МНОГОЦЕЛЕВОЙ КОНТРОЛЛЕР РЕМИКОНТ Р-400

Полезная модель относится к устройствам программного управления и может быть использована в качестве программируемого локального контроллера в составе автоматизированных систем управления технологическими процессами для сбора и обработки информации, автоматического регулирования, дискретного и логического шагового управления, реализации технологических защит и блокировок оборудования на объектах тепловой и атомной энергетики, в металлургической, химической и других отраслях промышленности.
Известен программируемый логический контроллер, содержащий микропроцессор, локальную шину, двухпортовое статическое ОЗУ, интерфейс шины VME, интерфейс шины ISA, ПЗУ, электрически программируемая постоянная память EEPROM, часы реального времени, контроллер клавиатуры, системный контроллер, универсальный программируемый сторожевой таймер, интерфейсы последовательных каналов RS232 RS485, периферийную шину, интерфейс шины субмодулей, буферные усилители адреса и приемники/передатчики данных шины субмодулей, буферные усилители и приемники/передатчики данных ОЗУ, приемники/передатчики адреса и приемники/передатчики данных интерфейса шины VME, буферные усилители адреса и приемники/передатчики данных интерфейса шины ISA, буферные усилители адреса и приемники/передатчики данных периферийной шины (Патент РФ №2101757, МПК G06F 9/00, опубл. 10.01.1998). Известный контроллер используется в составе автоматизированных систем управления и контроля в реальном времени, способно осуществлять непосредственный контроль и управление в широком диапазоне температур.
Недостатком данного изобретения является недостаточная производительность и функциональность котроллера в связи с использованием микропроцессора серии 386ЕХ Embedded Microprocessor фирмы Intel, а также небольшое число обрабатываемых сигналов в связи с ограниченным количеством и типом подключаемых субмодулей ввода/вывода (АЦП, ЦАП).
Наиболее близким прототипом к предлагаемой полезной модели является программируемый логический контроллер SIMATIC 7-400F фирмы Siemens AG (). Назначением устройства является построение систем управления средней и высокой степени сложности, обеспечивая высокую функциональность. Контроллер имеет модульную конструкцию, может комплектоваться широким спектром модулей расширения, и включает в свой состав: модули блоков питания, модули центральных процессоров различной производительности, сигнальные модули для ввода-вывода дискретных и аналоговых сигналов, коммуникационные модули для организации последовательной передачи данных, обмена данными через промышленные сети PROFIBUS/PROFINET и Industrial Ethernet, функциональные модули для решения типовых задач управления и регулирования.
Недостатками данного устройства являются: большое время цикла контроллера, наличие групповой гальванической развязки аналоговых входов, ограничивающее помехоустойчивость, отсутствие схем кластерного подключения контроллеров, что не обеспечивает максимальную надежность при реализации функций технологических защит.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является увеличение быстродействия, расширение функциональных возможностей, уменьшение энергопотребления и тепловыделения, повышение удобства эксплуатации и монтажа при одновременном повышении надежности работы.
Технический результат достигается тем, что в многоцелевом контроллере, содержащем блок базовых модулей с цифровой индикацией и кнопками настройки на лицевой панели, проектно-компонуемые модули, объединенные в станции ввода-вывода и соединенные с датчиками и исполнительными устройствами, модули интерфейсной связи, соединенные с блоком базовых модулей и станциями ввода и вывода коммуникационными шинами, согласно полезной модели, блок базовых модулей содержит процессорный модуль Lippert CSR-LX800 стандарта РС/104, сетевой модуль Advantech РСМ-3665, модуль интерфейсной связи с фирменным протоколом 12С-10М, модуль интерфейсной связи Hilscher CIF 104Р-РВ с протоколом PROFIBUS, модуль стабилизированного питания, коммуникационный модуль, индикационный модуль, при этом блок базовых модулей имеет дублированный канал Ethernet 100 Мбит/сек подключения контроллера к локальной сети и три независимые информационные шины с поддержкой протоколов I2C-10M/PROFIBUS, к каждой из которых подключены от одной до 12 станций ввода-вывода, каждая из которых содержит от одного до 15 проектно-компонуемых модулей ввода-вывода различного типа, а именно, с 4/6/8 каналами для аналоговых датчиков тока и напряжения, термопар, термопреобразователей сопротивления или аналоговых нагрузок, с 16 каналами для дискретных датчиков или дискретных нагрузок напряжением 24 B/220 B, с 8 каналами для импульсных датчиков или импульсных нагрузок, при этом каждый из проектно-компонуемых модулей станции ввода-вывода содержит встроенный микроконтроллер, поддержку дублирования или троирования входных аналоговых и дискретных сигналов, индивидуальную и групповую на 4/8/16 каналов гальваническую развязку.
Сущность полезной модели иллюстрируется чертежом, на котором представлена блок-схема контроллера.
Контроллер имеет модульную конструкцию, содержит блок 1 базовых модулей (ББМ) и станции 2 ввода-вывода для связи с датчиками и исполнительными устройствами. Каждая из станций 2 ввода-вывода содержит от одного до 15 проектно-компонуемых модулей 3 ввода-вывода (УСО) различного типа и модули 4 интерфейсной связи (МИС), соединенные последовательной коммуникационной шиной. Блок 1 базовых моделей имеет три независимые информационные шины 5 с поддержкой протоколов I2C-10M/PROFIBUS, к каждой из которых подключены от одной до 12 станций 2 ввода-вывода. Модуль 4 МИС в составе станции 2 ввода-вывода обеспечивает питанием модули 3 УСО, входящие в состав станции 2 ввода-вывода, и выполняет функции шлюза, обеспечивая связь с модулями 3 УСО по протоколу MODBUS и связь с блоком 1 ББМ по протоколам I2C-10M (модуль МИС-4101) или PROFIBUS (модуль МИС-4102). Место размещения модулей 4 МИС в станции 2 ввода-вывода - постоянное, с левой стороны, модули 3 УСО могут размещаться в станции 2 ввода-вывода в любом порядке. В составе одной станции 2 ввода-вывода допускается устанавливать до 15 модулей 3 УСО.
Подача электропитания блокам и модулям контроллера, а также электропитание датчиков и нагрузок, обеспечивается внешними автономными блоками питания (БП). Используются два типа блока питания фирмы Traco Power: главный БП мощностью 120 Вт и дополнительный БП мощностью 60 Вт. Для питания блока 1 ББМ и станций 2 ввода-вывода используется один главный БП. Дополнительный БП предназначен для питания датчиков и нагрузок, подключенных к модулям УСО. При резервированном исполнении системы питания применяются два основных и два дополнительных БП. Первичное питание - однофазная сеть переменного тока частотой 50 Гц с напряжением 85-264 B или сеть постоянного тока с напряжением 120-370 В. Выходное напряжение внешних блоков питания должно обеспечивать номинал выходного напряжения постоянного тока 24 В (±2,4 B), а также защиту от перенапряжения и короткого замыкания.
Блок 1 ББМ, являющийся ядром контроллера, состоит из набора модулей: процессорный модуль Lippert CSR-LX800 стандарта РС/104, сетевой модуль Advantech РСМ-3665 стандарта РС/104, модуль интерфейсной связи с фирменным протоколом 12С-10М, модуль интерфейсной связи Hilscher CIF 104Р-РВ стандарта РС/104, модуль стабилизированного питания СТБ-4100, модуль базовый коммуникационный МБК-4100, модуль базовый индикационный МБИ-4100. Процессорный модуль построен на базе одноплатного встраиваемого промышленного компьютера типа CSR-LX800, содержащего микропроцессор, оперативную память и flash-память, порты ввода-вывода, каналы RS-232/RS-485, каналы Ethernet. Он работает под управлением операционной системы реального времени Windows СЕ (версии 5.0 или выше) и фирменного программного обеспечения. В зависимости от вида и количества входящих в состав интерфейсных модулей блок 1 ББМ имеет несколько исполнений: ББМ-4100 обеспечивает информационный обмен со станциями 2 ввода-вывода по протоколу I2C-10M, ББМ-4101 обеспечивает информационный обмен со станциями ввода-вывода сторонних производителей по протоколу PROFIBUS, ББМ-4102 обеспечивает информационный обмен со станциями 2 ввода-вывода и станциями ввода-вывода сторонних производителей по протоколам I2C-10M и PROFIBUS соответственно. Для связи с локальной сетью верхнего уровня блок 1 ББМ имеет дублированный канал Ethernet. Также блок 1 ББМ имеет три независимых информационных шины стандарта RS-485, к каждой из которых могут быть подключены либо станции 2 ввода-вывода по протоколу I2C-10M, либо станции ввода-вывода сторонних производителей по протоколу PROFIBUS. Для связи по протоколу I2C-10M в состав блока 1 ББМ входит модуль интерфейсной связи МИС-4100, для связи по протоколу PROFIBUS - модуль CIF 104Р-РВ. К одному каналу интерфейса I2C-10M можно подключить до 12 собственных станций 2 ввода-вывода. Количество станций, подключаемых к одному каналу интерфейса PROFIBUS, определяется проектом, но не превышает нагрузочной способности шинных формирователей конкретного типа адаптера. Блок 1 ББМ изготавливается в корпусе Phoenix Contact серии СМ 35.125/175 с креплением на DIN-рейку. Крышка корпуса дорабатывается для установки соединительных разъемов, элементов индикации и управления. Габаритные размеры блока 1 ББМ (ширина×высота×глубина, мм.) - 172×122×155.
Модули 3 УСО контроллера обеспечивают ввод сигналов от датчиков объекта управления по каналам ввода и вывод управляющих сигналов на его исполнительные устройства по каналам вывода. Входные и выходные каналы модулей 3 УСО имеют индивидуальную (поканальную) или групповую гальваническую развязку. Каждый из модулей 3 УСО содержит микроконтроллер, что позволяет программно настраивать модули на вид и диапазон сигналов, а также выполнять предварительную и заключительную обработку информации. Обмен с модулями 3 УСО, входящими в станцию 2 ввода-вывода, осуществляется через модуль 4 интерфейсной связи МИС-4101. В состав станции 2 ввода-вывода может входить либо один модуль МИС-4101 (одиночный режим), либо два модуля МИС-4101 (дублированный режим). В состав модулей 3 УСО входит модуль интерфейсной связи МИС-4121, обеспечивающий информационный обмен с другими системами контроля и управления по протоколу ГОСТ Р МЭК 870-5-101 на основе физического интерфейса RS-232/RS-485. Для организации турбинного и защитного контроллера в состав модулей 3 УСО входит модуль контроля частоты турбины МКТ-4111. Модули 3 УСО изготавливаются в конструктиве корпусов Phoenix Contact серии ME и монтируются на DIN-рейку. В зависимости от типа модуля используются следующие конструктивные типоразмеры корпуса: шириной 17,5 мм с числом клемм 12 (двухрядное расположение); шириной 22,5 мм с числом клемм 16 (двухрядное расположение); шириной 22,5 мм с числом клемм 24 (трехрядное расположение). Высота корпуса для всех типоразмеров одинакова и равна 100 мм. В корпусе 17,5 мм всегда размещается одна плата, на которой смонтированы все элементы, корпус 22,5 мм может иметь как одну, так и две платы. Внешние цепи подключаются к модулям 3 УСО посредством съемных клеммных колодок, позволяющих заменить модуль без отключения полевого кабеля. Модули 3 УСО допускают их оперативную «горячую» замену без выключения питания контроллера. Номенклатура модулей 3 УСО в составе контроллера представлена в таблице.
Таблица
Тип канала
Тип Сигнала
Модуль ввода-вывода
Обозначение/(гальваническая развязка)
Количество групп
Количество каналов в руппе
Аналоговый ввод
Унифицированный токовый 4-20 мА, 0-20 мА, 0-5 мА
АЦП-4111 (групповая)
2
4
АЦП-4121 (индивидуальная)
1
8
Напряжение постоянного тока низкого уровня 0-50 мВ
АЦП-4122 (индивидуальная)
1
8
Термопары ТХА, ТХК
АЦП-4122 (индивидуальная)
1
8
Термопреобразователи сопротивления ТСП 100П, ТСП 50П, ТСМ 100М, ТСМ 50М, ТСМ-53 гр.23 ТСП-46 гр.21 при 3-х проводном подключении
АЦП-4123 (индивидуальная)
1
6
Термопреобразователи сопротивления ТСП 100П, ТСП 50П, ТСМ 100М, ТСМ 50М, ТСМ-53 гр.23 ТСП-46 гр.21 при 4-х проводном подключении
АЦП-4124 (индивидуальная)
1
6
Тип канала
Тип Сигнала
Модуль ввода-вывода
Обозначение/(гальваническая развязка)
Количество групп
Количество каналов в руппе
Дискретный ввод
Дискретный, «сухой контакт»
ДЦП-4101 (без развязки)
1
16
Дискретный с напряжением постоянного тока (24±6) B
ДЦП-4111 (групповая)
2
8
Дискретный с напряжением переменного или постоянного тока 220 В (+15/-20%)
ДЦП-4211 (групповая)
2
8
Дискретный ввод с внутренним архивом
Дискретный с напряжением постоянного тока (24±6) B
ДЦП-4112 (групповая)
2
4
Частотный ввод
Число оборотов турбины 0-8000 об/мин, (24±6) B
МКТ-4111 (индивидуальная)
1
1
Импульсный ввод
Импульсный сигнал (24±6)B
ИЦП-4111 (групповая)
2
8
Аналоговый вывод
Унифицированный токовый сигнал (4-20) мА, (0-20) мА, (0-5) мА
ЦАП-4111 (групповая)
1
4
Дискретный вывод
Дискретный сигнал постоянного тока типа «открытый коллектор» (24±6) В, Нагрузка 1-200 мА постоянного тока
ЦДП-4101 (без развязки)
1
16
Дискретный сигнал постоянного тока типа «открытый коллектор» (24±6) В, Нагрузка 1-700 мА постоянного тока
ЦДП-4111 (групповая)
1
16
Импульсный вывод
Импульсный сигнал постоянного тока типа «открытый коллектор» (24±6) В, Нагрузка 1-700 мА постоянного тока
ЦИП-4121 (индивидуальная)
1
8
Полезная модель функционирует следующим образом. Полезная модель выполнена как программно-аппаратное устройство. С помощью наборов физических цепей связи через клеммно-модульные соединители к каналам ввода и вывода модулей 3 УСО контроллера подключаются соответственно датчики и исполнительные механизмы объекта управления. Блок 1 ББМ в соответствии с загруженной технологической программой выполняет алгоритмическую обработку поступающей информации, формирует управляющие воздействия, передает результаты обработки другим контроллерам, расчетным станциям и серверам, записывает информацию в архив, передает информацию программным приложениям рабочих станций по их запросу или инициативно. Интерфейсные каналы используются для связи блока 1 ББМ со станциями 2 ввода-вывода, а также для связи с системной сетью, к которой подключены рабочие станции и сервера верхнего уровня. Станции 2 ввода-вывода по каналам ввода принимают сигналы от аналоговых, дискретных и частотных датчиков и преобразовывают их в цифровую форму, а также выполняют обратное преобразование с целью воздействия на исполнительные устройства по каналам вывода. Система питания преобразует напряжение первичной сети в постоянное напряжение 24 B для питания блока 1 ББМ, модулей 3 УСО, датчиков и нагрузок, а также обеспечивает защиту от перенапряжений первичной сети и коротких замыканий во вторичных цепях. Технологические программы, реализующие получение, обработку и выдачу сигналов контроллера, разрабатываются с использованием среды технологического программирования, входящего в состав фирменного программного обеспечения средств автоматизированного проектирования и инжиниринга программно-аппаратного комплекса.
Заявленный многоцелевой многоканальный контроллер обеспечивает высокую производительность и позволяет выполнять технологические задачи независимо в разных потоках с различным настраиваемым временем цикла от 5 мсек, обеспечивает многофункциональность за счет возможности подключения к одному контроллеру по трем независимым коммуникационным шинам с использованием протоколов I2C-10M/PROFIBUS до 12 станций ввода-вывода, поддерживающих до 15 проектно-компонуемых модулей ввода-вывода (УСО) различного типа с различным числом каналов, при этом в каждом модуле УСО имеется микроконтроллер, что позволяет программно настраивать модули на вид и диапазон сигналов, осуществлять контроль и выполнять предварительную и заключительную обработку информации, используется индивидуальная и групповая гальваническая развязка на 4/8/16 каналов, обеспечиваются широкие коммуникационные возможности для подключения контроллера к локальной сети Ethernet 100 МБит/сек, для обмена с другими системами контроля и управления по последовательному интерфейсу RS-232/RS-485 по протоколу ГОСТ Р МЭК 870-5-101, для подключения станций ввода-вывода и модулей УСО сторонних производителей, поддерживающих протокол PROFIBUS, а также контроллер обеспечивает высокую надежность за счет применения новых схемотехнических решений, уменьшающих энергопотребление и тепловыделение, за счет уменьшения числа каналов в каждом модуле, за счет наличия средств резервирования цепей питания, за счет возможности дублирования или троирования каналов ввода и вывода, за счет дублирования ОЗУ процессора с использованием Flash-памяти, а также обеспечивает удобство монтажа и обслуживания за счет свободной компоновки и установки на DIN-рейки.