Промышленный контроллер
INDUSTRIAL CONTROLLER

Изобретение относится к устройствам для телеметрии и программного управления и может быть использовано в качестве модуля системы контроля для управления энергетическими сетями или для автоматизации зданий и систем управления технологическими процессами.
Аналогом изобретения является «Программируемый логический контроллер» (Патент RU 2101757), содержащий микропроцессор, локальную шину, линии адреса и данных которой подсоединены соответственно к выходам адреса и к входам-выходам данных микропроцессора, двухпортовое статическое ОЗУ, интерфейсы шин типа VME и ISA, ПЗУ, EEPROM, часы реального времени, контроллер клавиатуры, системный контроллер, универсальный программируемый сторожевой таймер, интерфейсы последовательных каналов типа RS232 и RS485, периферийную шину, линии адреса и данных которой подсоединены соответственно к линиям адреса и данных ПЗУ и EEPROM, а линия данных периферийной шины подсоединена к линиям данных контроллера клавиатуры и часов реального времени, при этом программируемый логический контроллер снабжен интерфейсом субмодулей, подключенным через буферные усилители адреса и приемники-передатчики данных соответственно к линиям адреса и данных периферийной шины, при этом входы адресов и входы-выходы данных статического ОЗУ подсоединены соответственно через буферные усилители адреса и приемники-передатчики данных к линиям адреса и данных локальной шины, а к входам адреса и к входам-выходам данных статического ОЗУ подсоединены через приемники-передатчики адреса и данных соответственно линии адреса и данных интерфейса шины типа VME, линии адреса и данных интерфейса шины типа ISA подсоединены соответственно через буферные усилители адреса и приемники-передатчики данных к линиям адреса и данных локальной шины, к тому же линии адреса и данных периферийной шины соединены соответственно через буферные усилители адреса и приемники-передатчики данных с линиями адреса и данных локальной шины, линии адреса и данных системного контроллера соединены с линиями адреса и данных периферийной шины, а входы-выходы интерфейсов последовательных каналов типа RS232 и RS485 и универсального сторожевого таймера подсоединены непосредственно к микропроцессору.
Недостатками устройства являются большая интегральная сложность и низкая производительность.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является «Промышленный контроллер» (Патент RU 2429524), содержащий модуль питания, модуль вычислительный, модули ввода/вывода дискретных сигналов и/или модули ввода/вывода аналоговых сигналов, подсоединенные к блоку объединительному для шины ISA, отличающийся тем, что в блоке объединительном земляная шина соединена со вторым, третьим, четвертым, пятым контактами первого соединителя, с первым, третьим, четвертым, пятым контактами второго соединителя, с третьим, четвертым, пятым контактами третьего соединителя, с первым, вторым, четвертым, пятым контактами четвертого соединителя, со вторым, четвертым, пятым контактами пятого соединителя, с первым, четвертым, пятым контактами шестого соединителя, с четвертым, пятым контактами седьмого соединителя, с первым, вторым, третьим, пятым контактами восьмого соединителя, со вторым, третьим, пятым контактами девятого соединителя, с первым, третьим, пятым контактами десятого соединителя, с третьим, пятым контактами одиннадцатого соединителя, с первым, вторым, пятым контактами двенадцатого соединителя, в модулях ввода/вывода первый вход схемы сравнения адреса подключен к первому контакту соединителя, второй вход схемы сравнения адреса подключен к второму контакту соединителя, третий вход схемы сравнения адреса подключен к третьему контакту соединителя, четвертый вход схемы сравнения адреса подключен к четвертому контакту соединителя, пятый вход схемы сравнения адреса подключен к пятому контакту соединителя, причем каждый соединитель блока объединительного обеспечивает любому подключенному модулю ввода/вывода уникальный адрес.
Недостатком устройства являются ограниченные функциональные возможности из-за подключения модулей лишь по одной шине данных.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является расширение функциональных возможностей устройства.
Техническим результатом изобретения является повышение надежности и увеличение быстродействия.
Технический результат достигается тем, что промышленный контроллер, содержащий модуль питания, соединенный с модульной платой, на которой расположены модуль логики, модуль расширения оперативной памяти, модуль энергонезависимой памяти, модуль ввода аналоговых сигналов и модуль ввода цифровых сигналов, модуль вывода аналоговых сигналов и модуль вывода цифровых сигналов, модуль индикации, модуль управления, модуль связи и модуль аварийной сигнализации, при этом первый выход модуля логики соединен с входом модуля энергонезависимой памяти, второй выход модуля логики соединен с входом модуля расширения оперативной памяти, третий выход модуля логики соединен с входом модуля ввода аналоговых сигналов, четвертый выход модуля логики соединен с модулем ввода цифровых сигналов, пятый выход модуля логики соединен с входом модуля вывода аналоговых сигналов, шестой выход модуля логики соединен с модулем вывода цифровых сигналов, седьмой выход модуля логики соединен с входом модуля индикации, восьмой выход модуля логики соединен с модулем управления, девятый выход модуля логики соединен с входом модуля связи, десятый выход модуля логики соединен с входом модуля аварийной сигнализации. Модуль логики выполнен на базе микроконтроллера STM32F. Модуль энергонезависимой памяти состоит из стационарной EEPROM микросхемы памяти размером 64Мб и съемной SD-карты памяти размером 4Гб. Модуль логики соединен с модулем связи по высокоскоростному SPI интерфейсу, высокоскоростному CAN интерфейсу, первому UART интерфейсу, второму UART интерфейсу, третьему UART интерфейсу и импульсному протоколу. Модуль связи позволяет подключать промышленный контроллер к шинам RS-485, RS-422, RS-232, CAN, Ethernet и по радиоканалу. Модуль аварийной сигнализации выполнен на основе звукового излучателя малой мощности и GSM/GPRS приемопередатчика с функцией отправки голосовых и/или текстовых сообщений.
Повышение надежности достигается за счет того, что модуль логики выполнен на микроконтроллере STM32F, модуль памяти выполнен на микросхеме памяти и съемной карте памяти, модуль индикации выполнен на основе графического дисплея, модуль расширения оперативной памяти представляет быстродействующие микросхемы памяти, модуль питания представляет сменный сетевой блок питания для получения необходимых всему устройству уровней напряжения, модуль ввода аналоговых сигналов представляет быстродействующие микросхемы с аналого-цифровым преобразованием (АЦП), модуль ввода цифровых сигналов представляет оптопары, модуль вывода аналоговых сигналов представляет микросхемы с цифроаналоговым преобразованием (ЦАП) с заданным уровнем тока и напряжения, модуль вывода дискретных сигналов представляет оптопары и реле, модуль управления содержит кнопочную панель управления, модуль связи содержит необходимые интерфейсы управления для передачи рабочих и статистических данных, модуль аварийной сигнализации выполнен на основе зуммера и GSM модуля с функцией отправки голосовых и/или текстовых сообщений.
Промышленный контроллер является новым техническим решением в области устройств для телеметрии и программного управления, поскольку результаты, проведенного заявителем анализа аналогов и прототипа, не позволили выявить признаки, тождественные всем существенным признакам данного изобретения.
Промышленный контроллер имеет изобретательский уровень. Так как из опубликованных научных данных и существующих технических решений явным образом не следует, что заявляемая совокупность блоков и связей между ними позволяет повысить надежность и увеличить быстродействие устройства.
Промышленный контроллер является промышленно применимым, поскольку его техническая реализация возможна с использованием типовых блоков и элементов.
Промышленный контроллер поясняется функциональной схемой на фиг. 1, где:
- модульная плата 1;
- модуль логики 2;
- модуль энергонезависимой памяти 3;
- модуль расширения оперативной памяти 4;
- модуль питания 5;
- модуль ввода аналоговых сигналов 6;
- модуль ввода цифровых сигналов 7;
- модуль вывода аналоговых сигналов 8;
- модуль вывода цифровых сигналов 9;
- модуль индикации 10;
- модуль управления 11;
- модуль связи 12;
- модуль аварийной сигнализации 13.
Все связи между модулями осуществляются через шины данных, расположенные на модульной плате. В системе присутствуют следующие связи:
- модуль питания 5 соединен с модульной платой 1;
- первый выход модуля логики 2 соединен с входом модуля энергонезависимой памяти 3 по высокоскоростному SPI интерфейсу;
- второй выход модуля логики 2 соединен с входом модуля расширения оперативной памяти 4 по N-разрядной шине данных;
- третий выход модуля логики 2 соединен с входом модуля ввода аналоговых сигналов 6 по I2C интерфейсу;
- четвертый выход модуля логики 2 соединен с входом модулем ввода цифровых сигналов 7 по высокоскоростному SPI интерфейсу;
- пятый выход модуля логики 2 соединен с входом модуля вывода аналоговых сигналов 8 по высокоскоростным SPI и I2C интерфейсам;
- шестой выход модуля логики 2 соединен с входом модуля вывода цифровых сигналов 9;
- седьмой выход модуля логики 2 соединен с входом модуля индикации 10 по высокоскоростному SPI интерфейсу;
- восьмой выход модуля логики 2 соединен с входом модуля управления 11 по импульсному протоколу;
- девятый выход модуля логики 2 соединен с входом модуля связи 12 по высокоскоростному SPI интерфейсу, высокоскоростному CAN интерфейсу, первому UART интерфейсу, второму UART интерфейсу, третьему UART интерфейсу и импульсному протоколу;
- десятый выход модуля логики 2 соединен с входом модуля аварийной сигнализации 13, состоящего из звукового излучателя малой мощности и GSM/GPRS приемопередатчика.
Промышленный контроллер работает следующим образом: на модуль питания 5 поступает сетевое однофазное переменное напряжение 110-220 В и преобразуется в необходимые всему устройству уровни напряжений (3,3В, 5В, +/-12В). Модуль питания 5 подключается к модульной плате 1, содержащей разъемы для всех модулей и шины данных между ними. При первом включении промышленного контроллера необходимо его настроить. Оператор подает питание на модуль питания 5, при этом модуль логики 2, в соответствии с управляющей программой, проверяет наличие в модуле энергонезависимой памяти 3 начальных установок для номинальных, предельных и аварийных режимов работы. Если установок нет, модуль логики 2 отправляет на графический дисплей модуля индикации 10 диалоговое сообщение для ввода параметров посредством модуля управления 11. Во время ввода параметров модуль логики 2 считывает данные с модуля управления 11, переносит изменяемый параметр в модуль расширения оперативной памяти 4 и отображает данный параметр на графическом дисплее модуля индикации 10. По окончании ввода всех необходимых для работы промышленного контроллера параметров их значения передаются через модуль логики 2 в модуль энергонезависимой памяти 3 и промышленный контроллер переводится в рабочий режим. Модуль логики 2 считывает начальные установки из модуля энергонезависимой памяти 3, передает их в модуль расширения оперативной памяти 4 и начинает опрос внешних устройств ввода, подключенных к модулю ввода аналоговых сигналов 6 и модулю ввода цифровых сигналов 7. Аналоговые и цифровые сигналы с измерительного оборудования поступают на вход модуля ввода аналоговых сигналов 6 и вход модуля ввода цифровых сигналов 7, преобразуются в цифровую форму и передаются в модуль логики 2, который передает их в модуль расширения оперативной памяти 4. Модуль логики 2 отслеживает изменение измеряемых параметров, сравнивает их с начальными установками и выводит на графический дисплей модуля индикации 10. Контроль и поддержание фиксируемых параметров осуществляется за счет подачи сигналов управления от модуля логики 2 к модулю вывода аналоговых сигналов 8 и модулю вывода цифровых сигналов 9 по высокоскоростному SPI интерфейсу и импульсному интерфейсу. Связь с другими устройствами сети происходит через модуль связи 12 по интерфейсам RS-485, RS-422, RS-232, CAN, Ethernet и по радиоканалу за счет подачи команд от модуля логики 2. При превышении определенных параметров или при получении сигнала аварии через модуль ввода аналоговых сигналов 6 и модуль ввода цифровых сигналов 7 модуль логики 2 подает сигнал на модуль аварийной сигнализации 13, включается звуковой излучатель малой мощности для привлечения внимания оператора (при наличии такового), происходит дальнейшая передача сигнала аварии через GSM/GPRS приемопередатчик модуля аварийной сигнализации 13, передача сигнала аварии через модуль связи 12 ближайшим блокам сети для принятия решений по устранению и изоляции аварийной ситуации, передача управляющих воздействий к модулю вывода аналоговых сигналов 8 и модулю вывода цифровых сигналов 9 и запись измеряемого параметра, времени работы прибора, статистических данных и показателей работы всей системы в модуль энергонезависимой памяти 3.