КОНТРОЛЛЕР ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ СЛОЖНЫМ ОБЪЕКТОМ

Полезная модель относится к области вычислительной техники, в частности, к системам автоматизации управления технологическими процессами сложных промышленных объектов, и может быть использована в качестве центрального процессорного устройства в составе распределенных и централизованных комплексов и систем телемеханики, сбора данных, технологического управления, учета энергоресурсов на объектах электроэнергетики, нефтедобычи, промышленных предприятиях и других отраслей промышленности.
Технический результат, проявляющийся при использовании предлагаемой полезной модели - возможность сбора и передачи информации с большого числа интеллектуальных устройств с различными интерфейсами и протоколами обмена, универсальность, удобство в работе.
Известен контроллер, содержащий печатную плату, на которой расположены микроконтроллер, осуществляющий сбор информации с импульсных каналов и передачу по интерфейсам RS-232, который используется для соединения с компьютером, интерфейсом RS-485 и CAN, обеспечивающим удаленное соединение с объектом, литиевый элемент, энергонезависимую память, канал телеуправления, часы реального времени, блок питания, дополнительную печатную плату с зажимами для подключения импульсных каналов, при этом часы реального времени выполнены со встроенной энергонезависимой памятью, a CAN контроллер выполнен отдельной микросхемой [1].
Причиной, препятствующей получению технического результата, обеспечиваемого заявляемой полезной моделью, с помощью описанной полезной модели, является отсутствие возможности удаленного расположения ЭВМ относительно пункта контроля и управления, так как для этого требуется наличие протяженных линий для связи с интеллектуальными устройствами объекта управления, что обусловлено использованием в аналоге для связи с ЭВМ интерфейса RS-232.
Наиболее близким по технической сущности - прототипом заявляемой полезной модели - является программируемый логический контроллер для построения распределенных отказоустойчивых информационно-управляющих систем, содержащий в своем составе микроконтроллер и ОЗУ, позволяющие выполнять программу управления, энергонезависимую карту памяти Compact Flash для изменения алгоритма управления и ведения протоколов работы, гальванически развязанные от внутренних цепей питания интерфейсы Ethernet, CAN, RS-485, 1-wire для подключения датчиков, ЭВМ и других программируемых контроллеров, с организацией дублированных каналов связи и обеспечением «горячего» резервирования, встроенные часы реального времени для определения времени наступления события, блок конфигурации и внешней ошибки, датчик температуры, а также аналоговые линии ввода/вывода, дискретные линии вода/вывода с функциями диагностики обрыва нагрузки, замыкания на +U, -U, короткого замыкания, перегрева, защит от превышения напряжения, а также блок индикации для отображения состояния механизмов, датчиков и самого программируемого контроллера. Алгоритм работы программируемого контроллера загружается с карты памяти Compact Flash и зависит от требований к конкретной системе управления [2].
Признаками, общими для заявляемого технического решения и прототипа, являются следующие: наличие микроконтроллера с ОЗУ; наличие интерфейсов Ethernet, CAN, RS-485; наличие энергонезависимых часов реального времени; наличие энергонезависимой памяти Compact Flash; наличие блока питания; наличие блоков каналов ТУ и ТС (дискретные линии вода/вывода в прототипе); наличие сервисного порта RS-232 (блок конфигурации в прототипе), наличие блоков индикации и гальванической развязки; наличие блоков приемопередатчика UART.
Причиной, препятствующей получению технического результата, обеспечиваемого заявляемой полезной моделью, с помощью прототипа является ограниченность числа интерфейсов RS-485 для обеспечения связи с многочисленными, имеющими различные протоколы обмена, интеллектуальными устройствами сложного объекта. Для реализации дополнительных интерфейсов RS-485 программируемый логический контроллер должен быть дополнительно оснащен четырьмя процессорными модулями, что ограничивает скорость обмена с интеллектуальными устройствами, усложняет контроллер и резко повышает его стоимость.
При разработке заявляемого технического решения стояла задача создания контроллера для управления многочисленными, имеющими различные протоколы обмена, интеллектуальными устройствами сложного объекта, достаточно простого по схемному решению, доступного по цене и имеющего высокую скорость обмена информацией.
Поставленная задача решается за счет того, что в контроллер для управления сложным объектом, содержащий микроконтроллер с ОЗУ, блоки двух последовательных интерфейсов CAN и двух последовательных интерфейсов RS-485, блоки последовательных интерфейсов Ethernet и двух последовательных интерфейсов RS-232, цепи управления, шины данных, блок памяти Compact Flash, энергонезависимые часы реального времени, блок приемопередатчика CAN, блоки каналов ТУ, ТС, сервисный порт RS-232, блок драйвера UART, блок питания, при этом каждый из блоков последовательных интерфейсов CAN и RS-485 содержит узел питания, узел индикации и гальванической развязки и узел сопряжения с интерфейсом, дополнительно введены четыре блока последовательных интерфейсов RS-485, блок приемопередатчика UART, блок управления, буфер данных, блок задания сетевого адреса, выходная шина которого соединена с входной шиной блока управления, один вход которого соединен с выходом блока каналов ТС, один из выходов подключен к входу блока каналов ТУ, второй выход соединен с входом буфера данных, первая двунаправленная шина блока управления соединена с микроконтроллером, по параллельной шине данных связанным с буфером данных, вторая двунаправленная шина блока управления подключена к энергонезависимым часам реального времени, третья двунаправленная шина блока управления соединена с сервисным портом RS-232, четвертая двунаправленная шина блока управления подключена к блоку памяти, шина данных которого, шины данных блоков приемопередатчиков CAN и UART и шина данных буфера данных объединены в двунаправленную параллельную шину данных, передачей информации по которой управляет блок управления по цепям управления.
Полезная модель иллюстрируется чертежом, на котором приведена структурная схема контроллера для управления сложным объектом.
Предлагаемый контроллер для управления сложным объектом реализован на базе микроконтроллера с ОЗУ, который выполняет вычислительные функции контроллера, реализует некоторые коммуникационные ресурсы - интерфейсы Ethernet, два интерфейса RS-232 и UART, на котором реализовано два интерфейса RS-485, и взаимодействует с энергонезависимой памятью Compact Flash, блоком управления, который управляет обменом информацией между двумя интерфейсами CAN и четырьмя интерфейсами RS-485 по параллельной шине данных через буфер данных с микроконтроллером.
Контроллер для управления сложным объектом, представленный на чертеже (фиг.1), содержит блок управления 1, первый выход которого соединен с входом буфера данных 2, одна шина которого соединена с микроконтроллером 3, а другая шина буфера данных 2 подключена к блоку 4 приемопередатчика UART, к блоку 5 приемопередатчика CAN и к блоку памяти 6, другая шина которого подключена к блоку управления 1, соответствующие шины блока управления 1 подключены к микроконтроллеру 3, связанному с энергонезависимой памятью 7, к блоку задания сетевого адреса 8, к энергонезависимым часам реального времени 9 и к сервисному порту RS-232 10, блок формирования сигнала сброса 11, входом подключенный к выходу микроконтроллера 3, а выходом соединенный с соответствующими входами блока 4 приемопередатчика UART, блока 5 приемопередатчика CAN и блока управления 1, цепи управления которого подключены к блоку 4 приемопередатчика UART, к блоку 5 приемопередатчика CAN и к блоку памяти 6, соответствующие входные и выходные цепи микроконтроллера 3 подключены к соответствующим выходным и входным цепям блока 12 драйвера UART.
Контроллер также содержит блок питания 13, шесть блоков 14 последовательного интерфейса RS-485, блоки 15, 16 последовательного интерфейса CAN-1 и CAN-2 соответственно, блок 17 соединителей, индикации и защиты RS-232, блок 18 каналов ТС, блок 19 каналов ТУ, блок 20 соединителя и индикации сети Ethernet. Выходы и входы блоков 14-1, 14-2, 14-3, 14-4 соединены с соответствующими входами и выходами блока 4 приемопередатчика UART, выходы и входы блоков 14-5, 14-6 соединены с соответствующими входами и выходами блока 12 драйвера UART, выходы и входы блоков 15, 16 соединены с соответствующими входами и выходами блока 5 приемопередатчика CAN. Каждый блок последовательного интерфейса 14-1…14-6, 15, 16 содержит узел питания, узел индикации и гальванической развязки и узел сопряжения с соответствующим внешним интерфейсом. Блок 17 соединителей, индикации и защиты RS-232 и блок 20 соединителя и индикации сети Ethernet подключены к микроконтроллеру 3, блоки каналов ТС 18 и ТУ 19 соединены с блоком управления 1.
Блок управления 1 представляет собой программируемую логическую интегральную схему и предназначен для создания параллельного аппаратного интерфейса микроконтроллера 3 через буфер данных 2, который реализован виде двунаправленного шинного приемопередатчика с интеллектуальными устройствами объекта по последовательным интерфейсам RS-485-1, …, RS-485-4, CAN-1, CAN-2 и сопряжения по уровням сигналов ТУ, ТС.
Предлагаемый контроллер работает следующим образом.
До начала работы контроллера разрабатывается программа для управления соответствующим технологическим процессом и записывается на отдельном рабочем месте на карту Compact Flash 7, которая после записи устанавливается в контроллер в качестве внешнего накопительного устройства микроконтроллера 3, а также программа блока управления 1, реализованного на базе программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) и блока памяти 6 для хранения постоянных данных. Программирование ПЛИС блока управления 1 производится отдельным устройством (программатором) через сервисный порт RS-232 10.
При подаче питающего напряжения на все функциональные узлы контроллера через блок питания 13 инициализируется микроконтроллер 3. После инициализации микроконтроллер 3 производит диагностику блока управления 1, непосредственно инициализирует внешние интерфейсы RS-485, RS-232 и Ethernet - блоки 17, 12, 20 соответственно и через буфер данных 2 инициализирует внешние интерфейсы RS-485 (4) и CAN (5). Затем микроконтроллер 3 загружает для выполнения рабочую программу с карты Compact Flash 7 во внутреннюю память и начинает ее выполнение, используя данные конфигурационного файла, соответствующего системе управления.
Входные дискретные сигналы поступают на блок 18 каналов ТС, где осуществляется индикация наличия входных дискретных сигналов, гальваническая развязка и их трансляция в блок управления 1, где сигналы преобразуются в соответствии с заданными уровнями и передаются на вход микроконтроллера 3, который осуществляет сбор и последующую обработку информации. Микроконтроллер 3 непосредственно обменивается информацией с интеллектуальными устройствами по двум последовательным шинам RS-232, которые подключены к блоку 17 соединителей, индикации и защиты RS-232-1, RS-232-2, и по двум последовательным шинам RS-485 - с устройствами, подключенными к блокам 14-5, 14-6 последовательного интерфейса RS-485 через блок 12 драйвера UART.
Микроконтроллер 3 также обменивается информацией по параллельной шине с интеллектуальными устройствами, которые подключены к контроллеру по последовательным шинам CAN, предназначенным для обеспечения поддержки интерфейсов CAN стандарта ISO 11898-2 и RS-485, предназначенным для поддержки физического уровня сигналов стандарта EIA-485, через блоки последовательного интерфейса CAN 15, 16, через блок 5 приемопередатчика CAN-1, CAN-2, и RS-485 14-1, …, 14-4 - через блок 4 приемопередатчика UART, через буфер данных 2 по сигналам управления с блока управления 1.
Собранную с интеллектуальных устройств информацию и события с датчиков ТС 18 микроконтроллер 3 обрабатывает, выполняет привязку к астрономическому времени, считанному с часов реального времени 9, и сохраняет ее в энергонезависимой памяти Compact Flash 7.
Выходные дискретные сигналы выдаются непосредственно микроконтроллером 3 во внешние устройства через блок 19 каналов ТУ, который вырабатывает специальные сигналы телеуправления.
Обмен информацией (команды управления, состояние объекта управления, конфигурация, данные интеллектуальных устройств) контроллера с пунктом управления осуществляется микроконтроллером 3 по интерфейсу Ethernet в соответствии со стандартом IEEE 802.3 через блок 20 соединителя и индикации интерфейса Ethernet. Сетевой адрес контроллера в сети Ethernet задается с помощью переключателя в блоке задания сетевого адреса 8.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ:
1. Патент на полезную модель №61900, опубл. 10.03.2007, кл. МПК G06F 9/00.
2. Патент на полезную модель №83146, опубл. 20.05.2009, кл. МПК G06F 15/16.