УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОБРЫВА ИЛИ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ ДВУХПРОВОДНОЙ ЛИНИИ

Настоящая полезная модель относится к контрольно-измерительной технике и может быть использована при создании устройств для контроля исправности электрических цепей в автоматизированных системах управления технологическим процессом.
Большинство устройств, которые сейчас представлены на рынке, требуют установки дополнительных элементов на линии контроля.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является устройство для контроля и короткого замыкания в цепи с электромагнитной нагрузкой (SU 957132, опубл. 07.09.1982), содержащее датчик контрольных сигналов, первый вывод которого соединен через диод и контролируемую цепь со вторым выводом, и параллельно соединенные индикатор, и конденсатор, транзистор и источник питания, соединенный первым выводом со вторым выводом задатчика контрольных сигналов и эмиттером транзистора, вторым выводом индикатора, второй вывод которого соединен с коллектором транзистора, соединенного базой через диод с первым входом задатчика контрольных сигналов. Данное устройство предназначено для контроля цепи на короткое замыкание и на обрыв, но применимо только в отношении электромагнитной нагрузки, работающей в цепях постоянного тока. Предлагаемое устройство может использоваться с различными типами нагрузки в цепях постоянного и переменного тока.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является разработка устройства, которое контролирует оба параметра и короткое замыкание, и обрыв одновременно, при этом может работать как на переменном токе, так и на постоянном токе.
Данная задача решается за счет того, что заявленное устройство определения обрыва или короткого замыкания двухпроводной линии включает два последовательно соединенных источника тока с измерительными шунтами, включенных в диагональ выпрямителя, световой индикатор состояния устройства, микроконтроллер с микропроцессором, три клеммы для подключения устройства к контролируемой цепи, при этом первые две клеммы выполнены с возможностью подключения параллельно клеммам контактора включения полезной нагрузки, и одна клемма выполнена с возможностью подключения к общему проводу нагрузки, измерительные шунты установлены после источников тока, при этом сигналы с них поступают на аналого-цифровой преобразователь микропроцессора, оцифровывающий сигнал с них и анализирующий по заданному алгоритму состояние цепи.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является расширение арсенала технических средств для контроля обрыва и короткого замыкания двухпроводной линии.
Заявленное устройство предназначено для контроля на обрыв и короткое замыкание двухпроводной линии управления объектом. Данное устройство позволяет контролировать электрическую цепь с объектом управления, который управляется удаленно подачей на него напряжения для включения, путем определения нахождения цепи в режиме короткого замыкания или обрыва.
Устройство определения обрыва или короткого замыкания может применяться в составе пожарных систем, находящихся в дежурном режиме, таких как световые таблички оповещения, устройства пожаротушения, звуковые оповещатели и т.п. При этом данное оборудование включается при возникновении нештатной ситуации, например, пожара или оповещения персонала о возникновении таких ситуаций, и может не эксплуатироваться годами, при этом важно знать, что линия управления включения этого устройства находится в исправном состоянии, т.е. нет обрыва и короткого замыкания. Управление данными устройствами происходит путем подачи на них напряжения через выключатель, в качестве выключателя могут выступать или контакты реле или ручной выключатель, к примеру кнопка оповещения о пожаре, которая включает звуковой оповещатель о возникновении нештатной ситуации.
Принцип работы устройства определения обрыва или короткого замыкания основан на работе двух последовательно соединённых источников тока с разными выходными значениями по рабочему току.
Предлагаемое устройство подключается параллельно контактам, которые включают объект управления.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых изображено:
на фиг.1 - схема управления объектом,
на фиг.2 – схема подключения устройства к двухпроводной линии,
на фиг.3 - блок схема узлов устройства определения обрыва или короткого замыкания,
на фиг. 4 - блок-схема работы устройства определения обрыва или короткого замыкания,
где:
1 – источник напряжения
2 – реле управления объектом
3 – объект управления
4 – устройство определения обрыва или короткого замыкания
5 – контактор включения полезной нагрузки
6 – полезная нагрузка
7 – клемма от источника питания
8 – источник тока
9 – измерительный шунт
10 – клемма от полезной нагрузки
11 – источник тока
12 – измерительный шунт
13 – клемма к общему проводу
14 – клеммы светового индикатора состояния устройства.
Устройство определения обрыва или короткого замыкания двухпроводной линии состоит из двух последовательно соединенных источников тока, двух измерительных шунтов, светового индикатора состояния устройства (сигнализатора), управляемого микроконтроллером с микропроцессором, подключенного к измерительным шунтам и клемм для включения устройства в систему (двухпроводную линию).
Последовательно соединенные источники тока являются идентичными узлами. Принцип их действия заключается в регулировании заданной величины тока через нагрузку вне зависимости от величины сопротивления нагрузки источника тока.
Сигналы с измерительных шунтов анализируются микропроцессором, который в свою очередь управляет световым индикатором состояния устройства. В качестве измерительного шунта могут использоваться элементы (сопротивление, опто-пары и т.п.), преобразующие протекающий ток в напряжение для регистрации физической величины протекающего тока с помощью микроконтроллера.
Микропроцессор отображает состояние контролируемой цепи посредством светодиода для визуального контроля и также выдает его через световой индикатор состояния устройства на клеммы, к которым подключена автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУ ТП). Для обеспечения работоспособности микропроцессора устройство запитывается от внешнего источника постоянного напряжения. В качестве светового индикатора состояния устройства могут использоваться различные стандартные интерфейсы для интеграции устройства с АСУ ТП, такие как токовая петля, последовательный интерфейс связи или сухой контакт.
Заявленное устройство контролирует оба параметра и короткое замыкание, и обрыв одновременно. Для того, чтобы устройство работало на переменном токе, в него встроен выпрямитель, который не оказывает никакого влияния на работу устройства в сетях постоянного тока и осуществляет выпрямление переменного напряжения в сетях переменного тока.
Схема системы управления объектом состоит из источника напряжения 1, реле управления 2, которое подает напряжение на объект управления 3 и устройство определения обрыва или короткого замыкания 4. Источник напряжения 1 имеет два полюса, в зависимости от типа источника переменного напряжения или постоянного - характеристики этих полюсов будут разные. При этом один полюс источника активный (фаза или плюс), а второй общий (минус или нейтраль). Активный полюс источника напряжения 1 заведен на реле управления 2 и на устройство определения обрыва или короткого замыкания 4, а выход реле управления 2 подсоединен к объекту управления 3 и к измерительному входу устройства определения обрыва или короткого замыкания 4. Общий провод подсоединен к объекту управления 3 и устройству определения обрыва или короткого замыкания 4. Устройство определения обрыва или короткого замыкания 4 имеет выход, который сигнализирует о том, что линия от реле управления 2 до объекта управления 3 цела и не находится в обрыве или в режиме короткого замыкания. Сигнал устройства 4 может быть проанализирован автоматикой управления, который выдаст сигнал оператору на неисправность.
Заявляемое устройство подключается параллельно контактам реле и параллельно полезной нагрузке. На фиг.2 представлена схема подключения устройства в систему. Источник напряжения 1 подключен к полезной нагрузке 6 через контактор (выключатель) 5 этой полезной нагрузки. Источник напряжения 1 имеет два контакта: один общий, второй разрывается контактами выключателя. Таким образом, для включения полезной нагрузки 6 нужно замкнуть контактор 5. Устройство 4 имеет три клеммы включения ее в систему для осуществления контроля. Первые две клеммы подключаются параллельно клеммам контактора 5, и одна клемма устройства 4 подключается к общему проводу. Таким образом, устройство 4 для интеграции в систему не предъявляет самой системе каких-либо требований и интегрируется достаточно просто.
На фиг. 3 представлена блок схема узлов устройства определения обрыва или короткого замыкания. К клемме 7 подсоединяется контакт реле со стороны источника напряжения 1, к клемме 10 подсоединяется контакт реле со стороны полезной нагрузки 6, к клемме 13 присоединяется общий провод источника напряжения 1, а на клемму 14 выдается сигнал исправности линии управления. Напряжение с клеммы 7 попадает на узел устройства 8, который задает ток J1 определенной величины. Ток J1 течет через измерительный шунт 9, сигнал с которого попадает на аналого-цифровой преобразователь микроконтроллера, далее ток J1 разделяется: часть его течет на клемму 10, а часть течет через узел устройства 11. Узел 11 задает определенный ток J2, который течет через измерительный шунт 12 и далее через клемму 13 стекает в общий провод. Сигнал с измерительного шунта 12 попадает на микроконтроллер 15, где анализируется. Микроконтроллер 15 замеряет протекание токов J2 и J1 для анализа целостности линии полезной нагрузки и выдает сигнал о ее целостности или повреждении на клеммы 14.
Основной принцип работы устройства показан на примере на фиг.4.
На источник тока 8 от источника напряжения 1 поступает напряжение. Источник тока 8 ограничивает величину тока до значения J1. Этот ток протекает через шунт измерительный 9. Согласно закону Кирхгофа часть тока (J3) потечет через объект управления 3 и через источник тока 11 и шунт измерительный 12, который ограничивает ее величину до J2. Соотношение J2 и J1 примерно как J2=10*J1, т.е. ток источника J2 в десять раз меньше чем J1. Полное уравнение токов в узле можно записать J1-J2-J3=0. Принцип работы заключается в регистрации величины или наличия тока, протекающего через элементы измерительных шунтов 9 и 12.
В случае обрыва, т.е. когда объект управления 3 отсутствует, уравнение с токами примет вид J3=0 и J2-J1=0, т.е. J1= J2, следовательно, когда оба протекающих тока равны - это обозначает обрыв.
В случае короткого замыкания сопротивление объекта управления 3 стремится к нулю, при этом весь ток J1 течет через короткозамкнутую цепь по пути J3, а ток через измерительный шунт 12 будет равен нулю. Таким образом, признаком короткого замыкания являются значения J2=0 и J1≠0.
Сигналы с измерительных шунтов 9 и 12 поступают на микроконтроллер 15, который анализирует их и выдает управляющий сигнал об исправности или аварийном режиме цепи. Т.к. при подключенном устройстве 4 через объект управления 3 течет ток J3, то значение этого тока должно быть несоизмеримо мало по сравнению с током, достаточным для срабатывания объекта управления. Например, в существующей модели ток J1 ограничен 500мкА, тогда ток J2 =50 мкА, следовательно, через объект управления течет 450мкА, что несоизмеримо мало для срабатывания и безопасно для человека.
Соотношение токов J1 и J2 выбрано так, что при обрыве источник тока 11 не дает развить источнику тока 8 его рабочий ток J1, т.к. ограничивает протекающий ток значением в десять раз меньше, что однозначно позволяет микропроцессору определить обрыв при изменении сигнала в 10 раз. В свою очередь ток J2 настолько мал, что позволяет регистрировать присутствие объекта управления 3 с достаточно широким внутренним сопротивлением.
Таким образом, данное устройство позволяет обрыв или короткое замыкание в двухпроводной линии, при этом может работать как при постоянном, так и при переменном токе.
Устройство выполнено на печатной плате и заключено в корпус для стандартного крепления на DIN рейку.