АДАПТИВНЫЙ УПРАВЛЯЮЩИЙ КОНТРОЛЛЕР ЗАЩИТЫ ОБЪЕКТА

Полезная модель относится к области автоматики и телемеханики, а именно к устройствам систем контроля и управления станциями катодной защиты (СКЗ) управлений магистральных газопроводов (УМГ) с помощью комплексов телемеханики (ТМ), где объектами управления являются СКЗ МГ.
Следует подчеркнуть, что современные СКЗ включают в себя основное устройство - выпрямитель с блоком управления и ряд дополнительных устройств. Завод изготовитель ОАО «Сигнал», г. Ставрополь выпускает шесть модификации СКЗ с выпрямителями, обеспечивающими ток защиты от 20 А до 100 А, а электропитание СКЗ осуществляется от промышленной сети ~220/380 В. В блок управления выпрямителя СКЗ входит устройство, называемые заводом изготовителем «плата ПС» - плата сопряжения, она предназначена для сопряжения блока управления выпрямителя СКЗ с комплексом ТМ, см. «Выпрямитель типа В-ОПЕ-ТМ-1. Серия Б1. Руководство по эксплуатации ИЖСК.435211.002 РЭ. г. Ставрополь, ОАО «Сигнал», 2001 г.». На «плату ПС» от комплексов ТМ «Импульс», «Импуль-2» (изготовитель - ОАО «АК «ЦНИИ систем управления», г. Тула) подается управляющее напряжение величиной от 0 В до 5 В, что приводит к изменению тока нагрузки (защиты) СКЗ от нулевого до максимального значения.
Известен аналог - контроллер тока нагрузки СКЗ, опубликованный в статье: Ю.М.Агафонов, К.А.Анкудинов, А.И.Анкудинов, и др. Методика построения микроэлектронных устройств управления СКЗ МГ // Газовая промышленность. - 2007. - №4. - С.48-51.
DD
Аналог имеет в своем составе: микроконтроллер PIC16F628 с напряжением питания U=+5 В, содержащий FLASH-память программ, SRAM-память данных и EEPROM-память данных, которая сохраняет свое содержимое при отсутствии питания и может считываться и изменяться в процессе выполнения программы; кварцевый генератор, подключенных к микроконтроллеру; цифро-аналоговый преобразователь на основе резисторной матрицы «R-2R»; кнопки для управления током защиты СКЗ при отключении комплекса ТМ. Аналогу присущи следующие функциональные возможности: в соответствии с алгоритмом работы аналога изменение содержимого EEPROM-памяти данных микроконтроллера производится до 256 раз за один цикл регулирования тока защиты СКЗ (количество циклов «стирание - запись» EEPROM осуществляется до 256 раз); запоминание в EEPROM-памяти данных микроконтроллера текущего значения тока защиты СКЗ при аварийном отключении электропитания; автоматическое восстановление величины тока защиты СКЗ при включении электропитания вновь.
Аналогу присущи следующие недостатки:
1) большие затраты ресурса работы ячеек EEPROM-памяти данных микроконтроллера (максимальное количество циклов «стирание-запись» при разовом регулировании тока защиты составляет около 256 раз, а регулирование может быть необходимо по несколько раз в сутки на протяжении десятков лет);
2) повышение напряжения в подводящих цепях комплекса ТМ к микроконтроллеру до уровня превышающего 5 В может приводить к выходу из строя микроконтроллера,
Известен прототип - контроллер тока нагрузки (защиты) СКЗ, опубликованный в статье: К.А.Анкудинов. Повышение надежности работы контроллера тока нагрузки за счет экономии ресурса памяти данных EEPROM микроконтроллера // XXV научная сессия, посвященная дню Радио. Сборник научных статей. - Тула: Изд-во ООО «Тульский полиграфист», 2007. - С.34-36. Ксерокопии титульного листа и аннотации книги, статьи с описанием прототипа, оглавления и выходных данных книги представлены в приложении - прототип (на 5 листах) к описанию полезной модели.
DD
Прототип имеет в своем составе (см. рис.1 в приложении-прототип): восьмибитный микроконтроллер PIC16LF628 фирмы «Microchip» с допустимым пониженным напряжением питания U 3-5 В, содержащий FLASH-память программ, SRAM-память данных и EEPROM-память данных; блокировочный конденсатор С1; кварцевый генератор на кварцевом резонаторе ZQ и двух конденсаторах С2 и С3; цифро-аналоговоговый преобразователь на основе резисторной матрицы «R-2R» фирмы В1 Technologies номинала M10 8R 10K; две кнопки SB1 и SB2 для управления током защиты СКЗ при отключении комплекса ТМ. Прототип обеспечивает: запоминание величины тока защиты СКЗ при аварийном отключении электропитания; автоматическое восстановление величины тока защиты СКЗ при включении электропитания вновь. Причем в отличии от аналога, за счет применения в прототипе алгоритма работы микроконтроллера (см. рис.2 в приложении-прототип), где процесс «запись-стирание» ячеек EEPROM происходит только один раз - в конце процесса изменения тока нагрузки СКЗ. Этот факт уменьшает затраты ресурса работы ячеек EEPROM-памяти данных микроконтроллера на два порядка, чем устраняет первый недостаток аналога. Несмотря на то, что и прототип имеет свои недостатки, он проходил испытания и достаточно успешно используется в работе Тульского и Елецкого управлений МГ.
У прототипа остаются недостатки:
1) низкая надежность устройства, т.к. повышение напряжения в подводящих цепях ТМ к микроконтроллеру до уровня превышающего +5 В, а также понижение напряжения ниже 0 В, в некоторых случаях может приводить к выходу из строя микроконтроллера;
2) невысокая точность контроллера, так как лабораторные исследования, проведенные в Тульском и Елецком УМГ показали, что применение в качестве ЦАП резисторных матриц типа «R-2R» дают ошибку регулирования тока защиты до 3-5%.
Полезной моделью решается задача существенного повышения точности и надежности работы адаптивного управляющего контроллера защиты объекта (СКЗ)
DD
CC
DD
IN
OUT
Поставленная задача достигается тем, что в адаптивный управляющий контроллер защиты объекта (станции катодной защиты), содержащий микроконтроллер PIC16EF628, выводы питания которого U и U зашунтированы блокировочным конденсатором, вывод микроконтроллера MCLR подключен к шине +5 В, выводы кварцевого генератора микроконтроллера OSC1 и OSC2 соединены с кварцевым резонатором на 4,0 МГц и через два конденсатора связи с шиной 0 В, две линии порта микроконтроллера, настроенные на вход, подключены к комплексу телемеханики и к двум кнопкам регулировки тока защиты при отключении телемеханики, введены четыре защитных диода, подключенных по два к каждой из двух линий порта микроконтроллера, настроенных на вход, параллельный интегральный цифро-аналоговый преобразователь AD7302, выводы которого U, CLR, PD и REF подключены к шине +5 В, выводы AGND, DGND и LDAC к шине 0 В, восемь линий порта AD7302, настроенные на прием двоичной информации, подключены к восьми линиям порта микроконтроллера PIC16LF628, настроенным на вывод двоичной информации, вывод разрешения ввода информации WR цифро-аналогового преобразователя соединен с выходом синхронизации CLK микроконтроллера, с вывода U цифро-аналогового преобразователя аналоговый управляющий сигнал подается на объект управления (станцию катодной защиты).
Введение в полезную модель двух пар (четырех) защитных диодов КД105Б и параллельного интегрального восьмибитного цифро-аналогового преобразователя AD7302 фирмы «Analog devices» с расширенным диапазоном напряжения питания от +2,7 В до +5,5 В обеспечило:
DD
- во-первых, защиту двух линий портов микроконтроллера PIC16LF628, настроенных на вход и подключенных к комплексу телемеханики, от повышение напряжения в цепях телемеханики до уровня превышающего напряжение питания микроконтроллера U=+5 В, а также понижение напряжения ниже 0 В;
- во-вторых, повышение точности регулирования тока защиты объекта (СКЗ) за счет применения интегрального восьмибитного цифро-аналогового преобразователя AD7302, обеспечивающего точность преобразования до младшего разряда восьмибитной цифровой информации, что составляет около 0,4%.
На фиг.1 изображена принципиальная электрическая схема устройства - полезной модели - адаптивного управляющего контроллера защиты объекта (СКЗ), а на фиг.2 представлена обобщенная блок-схема алгоритма работы микроконтроллера PIC16LF628 адаптивного управляющего контроллера защиты объекта.
DD
DD
SS
DD
OUT
Адаптивный управляющий контроллер защиты объекта (СКЗ) включает в себя (см. фиг.1): микроконтроллер PIC16LF628 - 1, девять выходов которого RB0 - RB7 и CLK соединены с девятью входами DB0 - DB7 и WR цифро-аналогового преобразователя AD7302 - 2, соответственно; выводы U , MCLR микроконтроллера 1 и выводы U, CLR, PD, REF цифро-аналогового преобразователя 2 соединены с шиной питания +5 В, а вывод U микроконтроллера 1 и выводы AGND, DGND и LDAC цифро-аналогового преобразователя 2 подключены к шине питания 0 В, соответственно; выводы U микроконтроллера 1 и цифро-аналогового преобразователя 2 через блокировочные конденсаторы 3 и 4, соответственно, подключены к шине питания 0 В; выводы OSC1 и OSC2 кварцевого генератора микроконтроллера 1 соединены с кварцевым резонатором 5 (4,0 МГц) и через два конденсатора связи 6 и 7, соответственно, с шиной питания 0 В; линии порта RA3 и RA4 микроконтроллера 1, настроенные на вход, подключены к комплексу телемеханики (на фиг.1 - «от ТМ») и к кнопкам увеличения тока защиты 8 и уменьшения тока защиты 9, соответственно; к линиям порта RA3 и RA4 микроконтроллера 1 подключены анодами защитные диоды 10 и 11, а катодами защитные диоды 12 и 13, соответственно; катоды защитных диодов 10 и 11 соединены с шиной питания +5 В, а аноды защитных диодов 12 и 13 подключены к шине питания 0 В; с выхода U цифро-аналогового преобразователя 2 аналоговый выходной сигнал управления подается на объект управления - СКЗ (на фиг.1 - «к СКЗ»).
Полезная модель - «Адаптивный управляющий контроллер защиты объекта» питается от выпрямителя СКЗ со стабилизацией постоянного напряжения питания полезной модели на уровне 5±0,2 В. Во всех возможных режимах работы полезной модели микроконтроллер 1 (фиг.1) предварительно проходит инициализацию, которая показана блоком 1Б на фиг.2, где 1Б означает - первый блок в обобщенной блок-схеме алгоритма работы (фиг.2) микроконтроллера 1 (фиг.1).
0
7
Ц
В инициализацию микроконтроллера блок 1Б на фиг.2 входят следующие основные операции: собственно инициализация микроконтроллера 1 (фиг.1) и его специальных регистров; настройка на вход линий порта A (RA3 и RA4) и настройка на выход линий порта В (RB0 - RB7, значения которых 2-2, соответственно) микроконтроллера 1 (фиг.1); выделение в SRAM-памяти микроконтроллера 1 (фиг.1) восьмибитного регистра результата изменения тока защиты - RRTZ; запись в регистр RRTZ содержимого восьмибитного регистра EECON памяти данных EEPROM микроконтроллера 1 (фиг.1); обнуление счетчик времени регулирования тока защиты Т, который включается в работу при появлении управляющих сигналов от комплекса ТМ на увеличение или на уменьшение тока защиты.
Можно условно выделить четыре режима работы полезной модели:
Ц
OUT
Ц
Ц
1. Управляющий режим. В этом режиме от комплекса ТМ на адаптивный управляющий контроллер защиты объекта (СКЗ) подается, например, управляющий сигнал на увеличение тока защиты СКЗ (см. фиг.2): на входе RA3 микроконтроллера 1 (фиг.1) появляется «единичный» потенциал; запускается в работу счетчик Т; выполняется условие RA3=1 блока 2Б, но не выполняется условие RA4=1 блока 3Б и блока 4Б - сигнала на уменьшение тока защиты нет (RA4=0); в блоке 5Б происходит инкрементация регистра RRTZ; в блоке 7Б информация из регистра RRTZ выводится в порт В (RB0 - RB7); в блоке 8Б на выводе СLК микроконтроллера 1 появляется сигнал, запускающий в работу цифро-аналоговый преобразователь 2 (фиг.1), на выходе U которого будет присутствовать аналоговый управляющий сигнал от 0 до 5 В пропорциональный содержимому регистра RRTZ, подающийся в блок управления выпрямителя СКЗ; в блоке 9Б если условие Тц≥20 с (20 с достаточно для изменения содержимого регистра RRTZ от 0 до 255) не выполняется, то в блоке 12Б осуществляется технологическая выдержка времени 0,12 с, а далее продолжается анализ состояния входов RA3 и RA4 (фиг.2) и т.д.; если условие Т≥20 с выполняется (процесс регулирования тока защиты завершен), то осуществляется запись содержимого регистра RRTZ в регистр EECON памяти EEPROM микроконтроллера 1 (фиг.1) - блок 10Б и обнуляется счетчик времени регулирования тока защиты Т - блок 11Б на фиг.2.
Таким образом, информация о установленном токе защиты объекта (СКЗ) записана и хранится в регистр EECON EEPROM-памяти микроконтроллера 1 (фиг.1). При поступлении от комплекса ТМ на адаптивный управляющий контроллер защиты объекта управляющего сигнала на уменьшение тока защиты процессы аналогичны, но в этом случае RA3=0, a RA4=1 (фиг, 2) и, следовательно в блоке 6Б будет производиться декрементация содержимого регистра RRTZ.
2. Первый адаптивный режим возникает при случайном не санкционированном («аварийном») отключении электропитания СКЗ от промышленной сети ~220/380 В. Естественно, что в таком случае СКЗ не работает, ток защиты отсутствует, полезная модель обесточена, но в EEPROM-памяти микроконтроллера 1 (фиг.1) в регистре EECON сохраняется восьмибитная информация о величине тока защиты объекта до отключения электропитания СКЗ от промышленной сети.
0
7
Ц
При восстановлении электропитания СКЗ от промышленной сети - ~220/380 В на шинах питания +5 В и 0 В полезной модели (фиг.1) восстанавливается питающее напряжение и происходит инициализация микроконтроллера 1 (фиг.1): собственно инициализация микроконтроллера 1 (фиг.1) и его специальных регистров; настройка на вход линий порта А (RА3 и RA4) и настройка на выход линий порта В (RB0 - RB7, значения которых 2-2, соответственно) микроконтроллера 1 (фиг.1); выделение в SRAM-памяти микроконтроллера 1 (фиг.1) восьмибитного регистра результата изменения тока защиты - RRTZ; запись в регистр RRTZ содержимого восьмибитного регистра EECON памяти данных EEPROM микроконтроллера 1 (фиг.1); обнуление счетчик времени регулирования тока защиты Т, который включается в работу при появлении управляющих сигналов от комплекса ТМ на увеличение или на уменьшение тока защиты.
OUT
Следовательно, в результате инициализации микроконтроллера 1 (фиг.1) из регистра RRTZ SRAM-памяти микроконтроллера информация поступает в порт В микроконтроллера, далее на цифро-аналоговоговый преобразователь 2 (фиг.1), на выходе которого U формируется тот же сигнал управления, что присутствовал до отключения электропитания СКЗ.
Таким образом, при отключении электропитания СКЗ от промышленной сети ~220/3 80 В и последующем его восстановлении, ток защиты СКЗ автоматически восстанавливается полезной моделью без всякого воздействия со стороны комплекса ТМ.
3. Второй адаптивный режим является «аварийным» и может возникнуть при сбоях в комплексе ТМ когда одновременно имеют место сигналы на увеличение тока защиты RA3=1 и на уменьшение тока защиты RA4=1 (фиг.2). В этом режиме микроконтроллер 1 (фиг.1) работает по следующим ветвям алгоритма (фиг.2): блок 2Б, блок 4Б, блок 12Б, возврат к блоку 2Б и т.д.
Таким образом, рассмотренный «аварийный» режим для алгоритма работы (фиг.2.) микроконтроллера 1 (фиг.1) тоже не является аварийным, так как не приводит к изменению сигналов на выходах микроконтроллер 1 и цифро-аналогового преобразователя 2 (фиг.1).
4. Режим перегрузки по входным цепям комплекса ТМ может возникать в двух ситуациях:
- при повышении напряжения помехи от цепей комплекса ТМ на линиях порта A (RA3 и RA4) выше напряжения шины питания +5 В (фиг.1) диоды 10 и 11 открываются и, следовательно, перегрузка предотвращается;
- при понижении напряжения помехи от цепей комплекса ТМ на линиях порта A (RA3 и RA4) ниже напряжения шины питания 0 В (фиг.1) диоды 12 и 13 открываются и, следовательно, перегрузка предотвращается, что расширяет функциональную полноту устройства.
Включение в схему полезной модели (см. фиг.1) адаптивного управляющего контроллера защиты объекта (станции катодной защиты) четырех защитных диодов КД105Б 10-13 и параллельного интегрального восьмибитного цифро-аналогового преобразователя AD7302 фирмы «Analog devices» 2 обеспечило:
- работоспособность устройства при повышении напряжения помехи от цепей комплекса ТМ на линиях порта А (RA3 и RA4) выше напряжения шины питания +5 В (фиг.1);
- работоспособность устройства при понижении напряжения помехи от цепей комплекса ТМ на линиях порта А (RА3 и RA4) ниже напряжения шины питания 0 В (фиг.1);
- снижение ошибки регулирования тока защиты объекта с 3-5% до 0,4%, то есть на порядок.
Кроме того, полезная модель - адаптивного управляющего контроллера защиты объекта (фиг.1) может быть использована не только для управления током защиты СКЗ, но и во всех информационно-измерительных и управляющих комплексах, где необходимы преобразования сигналов от комплекса ТМ в аналоговые сигналы диапазона от 0 до 5 В.