МНОГОЦЕЛЕВОЙ ПОЛЕВОЙ КОНТРОЛЛЕР

МНОГОЦЕЛЕВОЙ ПОЛЕВОЙ КОНТРОЛЛЕР
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.
Из "Уровня техники" известен многоцелевой многоканальный контроллер, содержащий блок базовых модулей с цифровой индикацией и кнопками настройки на лицевой панели, проектно-компонуемые модули ввода-вывода для связи с датчиками и исполнительными устройствами, модули блоков питания, коммуникационную панель с информационной шиной. Блок базовых модулей содержит центральный процессор на базе микро-ЭВМ Vortex 86-6049LV-L2S6 с частотой системной шины 166 МГц, сторож цикла, постоянную память (ПЗУ) увеличенного объема, оперативную память (ОЗУ) и энергонезависимую Flash-память. При этом блок базовых модулей, проектно-компонуемые модули ввода и вывода, модули блоков питания объединены в блочный каркас с посадочными местами и пассивной коммуникационной панелью с информационной шиной, поддерживающей протокол I2C и позволяющую подключать к одному контроллеру до 16 модулей ввода-вывода различного типа - с 8 или 16 каналами для аналоговых токовых датчиков, термопар, термометров сопротивления или аналоговых нагрузок, с 16/32/48/64 каналами для дискретных датчиков или дискретных нагрузок напряжением 24 В/220 В, с 3 каналами для импульсных датчиков, имеющих возможность дублирования или троирования каналов аналогового и дискретного ввода, индивидуальную гальваническую развязку аналоговых каналов и дискретных каналов напряжением 220 В, фильтры низких частот на аналоговых и дискретных входах. При этом контроллер содержит дублированный адаптер Ethernet 10BASE-T 100 МБит/с для подключения контроллера к локальной сети, а также каналы последовательных интерфейсов RS-232/RS-485 для обмена с другими системами контроля и управления (см. патент РФ №115092, кл. МПК G06F 9/00, опубл. 20.04.2012). Недостатком известного устройства является отсутствие возможности резервирования отдельных конструктивных элементов устройства независимо друг от друга, в частности, центрального процессора, модулей УСО и кросс-средств.
2
Технический результат заключается в обеспечении надежности работы устройства, обусловленной возможностью резервирования. Технический результат обеспечивается тем, что многоцелевой полевой контроллер содержит блок базовых модулей, включающий центральный процессор и связанный с ним модуль управления и сигнализации, устройства сопряжения, кросс-средства, проектно-компонуемые модули ввода-вывода для связи с датчиками и исполнительными устройствами, модули блоков питания, коммуникационную панель с информационной шиной, поддерживающей протокол IC и передающей сигнал от датчиков и исполнительных механизмов в контроллер через устройства сопряжения, при этом блок базовых модулей содержит центральный процессор на базе микро-ЭВМ, постоянную память увеличенного объема, оперативную память и энергонезависимую Flash-память. Кроме того, контроллер выполнен с каналами для импульсных датчиков, имеющих возможность дублирования или троирования каналов аналогового и дискретного ввода, индивидуальную гальваническую развязку аналоговых каналов и дискретных каналов, фильтры низких частот на аналоговых и дискретных входах. При этом контроллер содержит дублированный адаптер Ethernet 10BASE-T 10/100 МБит/с для подключения контроллера к локальной сети, а также каналы последовательных интерфейсов RS-232/RS-485 для обмена с другими системами контроля и управления. Контроллер выполнен с возможностью избирательного резервирования, с сохранностью пользовательских программ и системного программного обеспечения и с совпадением их с базами данных блоков базовых модулей, модулей блока питания, модулей устройств сопряжения и кросс-средства, при этом в контроллере обеспечивается возможность резервировать конструктивных элементов по отдельности и независимо друг от друга.
В соответствии с частными случаями выполнения устройство имеет следующие особенности.
Блок базовых модулей сконструирован на базе центрального процессора Vortex86DX ICOP - VDX-6357RD с частотой системной шины 800 МГц. Блок базовых модулей дополнительно содержит плату CA-132I Моха, обеспечивающую возможность реализовать канал обмена информации с внешними устройствами по протоколу MODBUS.
Сущность настоящей полезной модели поясняется иллюстрацией, на которой отображена блок-схема.
На блок-схеме отображены следующие элементы:
1 - центральный блок;
2 - блок расширения (БР);
3 - блок расширения (БР);
4 - блок расширения (БР);
5 - пассивные клеммные колодки (KMC);
6 - модульные СПР;
7 - полевые СПР;
8 - Ethernet.
Возможны 2 варианта компоновки ЦБ 1:
По первому варианту, для нерезервированного исполнения ЦБ 1 содержит один ББМ, модуль КПП и от 1 до 7 проектно компонуемых модулей УСО. Если контроля приборных параметров не требуется, вместо модуля КПП устанавливается более простой модуль стабилизатора СТБ. Любой модуль УСО может устанавливаться на любое свободное посадочное место. Допускается «горячая» замена этих блоков.
По второму варианту, при резервированном исполнении ЦБ 1 содержит два блока ББМ, модуль связи (БС) основного и резервного комплекта ЦБ 1 с блоками расширения (БР), а также модуль КПП или СТБ. Резервированный ЦБ 1 не имеет модулей УСО. Модули УСО размещаются в блоках расширения 2, 3, 4 (до 7 блоков при резервированном исполнении ЦБ 1).
Входящие в контроллер блоки связываются между собой и с периферийными устройствами (датчиками, термопарами) следующим образом:
ЦБ 1 связывается с собственными модулями УСО 2, 3, 4 посредством внутриблочного интерфейса, с блоками расширения 2, 3, 4 (от 1 до 8 проектно компонуемых модулей УСО в 1 БР) и полевыми СПР 7 посредством полевой шины.
Внешние аналоговые сигналы и дискретные сигналы 24 В подводятся к пассивным клеммным колодкам KMC 5, которые, в свою очередь, через соединители подключаются к соответствующим модулями УСО, расположенным в ЦБ или БР.
Дискретные сигналы 220 В подводятся к СПР 6, 7, при этом модульные СПР 6 соединяются с модулями ДВВ, расположенными в ЦБ 1 или БР 2, 3, 4, а полевые СПР 7 подключаются к полевой шине. Контроллер имеет два вида интерфейсов:
- контроллерная сеть Ethernet 8;
- полевой интерфейс связи между ЦБ 1 и БР 2, 3, 4 или полевыми СПР 7.
2
В качестве полевого интерфейса используется протокол IC стандарта RS-485. Максимальное расстояние по полевой шине зависит от установленной частоты шины и может достигать 1200 м. Число абонентов на полевой шине - до 32 (один абонент - ЦБ или БР, или полевой СПР).
Блок базовых модулей является ядром контроллера. Он имеет центральный процессор Vortex86DX ICOP - VDX-6357RD с частотой системной шины 800 МГц, ПЗУ увеличенного объема, ОЗУ 256 Мб, встроенной энергонезависимой Flash-памятью 4 Мб, циклично выполняющий загруженную в контроллер пользовательскую технологическую программу. Процессор имеет два выходных канала (основной и резервный) информационной сети стандарта Ethernet 8 (10BASE-T, скорость 10/100 мБит/с, витая пара длиной до 100 м).
Помимо процессора контроллер имеет приборные модули, перечень которых и их функциональное назначение приведены в таблице 1
Блок базовых модулей дополнительно содержит плату CA-132I Моха, обеспечивающую возможность реализовать канал обмена информации с внешними устройствами по протоколу MODBUS.
С помощью модулей УСО в ЦБ 1 и БР 2, 3, 4, полевого СПР 7 контроллер по физическим каналам ввода/вывода принимает информацию от датчиков объекта управления и выдает сигналы воздействия на его исполнительные устройства. Перечень каналов и поддерживающих их модулей УСО приведены в таблице 2 и 3.
Все модули УСО имеют одинаковую ширину лицевой панели 20 мм.
Под кросс-средствами понимаются устройства, обеспечивающие подключение физических цепей каналов связи с объектом управления к контроллеру. К этим устройствам относятся клеммно-модульные соединители (KMC) и силовые преобразователи (СПР).
В контроллере применяется следующий тип блока питания: TCL 060-124, 24 В, 2.5 А, 60 Вт, Производитель: Traco Power. Блоки TCL 060-124 обеспечивают питанием блоки ББМ-90, модули УСО, СПР и цепи ввода/вывода аналоговых и дискретных сигналов.
Контроллер выполнен с возможностью исполнения модулей УСО, рассчитанных на отрицательные температуры вплоть до минус 40°С, и положительные температуры - вплоть до +60°С, избирательного резервирования, с сохранностью пользовательских программ и системного программного обеспечения и с совпадением их с базами данных блоков базовых модулей, модулей блока питания, модулей устройств сопряжения и кросс-средства, при этом в контроллере обеспечивается возможность резервировать конструктивных элементов по отдельности и независимо друг от друга.
С целью повышения надежности функционирования контроллера в процессе эксплуатации его аппаратные средства и СПО обеспечивают следующие виды проектного резервирования:
- дублирование блоков ББМ-90 с возможностью синхронизации состояния их программ и автоматическая «безударная» передача управления блоку, имеющему меньший уровень отказа;
- дублирование или троирование (по логике «2 из 3-х») каналов аналогового и дискретного ввода и формирование результирующего сигнала; -дублирование каналов дискретного вывода методом объединения выходов модулей УСО («монтажное ИЛИ»);
- дублирование блоков БП для питания модулей контроллера и питания датчиков и нагрузок методом объединения их выходов;
- дублирование каналов сети Ethernet с автоматическим переключением на исправный канал;
- резервирование модулей устройств сопряжения и кросс-средства;
- дублирование полевой шины с автоматическим переключением на исправный канал.
При любом резервировании обеспечивается сохранность его системного программного обеспечения (СПО) и пользовательских программ в течении 168 часов. При этом отсутствуют сообщения о сбое программ или несовпадении их с Базой данных.
Контроллер функционирует следующим образом. С помощью наборов физических цепей связи через клеммные колодки и силовые преобразователи к модулям ввода и вывода контроллера подключаются соответственно датчики и исполнительные механизмы объекта управления. В соответствии с СПО и заданным временем цикла центральный блок контроллера осуществляет опрос модулей ввода входных сигналов. В модулях ввода осуществляется преобразование входных сигналов из аналогового/дикретного вида в цифровой формат и их передача по внутренней шине в центральный процессор. В контроллере в соответствии с технологической программой выполняется обработка полученных данных. Блок базовых модулей контроллера по каналу Ethernet через шлюз и сетевой коммутатор подключается к локальной сети, которая объединяет рабочие станции верхнего уровня управления программно-аппаратного комплекса, реализованные на базе персональных компьютеров в промышленном или бытовом исполнении. После обработки входных сигналов контроллер осуществляет их передачу по локальной сети рабочим станциям комплекса для отображения, архивирования, контроля и управления. При получении управляющих команд от операторских станций, или управляющих команд от алгоритмов автоматического регулирования, реализованных в технологической программе, контроллер передает их по коммуникационной шине в модули вывода, где осуществляется обратное цифро-аналоговое/цифро-дискретное преобразование выходного сигнала и его передача на исполнительные устройства.
Настоящее устройство имеет следующие преимущества перед существующими аналогами:
- увеличение помехо- и отказоустойчивости;
- расширение функциональных возможностей при меньшем физическом объеме составных частей;
- повышение надежности работы устройства, обусловленной возможностью резервирования отдельных конструктивных элементов устройства независимо друг от друга и с сохранением программного обеспечения.