ПРОМЫШЛЕННЫЙ КОНТРОЛЛЕР

Полезная модель относится к устройствам программного управления и предназначена для работы в автоматизированных системах управления технологическими процессами для контроля, автоматического управления и технологической защиты оборудования на объектах с широкой номенклатурой датчиков и исполнительных устройств в тепловой и атомной энергетике, в металлургической, химической и других отраслях промышленности, в частности может применяться для автоматизации тепловых электростанций и использоваться в контурах регулирования частоты и мощности в энергосистемах, контурах противоразгонной защиты турбин.
Известен контроллер TREI-5B-04 фирмы TREI, («Устройство программного управления TREI-5B-04», Руководство по эксплуатации. TREI.421457.401 РЭ, АО «ТРЭИ», 2017). Контроллер включает в себя процессорный мастер-модуль и набор модулей для ввода-вывода сигналов различного вида (дискретных, аналоговых, импульсных). Модули объединяются дублированной магистралью ST-BUSM с использованием интерфейса RS-485.
Недостатком данного контроллера является то, что он не содержит средств противоразгонной защиты турбины и средств тестирования каналов защиты турбины.
Наиболее близким аналогом к заявляемой полезной модели является многоцелевой контроллер РЕМИКОНТ Р-400 (Патент РФ №115939, МПК G06F 9/00, опубл. 10.05.2012 г.), содержащий блок базовых модулей, станции ввода-вывода, проектно-компонуемые модули ввода-вывода различного типа, модули интерфейсной связи. Блок базовых модулей содержит процессорный модуль Lippert CSR-LX800 стандарта РС/104, сетевой модуль Advantech РСМ-3665 стандарта РС/104, модули интерфейсной связи, модуль стабилизированного питания, коммуникационный модуль, индикационный модуль. Блок базовых модулей имеет три независимые коммуникационные шины с поддержкой протоколов I2C-10M/PROFIBUS и позволяет подключать к каждой из них до 12 станций ввода-вывода, каждая из которых содержит до 15 модулей ввода-вывода различного типа, позволяет подключать модуль интерфейсной связи стандарта RS-232/RS-485 для обмена с другими системами контроля и управления, в том числе позволяет подключать станции ввода-вывода и модули сторонних производителей, поддерживающих протокол PROFIBUS. При этом, для организации турбинного и защитного контроллера в состав проектно-компонуемых модулей ввода-вывода входит модуль контроля частоты турбины МКТ-4111.
Недостатком известной полезной модели является отсутствие возможности и высоконадежного средства обеспечения противоразгонной защиты турбины с каналами измерения частоты вращения турбины, отсутствие возможности автоматического тестирования каждого из каналов защиты турбины без ее останова.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является расширение функциональных возможностей промышленного контроллера.
Технический результат достигается за счет включения в состав промышленного контроллера, содержащего блок процессора с, по меньшей мере, одним модулем процессора, по меньшей мере, один блок устройств связи с объектом (УСО) с модулями УСО различного типа, включая модули аналогового ввода-вывода, модули дискретного ввода-вывода, модули импульсного вывода, и тремя модулями контроля оборотов турбины, контроллерную шину, информационно связывающую блок процессора с блоками УСО, полевые адаптеры для подключения полевого кабеля, высоконадежного электронного автомата безопасности защиты турбины с троированными по схеме «два из трех» измерительными каналами частоты вращения турбины и возможностью тестирования срабатывания защиты по отдельным каналам без останова турбины.
Сущность полезной модели иллюстрируется следующими чертежами:
Фиг. 1 - функциональная схема промышленного контроллера, Фиг. 2 -функциональная схема электронного автомата безопасности турбины.
На чертежах введены следующие обозначения:
1 - блок процессора,
2 - блок устройств связи с объектом (блок УСО),
3 - контроллерная шина,
4 - полевые адаптеры,
5 - электронный автомат безопасности (ЭАБ),
6 - модуль процессора,
7 - модуль стабилизации,
8 - модуль мастера контроллерной шины,
9 - модуль стабилизации и дублирования,
10 - контроллерные коммутаторы,
11 - порты Ethernet,
12 - Ethernet-канал,
13 - модуль слейва контроллерной шины,
14-модуль УСО,
15 - клеммная колодка полевых адаптеров,
16 - разъем полевого адаптера,
17 - кроссовый кабель,
18 - электронные компоненты полевых адаптеров,
19 - модуль контроля оборотов турбины (модуль МКО),
20 - модуль дискретного ввода (модуль ДЦП),
21 - модуль дискретного вывода (модуль ЦДП),
22 - блок защиты турбины (БЗТ),
23 - клеммная колодка БЗТ,
24 - узел «два из трех»,
25 - выходные реле,
26 - контакты выходных реле, формирующие результирующую команду,
27 - контакты выходных реле, формирующие контрольные сигналы срабатывания защиты,
28 - оптроны,
29 - конвертеры,
30 - индикаторы срабатывания локальных защит,
31- индикаторы срабатывания выходных реле,
32 - индикаторы обрыва линии связи по каналу защиты,
33 - индикаторы питания,
34, 35 - блоки питания.
Промышленный контроллер (Фиг. 1) имеет блочно-модульную конструкцию и состоит из блока 1 процессора в виде каркаса, выполненного в соответствии со стандартом «Евромеханика» высотой 3U, одного или нескольких блоков 2 устройств связи с объектом (УСО), также выполненных в виде каркаса в соответствии со стандартом «Евромеханика» высотой 3U и связанных с блоком 1 процессора посредством контроллерной шины 3, работающей по стандарту RS-485 с использованием протоколов ИНЭЛ/Modbus/Profibus, полевых адаптеров 4, монтируемых на DIN-рейку, и электронного автомата безопасности (ЭАБ) 5 турбины. В каркасы устанавливаются модули, объединенные печатной кросс-платой. На лицевых панелях модулей размещаются разъемы и индикаторы.
Блок 1 процессора включает в себя модуль 6 процессора, модуль 7 стабилизации и от одного до трех модулей 8 мастера контроллерной шины. В дублированном варианте блока 1 процессора в каркас блока 1 процессора устанавливаются два модуля 6 процессора, два, четыре или шесть модулей 8 мастера контроллерной шины, один модуль 7 стабилизации и один модуль 9 стабилизации и дублирования. Дублированный блок 1 процессора связан с системной шиной Ethernet посредством контроллерных коммутаторов 10, которые подключены к портам 11 Ethernet соответствующих модулей 6 процессора и связаны между собой Ethernet-каналом 12.
От одного до нескольких блоков 2 УСО, связанных с блоком 1 процессора посредством контроллерной шины 3 стандарта RS-485, включают в себя модуль 13 слейва контроллерной шины и модули 14 УСО различного типа (модули аналогового ввода-вывода (АЦП, ЦАП), модули дискретного ввода-вывода (ДЦП, ЦДП), модули импульсного вывода (ЦИП). При дублировании блока процессора модуль 13 слейва контроллерной шины, как и сама контроллерная шина 3, также дублируется.
Полевые адаптеры 4 используются для подключения полевого кабеля. Они имеют клеммную колодку 15, к которой подключается полевой кабель, и разъем 16 для связи с модулями 14 УСО посредством кроссового кабеля 17. Полевые адаптеры 4 также содержат электронные элементы 18, согласующие сигналы полевого уровня с сигналами, используемыми в промышленном контроллере.
ЭАБ 5 (Фиг. 2) состоит из трех модулей 19 контроля оборотов турбины (МКО), контролирующих число оборотов турбины и имеющих встроенные тестовый генератор, переключатель и тестовый дискретный вход, модуля 20 дискретного ввода (ДЦП) для контроля состояния ЭАБ 5, модуля 21 дискретного вывода (ЦДП) для перевода модулей 19 МКО в тестовый режим и блока 22 защиты турбины (БЗТ). БЗТ 22 монтируется на DIN-рейке и содержит клеммную колодку 23 для подключения датчиков числа оборотов турбины, источников питания 24 В и электромагнитных выключателей защиты турбины, узел 24 «два из трех», выделяющий из трех локальных команд защит, поступающих от модулей 19 МКО, результирующий сигнал, причем три входа узла 24 «два из трех» подключены к трем выходам модулей 19 МКО и трем каналам модуля 20 ДЦП, а выходы к двум независимым выходным реле 25 БЗТ 22 с парой контактов 26, формирующих результирующие команды защиты турбины по линии 1 и линии 2, и парой контактов 27, формирующих контрольные сигналы срабатывания защиты, а также содержит оптроны 28, контролирующие целостность цепей связи ЭАБ 5 с электромагнитными выключателями, причем диодная часть оптронов 28 подключена к двум контактам 26 выходных реле 25, а транзисторная часть - к отдельным дискретным каналам модуля 20 ДЦП, конвертеры 29, формирующие гальванически развязанные источники для питания датчиков числа оборотов турбины. БЗТ 22 имеет три светодиодных индикатора 30, сигнализирующие о срабатывании каждого из трех локальных каналов защиты, два индикатора 31, сигнализирующие о выдаче каждой из двух результирующих команд защиты, два индикатора 32, сигнализирующие об обрыве линии 1 и линии 2 связи по каждому из двух результирующих каналов защиты, и три индикатора 33 контроля напряжения питания.
В рамках одного контроллера ЭАБ 5 может дублироваться. В этом случае число элементов, входящих в ЭАБ 5, удваивается.
Модули 19, 20, 21 могут располагаться в одном или разных блоках 2 УСО.
Контроллер питается от блоков питания 34, 35, подключенных к двум сетям первичного напряжения: основной 220 В переменного тока и резервной 220 В постоянного тока. Цепи вторичного напряжения 24 В подключены к модулю 7 стабилизации блока 1 процессора и модулям 13 слейва контроллерной шины 3 блока 2 УСО. В каждом из них цепи основного и резервного питания объединяются через диодную развязку.
Все устанавливаемые в блок 2 УСО модули размещаются на одной печатной плате 100×160 мм и имеют ширину лицевой панели 20 мм, на которой размещаются индикаторы и разъем для подключения полевых адаптеров 4. Компоненты полевых адаптеров 4 также размещаются на одной печатной плате высотой 108 мм и шириной, зависящей от типа полевого адаптера 4.
Модуль АЦП в комплекте с полевым адаптером 4 имеет 8 гальванически развязанных каналов. Имеются две модификации модуля -один для приема сигналов высокого уровня 4-20, 0-20, 0-5 мА и 0-10 В, другой - для приема сигналов низкого уровня от термопар и термосопротивлений, включенных как по 3-х, так и по 4-х проводной схеме.
Модуль ЦАП в комплекте с полевым адаптером 4 имеет 4 гальванически развязанных канала 4-20, 0-20, 0-5 мА.
Модуль ДЦП в комплекте с полевыми адаптерами 4 имеет 16 каналов с групповой (по 8 каналов) гальванической развязкой и рассчитан на прием сигналов 24 В или 220 В постоянного тока любой полярности, 24 или 220 В переменного тока, а также на работу с контролем или без контроля линии связи. В тех случаях, когда необходима индивидуальная гальваническая развязка каналов, используется специальный полевой адаптер.
Модуль ЦДП в комплекте с полевым адаптером 4 имеет 16 гальванически развязанных каналов в виде «сухого» контакта на напряжение 220 В/5 А.
Модуль ЦИП в комплекте с полевым адаптером 4 имеет 8 гальванически развязанных каналов типа «больше-меньше» в виде транзистора с открытым коллектором.
Все каналы ввода-вывода гальванически отделены от электронной схемы обработки сигналов и от источников питающих напряжений.
Промышленный контроллер функционирует следующим образом.
Сигналы от технологических датчиков подводятся к клеммным колодкам 15 полевых адаптеров 4. В них они нормируются с помощью электронных компонентов 18 и через разъем 16 и кроссовые кабели 17 поступают на вход модулей приема сигналов - модулей АЦП и ДЦП. Входные модули 14 УСО преобразуют аналоговые и дискретные сигналы от датчиков в цифровую форму. Цифровые сигналы через кросс-плату блока 2 УСО поступают на модули 13 слейва контроллерной шины и затем через контроллерную шину 3 и модуль 8 мастера этой шины поступают в модуль 6 процессора для алгоритмической обработки.
Обработанные сигналы через те же средства (3, 8, 13), выходные модули 14 УСО и связанные с ними полевые адаптеры 4 через клеммные колодки 15 поступают на исполнительные устройства.
Фирменное программное обеспечение, загруженное в модуль 6 процессора, реализует технологические алгоритмы работы контроллера, такие как ПИД-закон регулирования, контроль сигналов от датчиков, управление задвижками, аналоговыми и дискретными клапанами, электромагнитными выключателями, алгоритмы технологических блокировок и защит, алгоритмы логического шагового управления.
При этом ЭАБ 5 промышленного контроллера работает следующим образом.
Сигналы от трех датчиков числа оборотов турбины через клеммную колодку 23 поступают на соответствующие три модуля 19 МКО, преобразуются в цифровую форму и с помощью микроконтроллера, входящего в состав модулей 19 МКО, сравниваются с двумя уставками -основной и предупредительной. Когда число оборотов турбины превышает порог основной уставки, модулями 19 МКО формируется дискретная команда локальной защиты. Три таких команды поступают на узел 24 «два из трех». Если сработала только одна локальная защита, сигнал на выходе узла 24 «два из трех» отсутствует, если сработали две или три локальные защиты, на выходе узла 24 «два из трех» формируется итоговый сигнал защиты, поступающий на два независимых выходных реле 25 с двумя парами контактов 26, 27, одна из которых (26) формирует две параллельные команды защиты турбины по линии 1 и линии 2, а другая (27) - два контрольных сигнала срабатывания защиты. Два независимых оптрона 28, диодная часть которых подключена к двум контактам 26 выходных реле 25, а транзисторная часть - к отдельным дискретным каналам модуля 20 ДЦП, контролируют целостность линии 1 и линии 2 связи ЭАБ 5 с электромагнитными выключателями защиты. Все контрольные сигналы - от локальных защит, от контактов 26, 27 выходных реле 25 и от оптронов 28 поступают на соответствующие каналы модуля 20 ДЦП и через него передаются в блок 1 процессора.
С помощью дискретных команд, поступающих из блока 1 процессора через модуль 21 ЦДП, каждый из модулей 19 МКО, тестовый дискретный вход которых подключен к дискретному выходу модуля 21 ЦДП, может быть переведен в тестовый режим. Когда на модуль 19 МКО поступает такая команда, входные цепи контроля оборотов модуля 19 МКО с помощью переключателя, входящего в состав модуля 19 МКО, отключаются от датчика числа оборотов турбины и подключаются к встроенному тестовому генератору, частота которого плавно увеличивается. Когда эта частота превысит основной порог срабатывания защиты, формируется одна локальная команда защиты, при этом результирующая команда на останов турбины не выдается, но факт срабатывания локальной защиты программно фиксируется диагностическими средствами и аппаратно - с помощью индикаторов 30. Индикаторы 31 также аппаратно фиксируют факт срабатывания выходного реле 25 защиты, а индикаторы 32 - факт обрыва линии 1 и линии 2 связи ЭАБ 5 с электромагнитными выключателями защиты турбины.
ЭАБ 5 питается от одного до трех резервированных источников питания, подключенных к клеммной колодке 23. Три конвертера 29 формируют три гальванически развязанных источника для питания трех датчиков числа оборотов турбины. Для контроля напряжений питания используются индикаторы 33 питания.
В дублированном варианте промышленный контроллер имеет два модуля 6 процессора, формирующие информацию о внутренних ошибках. Данная информация по кросс-плате блока 1 процессора поступает в модуль 9 стабилизации и дублирования, который на основании полученной информации определяет роль каждого из двух модулей 6 процессора: один определяет как основной, другой - как резервный.
Резервирование сети Ethernet осуществляется за счет одновременного подключения контроллерных коммутаторов 10 к блоку 1 процессора, опорной сети Ethernet и их соединения посредством Ethernet-канала 12. При отказе одной из сетей сигналы от модулей 6 процессора продолжают передаваться по оставшейся сети через Ethernet-канал 12.
Резервирование питания контроллера осуществляется следующим образом: блоки 34, 35 питания настраиваются таким образом, что вторичное напряжение номиналом 24 В на выходе основного блока 34 на 0,3-0,8 В больше, чем вторичное напряжение на выходе резервного блока 35. В цепях питания блока 1 процессора и блока 2 УСО установлены диодные развязки, за счет чего при исправных обеих цепях питания или отказе резервного питания ток потребляется только от основной сети 220 В. Если отказывает основная питающая сеть, питание автоматически переключается на резервную сеть.
В уровне техники не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявляемой полезной модели. Заявляемая полезная модель технически осуществима, промышленно реализуема на приборостроительном предприятии, а проведенные испытания подтверждают достижение заявленного технического результата, поэтому она соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».