КОНТРОЛЛЕР ТЕЛЕМЕХАНИКИ

Область техники, к которой относится полезная модель
Заявляемая полезная модель относится к области автоматизации контроля и управления технологическими процессами и может использоваться в различных информационных системах в составе программно-технических комплексов на объектах газо-, тепло-, водо- и электроснабжения.
Уровень техники
Прототипом заявляемого технического решения является комплекс технических средств ПК-300, включающий в себя - модули центрального процессора, модули аналогового ввода, модули дискретного ввода/вывода, модули коммуникации, модули сопряжения со станцией катодной защиты, модули адаптеров, блоки питания. Упомянутые модули основаны на микроконтроллерах, обеспечивающих выполнение задач сбора, обработки, архивирования и передачи на пульт управления технологических параметров контролируемого объекта по различным каналам передачи данных, а также формирование управляющих воздействий (http://sferamk.ru/index.php/ru/pc-300).
Недостатками известного комплекса технических средств ПК-300 являются небольшой диапазон температур рабочих условий; отсутствие интерфейса RS-422; небольшой диапазон измеряемых аналоговых сигналов и невысокая производительность.
Раскрытие полезной модели
Техническим результатом полезной модели является повышение производительности контроллера телемеханики.
Повышение производительности системы телемеханики достигается за счет применения процессоров с архитектурой ARM. Кроме того, благодаря использованию процессоров с архитектурой ARM, обеспечивается возможность расширения функционала контроллера телемеханики без потери мощности.
Дополнительным технически результатом полезной модели является повышение эксплуатационной надежности в условиях жестких климатических условий.
Дополнительный технический результат достигается за счет использования электронных микросхем с широким диапазоном рабочих температур.
Дополнительно полезная модель решает задачу повышения универсальности решений, создаваемых на базе полезной модели, а именно за счет реализации интерфейсов RS-232, RS-422, RS-485, Ethernet, GSM, CDMA и Wi-Fi. Кроме того, за счет обеспечения возможности контроля расширенного диапазона входных аналоговых (напряжение: 0-5 В, 0-10 В, -5-5 В, -10-10 В и ток: 0-20 мА, 4-20 мА, -20-20 мА) и дискретных («0» потенциального сигнала от 0 до 3 В, «1» - от 9 до 27 В) параметров увеличивается ассортимент совместимых датчиков физических процессов, что дополнительно повышает универсальность заявляемого контроллера телемеханики.
Технический результат достигается тем, что контроллер телемеханики, содержит модуль центрального процессора, включающий в себя множество функциональных блоков, содержащее блок центрального процессора управления с архитектурой ARM, с которым соединены блок памяти для хранения программы работы модуля центрального процессора (ROM), блок памяти для хранения временных значений (FRAM), блок памяти для хранения архивов данных (FLASH), блок часов реального времени (RTC), блок приема-передачи интерфейсов (БППИ), интерфейс USB, блок согласования и защиты (БСИЗ), интерфейс l2C, по меньшей мере, одну плату связи, по меньшей мере одну плату расширения, интерфейс Ethernet и контроллер интерфейса RS-485(int), при этом блок приема-передачи интерфейсов соединен с, по меньшей мере, одним настраиваемым контроллером интерфейсов.
При этом упомянутый по меньшей мере один настраиваемый контроллер интерфейсов выполнен с возможность работы в одном из режимов RS-232, RS-422 или RS-485.
При этом интерфейс Ethernet выполнен с возможностью передачи данных между модулем центрального процессора и внешним OPC-сервером через спутниковый канал, локальную вычислительную сеть или сеть Интернет.
При этом интерфейс USB выполнен с возможностью соединения модуля центрального процессора с персональным компьютером.
При этом блок согласования и защиты выполнен с возможностью соединения цепи систем охраны объекта и цепи для подключения устройства считывания контактного ключа с блоком центрального процессора управления.
2
При этом интерфейс IC выполнен с возможностью подключения устройства конфигурирования.
При этом, по меньшей мере, одна плата связи выполнена с возможностью передачи данных между модулем центрального процессора и внешним OPC-сервером.
При этом упомянутая, по меньшей мере, одна плата расширения выполнена с возможность добавления, по меньшей мере одного дополнительного канала.
При этом дополнительный канал представляет собой канал для подключения внешних датчиков физических процессов.
При этом дополнительный канал представляет собой канал для передачи управляющих сигналов на исполнительное устройство контролируемого объекта.
При этом контроллер телемеханики содержит, по меньшей мере, один модуль расширения, включающий в себя множество функциональных блоков, содержащее блок центрального процессора управления с архитектурой ARM, контроллер RS-485 выполненный с возможностью передачи данных между модулем расширения и модулем центрального процессора и плату расширения, выполненную с возможностью расширения функционала модуля расширения путем добавления, по меньшей мере, одного дополнительного канала, при этом упомянутый контроллер RS-485 модуля расширения соединен с контроллером RS-485 модуля центрального процессора.
При этом дополнительный канал модуля расширения представляет собой канал для контроля внешних датчиков.
При этом дополнительный канал модуля расширения представляет собой канал для передачи управляющих сигналов для внешних исполнительных устройств контролируемого объекта.
При этом дополнительный канал модуля расширения представляет собой канал для передачи данных между модулем расширения и внешним сервером или многофункциональным устройством.
При этом котором функциональные блоки построены на основе электронных компонентов с диапазоном рабочих температур от -40°C до +70°C.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 изображает общую схему заявляемого устройства, соединенного с внешним OPC-сервером, датчиком, МФУ, и исполнительным устройством контролируемого объекта.
Фиг. 2 изображает схему взаимодействия заявляемого контроллера телемеханики с другими устройствами системы телемеханики, при этом сплошной линией указана проводная связь, а пунктирной линией указаны беспроводные каналы связи.
Перечень элементов на схемах:
1 - модуль центрального процессора
2 - блок питания
3 - модуль расширения
4 - блок центрального процессора модуля центрального процессора
5 - блок памяти для хранения программы работы модуля центрального процессора
6 - блок памяти для хранения временных значений
7 - блок памяти для хранения архивов данных
8 - блок часов реального времени
9 - блок приема-передачи интерфейсов
10 - настраиваемый контроллер интерфейсов
11 - внешний OPC-сервер
12 - внешний персональный компьютер
13 - блок согласования и защиты
14 - система охраны объекта
15 - устройство конфигурирования
16 - плата связи
17 - плата расширения модуля центрального процессора
18 - внешние датчики физических процессов
19 - интерфейс Ethernet
20 - контроллер RS-485(int) модуля центрального процессора
21 - центральный процессор управления модуля расширения
22 - контроллер RS-485(int) модуля расширения
23 - плата расширения модуля расширения
24 - внешнее исполнительное устройство контролируемого объекта
25 - многофункциональное устройство
26 - SCADA-система
ФЛ - физическая линия
Осуществление полезной модели
На фиг. 1 изображена схема заявляемого устройства, которое представляет собой контроллер телемеханики для построения системы телемеханики и состоит из модуля 1 центрального процессора, включающего в себя множество функциональных блоков, блока 2 питания и дополнительных модулей 3 расширения, включающих в себя множество функциональных блоков и предназначенных для расширения функционала модуля 1 центрального процессора. На фиг. 1, в качестве примера, изображен контроллер телемеханики с четырьмя модулями расширения.
Модуль 1 центрального процессора включает в себя блок 4 центрального процессора управления (ЦПУ), соединенный с блоком 5 памяти для хранения программы работы модуля центрального процессора (ROM), блоком 6 памяти для хранения временных значений (FRAM), блоком 7 памяти для хранения архивов данных (FLASH) и блоком 8 часов реального времени (RTC).
2
В качестве блока 4 ЦПУ применяется ЦПУ с архитектурой ARM (Advanced RISC Machine - усовершенствованная RISC-машина, в которой производительность увеличена за счет дополнительного набора команд и увеличения тактовой частоты, расширен объем доступной памяти, есть возможность работы с внешней динамической оперативной памятью, интегрируются контроллеры шин USB, IC, устройство для работы с флэш-носителями стандарта SD и ММС, контроллер последовательного порта, имеют линии ввода-вывода общего назначения), что способствует увеличению производительности контроллера телемеханики.
Посредством блока 9 приема-передачи интерфейсов (БППИ) блок 4 ЦПУ также соединен с, по меньшей мере, одним настраиваемым контроллером 10 интерфейсов, предназначенным для соединения модуля 1 центрального процессора с OPC-сервером 11 (OPC-OLE for Process Control - программная технология, предоставляющая единый интерфейс для управления объектами автоматизации и технологическими процессами) или многофункциональным устройством 25 (МФУ). Настраиваемые контроллеры 10 интерфейсов могут работать в режиме RS-232, RS-422 или RS-485(ext).
Посредством внешнего OPC-сервера 11 обеспечивается возможность соединения заявляемого контроллера телемеханики со SCADA-системами 26 (фиг. 2) по технологии OPC. SCADA-системы представляют собой системы диспетчерского управления и сбора данных, предназначенные для разработки или обеспечения работы в реальном времени систем сбора, обработки, отображения и архивирования информации об объекте мониторинга или управления.
2
Блок 4 ЦПУ также соединен с интерфейсом USB, предназначенным для подключения контроллера телемеханики к персональному компьютеру 12 для настройки и диагностики модуля 1 центрального процессора, с блоком 13 согласования и защиты (БСИЗ), представляющим собой набор компонентов, объединенных в единый функциональный блок, предназначенный для обеспечения соединения цепи систем 14 охраны объекта и цепи для подключения устройства считывания магнитного ключа (не отображено) с блоком 4 ЦПУ, и с интерфейсом l2C для подключения устройства 15 конфигурирования. Устройство 15 конфигурирования представляет собой модуль, подключаемый к модулю 1 центрального процессора по интерфейсу IC, состоящий из ЖК-экрана отображающего служебную информацию и набора навигационных и сервисных кнопок.
Система охраны объекта работает следующим образом, если при открытии шкафа с контроллером в устройстве для считывания контактного ключа находится контактный ключ, то система охраны получает сигнал «свой». Если при открытии шкафа с контроллером в устройстве для считывания контактного ключа не находится контактный ключ, то система охраны объекта получает сигнал «чужой» и передает экстренный сигнал на пульт управления.
Модуль 1 центрального процессора оснащен, по меньшей мере, одной платой 16 связи и, по меньшей мере, одной платой 17 расширения, соединенными с блоком 4 ЦПУ.
Плата 16 связи, обеспечивает передачу данных между блоком 4 ЦПУ и внешним OPC-сервером 11 посредством заданного канала связи. В качестве заданного канала связи могут, например, выступать беспроводные каналы связи, такие как GSM-CSD, GSM-GPRS, CDMA или Wi-Fi.
Платы 17 расширения обеспечивают возможность подключения внешних датчиков 18 физических процессов или каналов для передачи управляющих сигналов для внешних исполнительных устройств 24 контролируемого объекта. В качестве внешних исполнительных устройств 24 контролируемого объекта могут быть использованы механизмы, например, такие как, краны или переключатели, расположенные на внешнем объекте.
Модуль 1 центрального процессора содержит соединенный с блоком 4 ЦПУ интерфейс 19 Ethernet для организации обмена данными между блоком 4 ЦПУ и внешним OPC-сервером 11 через спутниковый канал, локальную вычислительную сеть или сеть Internet.
Модуль 1 центрального процессора дополнительно содержит контроллер 20 интерфейса RS-485(int), предназначенный для соединения модуля 1 центрального процессора с дополнительными модулями 3 расширения.
Каждый модуль 3 расширения включает в себя блок 21 центрального процессора управления с архитектурой ARM, контроллер 22 RS-485(int) для обеспечения передачи данных между модулем 3 расширения и модулем 1 центрального процессора, при этом контроллер 20 RS-485(int) модуля центрального процессора соединен с контроллером 22 RS-485(int) модуля расширения, и плату 23 расширения, предназначенную для расширения функционала модуля 3 расширения путем, например, добавления каналов для контроля внешних датчиков 18, каналов для формирования управляющих сигналов для внешних исполнительных устройств 24 контролируемого объекта и каналов для передачи данных между модулем 3 расширения и внешним OPC-сервером 11 или МФУ 25.
Модуль 1 центрального процессора и все установленные модули 3 расширения соединены с блоком 2 питания.
Заявляемый контроллер телемеханики применяется для построения систем телемеханики и обладает, например, такими функциями как прием и обработка аналоговых сигналов от внешних датчиков физического процесса; прием и обработка массивов данных от многофункциональных устройств (вычислители, корректоры, станции катодной защиты и т.д.); прием и обработка дискретных сигналов от внешних датчиков состояния; архивирование контролируемых параметров; формирование команд управления на контролируемые объекты; шифрование и передача данных на внешний сервер сбора информации.
Упомянутые модули производят контроль и обработку параметров, организацию каналов связи с сервером и управление состоянием внешних объектов. Максимальное количество модулей, работающих одновременно - 31 (один модуль центрального процессора и 30 модулей расширения). Межмодульное соединение осуществляется по интерфейсу RS-485 с использованием протокола Modbus.
Функционирование заявляемого контроллера телемеханики осуществляется следующим образом:
Контроллер телемеханики принимает аналоговые и дискретные сигналы от внешних датчиков физических процессов. Затем блок ЦПУ модуля центрального процессора измеряет уровень входного сигнала и, в зависимости от того, является входной канал аналоговым или дискретным, соотносит входной сигнал с предварительно заданными значениями: либо с аналоговой величиной, либо с дискретным состоянием.
Работа аналоговых входных каналов осуществляется следующим образом: Блок ЦПУ измеряет уровень входного сигнала и сравнивает с заданными границами «нормального» значения, если уровень входного сигнала выходит за границы «нормального» значения, то модуль центрального процессора формирует и передает на внешний OPC-сервер аварийное сообщение. Если уровень сигнала из «аварийного» возвращается в «нормальное», то блок ЦПУ формирует и передает информационное сообщение на сервер о нормализации состояния объекта.
Работа дискретных входных каналов:
Если дискретный канал задан, как канал телемеханики «Телесигнализация», то его состояние устанавливается как «0» или «1» в зависимости от уровня входного сигнала. Состояние дискретного канала сравнивается с заданным для данного канала «нормальным» значением. Если состояние канала не соответствует «нормальному» значению, то модуль центрального процессора формирует и передает на сервер авариное сообщение.
Если дискретный канал задан, как канал телемеханики «Телеизмерение интегральное» и уровень входного сигнала соответствует состоянию «1», то значение канала увеличивается на 1.
Работа выходных дискретных сигналов:
При получении от сервера команды подготовки телеуправления модуль центрального процессора помечает (подготавливает) нужный канал телемеханики «Телеуправление» и передает на сервер информационный пакет данных о готовности выполнения управления.
При получении команды на выполнение телеуправления модуль центрального процессора сверяет номер канала телеуправления с номером подготовленного канала, если они совпадают, то модуль центрального процессора посылает команду на замыкание или размыкание реле соответствующего канала телеуправления, если же они отличаются, то модуль центрального процессора помечает все каналы «Телеуправление», как неготовые. Команда на замыкание содержит время удержания канала в замкнутом состоянии, если время не задано - канал замыкается до получения команды на размыкание. Замыкание реле канала телеуправления приводит к коммутации подключенных к данному каналу цепей.
Состояния каналов телемеханики, контролируемых многофункциональными устройствами, в зависимости от типа и организации МФУ, могут передаваться непосредственно в модуль центрального процессора через интерфейсы RS-232, RS-422 и RS-485 или через модуль расширения.
По заданному алгоритму модуль центрального процессора производит опрос подключенных внешних датчиков физических процессов, модулей расширения и МФУ, архивирование (запись в энергонезависимую память) полученных значений аналоговых сигналов, дискретных сигналов (значений каналов «Телесигнализация» и значений каналов «Телеизмерение интегральное») и данных, полученных от МФУ.
При возникновении условий «Аварийной ситуации» модуль центрального процессора формирует аварийное сообщение, производит его шифрование и передает на сервер в зашифрованном виде. При возврате контролируемых параметров в «Нормальное» состояние модуль центрального процессора формирует и передает на сервер информационное сообщение в зашифрованном виде о нормализации ситуации.
При получении от сервера команды опроса параметров модуль центрального процессора производит опрос всех каналов измерения, формирование пакета данных, шифрование и передачу данных на сервер архивирование при этом не производится.
При невозможности отправки данных по заданному основному каналу связи происходит попытка передачи данных по одному из резервных каналов связи. В качестве как основных каналов связи, так и резервных каналов связи могут служить, например, спутниковый канал с гарантированной доставкой данных, GSM-CSD, GSM-GPRS, CDMA, беспроводная передача данных по технологии Wi-Fi, радиоканал, физическая линия (Ethernet, RS-232, RS-422, RS-485).
Перед передачей данных на сервер контроллер телемеханики предварительно производит шифрование данных посредством модуля центрального процессора, затем передает данные на внешний сервер сбора данных по заданным каналам связи, и затем внешний сервер производит дешифрование данных и сохраняет в полученные дешифрованные данные в стандарте OPC.
При необходимости передачи данных от внешнего OPC-сервера на контроллер телемеханики, внешний сервер формирует пакет данных в формате протокола обмена контроллера, производит шифрование и осуществляет передачу данных контроллеру телемеханики по заданному каналу связи.
Заявляемый контроллер телемеханики может использоваться при температуре окружающей среды от -40°C до +70°C и при относительная влажность воздуха до 95% при плюс 35°C. Широкий диапазон температур и высокая допустимая влажность рабочих условий обусловлены применением электронных компонентов с широким диапазоном рабочих температур, например, таких как: 74LVC1G19GV, ADM3485ARZ, ADuM1200ARZ, ADuM3472ARSZ, CY62167EV30LL-45ZXI, DP83848I, DS3231MZ+, FM25CL64B-G, МАХ3160ЕАР+, MT29F2G16AABWP-ET, SC16C2550BIB48, STM32F207IET6, TPS5420D, NX3225GA-14.745M-STD-CRG-2, NX3225GA-25.000M-STD-CRG-2.