МУЛЬТИПРОЦЕССОРНЫЙ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ КОНТРОЛЛЕР

Данная полезная модель относится к области автоматизированных систем контроля и управления, в частности, к устройствам, предназначенным для работы в системах диспетчерского управления электроснабжением промышленных предприятий.
Одним из устройств, известных в данной области, является Контроллер диагностики и защиты (Патент № RU 2256993), предназначенный для автоматизированного контроля релейной защиты электроустановок - измерения параметров, сравнения их с хранящимися в энергонезависимой памяти, ведения архивов и аварийного отключения при отклонении от заданных режимов. Контроллер содержит переключатель диапазонов измерения токов, блок делителей напряжения, блок АЦП, микроконтроллер измерителей с энергонезависимой памятью, интерфейс RS-485 и пульт управления с жидкокристаллическим алфавитно-цифровым дисплеем и набором кнопок. Контроллер обеспечивает защиту электроустановок от аварийных ситуаций, вызванных обрывом фаз питающей сети, длительной перегрузкой, коротким замыканием в электроустановке и т.д. Недостатками данного устройства являются ограниченная область применения, низкое быстродействие, отсутствие возможности анализа полученной информации, ограниченные возможности передачи данных по каналам связи (только интерфейс RS-485).
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является Контроллер электрической ячейки КЭЯ «ЗНАК+» (http://www.3hak.com/KEYA.rar), входящий в состав измерительно-управляющего комплекса для учета электрической энергии «ЗНАК» производства фирмы ТЕЛЕТАП, г.Москва (http://www.3hak.com/).
Контроллер «ЗНАК+» обеспечивает измерение всех параметров электрической ячейки: токов, напряжений, мощности, энергии, частоты, коэффициента мощности, формирует осциллограммы, контролирует телесигнализацию, осуществляет телеуправление. В состав контроллера «ЗНАК+» входят помещенные в корпус переключатель диапазонов измерения входных токов, блок делителей входного напряжения, блок аналого-цифровых преобразователей (блок АЦП), микроконтроллер измерителей, узлы телесигналов и телеуправления, микроконтроллер дискретных сигналов, дисплей, контроллер RS-485.
Известный Контроллер электрической ячейки «ЗНАК+» является наиболее близким по техническому решению к заявляемой полезной модели и выбран авторами в качестве прототипа.
Данное известное устройство применяется для решения многих измерительных, защитных и аналитических задач в области энергетики, однако имеет недостатки, а именно, ограниченные функциональные возможности, так как узкофункциональный LCD дисплей не отображает графическую информацию, а архитектура прототипа не позволяет осуществлять диагностику оборудования и распределенную обработку данных.
Заявляемая полезная модель Мультипроцессорный многофункциональный контроллер (далее ММК) позволяет решить следующую задачу: создать новое специализированное устройство, имеющее мультипроцессорную схему управления.
При осуществлении предлагаемого устройства может быть получен следующий технический результат: расширение функциональных возможностей, а именно, обеспечение не только измерения параметров электротехнического оборудования и их анализа, но и диагностики состояния оборудования, а также возможности распределенной обработки информации.
Указанный технический результат достигается за счет применения управляющего процессора, двухпортового ОЗУ, контроллера локальной сети и сенсорной панели.
Общие для заявляемого устройства и прототипа признаки: наличие переключателя диапазонов измерения токов и блока делителей напряжения, входы которых являются аналоговыми входами заявляемого устройства, а выходы подключены к блоку АЦП, микроконтроллера измерителей, узла телесигналов, микроконтроллера дискретных сигналов, узла телеуправления, ОЗУ, энергонезависимой памяти, дисплея.
Отличительными от прототипа признаками являются: наличие управляющего процессора, двухпортового ОЗУ, контроллера локальной сети, сенсорной панели. Выход блока АЦП подключен к входу микроконтроллера измерителей, первый вход-выход которого подключен к ОЗУ, второй вход-выход подключен к энергонезависимой памяти, а третий вход-выход соединен с первым входом-выходом двухпортового ОЗУ, второй вход-выход которого соединен с первым входом-выходом управляющего процессора, вход которого подключен к сенсорной панели, а выход его соединен с дисплеем, реализующим функцию отображения графической и алфавитно-цифровой информации. Второй вход-выход управляющего процессора подключен к первому входу-выходу контроллера локальной сети, второй вход-выход которого связан с локальной сетью. Третий вход-выход управляющего процессора соединен с входом-выходом микроконтроллера дискретных сигналов.
Сущность полезной модели поясняется фиг.1, где представлена структурная схема заявляемого мультипроцессорного многофункционального контроллера
Согласно фиг.1, заявляемое устройство конструктивно выполнено в виде отдельного блока, содержащего переключатель диапазонов 1, блок делителей напряжения 2, блок АЦП 3, микроконтроллер измерителей 4, узел телесигналов 5, микроконтроллер дискретных сигналов 6, узел телеуправления 7, управляющий процессор 8, ОЗУ 9, энергонезависимую память 10, двухпортовое ОЗУ 11, контроллер локальной сети 12, дисплей 13, сенсорную панель 14.
На вход переключателя диапазонов измерения токов 1 от испытуемого объекта поступают токи 1a, 1b, 1c, а на вход блока делителей напряжения 2 - напряжения Ua, Ub, Uc. На вход узла телесигналов 5 поступают телесигналы от испытуемого объекта. Управляющий процессор 8 через контроллер локальной сети 12 связан с локальными сетями MicroLan, Ethernet 10/100 и RS-485 удаленных АСУ ТП предприятия.
В динамике заявляемое устройство осуществляет все необходимые функции в соответствии с алгоритмом его работы, который записан в энергонезависимой памяти 10. На входы переключателя диапазонов измерения тока 1 поступают токи Ia, Ib, Ic, 1I, а на делители напряжения 2 - напряжения Ua, Ub, Uc. Блок АЦП 3 производит измерение действующих значений фазных либо линейных напряжений (зависит от схемы включения) и фазных токов. Пределы электрических сигналов и точности измерений приведены в таблице.
Таблица
Диапазон измеряемых значений напряжений и точность измерений:
Режим 100 В
10-150 В
0,5%
Режим 250 В
25-300 В
0,5%
Режим 400 В
40-450 В
0,5%
Диапазон измеряемых значений токов и точность измерений:
Нормальный режим
0,001-5 A)
0,5%
(7.5 A max)
Аварийный режим
0-100 А
5%
На входах блока делителей напряжения 2 установлены программно-управляемые резистивные делители с гальванической развязкой. Для защиты от перегрузок установлена варисторно-предохранительная схема. Управляемые резистивные делители обеспечивают переключение управляющим процессором 8 диапазонов измерений напряжений и цифровую настройку измерительных каналов напряжения. После схемы защиты напряжения сигналы через фильтры поступают на входы блока АЦП 3. В переключателе диапазонов измерения токов 1 цепи токов гальванически развязываются от входных шин датчиками тока LEM и через масштабирующие операционные усилители и фильтрацию поступают на входы блока АЦП 3 и микроконтроллера измерителей 4.
По дискретным входам/выходам (узел телесигналов 5 и узел телеуправления 7) ММК обеспечивает:
- Ввод дискретных сигналов телесигнализации, выдаваемых датчиками контактного или бесконтактного типа. Питание цепей телесигнализации обеспечивается от встроенного изолированного источника питания. Имеется восемь, шестнадцать или двадцать четыре дискретных входа типа «сухой контакт» (в зависимости от конфигурации); шесть мощных выходов телеуправления (17А, 250 В); восемь маломощных выходов телесигнализации или телеуправления (250 В, 100 мА),
- Автоматическую выдачу команд телеуправления по назначенному при конфигурации каналу на любом из входов сигнализации либо в любом из каналов телеизмерений,
- Использование любого из входов телесигнализации в качестве входа счетчика импульсов для подключения стандартных счетчиков электрической энергии, имеющих импульсный выход,
- Использование любого из входов телесигнализации в качестве входа для запуска осциллографирования.
Микроконтроллер дискретных сигналов 6 обеспечивает сбор и обработку дискретных сигналов, выдачу сигналов управления.
Вычислительное ядро ММК построено по мультипроцессорной схеме. Обработка аналоговых сигналов, формирование кольцевого буфера измеренных и вычисленных величин и параметров производится микроконтроллером измерителей 4 на основе процессора MC56F8367 фирмы Freescale. Объем внешнего ОЗУ 9, подключенного к микроконтроллеру измерителей 4 - два Мбайта, что достаточно для формирования кольцевого буфера измеренных и вычисленных величин и параметров для осциллограмм длительностью до 20 сек. Производительность микроконтроллера измерителей 4 позволяет оцифровывать, проводить гармонический анализ до сороковой гармоники основной частоты измеряемых напряжений и токов (10 каналов) с точностью, определяемой 12-тиразрядным АЦП. Коэффициенты и параметры, определяющие конфигурацию и настройку аналоговых измерительных каналов, сохраняются в энергонезависимой памяти 10.
Управляющий процессор 8 выполнен на базе встраиваемого РС-совместимого процессора. Его функции - создание и ведение базы данных, индикация состояния и конфигурирование контроллера; выполняются эти функции под управлением операционной системы Linux.
Микроконтроллер измерителей 4 и управляющий процессор 8 образуют единую вычислительную систему через общее быстродействующее двухпортовое ОЗУ 11. Таким образом, обеспечивается независимая бесконфликтная работа двух процессоров с максимально возможным быстродействием.
Отображение текущей информации с визуализацией графиков выполняется на полноцветном с диагональю 5" TFT (от Thin film transistor - тонкопленочный транзистор) дисплее 13. Местное управление режимами отображения информации и работой контроллера обеспечивается с помощью сенсорной панели 14.
По каналам обмена информацией через контроллер локальной сети ММК обеспечивает:
- Обмен информацией с цифровыми датчиками температуры системы мониторинга температуры критических точек - по цепям однопроводной шины через порт MicroLAN;
- Обмен информацией с АСУ ТП по проводниковым или оптическим каналам Интерфейса Ethernet 10/100 15, протокол TCP IP;
- Обмен информацией с АСУ ТП по гальванически развязанным цепям Интерфейса RS-485 16, протокол ModBus RTU.
Выполнен ММК на доступных серийно выпускаемых элементах микроэлектроники. Кроме того, в устройстве применяются клеммные соединители фирмы WAGO и герметичные кабельные вводы фирмы RST.