СХЕМА ДИСКРЕТНОГО ВХОДА МОДУЛЯ ВВОДА СИГНАЛОВ

Полезная модель относится к технике приема и преобразования дискретных сигналов интерфейса и может быть использовано для проверки работоспособности аппаратной части многофункциональных автоматизированных систем управления технологическими процессами разного типа в стендовых условиях.
Входные цепи известных модулей ввода дискретных сигналов для систем автоматизации строятся на основе оптоэлектронных приборов или электромагнитных механических реле. Оба типа устройств обеспечивают гальваническую изоляцию входа. Они преобразуют выходные дискретные сигналы различных датчиков в стандартные электрические сигналы, совместимые с устройствами конкретной системы сбора и обработки данных. Согласование параметров входных сигналов с рабочими параметрами входных цепей оптронов или реле обеспечивается выбором соответствующих ограничительных резисторов или параметров обмотки реле.
Известны схемы дискретного входа модуля ввода-вывода сигналов для интерфейсов, в которых информационным сигналом является наличие или отсутствие напряжения на паре выходных контактов. Выходные контакты подключают непосредственно к датчику тока или напряжения устройства (см. Энциклопедия АСУ ТП: 6 Контроллеры: 6.3 Устройства ввода-вывода. Режим доступа к ресурсу: http://bookasutp.ru/Chapter6_3_7.aspx - 17.06.2013).
Такие устройства рассчитаны на приём ограниченного диапазона уровней напряжения, среди которых наиболее распространены следующие: постоянное напряжение 24 В или постоянное напряжение 220 В или переменное напряжение 220 В.
Ближайшим аналогом по отношению к заявляемой полезной модели является схема дискретного входа модуля ввода-вывода МК110-220.4ДН.4Р (см. Руководство по эксплуатации «Модуль дискретного ввода/вывода МК110-220.4ДН.4Р», изд. 000 «Овен», М., 2011, с.53, или режим доступа к ресурсу: http://www.owen.ru/uploads/rie_mk110-4dn.4r_906.pdf- 17.06.2013).
Данное устройство принято за прототип
Принципиальная схема дискретного входа модуля ввода МК110-220.4ДН.4Р включает в качестве основных элементов оптрон и токоограничительный резистор, включенный последовательно с входом оптрона.
К недостаткам указанного устройства можно отнести то, что оно не позволяет принимать сигналы интерфейсов с выходным постоянным и переменным напряжением 220 В и сигналы типа «сухой контакт».
Задачей полезной модели является расширение функциональности модуля ввода дискретных сигналов.
Технический результат заключается в обеспечении возможности приема сигналов интерфейсов с выходным постоянным напряжением 24 В, постоянным и переменным напряжением 220 В и сигналов типа «сухой контакт».
Совокупность существенных признаков, достаточная для достижения указанного технического результата и определяющая объем правовой охраны предлагаемой полезной модели, включает оптрон, имеющий первый вход, соединенный с фильтром высокочастотных помех, токоограничительный резистор, выходную цепь, в дополнение к которым для приема сигналов интерфейсов с выходным постоянным напряжением 24 В, постоянным и переменным напряжением 220 В и сигналов типа «сухой контакт» введены первый выпрямительный диод, соединенный катодом с первым выводом токоограничительного резистора, а анодом со вторым входом оптрона; последовательно соединенные между собой второй выпрямительный диод, стабилизатор тока и источник напряжения, причем анод второго выпрямительного диода соединен со вторым выводом токоограничительного резистора, а положительный полюс источника напряжения соединен со вторым входом оптрона и первым выводом четвертого резистора стабилизатора тока.
Вторым отличительным признаком является то, что стабилизатор тока включает в себя полевой транзистор, к стоку которого подключен катод второго выпрямительного диода, к затвору подключены второй вывод четвертого резистора и катод стабилитрона, а к истоку подключен второй вывод третьего резистора, причем первый вывод третьего резистора и анод стабилитрона подключены к отрицательному полюсу источника напряжения.
Третьим отличительным признаком является то, что значение тока стабилизации стабилизатора тока выбирают равным входному рабочему току оптрона, а сопротивление ограничительного резистора выбирают как отношение максимального действующего значения переменного напряжения между первым и вторым входами оптрона к входному рабочему току оптрона.
Четвертым отличительным признаком является то, что напряжение источника напряжения выбирают равным не менее суммы трёх напряжений, первое из которых больше или равно рабочему напряжению на полюсах стабилизатора тока, второе напряжение больше или равно напряжению на первом входе оптрона при входном токе, равном рабочему входному току оптрона, третье напряжение не менее величины, равной произведению рабочего входного тока оптрона на максимальное сопротивление замкнутых контактов, подключаемых к первому входу оптрона для сигналов типа «сухой контакт».
Полезная модель поясняется фиг.
На фиг. изображена принципиальная схема дискретного входа модуля ввода сигналов.
На фиг. обозначено: оптрон 1, состоящий из первого и второго светодиодов 2, 3 и фототранзистора 4; фильтр высокочастотных помех, состоящий из первого резистора 5 и первого конденсатора 6; токоограничительный резистор 7; выходная цепь, состоящая из второго резистора 8 и второго конденсатора 9; первый выпрямительный диод 10; второй выпрямительный диод 11; стабилизатор тока 12, включающий полевой транзистор 13, третий резистор 14, четвертый резистор 15, стабилитрон 16; источник напряжения 17; Вх.1 - первый вход оптрона; Вх.2 - второй вход оптрона; Вых. - выход оптрона.
В качестве оптрона 1 может быть применен прибор типа PS2505-1 (производитель NEC) или аналогичный с двумя параллельно разнополярно включенными светодиодами 2 и 3 во входной цепи и фототранзистором 4 в выходной цепи.
В стабилизаторе тока 12 может быть применен полевой транзистор с максимальным напряжением сток-исток не менее 400 В, максимальной рассеиваемой мощностью не менее 2 Вт (например, IRF820, производитель Vishay). Стабилитрон 16 (например, BZV55-C6V8) стабилизатора тока 12 обеспечивает напряжение стабилизации от 5 до 7 В.
В качестве источника напряжения 17 может быть применен DC/DC преобразователь на выходное напряжение 12 В, дающий выходной ток не менее 12 мА. При использовании в качестве преобразователя элемента AM1S-1212SZ производителя «AIMTEC» обеспечивается гальваническая изоляция не менее 1000 В между входом и выходом DC/DC преобразователя и, таким образом, изоляция входа модуля.
Остальные элементы схемы также являются стандартными изделиями радиоэлектронной аппаратуры отечественного и иностранного производства.
Работа схемы дискретного входа модуля ввода сигналов.
На первый вход схемы Вх.1 и второй вход схемы Вх.2 поступают от датчиков автоматизированных систем управления дискретные сигналы четырёх типов, а именно:
- сигнал переменного напряжения 220 В;
- сигнал постоянного напряжения 220 В;
- сигнал постоянного напряжения 24 В;
- сигнал замкнутого/разомкнутого состояния пары контактов («сухой контакт».)
Сигналы поступают на вход оптрона 1 через фильтр помех, состоящий из первого резистора 5 и первого конденсатора 6, который устраняет высокочастотные помехи. В оптроне 1 сигнал в зависимости от полярности проходит через первый или второй светодиод 2, 3, излучение которого воздействует на базу фототранзистора 4. Сигнал, возникающий в результате срабатывания фототранзистора 4, подается на выход оптрона Вых. через выходную цепь, состоящую из второго резистора 8 и второго конденсатора 9, которая для увеличения помехоустойчивости подсоединяется, как правило, к триггеру Шмидта (на схеме не показан).
Расширение диапазона входных сигналов по уровням напряжения достигается работой стабилизатора тока 12, который дает постоянство входного тока оптрона 1 при положительных потенциалах на первом входе Вх.1, тем самым предохраняя оптрон 1 от повреждения.
Цепь из токоограничительного резистора 7 и первого выпрямительного диода 10 обеспечивает прохождение полуволны переменного напряжения, которая создаёт отрицательное (по отношению к второму входу Вх.2) напряжение на первом входе Вх.1 при приёме сигналов переменного напряжения 220 В. Сопротивление токоограничительного резистора 7 выбирают как отношение максимального действующего значения переменного напряжения между первым входом оптрона Вх.1 и вторым входом оптрона Вх.2 к входному рабочему току оптрона 1. Рабочий ток оптрона равен сумме тока светодиода 2 или 3 и тока, проходящего через резистор 5 оптрона 1, при котором происходит срабатывание модуля ввода-вывода сигналов.
Введение источника напряжения 17 позволяет преобразовывать входные сигналы типа «сухой контакт».
В стабилизаторе тока 12 элементом, регулирующий ток, является полевой транзистор 13, для которого создается стабилизированное входное смещение от источника напряжения 17 благодаря параметрической стабилизации, реализованной резистором 15 и стабилитроном 16. Третий резистор 14 определяет ток стабилизатора тока 12. Его значение выбирается таким, чтобы ток стабилизатора тока 12 был равен рабочему току оптрона 1.
Для корректной работы устройства напряжение источника напряжения 17 выбирают равным не менее суммы трёх напряжений, первое из которых больше или равно рабочему напряжению на полюсах стабилизатора тока 12, второе напряжение больше или равно напряжению на первом входе оптрона Вх.1 при входном токе, равном рабочему входному току оптрона 1, третье напряжение должно составлять не менее величины, равной произведению рабочего входного тока оптрона 1 на максимальное сопротивление замкнутых контактов, подключаемых к первому входу оптрона Вх.1 для сигналов типа «сухой контакт».
В ОАО «Центр технической диагностики» при тестировании автоматизированной системы управления технологическими процессами и оборудованием её подключают к модели управления магистрального трубопровода. Для увеличения числа типов линий связи, которыми испытываемая автоматизированная система подключается к интерфейсным входам испытательного оборудования, модули ввода должны быть универсальными. С помощью данной полезной модели различные типы выходов тестируемой системы могут быть подключены к одному типу входов модулей ввода испытательного оборудования. Заявляемая схема дискретного входа в модулях ввода сигналов, обладая требуемой универсальностью, может заменить не менее трёх разнотипных устройств.
Опытный образец модуля ввода дискретных сигналов с разработанной схемой дискретного входа показал работоспособность изделия.
Предлагаемая полезная модель обеспечивает расширенную функциональность модуля ввода дискретных сигналов и обеспечивает возможность приема сигналов интерфейсов с выходным постоянным напряжением 24 В, постоянным и переменным напряжением 220 В и сигналов типа «сухой контакт».