КОНТРОЛЛЕР УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ С ПОМОЩЬЮ ВНЕШНИХ ЭЛЕКТРОННЫХ И МЕХАНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ
CONTROLLER OF TECHNOLOGICAL PROCESS MANAGEMENT USING EXTERNAL ELECTRONIC AND MECHANICAL DEVICES

Область техники
[0001] Изобретение относится к области вычислительной техники для регулирования и управления системами общего назначения, в частности, к контроллеру управления технологическими процессами с помощью внешних электронных и механических устройств.
Уровень техники
[0002] В настоящее время существует множество контроллеров управления технологическими процессами. Одним из примеров таких систем является система управления кондиционером, описанная в US 2015/0039135 A1. Известная система управления кондиционером содержит базовый терминал, который принимает информацию управления кондиционированием воздуха от сервера, и на основе принятой информации управления кондиционированием воздуха, когда значение потребляемой мощности на участке больше, чем целевое значение мощности для управления потреблением, передает к оборудованию управления кондиционированием воздуха команду управления, которая устанавливает кондиционер в положение ВЫКЛ, и когда температура, измеренная в области, превышает верхний предел температуры, когда кондиционер выполняет операцию охлаждения, или когда температура, измеренная в область меньше, чем нижний предел температуры, когда кондиционер выполняет операцию обогрева, базовый терминал передает команду управления, которая устанавливает кондиционер в состояние ВКЛ.
[0003] Однако известному решению присущи недостатки. Недостаток известного решения заключается в том, что конструкция известного терминала имеет низкую отказоустойчивость и помехоустойчивость от внешних воздействий. Данный недостаток обусловлен особенностью конструкции базового терминала и отсутствием в нем каких-либо элементов защиты от короткого замыкания, схем, обеспечивающих защиту от импульсных помех по напряжению. На низкую отказоустойчивость и помехоустойчивость от внешних воздействий оказывает дополнительное влияние отсутствие гальванической развязки внутренних схем питания и организации независимого питания. Также известное решение не обеспечивает оптимизацию и масштабируемость контроллера управления технологическими процессами.
Раскрытие изобретения
[0004] Задачей изобретения является устранение указанных выше недостатков.
[0005] Техническим результатом при этом является повышение отказоустойчивости с одновременным обеспечением защиты компонентов контроллера управления внешними электронными устройствами в части помехоустойчивости от внешних воздействий.
[0006] Дополнительным техническим результатом является оптимизация и масштабируемость контроллера управления технологическими процессами в части обеспечения возможности изменения компонентного состава контроллера.
[0007] Для достижения технического результата предложен контроллер управления технологическими процессами с помощью внешних электронных и механических устройств, выполненный в корпусе, содержащем: микропроцессор, выполненный с возможностью приема сигналов посредством аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и/или посредством двух изолированных цифровых интерфейсов RS-485 от внешних датчиков и/или электронных и механических устройств, генерирования управляющих сигналов в ответ на принятые сигналы, и передачи сгенерированных сигналов посредством цифроаналогового преобразователя (ЦАП) и/или посредством упомянутых интерфейсов RS-485 внешним электронным и механическим устройствам для управления их работой и/или управляемым технологическим процессов, при этом выработка  управляющих сигналов выполняется программным обеспечением (ПО) с использованием данных, сохраненных на электрически стираемом перепрограммируемом постоянном запоминающем устройстве (ЭСППЗУ); ЭСППЗУ, выполненное с возможностью хранения ПО и данных; считыватель SD-карт, выполненный с возможностью считывания данных со съемных SD-карт для обновления ПО, внесения изменений в хранимые на ЭСППЗУ данные и архивирования данных с ЭСППЗУ; АЦП и ЦАП, содержащие аналоговые, цифровые входы/выходы и релейные выходы, выполненные с возможностью: а) приема сигналов от внешних датчиков и/или электронных и механических устройств и преобразования принятых сигналов в цифровые значения измерения физических величин; б) передачи упомянутых цифровых значений упомянутому микропроцессору; и в) приема от упомянутого микропроцессора управляющих сигналов, их преобразование в аналоговые сигналы и их передачи внешним электронным и механическим устройствам для изменения их режима работы и управляемого технологического процесса; транзисторные каскадные усилители с увеличенным максимальным выходным током до 30 мА, управляемые микропроцессором через ЦАП и выполненные с возможностью обеспечения управления внешними электронными и механическими устройствами для управления технологическим процессом; два изолированных интерфейса RS-485, выполненных с возможностью приема и передачи цифровых сигналов между внешними датчиками и/или электронными и механическими устройствами и/или внешними вычислительными устройствами для управления работой технологического процесса, передачи информации пользователям и согласования работы с внешними вычислительными устройствами; импульсно-трансформаторный внутренний блок питания с раздельными обмотками для обеспечения гальванической развязки внутренних схем питания и организации независимого питания упомянутых двух изолированных интерфейсов RS-485; схему внутреннего питания, разделенную на стабилизированное и нестабилизированное питание, выполненную с возможностью обеспечения питанием микропроцессора, ЭСППЗУ, АЦП, ЦАП и транзисторных каскадных усилителей; устройство защиты от короткого замыкания (КЗ), выполненное с возможностью защиты внутренних компонентов контроллера управления внешними электронными и механическими устройствами от КЗ и ограничения пульсаций измеряемого постоянного напряжения; при этом все входы контроллера управления внешними электронными и механическими устройствами содержат независимые друг от друга четыре входные схемы измерения, включающие схему измерения тока с помощью шунтирующего резистора, схему измерения напряжения с отключаемым делителем и две схемы измерения тока, где упомянутые четыре схемы выполнены с возможностью измерения на каждый канал с возможностью их переключения в зависимости подключенного к входу датчика, электронного или механического устройства, при этом тип измеряемого сигнала конфигурируется посредством ПО контроллера, схемы измерения имеют защиту от импульсных помех по напряжению, выполненную посредством защитных диодов TVS, и выполнены с возможностью управления P-канальным полевым транзистором заданным напряжением для защиты от повышенного тока через шунт.
[0008] Дополнительно контроллер содержит интерфейс подключения к локальным сетям по протоколу TCP/IP Ethernet, выполненный с возможностью коммуникации с электронными и механическими устройствами и внешними вычислительными устройствами.
[0009] Дополнительно контроллер содержит терминал пользователя, состоящий из графического дисплея и семи кнопок, выполненный с возможностью: вывода информации в графическом или текстовом виде на различных языках; и визуализации работы управляемой технологической системы, внешних электронных и механических устройств и состояния самого контроллера; где с помощью кнопок, подсказок и системы меню, отображаемой на дисплее, контроллер осуществляет коммуникацию с пользователями.
[0010] Дополнительно контроллер содержит энергонезависимые, питаемые от встроенной батареи, часы реального времени и может осуществлять управление внешними электронными и механическими устройствами и технологическими процессами на основе времени и календаря.
[0011] Дополнительно внешними электронными и механическими устройствами могут являться, по меньшей мере, следующие устройства или их комбинации: пускорегулирующая аппаратура электродвигателей, ламп освещения, электронагревателей или устройств силовой электроники; сервоприводы; резистивные датчики; датчики с токовым выходом 4...20мА; датчики с выходом напряжения 0...10 В; устройства, управляемые посредством «сухого» контакта; и термостаты и/или прессостаты; кондиционеры; приточно-вытяжные установки; холодильные станции и холодильные машины; устройства системы теплоснабжения и котельные установки; устройства системы горячего (ГВС) и холодного (ХВС) водоснабжения; устройства системы канализации и водоотведения; устройства системы водозабора, водоподготовки и различные насосные станции; устройства системы распределения электрической энергии; устройства системы газоснабжения; устройства систем вентиляции, аспирации и пневмотранспорта.
[0012] Дополнительно встроенный импульсно-трансформаторный блок питания обеспечивает следующие напряжения питания: 15В нестабилизированное, 5В стабилизированное, 3.3В стабилизированное и 2х5В гальванически изолированное.
[0013] Дополнительно контроллер содержит двухцветные светодиоды для световой индикации режимов работы и аварийных ситуаций контроллера.
[0014] Дополнительно внешние вычислительные устройства могут быть выполнены с возможностью выполнения симуляции значений входных сигналов, передаваемых в контроллер, где симуляция выполняется посредством передачи в контроллер смоделированных значений измерения физических величин и приема от контроллера управляющих сигналов, сгенерированных в ответ на смоделированные значения.
[0015] Дополнительно внешние вычислительные устройства могут быть выполнены с возможностью управления работой контроллера.
[0016] Дополнительно дисплей и кнопки выполнены с возможностью приема ввода значений входных сигналов от пользователя для обеспечения симуляции значений входных сигналов, передаваемых в контроллер, где симуляция выполняется посредством ввода смоделированных значений измерения физических величин и вывода на дисплей значений управляющих сигналов от контроллера, сгенерированных в ответ на введенные значения.
[0017] Очевидно, что как предыдущее общее описание, так и последующее подробное описание даны лишь для примера и пояснения и не являются ограничениями данного изобретения.
Краткое описание чертежей
[0018] Фиг. 1 – схематичное изображение контроллера управления технологическими процессами с помощью внешних электронных и механических устройств.
Осуществление изобретения
[0019] Схематическое изображение заявленного контроллера 100 управления технологическими процессами с помощью внешних электронных и механических устройств показано на фиг. 1. Контроллер 100 выполнен в корпусе 101, который содержит микропроцессор 102, два (103a, 103b) изолированных цифровых интерфейса RS-485, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 104, электрически стираемое перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство (ЭСППЗУ) 105, считыватель 106 SD-карт, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 107, транзисторные каскадные усилители 108 с увеличенным максимальным выходным током до 30 мА, импульсно-трансформаторный внутренний блок 109 питания с раздельными обмотками, схема 110 внутреннего питания и устройство 111 защиты от короткого замыкания (КЗ). Альтернативно контроллер 100 может содержать интерфейс 112 подключения к локальным сетям по протоколу TCP/IP Ethernet, терминал пользователя 113, энергонезависимые, питаемые от встроенной батареи, часы 114 реального времени и двухцветные светодиоды 115.
[0020] Микропроцессор 102 выполнен с возможностью приема сигналов посредством АЦП 104 и/или посредством двух изолированных цифровых интерфейсов RS-485 103a, 103b, от внешних датчиков и/или электронных и механических устройств. После приема упомянутых сигналов, микропроцессор 102 в ответ генерирует управляющие сигналы и передаёт их посредством ЦАП 107 и/или посредством упомянутых интерфейсов RS-485 103a, 103b, внешним электронным и механическим устройствам для управления их работой и/или управляемым технологическим процессов. Необходимо отметить, что микропроцессор 102 после приема упомянутых сигналов выполняет их обработку посредством программного обеспечения (ПО) и с использованием данных, сохраненных на электрически стираемом перепрограммируемом постоянном запоминающем устройстве (ЭСППЗУ) 105, и затем микропроцессор 102 генерирует управляющие сигналов. Необходимо отметить, что все входы контроллера управления внешними электронными и механическими устройствами содержат независимые друг от друга четыре входные схемы измерения, включающие схему измерения тока с помощью шунтирующего резистора, схему измерения напряжения с отключаемым делителем и две схемы измерения тока. Упомянутые четыре схемы выполнены с возможностью измерения на каждый канал с возможностью их переключения в зависимости подключенного ко входу датчика, электронного или механического устройства. Также необходимо отметить, что тип измеряемого сигнала конфигурируется посредством программного обеспечения (ПО) контроллера. Упомянутые схемы измерения имеют защиту от импульсных помех по напряжению, выполненную посредством защитных диодов TVS, и выполнены с возможностью управления P-канальным полевым транзистором заданным напряжением для защиты от повышенного тока через шунт.
[0021] Внешними электронными и механическими устройствами могут являться, по меньшей мере, следующие устройства или их комбинации: пускорегулирующая аппаратура электродвигателей, ламп освещения, электронагревателей или устройств силовой электроники; сервоприводы; резистивные датчики; датчики с токовым выходом 4...20мА; датчики с выходом напряжения 0...10 В; устройства, управляемые посредством «сухого» контакта; и термостаты и/или прессостаты; кондиционеры; приточно-вытяжные установки; холодильные станции и холодильные машины; устройства системы теплоснабжения и котельные установки; устройства системы горячего (ГВС) и холодного (ХВС) водоснабжения; устройства системы канализации и водоотведения; устройства системы водозабора, водоподготовки и различные насосные станции; устройства системы распределения электрической энергии; устройства системы газоснабжения; устройства систем вентиляции, аспирации и пневмотранспорта.
[0022] В контексте настоящего решения ЭСППЗУ 105 выполнено с возможностью хранения ПО и данных. Следует принимать во внимание, что ЭСППЗУ 105, входящая в состав контроллера 100 в данном документе, может быть энергозависимыми запоминающими устройствами или энергонезависимыми запоминающими устройствами, либо может включать в себя и энергозависимое, и энергонезависимое запоминающее устройство. В качестве иллюстрации, но не ограничения, память может включать в себя постоянное запоминающее устройство (ROM), программируемое ROM (PROM), электрически программируемое ROM (EPROM), флэш-память (SSD). Энергозависимое запоминающее устройство может включать в себя синхронное RAM (SRAM), динамическое RAM (DRAM), синхронное DRAM (SDRAM), SDRAM с двойной скоростью передачи данных (DDR SDRAM), улучшенное SDRAM (ESDRAM), Synchlink DRAM (SLDRAM) и direct Rambus RAM (DRRAM).
[0023] Считыватель 106 SD-карт выполнен с возможностью считывания данных со съемных SD-карт для обновления ПО, внесения изменений в хранимые на ЭСППЗУ данные и архивирования данных с ЭСППЗУ 105.
[0024] АЦП 104 и ЦАП 107 содержат аналоговые, цифровые входы/выходы и релейные выходы, выполненные с возможностью: а) приема сигналов от внешних датчиков и/или электронных и механических устройств и преобразования принятых сигналов в цифровые значения измерения физических величин; б) передачи упомянутых цифровых значений упомянутому микропроцессору 102; и в) приема от упомянутого микропроцессора 102 управляющих сигналов, их преобразование в аналоговые сигналы и их передачи внешним электронным и механическим устройствам для изменения их режима работы и управляемого технологического процесса.
[0025] Транзисторные каскадные усилители 108 с увеличенным максимальным выходным током до 30 мА, управляемые микропроцессором 102 через ЦАП 107, выполнены с возможностью обеспечения управления внешними электронными и механическими устройствами для управления технологическим процессом.
[0026] Два изолированных интерфейса RS-485 103a, 103b выполнены с возможностью приема и передачи цифровых сигналов между внешними датчиками и/или электронными и механическими устройствами и/или внешними вычислительными устройствами для управления работой технологического процесса, передачи информации пользователям и согласования работы с внешними вычислительными устройствами. Внешние вычислительные устройства (не показаны на фигуре) могут быть выполнены с возможностью выполнения симуляции значений входных сигналов, передаваемых в контроллер 100. Симуляция выполняется посредством передачи в контроллер 100 смоделированных значений измерения физических величин и приема от контроллера 100 управляющих сигналов, сгенерированных в ответ на смоделированные значения. Также внешние вычислительные устройства могут быть выполнены с возможностью управления работой контроллера 100.
[0027] Импульсно-трансформаторный внутренний блок 109 питания с раздельными обмотками для обеспечения гальванической развязки внутренних схем питания выполнен с возможностью организации независимого питания упомянутых двух изолированных интерфейсов RS-485 103a, 103b. Импульсно-трансформаторный блок 109 питания может обеспечивать следующие напряжения питания: 15В нестабилизированное, 5В стабилизированное, 3.3В стабилизированное и 2х5В гальванически изолированное.
[0028] Схема 110 внутреннего питания разделена на стабилизированное и нестабилизированное питание, и выполнена с возможностью обеспечения питанием микропроцессора 102, ЭСППЗУ 105, АЦП 104, ЦАП 107 и транзисторных каскадных усилителей 108.
[0029] Устройство 111 защиты от КЗ выполнено с возможностью защиты внутренних компонентов контроллера 100 управления внешними электронными и механическими устройствами от КЗ и ограничения пульсаций измеряемого постоянного напряжения.
[0030] Интерфейс 112 подключения к локальным сетям по протоколу TCP/IP Ethernet выполнен с возможностью коммуникации с электронными и механическими устройствами и внешними вычислительными устройствами. Упомянутая коммуникация может совершаться, например, по сети Интернет, по локальной вычислительной сети (ЛВС), по телефонной сети и т.д.
[0031] Терминал пользователя 113 состоит из графического дисплея и семи кнопок (не показаны на фиг.) и выполнен с возможностью: вывода информации в графическом или текстовом виде на различных языках, и визуализации работы управляемой технологической системы, внешних электронных и механических устройств и состояния самого контроллера. С помощью кнопок, подсказок и системы меню, отображаемой на дисплее, контроллер 100 осуществляет коммуникацию с пользователями. Дисплей и кнопки выполнены с возможностью приема ввода значений входных сигналов от пользователя для обеспечения симуляции значений входных сигналов, передаваемых в контроллер 100. Симуляция выполняется посредством ввода смоделированных значений измерения физических величин и вывода на дисплей значений управляющих сигналов от контроллера 100, сгенерированных в ответ на введенные значения.
[0032] Энергонезависимые, питаемые от встроенной батареи, часы 114 реального времени могут осуществлять управление внешними электронными и механическими устройствами и технологическими процессами на основе времени и календаря.
[0033] Двухцветные светодиоды 115 предназначены для световой индикации режимов работы и аварийных ситуаций контроллера 100.
[0034] Хотя данное изобретение было показано и описано со ссылкой на определенные варианты его осуществления, специалистам в данной области техники будет понятно, что различные изменения и модификации могут быть сделаны в нем, не покидая фактический объем изобретения. Следовательно, описанные варианты осуществления имеют намерение охватывать все подобные преобразования, модификации и разновидности, которые попадают под сущность и объем прилагаемой формулы изобретения.