КОНТРОЛЛЕР ДИАГНОСТИРОВАНИЯ N ВТОРИЧНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ
CONTROLLER FOR DIAGNOSTICS OF N SECONDARY POWER SUPPLY SOURCES

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности к измерению и контролю параметров в автоматике, и может быть использовано для автоматизированного контроля и диагностирования групп вторичных источников питания систем автоматического управления, контроля и регулирования в энергетике, газовой, нефтехимической, атомной промышленности.
Известно программируемое устройство допускового контроля, в котором использован метод последовательного опроса n напряжений по нахождению их значений в заданном допуске с выдачей сигнала о направлении выхода сигнала за допуск (А.с. СССР №1620950, G01R 19/165, 1991 г.).
Недостатками устройства являются большое число элементов, снижающих надежность устройства, и отсутствие контроля переменной составляющей измеряемых напряжений.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков является контроллер диагностики и защиты электроустановок, содержащий электронный блок, включающий блоки гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде тока и напряжения, аналого-цифровой преобразователь, микропроцессор, генератор тактовой частоты, делитель частоты, интерфейс, исполнительное реле, кнопку "Деблокировка", индикатор, блок энергонезависимой памяти и энергонезависимые часы, при этом выходы блока гальванической развязки и предварительного масштабирования соединены с входами аналого-цифрового преобразователя, выполненного с возможностью одновременной обработки, по меньшей мере, шести входных сигналов, выход аналого-цифрового преобразователя соединен с программируемым входом микропроцессора, который производит необходимые вычисления для сравнения с заданными предельными величинами по току, напряжению, температуре и принимает решение о нормальной или аварийной ситуации контролируемой установки и к входам/выходам которого присоединены блок энергонезависимой памяти, обеспечивающий хранение и запись рабочих уставок, статистику аварий, вход/выход энергонезависимых часов, вход/выход интерфейса, выход генератора тактовой частоты, второй выход которого соединен с аналого-цифровым преобразователем через делитель частоты, кроме того, выход микропроцессора соединен с входами исполнительного реле и индикатора, а один из его входов соединен с кнопкой "Деблокировка", при этом пульт управления и программирования соединен через интерфейс с микропроцессором электронного блока и содержит микропроцессор, через который вводятся данные о режимах и предельных значениях контролируемых величин и выводится информация о текущих значениях тока и напряжения, генератор тактовой частоты, индикатор и кнопочную панель, причем выходы кнопочной панели и генератора тактовой частоты соединены с входами микропроцессора, выход которого соединен с входом индикатора, при этом блок гальванической развязки и предварительного масштабирования выполнен с возможностью сохранения линейной характеристики во всем диапазоне измеряемых величин, индикатор пульта управления может быть выполнен на жидких кристаллах, а само устройство снабжено блоком питания (Патент РФ №2256993, Н02Н 7/26, 7/09; опубликовано 20.07.2005 г. в бюл. №20).
Недостатками данного контроллера являются большая длительность измерения канала и малое число измеряемых каналов.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности измерения и контроля параметров выходных напряжений n вторичных источников питания, повышение достоверности обнаружения неисправного вторичного источника питания, сокращение времени локализации неисправного вторичного источника питания, расширение функциональных возможностей.
Для достижения поставленной задачи контроллер диагностирования, содержащий электронный блок, включающий узел предварительного масштабирования входных сигналов в виде напряжения, аналого-цифровой преобразователь, микропроцессор, блок энергонезависимой памяти, генератор тактовой частоты, делитель частоты, интерфейс, исполнительное реле, кнопку, индикатор, причем узел предварительного масштабирования выполнен с возможностью сохранения линейной характеристики во всем диапазоне измеряемых величин, а сам электронный блок снабжен источником питания, отличается тем, что в узел предварительного масштабирования электронного блока введены n делителей напряжения и параллельно им n ограничителей напряжения, n помехоподавляющих фильтров, где n - меньше или равно восьми, в электронный блок введен микроконтроллер, включающий аналого-цифровой преобразователь, микропроцессор, блок энергонезависимой памяти, генератор тактовой частоты, делитель частоты, интерфейс, при этом n выходов узла предварительного масштабирования соединены с n входами аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с одним из входов микропроцессора, входы/выходы которого соединены с входами/выходами блока энергонезависимой памяти, входом/выходом интерфейса, второй его вход соединен с одним из выходов генератора тактовой частоты, второй выход которого через делитель частоты соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, а вход/выход генератора тактовой частоты соединен с кварцевым резонатором, третий вход микропроцессора соединен с выходом кнопки контроля, причем один из выходов микропроцессора через электронный ключ соединен с исполнительным реле, второй выход - с входом звукового излучателя, третий, четвертый, пятый и шестой выходы соединены с входами единичных индикаторов "Р", "В", "Н" и "П" соответственно, а выходы с седьмого по четырнадцатый включительно соединены с входами цифрового индикатора, при этом входы/выходы блока энергонезависимой памяти соединены с входами/выходами разъема программирования, а выход источника питания - с одним из входов микроконтроллера, исполнительного реле, звукового излучателя, единичных индикаторов "Р", "В", "Н", "П" и цифрового индикатора.
Введение в узел предварительного масштабирования электронного блока n делителей напряжения и параллельно им n ограничителей напряжения, n помехоподавляющих фильтров, где n - меньше или равно восьми, введение в электронный блок микроконтроллера, включающего аналого-цифровой преобразователь, микропроцессор, блок энергонезависимой памяти, генератор тактовой частоты, делитель частоты, интерфейс, соединение n выходов узла предварительного масштабирования с n входами аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с одним из входов микропроцессора, входы/выходы которого соединены с входами/выходами блока энергонезависимой памяти, входом/выходом интерфейса, соединение его второго входа с одним из выходов генератора тактовой частоты, соединение второго выхода генератора тактовой частоты через делитель частоты с входом аналого-цифрового преобразователя, соединение входа/ выхода генератора тактовой частоты с кварцевым резонатором, соединение третьего входа микропроцессора с выходом кнопки контроля, соединение одного из выходов микропроцессора через электронный ключ с исполнительным реле, соединение второго выхода - с входом звукового излучателя, соединение третьего, четвертого, пятого и шестого выходов с входами единичных индикаторов "Р", "В", "Н" и "П" соответственно, соединение выходов с седьмого по четырнадцатый включительно с входами цифрового индикатора, соединение входов/ выходов блока энергонезависимой памяти с входами/выходами разъема программирования, соединение выхода источника питания с одним из входов микроконтроллера, исполнительного реле, звукового излучателя, единичных индикаторов "Р", "В", "Н", "П" и цифрового индикатора - позволяют повысить точность измерения и контроля параметров выходных напряжений n вторичных источников питания, повысить достоверность обнаружения неисправного вторичного источника питания, сократить время локализации неисправного вторичного источника питания и, кроме того, позволяют расширить функциональные возможности контроллера.
На фиг.1 приведена структурная схема контроллера диагностирования, на фиг.2 - блок-схема алгоритма функционирования контроллера.
Контроллер диагностирования содержит электронный блок 1, включающий узел предварительного масштабирования 2 входных сигналов в виде напряжения, аналого-цифровой преобразователь 3, микропроцессор 4, блок энергонезависимой памяти 5, генератор тактовой частоты 5, делитель частоты 7, интерфейс 8, исполнительное реле 9, кнопку контроля 10, индикатор 11, причем узел предварительного масштабирования 2 выполнен с возможностью сохранения линейной характеристики во всем диапазоне измеряемых величин, электронный блок 1 снабжен источником питания 12 (на чертеже не подключен). В узел предварительного масштабирования 2 электронного блока 1 введены n делителей напряжения 13.1…13.n и параллельно им n ограничителей напряжения 14.1…14.n, n помехоподавляющих фильтров 15.1…15.n, где n - меньше или равно восьми, в электронный блок 1 введен микроконтроллер 16, включающий аналого-цифровой преобразователь 3, микропроцессор 4, блок энергонезависимой памяти 5, генератор тактовой частоты 6, делитель частоты 7, интерфейс 8, при этом n выходов узла предварительного масштабирования 2 соединены с n входами аналого-цифрового преобразователя 3, выход которого соединен с одним из входов микропроцессора 4, входы/выходы которого соединены с входами/выходами блока энергонезависимой памяти 5, входом/выходом интерфейса 8, второй его вход соединен с одним из выходов генератора тактовой частоты 6, второй выход которого через делитель частоты 7 соединен с входом аналого-цифрового преобразователя 3, а вход/выход генератора тактовой частоты 6 соединен с кварцевым резонатором 17, третий вход микропроцессора 4 соединен с выходом кнопки контроля 10, причем один из выходов микропроцессора 4 через электронный ключ 18 соединен с исполнительным реле 9, второй выход - с входом звукового излучателя 19, третий, четвертый, пятый и шестой выходы соединены с входами единичных индикаторов: индикатора 11 "Р" ("Работа"), индикатора 20 "В" ("Выше верхнего предельно допустимого уровня"), индикатора 21 "Н" ("Ниже нижнего предельно допустимого уровня"), индикатора 22 "П" ("Размах пульсаций больше предельно допустимого значения") соответственно, а выходы с седьмого по четырнадцатый включительно соединены с входами цифрового индикатора 23, при этом входы/выходы блока энергонезависимой памяти 5 соединены с входами/выходами разъема программирования 24, выход источника питания 12 соединен с одним из входов микроконтроллера 16, исполнительного реле 9, звукового излучателя 19, единичных индикаторов 11, 20, 21, 22, цифрового индикатора 23 (на чертеже эти связи не показаны).
Блок-схема алгоритма функционирования контроллера (фиг.2) содержит следующие обозначения:
1 - выполнить инициализацию микроконтроллера;
2 - выполнить тестирование контроллера;
3 - установить единицу в счетчике номера канала, i=1;
4 - обнулить счетчик циклов измерения напряжения, j=0;
5 - проверить состояние кнопки контроля работоспособности (нажата - не нажата);
6 - включить режим контроля работоспособности контроллера;
7 - выполнить аналого-цифровое преобразование напряжения i-го канала;
8 - вычислить коды Cmax, Cmj и Cmin;
9 - сравнить содержимое счетчика циклов измерения напряжения с предельным значением j=128;
10 - увеличить на единицу содержимое счетчика циклов измерения напряжения, j=j+1;
11 - сравнить код Cmj с кодами Kmax и Kmin, разницу кодов (Cmax-Cmin) с кодом Крр;
12 - неисправность обнаружена?;
13 - включить режим обнаружения неисправности '"В" ("Н", "П");
14 - сравнить содержимое счетчика номера канала с предельным значением i=8;
15 - увеличить на единицу содержимое счетчика номера канала, i=i+1.
Предлагаемый контроллер диагностирования работает следующим образом. Функциональные возможности контроллера определяются загруженной в микроконтроллер программой.
При подаче на контроллер напряжения питания в течение пяти секунд выполняется его тестирование с формированием микропроцессором 4 управляющих сигналов на электронный ключ 18, включающий исполнительное реле 9, которое формирует сигнал неисправности во внешнее устройство, на звуковой излучатель 19, вырабатывающий тональный звуковой сигнал, единичные индикаторы 11, 20, 21, 22, цифровой индикатор 23, высвечивающий цифру "8", по окончании которого контроллер переводится или в режим поиска неисправного вторичного источника питания (при наличии на входах 1…n напряжений, уровни которых не выходят за пороговые значения, и при отсутствии сигнала от кнопки контроля 10), или в режим контроля работоспособности контроллера (при нажатии кнопки контроля 10), или в режим обнаружения неисправного вторичного источника питания (при наличии на любом из входов 1…n напряжения, уровень которого выходит за пороговое значение).
Поиск и обнаружение неисправного вторичного источника питания производится путем:
- циклического последовательного опроса напряжений на входах 1…n;
- нормализации-приведения с помощью делителей напряжения 13.1…13.n уровней входных напряжений к необходимым уровням для преобразования в цифровые коды;
- преобразований в аналого-цифровом преобразователе 3 уровней нормализованного напряжения i-го канала в цифровые коды и вычислений в микропроцессоре 4 кодов уровней напряжения: максимального Cmax, усредненного Cmj и минимального Cmin - в течение 128 циклов;
min
- сравнения кода усредненного уровня напряжения Cmj с кодами максимального уровня напряжения Kmax и минимального уровня напряжения К, разницы кодов (Cmax-Cmin) с кодом предельного значения размаха пульсаций Крр;
- перехода по результатам сравнения в одно из двух состояний:
в режим обнаружения неисправного вторичного источника питания при возникновении одного из трех событий:
Cmj≥Kmax,
min
Cmj≤K,
(Cmax-Cmin)≥Крр;
сравнения содержимого счетчика номера канала с предельным значением i=8.
При обнаружении неисправного вторичного источника питания микропроцессор 4 вырабатывает управляющие сигналы на электронный ключ 18, включающий исполнительное реле 9, который формирует сигнал неисправности во внешнее устройство, на звуковой излучатель 19, вырабатывающий прерывистый звуковой сигнал, на один из трех единичных индикаторов в зависимости от типа события:
при Cmj≥Kmax высвечивается единичный индикатор 20 "В",
min
при Cmj≤K высвечивается единичный индикатор 21 "Н",
при (Cmax-Cmin)≥Крр высвечивается единичный индикатор 22 "П"
(при возникновении любого из событий единичный индикатор "Р" гаснет)
и на цифровой индикатор 23, высвечивающий цифру, соответствующую номеру текущего i-го канала (от одного до восьми).
При отсутствии события обнаружения неисправного вторичного источника питания содержимое счетчика номера канала сравнивается с предельным значением i=8 и по результату сравнения контроллер переходит или к измерению напряжения следующего канала, или цикл измерения начинается с первого канала.
Повышение точности измерения и контроля параметров выходных напряжений n вторичных источников питания достигается:
- точным преобразованием прецизионными резистивными делителями напряжения 13.1…13.n уровней входных напряжений в уровни нормализованных напряжений;
- защитой с помощью ограничителей напряжения 14.1…14.n аналого-цифрового преобразователя 3 от недопустимых уровней напряжения;
- уменьшением помехоподавляющими фильтрами 15.1…15.n уровней высокочастотных импульсов, поступающих в контроллер с входными напряжениями;
- точным преобразованием в аналого-цифровом преобразователе 3 уровней нормализованных напряжений в десятиразрядные цифровые коды, их точной обработкой в микропроцессоре 4.
Достоверность обнаружения неисправного вторичного источника питания определяется многократными аналого-цифровыми преобразованиями напряжения i-го канала (128 выборок) и вычислением кода усредненного уровня и кодов предельных уровней, в результате чего формируется верная информация об уровне напряжения и величине размаха пульсаций и исключается ложное срабатывание контроллера.
Сокращение времени локализации неисправного вторичного источника питания достигается:
- высокоскоростными операциями в микропроцессоре 4;
- оперативным формированием сигнала неисправности от исполнительного реле 9;
- индикацией на цифровом индикаторе 23 номера канала неисправного вторичного источника питания;
- звуковой сигнализацией от звукового излучателя 19.
Проверка работоспособности контроллера осуществляется автоматически после подачи питания или нажатием кнопки контроля работоспособности.
На дожимной компрессорной станции газоконденсатного промысла устройство прошло испытания в виде многоканального контроллера диагностирования блоков питания (три канала по 5В, один канал - 12 В и четыре канала по 27 В) устройства логической обработки информации (УЛОИ) установки автоматизации газоперекачивающего агрегата, представляющего собой контрольно-диагностическое программно-аппаратное устройство раннего предупреждения аварийных ситуаций и повышающего надежность установки за счет высокой точности и достоверности измерения и контроля параметров выходных напряжений блоков питания, локализации неисправного блока питания и оперативного оповещения персонала компрессорной станции об ухудшении технического состояния системы питания УЛОИ, предотвращая и исключая тем самым возникновение и развитие нештатных ситуаций (неявные и трудноопределяемые сбои и отказы аппаратуры УЛОИ), приводящих к аварийному останову газоперекачивающего агрегата, влекущему большие экономические и экологические потери.
Промышленные испытания контроллера показали, что погрешность измерения постоянной составляющей напряжений не превышает ±0,5%, погрешность измерения переменной составляющей напряжений не превышает ±2%, время измерения и контроля напряжения одного канала составляет 10,8 мс.