговые значения, гальваническую развязку высоковольтной входной цепи и низковольтной выходной цепи, другие параметры. Разработаны технические решения, которые позволяют удовлетворить большую часть предъявляемых к дискретным входам требований. Так, известно устройство универсального дискретного входа (Захаров О.Г., Козлов В.Н. Дискретные входы цифровых устройств центральной сигнализации. // Электротехнический рынок. №4 (22), 2008 г. С. 76, рис. 3) [1], рассчитанного на различные напряжения постоянного и переменного оперативного тока. При подаче на вход ячейки переменного напряжения он выпрямляется диодным мостом и емкостного фильтра поступает на вход аналогового компаратора. При достижении напряжением на емкостном фильтре порога срабатывания компаратор включает ток в светодиоде оптрона, на выходе которого формируется выходной сигнал дискретного входа. Оптрон обеспечивает также гальваническую развязку входных цепей дискретного входа и цепей микропроцессорного устройства контроля. Номинальное входное напряжение определяется входным резистивным делителем напряжения, одно из плеч которого для быстродействия шунтировано конденсатором. Быстродействие дискретного входа определяется соотношением емкостей конденсатора фильтра и шунтирующего конденсатора. Функцию защиты дискретного входа от неправильной полярности входного напряжения при питании постоянным оперативным током выполняет диодный мост. Дискретный вход [1] имеет недостаток - он не формирует ток инжекции для разрушения окисной пленки контактов, подключенных к дискретному входу.
Известное устройство (Захаров О.Г., Козлов В.Н. Дискретные входы цифровых устройств центральной сигнализации. // Электротехнический рынок. №4 (22), 2008 г., с. 77, рис. 4) [2] свободно от данного недостатка - оно содержит узел формирования импульсного тока инжекции, который в первоначальный момент составляет 50 мА, а через время 5-10 мс снижается до 2-3 мА. Оба известных дискретных входа [1] и [2] имеют на входе диодный мост, что обеспечивает универсальность их применения.
Оперативное питание дискретных входов может осуществляться выпрямленным напряжением со значительной пульсацией, что может привести к ошибочным срабатыванием известных дискретных входов [1, 2]. Кроме того, рабочие параметры данных технических решений заданы схемотехническим решением и в процессе эксплуатации, например при пуско-наладочных работах, коррекции не подлежат.
Известен дискретный вход (Захаров О.Г., Козлов В.Н. Дискретные входы цифровых устройств центральной сигнализации. // Электротехнический рынок. №4 (22), 2008 г., с. 78, рис. 9, 10) [3], принятый за прототип, в котором используется программная обработка выходного сигнала оптрона микропроцессором. Оптрон включается каждый раз, когда входное напряжение достигает порога срабатывания аналогового компаратора и возвращается при снижении входного напряжения ниже порога срабатывания. При частоте сети 50 Гц выходной сигнал оптрона будет иметь провалы с периодом 10 мс, длительность которых будет определяться значением входного напряжения. Если задан вид входного напряжения "переменный", то включается программный расширитель импульса оптрона на время 7 мс, по истечении которого программно проверяется наличие сигнала на выходе расширителя и сигнал воспринимается как истинный либо не воспринимается. При постоянном оперативном напряжении минимальное время срабатывания дискретного входа [3] определяется периодом опороса дискретных входов микропроцессором. Для оперативного питания на переменном токе время срабатывания может увеличиться на 5 мс и более в зависимости от фазы включения оптрона.
Недостатком известного технического решения [3] дискретного входа, принятого за прототип, является невозможность точного определение уровня входного напряжения по длительности провала выходного напряжения оптрона из-за погрешности формирования длительности оптроном, невозможность оперативно изменять значение уровня входного напряжения, соответствующего срабатыванию или несрабатыванию, а так же невозможность управления параметрами импульса инжекции. Современные микропроцессорные устройства контроля и защиты. Данное устройство имеет период обработки сигнала, функционально связанного с входным напряжением, не менее 10 мс, что ограничивает его динамические параметры. Оно так же не позволяет оперативно и в составе микропроцессорного устройства контроля изменять свои рабочие параметры, например - в процессе пуско-наладочных работ.
Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением - обеспечение возможности дистанционного управления рабочими параметрами и настройками дискретного входа.
Технический результат, достигаемый заявляемым решением - индивидуальная настройка порогов включения тока инжекции, уровня срабатывания, значения гистерезиса, задание рода тока и номинального значения напряжения оперативного тока, отстройка от значения уровня пульсации выпрямленного напряжения оперативного тока, введения индивидуальных задержек срабатывания и отпускания, задание инверсии, введение и выведение дискретного входа, диагностика.
Технический результат достигается за счет того, что дискретный вход дополнительно содержит управляемый формирователь тока инжекции, двухвухступенчатый резистивный делитель напряжения, преобразователь постоянного напряжения в постоянное, два оптрона линии связи, при этом формирователь тока инжекции включен между двухполупериодным выпрямителем и двухвухступенчатый резистивным делителем напряжения, выходы которого соединены со своими входами блока аналого-цифрового преобразования микроконтроллера, выход преобразователя напряжения соединен с цепями питания микроконтроллера, линии порта которого соединены с соответствующими выводами управляемого формирователя тока инжекции и трех оптронов, два из которых вместе с программно-аппаратными блоками микроконтроллера образуют двухпроводную линию связи.
На фиг. 1 изображена структурная схема предлагаемого дискретного входа. Он содержит: входную цепь 1, двухполупериодный выпрямитель 2, управляемый формирователь 3 тока инжекции, двухступенчатый резистивный делитель 4 напряжения, микроконтроллер 5, преобразователь напряжения 6, оптрон 7 выхода, оптроны 8 и 9 линии связи. Входная цепь 1 обеспечивает подавление импульсных помех, реализован на типовом включении элементов защиты от импульсных и высоковольтных помех. Двухполупериодный выпрямитель 2 обеспечивает выпрямление переменного оперативного напряжения и защиту от переполюсовки при питании от цепи постоянного оперативного тока. Реализован на однофазном полупроводниковом диодном мосту, выход которого шунтирован конденсатором небольшой емкости, предназначенным для фильтрации импульсных помех и практически не формирующим фазовый сдвиг однополярного пульсирующего выходного напряжения (при переменном характере питающего оперативного тока). Управляемый формирователь 3 тока инжекции предназначен для импульсного (кратковременного) увеличения тока, потребляемого дискретным входом от источника постоянного оперативного тока, с целью пробоя окисной пленки внешних электрических контактов, соединенных с дискретным входом. Реализован в виде электронного силового ключа, который коммутирует резистор нагрузки и создает цепь протекания повышенного тока (тока инжекции) через внешние электрические контакты в течении заданного времени. Двухступенчатый резистивный делитель 4 напряжения предназначен для согласования значения выходного напряжения двухполупериодного выпрямителя 2 с входным допустимым уровнем каналов аналого-цифрового преобразования микроконтроллера 5. Является типовым резистивным делителем напряжения в виде последовательно соединенных трех резисторов с отводами от двух точек соединения выводов резисторов. Микроконтроллер 5 предназначен для аналого-цифрового преобразования входного напряжения дискретного входа, логической обработки как результата аналого-цифрового преобразования, так и обеспечения выполнения управляющих и информационных функций предлагаемого устройства. Представляет собой типовой микроконтроллер, серийно выпускаемый электронной промышленностью, и содержащий на борту не только основные элементы программного вычислительного устройства, но и двунаправленные порты, а так же элементы и устройства обеспечения работы двухпроводной линии связи. Преобразователь 6 напряжения предназначен для гальванической развязки от входного напряжения цепей питания микропроцессорного устройства контроля (условно не показано) и обеспечения напряжением питания микроконтроллера 5. Представляет собой малогабаритный маломощный преобразователь постоянного напряжения в постоянное напряжение. Оптроны 7, 8 и 9 предназначены для гальванического разделения цепей с различным уровнем напряжений. Представляют собой типовые оптоэлектронные компоненты, широко выпускаемые электронной промышленность для целей гальванического разделения электрических цепей. На оптронах 8 и 9 функционирует двухпроводная линия связи, поддерживаемая внутренними аппаратно-программными ресурсами микроконтроллера 5, и обеспечивая, например, поддержку известного протокола обмена данными Modbus RTU в режиме ведомого устройства для задания пользовательских параметров работы конкретного дискретного входа.
Работает предлагаемое устройство следующим образом. При подаче на вход преобразователя напряжения 6 постоянного напряжения, например при включении питания микропроцессорного устройства контроля, он формирует на своем выходе напряжение питания микроконтроллера 5. Последний, при появлении напряжения питания, начинает выполнять записанную в его память программу. В соответствии с этой программой микроконтроллер 5 периодически, через каждые 5 мс, запускает пару преобразований своего модуля аналого-цифрового преобразования и получает цифровые отсчеты с двух выходов резистивного делителя напряжения 4. Допустим, что питание дискретного входа осуществляется от цепи переменного оперативного тока. Пусть в исходном состоянии входное напряжение на дискретном входе меньше уровня срабатывания входа. Микроконтроллер 5, получая каждые 5 мс по два отсчета значения входного напряжения со своего модуля аналого-цифрового преобразования, путем математических вычислений определяет действующее значение входного напряжения. Результат вычислений формируется каждые 5 мс для двух каналов преобразования, соответствующих выходам резистивного делителя 4 с большим и с меньшим значением коэффициента деления входного напряжения. По значению двоичного результата преобразования канала аналого-цифрового преобразования, на который поступает напряжение с выхода резистивного делителя 4 с большим коэффициентом деления, микроконтроллер 5 определяет амплитудное значение входного напряжения, и если оно меньше некоторого заданного значения, то для дальнейших вычислений используются данные аналого-цифрового преобразования канала с меньшим коэффициентом деления, т.е. микропроцессор 5 будет работать с данными, получаемыми от более чувствительного канала. В противном случае микропроцессор 5 будет работать с данными, получаемыми от грубого канала. Вычисленное по известным алгоритмам действующие значение входного напряжения сравнивается со значениями уставок, заложенными в память микроконтроллера 5 либо при производстве, либо посредством канала двухпроводной гальванически изолированной оптронами 8 и 9 лини связи. Так как входное напряжение дискретного входа меньше напряжения срабатывания, то микроконтроллер 5 формирует на выходе оптрона 7 (т.е. на выходе дискретного входа) сигнал с уровнем логического нуля. Значение выходного логического уровня оптрона 7 может быть иным и соответствовать заданным при производстве либо посредством линии связи параметрам настройки дискретного входа как по активному уровню, так и по динамическим характеристикам. Выходной сигнал оптрона 7 воспринимается микропроцессорным устройством контроля, в котором установлен и работает предлагаемый дискретный вход. Увеличение значения входного напряжения на входе предлагаемого дискретного входа более порога срабатывания приводит к обнаружению микроконтроллером 5 через 5 мс факта превышения заданного порога срабатывания и изменению состояния выходного оптрона 7 в соответствии с заданными параметрами его работы для данного случая. Используя линию связи пользователи могут гибко настраивать микропроцессорное устройство контроля в процессе пуско-наладочных работ исходя из местных условий энергетического объекта контроля.
Работа предлагаемого дискретного входа при питании от цепи постоянного оперативного тока в целом аналогична вышеописанной, но отличается тем, что для данного случая программно включается в алгоритм работы предлагаемого устройства контроль уровня входного напряжения для управления формирователем 3 тока инжекции, параметры управления которым так же могут быть либо заводскими либо задаваться через двухпроводную линию связи. Алгоритм работы предлагаемого дискретного входа учитывает заданные настройки, в том числе по уровню пульсаций выпрямленного оперативного напряжения и другим.
Предлагаемое техническое решение дискретного входа позволяет увеличить точность и стабильность заданных порогов включения тока инжекции, порога включения и гистерезиса при выключении за счет применения аналого-цифрового преобразования входного напряжения с выбором оптимального коэффициента деления резистивного делителя напряжения, математической обработки результатов преобразования. Применение двухпроводной линии связи с распространенным протоколом обмена данными между дискретным входом и микропроцессорным устройством контроля позволяет оснастить последнее значительным числом, порядка 240 штук, предлагаемого дискретного входа с сохранением полного доступа к индивидуальным настройкам каждого входа при типовом подключении их к микропроцессорному устройству контроля как по цепи питания, так и по линии связи, по которой можно получить информацию о состоянии выхода конкретного дискретного входа.
Предлагаемое устройство промышленно реализуемо, так как его составные части и элементы широко распространены, давно выпускаются многими изготовителями как отечественными, так и зарубежными, а технологии изготовления и программирования являются типовыми для предприятий электронной промышленности и не требуют оригинальных и малораспространенных методов. Может быть реализовано в виде корпусного компонента с жесткими выводами для монтажа на печатную плату.
Предлагаемое устройство позволяет сформировать массив дискретных входов типовой конструкции, но с индивидуально настроенными параметрами срабатывания, которые могут, при необходимости, изменяться через двухпроводную линию связи, что бывает необходимо в процессе пуско-наладочных работ на энергетическом объекте либо по условиям проекта.