Устройство для контроля на обрыв и короткое замыкание цепи с переключательным контактом с диодами
DEVICE FOR CONTROL FOR BREAKAGE AND SHORT CIRCUIT OF CIRCUIT WITH SWITCHING CONTACT WITH DIODES

Изобретение относится к горной электротехнике, в частности к устройствам, осуществляющим контроль линии, содержащей  переключательные контакты с диодами, и может быть использовано для контроля нормального состояния, обнаружения обрыва и короткого замыкания в цепях датчиков положения подвижных механизмов горного оборудования.
В изобретении [1] рассмотрено устройство для контроля обрыва и короткого замыкания в цепи с электромагнитной нагрузкой. Недостатком устройства является невозможность раздельного определения дефектов обрыва и короткого замыкания.
В изобретении  [2]  рассмотрен способ контроля удаленных датчиков и устройство для его осуществления. Устройство для контроля удаленных датчиков содержит двухпроводную линию связи, на одном конце которой подключены последовательно выпрямительный диод и контакт датчика, на другом – соединенный с проводами линии связи источник переменного напряжения, блок контроля и формирования команд, формирователь длительности импульсов, элемент гальванической развязки, элемент индикации, элемент сопряжения и исполнительный элемент, выход которого является выходом устройства и объединен с одним выводом элемента индикации, второй вывод которого и вход исполнительного элемента подключены через элемент сопряжения с выходом блока контроля и формирования команд, вход которого соединен через элемент гальванической развязки с соответствующими выводами формирователя длительности импульсов, вход которого и вход элемента гальванической развязки подключены к соответствующим проводам линии связи. Недостатком метода является невозможность обнаружения обрыва линии связи до датчика, т.к. диагностический признак обрыва линии совпадает с диагностическим признаком размыкания контактов датчика.
В изобретении [3] рассмотрено устройство для передачи по двухпроводной линии сигналов о состоянии контролируемых объектов при условии выполнения контактных датчиков в виде герконов путем обеспечения его комплексной диагностики. Недостатком устройства является то, что для контроля состояния геркона и линии связи необходимо переключение трехпозиционного переключателя в соответствующее положение с привлечением обслуживающего персонала. Это не позволяет применять устройство для  автоматического контроля состояния линии и датчика.
Наиболее близким по технической сущности способом контроля состояния датчиков и линии связи является способ, реализованный в модулях ввода дискретной информации типа ZM51-DE88 (изготовитель FHF Funke+Huster Fernsig GmbH). Они работают с датчиками, имеющими  переключательные контакты с двумя диодоми [4], и имеющими встроенную функцию контроля  цепей ввода на наличие  короткого замыкания или разрыва. Цепи ввода контролируются по способу полуволны переменного тока. Недостатком  устройств является  невозможность раздельного обнаружения короткого замыкания или разрыва цепей ввода, т.к. последние опознаются и передаются как сборное сообщение об ошибке «неисправность кабеля».
Задачей предлагаемого технического решения является повышение достоверности обнаружения состояний нормальной работы, обрыва и короткого замыкания в  цепи  с переключательным контактом с двумя диодами для применения в системах автоматизации технологических процессов горных предприятий. Технический результат заключается в упрощении конструкции при обеспечении высокой надежности  и   расширении функциональных возможностей.
Поставленная задача достигается тем, что разработано  и изготовлено устройство контроля проводной линии, содержащей переключательные контакты с двумя диодами, позволяющее  эффективно обнаруживать  четыре состояния: «КЗ в линии», «Обрыв линии», «Нормальная работа. Датчик ВКЛ», «Нормальная работа. Датчик ВЫКЛ» по сигналам, формируемым на входе микроконтроллера. Согласно изобретению, выход генератора, формирующего импульсное напряжение чередующейся полярности, через схему искрозащиты на стабилитронах подключается к входу  контролируемой линии, содержащей безпотенциальный переключательный контакт с двойным диодом, выход линии через схему искрозащиты подключается к первому выводу разделительного резистора, второй вывод которого подключен к аноду первого диода и катоду второго диода, катод первого диода подключен к входу неинвертирующего усилителя, выход которого подключен к  первой интегрирующей RC-цепи с параллельно включенным защитным стабилитроном, формирующей первое диагностическое напряжение; анод второго диода подключен к входу инвертирующего усилителя, выход которого подключен ко  второй интегрирующей RC-цепи с параллельно включенным защитным стабилитроном, формирующей второе диагностическое напряжение; по уровням первого и второго диагностических напряжений  определяются состояния датчика и линии.
Структурная схема устройства приведена на фиг.1.
Устройство состоит из DC-DC-преобразователя 1, преобразующего однополярное внешнее напряжение питания в двухполярное,  генератора  2, формирующего импульсы чередующейся полярности прямоугольной формы, схем искрозащиты на стабилитронах 3 и 6, разделительного резистора 7, диодов 8 и 9, неинвертирующего усилителя 10, инвертирующего усилителя 11,  резистора 12  и  конденсатора  14  первого интегратора, стабилитрона 13 ограничения напряжения на входе PB0 микроконтроллера 19, резистора 15  и  конденсатора  17 второго интегратора, стабилитрона 16 ограничения напряжения на входе PB1 микроконтроллера 19, стабилизатора 18 напряжения питания микроконтроллера 19. На выходах РВ2-РВ5 микроконтроллера по программе, записанной в энергонезависимую FLASH память, формируются сигналы: «КЗ в линии», «Обрыв линии», «Нормальная работа», «Состояние датчика».
На фиг.2 приведены  осциллограммы напряжений для  случаев: «Нормальная работа. Датчик ВКЛ»,  «Нормальная работа. Датчик ВЫКЛ»,  «КЗ в линии, «Обрыв  линии».
Напряжения измерены в точках 1 – 4  структурной схемы.
Рассмотрим работу схемы в режиме «Нормальная работа». На выходе генератора 2 формируется напряжение прямоугольной формы чередующейся полярности, которое через схему искрозащиты 3 подается  в цепь –  линию 4  и датчик 5. В зависимости от состояния датчика на схему искрозащиты 6 и далее будут  подаваться импульсы напряжения  либо положительной (контакт датчика в положении ВКЛ), либо отрицательной (контакт датчика в положении ВЫКЛ) полярности. Допустим, что датчик 5 находится в состоянии ВКЛ. В этом случае через диод  датчика, включенный в прямом направлении, формируются импульсы положительной полярности, которые через диод 8 поступают на вход неинвертирующего усилителя 10, усиливаются  и  интегрируются RC-цепью 12 и 14. При  этом на входе PB0 микроконтроллера 19 формируется напряжение уровня лог.1. На входе PB1 при этом напряжение уровня лог.0, т.к. диод 9 не позволяет импульсам положительной полярности поступать на вход усилителя 11. В случае, если датчик перейдет в состояние ВЫКЛ, через диод датчика, включенный в обратном направлении, формируются импульсы отрицательной полярности. которые через диод 9 поступают на вход  инвертирующего усилителя 11, усиливаются с инверсией и интегрируются RC-цепью 15 и 17. При этом на входе РВ1 микроконтроллера 19 формируется напряжение уровня лог.1. На входе РВ0 при этом напряжение уровня лог.0, т.к. диод 8 не позволяет импульсам отрицательной полярности поступать на вход усилителя 10.
Рассмотрим работу схемы в режиме «КЗ в линии». Датчик  шунтирован и его диоды не могут оказать влияние на  сигнал  с генератора. В этом случае на схему искрозащиты 6  и  резистор  7  поступает  импульсное напряжение чередующейся полярности. Положительная полуволна импульсного напряжения поступает через диод 8  на вход неинвертирующего усилителя 10, усиливается  и  интегрируется RC-цепью 12 и 14. При  этом на входе PB0 микроконтроллера 19 формируется напряжение уровня лог.1. Отрицательная полуволна импульсного напряжения через диод 9 поступает на вход  инвертирующего усилителя 11, усиливается с инверсией и интегрируется RC-цепью 15 и 17. При этом на входе РВ1 микроконтроллера 19  также формируется напряжение уровня лог.1.
Рассмотрим работу схемы в режиме «Обрыв линии». В этом случае импульсное напряжение на диоды 8 и 9 не поступает. На  входах РВ0 и РВ1  микроконтроллера формируются сигналы напряжения уровня лог.0.
Зависимость выходных сигналов микроконтроллера РВ2 – РВ5, указывающих на состояние  линии, содержащей переключательные контакты с двумя диодами, от состояний входных сигналов РВ0 и РВ1  приведены в табл.1.
Таблица 1
Входы
Выходы
РВ0
РВ1
РВ2
РВ3
РВ4
РВ5
0
0
0
1Обрыв линии
0
0
1
0
0
0
1Нормальная работа
1Датчик вкл.
0
1
0
0
1Нормальная работа
0Датчик выкл.
1
1
1КЗ в линии
0
0
0
Практическая реализация полезной модели выполнена с применением  в качестве DC-DC-преобразователя FDD03-12D4 (CHINFA Electronics Ind. Co.), генератор реализован по схеме симметричного мультивибратора на операционном усилителе OPA134UA с транзисторным выходным каскадом, схемы искрозащиты реализованы на стабилитронах 1N5240B, диоды применены типа 1N4148, инвертирующий и неинвертирующий усилители реализованы на операционных усилителях типа OP07, стабилитроны защиты типа 1N5130B от превышения напряжения на входе микроконтроллера, микроконтроллер  типа ATtiny2313.
Испытания полезной модели производились  на участке скипового подъема рудника «Комсомольский» (ПАО «ЗФ «ГМК «Норильский никель»)  в качестве устройства контроля  состояния  кабельной линии и датчика типа iKX177L114E (производитель Tiefenbach GmbH) порыва ленты конвейера №4 конвейерного тракта руды на поверхности  и  кабельной линии (ориентировочная длина 100 м). Получены положительные результаты.
ИСТОЧНИКИ  ИНФОРМАЦИИ
51
1. Устройство для контроля обрыва и короткого замыкания в цепи с электромагнитной нагрузкой: пат. 1241164  СССР : МПК  G 01 R 31/02 /                         Ю.Я. Лубанов, С.Б. Пескин; – №  3787212/24-21; заявл. 06.09.1984; опубл. 30.06.1986, Бюл.№ 24
51
2. Способ контроля удаленных датчиков и устройство для его осуществления: пат. 2012062  Рос. Федерация : МПК  G 08 C 19/16 /                         А.В. Мезников, Н.И. Стадник, Л.А. Стрекалова ; заявитель и патентообладатель Донецкий государственный проектно-конструкторский и экспериментальный институт комплексной механизации шахт. – №  4885427/24; заявл. 08.08.1990 опубл. 30.04.1994.
51
3. Устройство для передачи электрических сигналов по двухпроводной линии связи: пат. 1224811 СССР: МПК G 08 C 19/16 / Ю.И. Тютюник, В.М. Чулин, М.Н. Абросимов, В.С. Лутай, А.В. Изотов, В.Ф. Швецов; заявитель и патентообладатель Специальное конструкторское бюро по механизации и автоматизации технологических операций при транспорте и хранении нефтепродуктов «Транснефтеавтоматика». – №3803816/24-24; заявл. 15.10.84 опубл. 15.04.86, бюл.№ 14.
4. Система передачи данных и автоматизации процессов ZM51. FUNKE+HUSTER_FERNSIG: – Санкт-Петербург, 2003. – 225 с.
http://mti-spb.com/lib/ZM51new_ru.pdf