Блок автоматики
AUTOMATION UNIT

Заявленное изобретение относится к области автоматизации различных производственных и технологических процессов, таких как управление системами приточной вентиляции, водоподготовки, теплоснабжения, электроснабжения и т.п.
2
2
Из патента на полезную модель РФ №149346 (опубл. 27.12.2014) известен шкаф базовый для автоматизации управления технологическим оборудованием электростанций, который состоит из двух крейтов для установки источника питания с напряжением на выходе 15 В, содержащего блок мгновенного отключения для защиты от уменьшения выходного напряжения и разделительные диоды, установленные на выходе каждого канала этого источника, блок контроля изоляции и наличия напряжения и предохранителей. При этом шкаф снабжен дублированной локальной сетью, блоком температурного контроля и виброустойчивыми клеммниками WAGO для внутренней и внешней коммутации с подключением жил кабелей и проводов сечением от 0,03 мм до 2,5 мм «под зажим», а жилы ленточного кабеля подключены к контактам плоского соединителя прокалыванием изоляции.
Из патента на полезную модель РФ №149352 известен шкаф базовый для автоматизации управления технологическим оборудованием электростанций, который содержит два крейта для установки источника питания, блок контроля изоляции и наличия напряжения, и блок предохранителей, а также содержит блок автоматического включения резервного механизма с двумя резервирующими друг друга микроконтроллерами чтения и предварительной обработки входных сигналов, формирования информационных сообщений и выработки выходных сигналов. Блоки автоматического включения объединены по входу и выходу для реализации функции диагностирования узлов блока и контроля входных и выходных цепей. При этом микроконтроллеры объединены в блоке в дублирующую локальную сеть, а шкаф снабжен виброустойчивыми клеммниками для внутренней и внешней коммутации.
Заявленное техническое решение заключается в разработке блока автоматики, который является многофункциональным электронным устройством, адаптируемым под требования системы автоматизации и обеспечивающим повышенную надежность и удобство эксплуатации.
Блок представляет из себя набор различных электронных устройств (устройство управление (УУ), блок питания (БП), аккумуляторная батарея (АБ) и т.п.) и контроллера, обеспечивающих контроль, диагностику и управление объектом автоматизации и размещенных в едином корпусе. Блок предназначен для построения на его базе систем автоматизации различных технологических и производственных процессов, при этом блок осуществляет измерение параметров и управление объектом автоматизации, отображение состояния объекта автоматизации, диагностической информации, архивацию, протоколирование и передачу информации во внешнее устройство с помощью различных интерфейсов (Ethernet, GSM, RS-485).
Основные технические характеристики:
Схема блока управления приведена на фиг. 1.
На схеме обозначены:
1, 2 - блок питания (одиночный или дублирующий);
3 - аккумуляторная батарея;
4 - органы управления и индикации;
5 - клеммы;
6 - контроллер «МК-Магнит»;
7, 9 - устройство управления (одиночное или дублирующее);
8 - модуль Ethernet switch;
10, 12 - монитор и клавиатура;
11 – модем.
Блок автоматизации включает:
1. Блок питания (одиночный или дублированный) (поз. 1, 2 фиг. 1), формирующий напряжение +5 В и обеспечивающий ток нагрузки, достаточный для питания всех модулей контроллера и УУ.
Блок питания должен иметь регулируемый выход и обеспечивать возможность установки выходного напряжения в диапазоне +5.1…5.25 В. Блок питания должен иметь выход типа «сухой контакт», сигнализирующий о нормальной работе блока.
2. Аккумуляторную батарею (поз. 3 фиг. 1), обеспечивающую бесперебойную работу контроллера и УУ при пропадании напряжения на выходе блока питания. В качестве АБ рекомендуется использовать 4 NiMh аккумулятора, соединенных последовательно. Емкость аккумуляторов подбирается с учетом времени автономной работы блока и тока потребления модулей контроллера и УУ.
3. Устройство управления (одиночное или дублированное) (поз. 7, 9 фиг. 1), реализующее управление работой функциональных модулей контроллера. В качестве устройства управления может выступать любой одноплатный компьютер, например Raspberry Pi-3, с установленным ПО для осуществления управления контроллером и объектом автоматизации.
4. Контроллер в конфигурации, обеспечивающей требуемый уровень автоматизации (поз. 6 фиг. 1).
5. Модуль Ethernet switch (поз. 8 фиг. 1), обеспечивающий обмен информацией между каналами УУ, а также передачу информации в модем (поз. 11 фиг. 1) или внешнее устройство управления.
6. При необходимости передавать информацию в удаленный диспетчерский пульт, блок может комплектоваться модемом с необходимым интерфейсом передачи данных.
7. Органы управления и индикации (поз. 4 фиг. 1). В качестве органов управления используются световые индикаторы и тумблеры, сигнализирующие о состоянии блока и позволяющие осуществлять управление основными режимами работы блока.
8. Монитор и клавиатуры (поз. 10, 12 фиг. 1), обеспечивающие настройку и отображения режимов работы ПО и ввод необходимых уставок.
Конструктивно блок выполнен в виде настенного шкафа, внутри которого размещены электронные модули и блоки, установленные на DIN-рейку, а также внутреннюю и лицевую панели. На двух (торцевых) стенках блока расположены съемные крышки, обеспечивающие доступ к клеммным колодкам (поз. 5 фиг. 1), для подключения цепей контроля и управления от объекта автоматизации, а также сетей питания блока.
Выходное напряжение с БП1 (БП2) поступает на вход контроллера. Рекомендуется установить выходное напряжение БП в диапазоне +5.1…5.25 В, т.к. в модуле питания контроллера происходит падение напряжения ~0.2 В на цепях формирования внутренней шины питания контроллера. Сформированное модулем питания напряжение поступает в модули контроллера, а также в устройства управления (УУ), формирующие команды управления функциональными модулями контроллера, необходимые для обеспечения управления объектом автоматизации.
На лицевой панели блока размещаются индикаторы, отображающие диагностическую и функциональную информацию, а также тумблеры, позволяющие установить требуемый режим работы блока.
Для проведения настроек процесса автоматизации, выбора режимов работы, а также ввода уставок используются монитор и клавиатура, подключенные к каждому каналу УУ. В качестве альтернативы в составе блока может применяться монитор с «тачскрином» или планшетный компьютер.
При необходимости управлять работой блока дистанционно (это может быть удобно при наладке объекта управления или для бесконтактного скачивания архива работы) блок комплектуется внешним пультом управления (ВПУ), выполненным на базе планшетного компьютера. В этом случае обмен и синхронизация информации между УУ и ВПУ осуществляется по Wi-Fi.
Данная конфигурация блока, а также примененные в нем технические решения, обеспечивают достижение ряда существенных отличительных особенностей блока автоматики, повышающих надежность и обеспечивающих удобство эксплуатации:
1. В блоке реализовано резервирование системы электропитания, при этом:
- БП выполнен в дублированном исполнении и может работать как от одиночной, так и от дублированной сети;
- выход из строя одного из БП или пропадание питания одной сети 220 В 50 Гц не приводит к отказу блока;
- информация о функционировании каждого БП поступает в контроллер и далее в УУ;
- в случае выхода из строя БП на лицевой панели блока загорается индикатор «Авария» и отправляется сообщение во внешнее устройство управления или пульт диспетчеризации.
2. В блоке установлен внутренний источник бесперебойного питания со встроенной диагностикой, при этом:
- в состав блока входит АБ, автоматически подзаряжаемая контроллером от БП;
- при пропадании входной сети или выхода из строя БП, блок продолжает работать в течение заданного времени на АБ, а контроллер осуществляет автоматическую проверку оставшегося заряда АБ и формирует сообщение для УУ при достижении низкого уровня.
3. В блоке реализовано резервирование устройств управления (УУ), при этом:
- управление работой контроллера осуществляет только один канал УУ, а второй находится в «горячем резерве»;
- каналы УУ осуществляют непрерывную взаимную диагностику;
- при отказе основного канала, резервный канал осуществляет перезагрузку основного и берет управление на себя;
- в случае, если перезагрузка отказавшего канала не привела к восстановлению его работоспособности, оставшийся канал включает индикатор «Авария» и отправляет сообщение об ошибке во внешнее устройство.
4. Возможность применения в качестве монитора съемного планшетного компьютера, либо - комплектование блока внешним пультом управления ВПУ, позволяют осуществлять дистанционный контроль технологических процессов и управление технологическим оборудованием, а также бесконтактное скачивание архива работы блока по Wi-Fi.
5. Применяемый модульный контроллер состоит из набора служебных и функциональных модулей, обеспечивающих контроль, диагностику и управление объектом автоматизации, при этом на боковых стенках каждого функционального модуля, установленного на DIN-рейку, расположены по два контакта - одного магнитного и одного стального, передающих напряжение питания от модуля к модулю, а также пары оптических элементов - приемника-излучателя, служащих для обмена сигналами между модулями ввода-вывода посредством оптического интерфейса, работающего в инфракрасном диапазоне, что в совокупности с другими решениями, примененными в модульном контроллере, позволило добиться дополнительных технических преимуществ заявленного блока автоматики:
- сокращения количества цепей (проводов), подключаемых к клеммным колодкам модулей;
- уменьшения количества монтажных проводов в блоке;
- сокращения времени замены модулей в контроллере за счет отсутствия необходимости отключения проводников и демонтажа соседних модулей;
- контроля срабатывания реле, выдающих команду, путем осуществления контроля вторых групп контактов реле;
- обеспечения дополнительной гальванической развязки по цепям обмена данными.