ПРОГРАММИРУЕМЫЙ ЛОГИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЛЕР (ПЛК) ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ОТКАЗОУСТОЙЧИВЫХ ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ

Полезная модель (ПМ) относится к области вычислительной техники, в частности, к системам автоматизации управления технологическими процессами крупных промышленных объектов, и может быть использована при создании систем управления ответственными объектами с помощью ЭВМ.
Известно устройство для сбора и обработки данных (см. заявку РФ №2002104633, 2003 г.), содержащее управляющий вычислительный комплекс, входные цепи, мультиплексоры, блок предварительной обработки данных, ОЗУ, блок запроса и обработки данных, блок гальванической развязки, регистр адреса, датчик телесигнализации.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками ПМ, являются: блок предварительной обработки данных (в заявляемой ПМ - микроконтроллер), ОЗУ, регистр адреса (в заявляемой ПМ - блок временного хранения адреса и данных).
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются отсутствие линий резервирования каналов связи, ограниченность интерфейсов для ввода/вывода, низкая отказоустойчивость.
Известен многопроцессорный контроллер для управления сложным технологическим объектом (см. патент РФ №2263952), содержащий процессор, блок памяти, блок логического управления, интерфейс последовательной связи (RS 232С), интерфейс локальной сети верхнего
уровня (Ethernet), интерфейс последовательной системной шины, субмодуль ввода-вывода, внутреннюю шину, процессорный модуль, блок интерфейса измерения и управления объектом, блок формирования географического адреса, первую последовательную системную шину, вторую последовательную системную шину, многопроцессорный контроллер, объект управления, локальную сеть верхнего уровня.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками ПМ, являются: процессор, блок памяти, процессорный модуль - в заявляемой ПМ представлены как микроконтроллер, кроме того, субмодуль ввода/вывода - в заявляемой ПМ представлен как интерфейс для подключения модулей ввода/вывода.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, является ограничение интерфейсов для подключения датчиков ввода/вывода, а отказоустойчивость устройства повышается путем усложнения самого устройства.
Известен программируемый логический контроллер (см. патент РФ №2101757, 1998 г.), содержащий микропроцессор, локальную шину, двухпортовое статистическое ОЗУ, интерфейсы шин типа VME и ISA, ПЗУ, EEPROM, часы реального времени, контроллер клавиатуры, системный контроллер, универсальный программируемый сторожевой таймер, последовательные интерфейсы RS232, RS485, периферийную шину, интерфейс шины субмодулей, буферные усилители адреса и приемники/передатчики данных ОЗУ, приемники/передатчики адреса и приемники/передатчики данных интерфейса VME, буферные усилители адреса и приемники/передатчики данных интерфейса ISA, буферные усилители и приемники/передатчики данных периферийной шины.
Признаки аналога, совпадающие с существенными признаками заявляемой ПМ: микропроцессор, ПЗУ, EEPROM, системный контроллер, сторожевой таймер - в заявляемом БФУС представлены как микроконтроллер, кроме того, локальная шина (мультиплексированная шина
адрес/данные в заявляемой ПМ), интерфейс RS-485 (SSI интерфейс - в заявляемой ПМ).
Причинами, препятствующими достижению необходимого технического результата, являются:
- наличие в аналоге интерфейсов ISA, VME, не имеющих аппаратных средств защиты от сбоя и не обеспечивающих возможность удаленного расположения ЭВМ относительно пункта контроля, кроме того, аналог не имеет никаких дополнительных интерфейсов для подключения датчиков и устройств управления, использующих в качестве каналов промышленные интерфейсы типа СапOpen, DeviceNet, InterBus, ProfiBus, и т.д., которые в настоящее время получили широкое распространение;
- отсутствие возможности расширения количества вводов/выводов;
- отсутствие аппаратных модулей анализа состояния устройства и обнаружения отказов;
- отсутствие возможности эксплуатации устройства в аварийном режиме в случае сбоя.
Из известных устройств наиболее близким к заявляемой ПМ является блок формирования управляющих сигналов (см. заявку РФ №2006102082, 2006 г.), содержащий микроконтроллер, блок ОЗУ, блок временного хранения адреса и данных, блок анализа ошибок, блок приемника CLK RS-485, блок приемопередатчика RS-485, блок гальванической развязки RS-485 №1, блок гальванической развязки RS-485 №2, блок приемопередатчика CAN №1, блок приемопередатчика CAN №2, блок гальванической развязки CAN №1, блок гальванической развязки CAN №2, блок контроллера Ethernet №1, блок контроллера Ethernet №2, блок гальванической развязки Ethernet №1, блок гальванической развязки Ethernet №2, блок гальванической развязки сигналов БФУС, мильтиплексированая шина адрес/данные, шина адреса, интерфейс SSI, канал CAN №1, канал CAN №2, канал Ethernet №1, канал Ethernet №2, канал для подключения модулей ввода/вывода.
Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками ПМ, являются блоки: ОЗУ, сетевого контроллера Ethernet №1 и №2, адресации и анализа ошибок, одного интерфейса RS-485, каналов CAN №1 и №2, одного интерфейса SSI, микроконтроллера.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются:
- отсутствие дублирования каналов SSI и RS485;
- отсутствие интерфейсов для считывания электронных ключей;
- отсутствие возможности подключение и работы с Compact Flash;
- отсутствие встроенных часов реального времени;
- отсутствие востренного датчика температуры;
- отсутствие, возможности непосредственного подключения дискретных линий ввода/вывода.
Задачей, на решение которой направлена ПМ, является создание устройства с программно задаваемым алгоритмом обработки данных для использования его в составе автоматизированных систем управления и контроля в реальном времени, устойчивого к любому единичному отказу, с возможностью дублирования каналов связи, обеспечением «горячего» резервирования, а так же возможностью ведения протоколов работы с записью в энергонезависимую память и расширенными функциями самодиагностики.
Для этого в ПЛК включены следующие блоки (фиг.):
1. блок дискретных выходов;
2. блок питания внешних сигналов;
3. блок аналоговых входов;
4. блок дискретных входов;
5. блок аналоговых выходов;
6. блок приема и передачи данных;
7. блок индикации;
8. блок питания №2;
9. блок Compact Flash;
10. блок адресации и анализа ошибок;
11. блок ОЗУ;
12. блок сетевого контроллера Ethernet №1;
13. блок сетевого контроллера Ethernet №2;
14. блок интерфейса RS-485 №1;
15. блок интерфейса RS-485 №2;
16. блок микроконтроллера;
17. блок канала CAN №1;
18. блок канала CAN №2;
19. блок конфигурации и внешней ошибки;
20. блок электронного ключа (1-wire) №1;
21. блок электронного ключа (1-wire) №2;
22. блок часов реального времени;
23. блок анализа температуры;
24. блок питания №1;
25. мультиплексированная шина адрес/данные;
26. шина адреса;
27. шина управления;
28. канал для подключения дополнительных модулей;
Микроконтроллер осуществляет управление всеми функциональными узлами ПЛК, отвечает за загрузку изменяемой управляющей программы, анализ принятой и формирование передаваемой информации, организацию связи с другими устройствами через блоки соответствующих интерфейсов.
Блок адресации и анализа ошибок обеспечивает организацию связи микроконтроллера с другими функциональными узлами по шине адрес/данные, а так же вырабатывает управляющие сигналы для дополнительных модулей по шине управления. Кроме того, этот блок отвечает за аппаратную диагностику работоспособности микроконтроллера и состояния дополнительных модулей.
Блок Compact Flash предназначен для подключения карты памяти Compact Flash и организации обмена данными между Compact Flash и микроконтроллером через блок адресации и анализа ошибок.
Блоки каналов CAN предназначены для обеспечения поддержки интерфейсов CAN стандарта ISO 11898-2 (hight speed). Поддержка протоколов верхнего уровня обеспечивается микроконтроллером и может быть различной (CanOpen, DiviceNet и т.д.) в зависимости от программных средств. Блоки имеют гальваническую развязку внешних линий данных от внутренних цепей ПЛК.
Блоки интерфейса RS-485 предназначены для поддержки физического уровня сигналов стандарта EIA-485. При этом данные блоки позволяют выбирать полнодуплексный или полудуплексный режим работы. Полнодуплексный режим может использоваться для организации интерфейсов SSI или для работы по стандарту интерфейса RS-422 (EIA-422). К тому же блок интерфейса RS-485 №1 может работать в режиме интерфейса RS-232 (стандарт EIA/TIA-232E). Выбор режима работы блока №1 (RS-485 или RS-232) осуществляется микроконтроллером. Так же микроконтроллер отвечает за организацию протоколов верхнего уровня на RS-485 (ModBus RTU, ModBus ASCII, ProfiBus DP, IntrBus и т.д.). Блоки имеют гальваническую развязку внешних линий данных от внутренних цепей ПЛК.
Блоки интерфейсов Ethernet служат для организации каналов связи 100-Base-Tx (стандарт 802.3u). Эти блоки полностью поддерживают протокол обмена в соответствии со стандартом IEEE 802.3. За формирования поля данных и организацию протоколов верхнего уровня (TCP/IP, UDP, HTTP и т.д.) отвечает микроконтроллер. Блоки имеют гальваническую развязку внешних линий данных от внутренних цепей ПЛК.
Блоки электронного ключа предназначены для подключения считывателей электронного ключа по интерфейсу 1-wire (так же возможно подключение и других устройств, поддерживающих 1-wire). Блоки имеют гальваническую развязку внешних линий данных от внутренних цепей ПЛК.
Блок конфигурации и внешней ошибки представляет собой набор дискретных входов, которые служат для конфигурирования ПЛК на различные режимы работы, а так же эти входы могут использоваться как сигналы внешней неисправности и читаться непосредственно блоком адресации и анализа ошибок для идентификации внешней ошибки на аппаратном уровне без участия микроконтроллера.
Блок анализа температуры осуществляет измерение температуры в диапазоне от минус 55 до плюс 125°С.
Блок часов реального времени предназначен для подсчета года, месяца, даты, дня недели, часов, минут и секунд. Этот блок имеет место для установки батареи, что позволяет ему работать даже при отсутствии питающего напряжения.
Блок приема и передачи данных предназначен для связи микроконтроллера через блок адресации и анализа ошибок с блоками аналоговых и дискретных входов/выходов, а так же блоком индикации.
Блок дискретных выходов обеспечивает коммутацию напряжения с блока питания выходов на необходимую дискретную линию. Выбор, какую линию коммутировать, а так же выбор коммутации на +U или -U осуществляется микроконтроллером. Так же блоки дискретных выходов обеспечивают аппаратную диагностику выходов от короткого замыкания, замыкания на +U или +U, обрыв нагрузки, защиту от статического напряжения, тепловую защиту и выдачу информации о своем состоянии на блок адресации и анализа ошибок, а так же на микроконтроллер. Блоки имеют гальваническую развязку внешних выходных линий от внутренних цепей ПЛК.
Блок дискретных входов обеспечивает чтение дискретных линий, и передачу их состояния микроконтроллеру, а так же обеспечивает гальваническую развязку входных линий от внутренних цепей ПЛК.
Блок аналоговых входов обеспечивает чтение аналогового сигнала 4-20 мА и имеет гальваническую развязку от внутренних цепей ПЛК.
Блок аналоговых выходов обеспечивает выдачу сигнала 4-20 мА. Уровень выходного тока задается микроконтроллером. Имеет гальваническую развязку от внутренних цепей ПЛК.
Блок индикации предназначен для организации человеко-машинного интерфейса и выдачи информации о состоянии ПЛК, состоянии датчиков или другой информации, в зависимости от выполняемой программы.
Работа устройства начинается с подачи питающего напряжения на все функциональные узлы ПЛК через блоки питания (24, 8). Далее инициализируется микроконтроллер (16). Затем микроконтроллер через блок 10 и шину 25 производит диагностику основных функциональных узлов 6, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 20, 21, 22, 23, определяет наличие дополнительных модулей на шине 28, выполняет проверку состояния входов/выходов 1, 4, 3, 5, с помощью блока 23 измеряет температуру внутри корпуса (температура должна находится в диапазоне от минус 40 до плюс 85°С). Если микроконтроллер 16 не обнаруживает неисправности, тогда он определяет, установлена или нет карта памяти Compact Flash в блоке 9. Затем микроконтроллер 16 ищет программу для выполнения на карте Compact Flash и во внутренней памяти. Если во внутренней памяти микроконтроллера 16 нет программы, то он загружает туда программу с карты Compact Flash, если же во внутренней памяти программа есть, то микроконтроллер 16 сначала сравнивает с программой на Compact Flash и, если они разные, загружает новую программу во внутреннюю память. После этого микроконтроллер 16 начинает выполнение загруженной программы из внутренней памяти. ПЛК ориентирован на работу в различных системах управления процессами, поэтому используемые интерфейсы связи, алгоритмы управления, управляющие воздействия и команды определяются программой, загружаемой с Compact Flash. Данная программа разрабатывается для управления различными технологическими процессами отдельно.