КОНТРОЛЛЕР УДАЛЕННЫХ ОБЪЕКТОВ

Полезная модель относится к области автоматики и телемеханики, а именно к гальванически развязанным контроллерам удаленных объектов с помощью комплексов телемеханики (ТМ), где объектами управления являются станции катодной защиты (СКЗ) магистральных газопроводов.
Следует подчеркнуть, что современные СКЗ включают в себя основное устройство - выпрямитель с блоком управления и дополнительные устройства - три датчика: датчик электрохимического потенциала (ДЭХП); датчик поляризационного потенциала (ДПП); датчик коррозии (ДК).
Известен аналог - гальванически развязанная система контроля и управления, опубликованная в статье: Ю.М.Агафонов, Н.С.Акиншин, К.А.Анкудинов и др. Система контроля управления и согласования СКЗ с комплексами телемеханики // Газовая промышленность. - 2007. - №7. - С.58-61. Функциональная схема аналога представлена в приложении №1.
Аналог (см. приложение №1) содержит шесть основных блоков: шестиканальный блок измерения и нормализации; шестиканальный блок преобразования и гальванической развязки; шестиканальный блок формирования стандартных сигналов; блок контроллера тока нагрузки; оптоэлектронный переключатель; блок подключения датчика ДК в цепь измерения.
Аналог имеет два режима работы: режим контроля параметров СКЗ и режим управления СКЗ по ТМ.
Аналог (см. приложение №1) в режиме контроля параметров СКЗ по ТМ имеет пять аналоговых информационных каналов: контроля напряжения ДЭХП; контроля напряжения ДПП; контроля сопротивления ДК; контроля напряжения СКЗ; контроля тока нагрузки (защиты) СКЗ.
Аналог (см. приложение №1) в режиме управления СКЗ по ТМ выполняет следующие три функции управления: включение в работу и выключение СКЗ осуществляется оптоэлектронным переключателем; подключение в цепь контроля ДК с помощью блока подключения ДК в цепь измерения падения напряжения на нем; задание требуемой величины тока нагрузки (защиты) СКЗ, его регулирование и восстановление заданного значения тока при снятии электропитания и последующем его восстановлении, которое осуществляется блоком контроллера тока нагрузки, выполненным на микроконтроллере PIC16F628.
Аналогу присущи следующие существенные недостатки:
1) у оператора (диспетчера) ТМ отсутствует информация о величине потребленной электроэнергии удаленными СКЗ, включенными в контур ТМ;
2) по каналу ТМ информация о величинах измеряемых параметров СКЗ передается в аналоговой форме, что обусловило высокую ошибку и низкую скорость передачи информации.
Наиболее близким техническим решением - прототипом является Патент на полезную модель №72593 РФ. Бюл. №11 за 2008 год. «Гальванически развязанная система контроля и управления удаленными объектами» // Агафонов Ю.М., Акиншин Р.Н., Анкудинов К.А., Акиншин Н.С., Анкудинов А.И. Функциональная схема прототипа представлена в приложении №2.
Прототип (см. приложение №2) содержит восемь основных блоков: шестиканальный блок измерения и нормализации; шестиканальный блок преобразования и гальванической развязки; шестиканальный блок формирования стандартных сигналов; блок контроллера тока нагрузки, выполненный на микроконтроллере PIC16F628; оптоэлектронный переключатель; блок подключения ДК в цепь измерения; выполненный на микроконтроллере PIC16F874 блок контроллера потребленной СКЗ электроэнергии; семисегментный знаковый индикатор АЛС356А. Кроме того, в приложении №2 показаны: пост комплекса ТМ, ДЭХП, ДПП, ДК, выпрямитель с блоком управления и корпус системы.
Прототип может работать тоже в двух режимах: режиме контроля параметров СКЗ и режиме управления СКЗ по ТМ.
Прототип в режиме контроля параметров СКЗ по ТМ имеет пять информационных каналов (см. приложение №2): контроля напряжения ДЭХП; контроля напряжения ДПП; контроля сопротивления ДК; контроля напряжения СКЗ; контроля тока нагрузки (защиты) СКЗ (шестой канал используется в режиме управления). Принцип работы канала контроля напряжения ДЭХП сводится к следующему: напряжение ДЭХП интервала от 0 до - 5 В поступает на блок измерения и нормализации, где преобразуется в нормированное выходное напряжение интервала 2-10 В; нормированное постоянное напряжение интервала 2-10 В поступает на блок преобразования и гальванической развязки, где преобразуется в последовательность прямоугольных импульсов с частотой интервала 2-10 кГц, соответственно, которые подаются на светодиод оптрона «светодиод - фототранзистор» АОТ128А; фототранзистор оптрона является входом блока формирования стандартных сигналов, где последовательность прямоугольных импульсов интервала 2-10 кГц, сформированная фототранзистором, последовательно преобразуется в постоянное напряжение интервала 2-10 В, а затем в стандартный интервал постоянного тока 4-20 мА, который и поступает в аналоговом виде в ТМ. Работа остальных четырех каналов контроля параметров аналогична рассмотренному. Кроме того, с оптрона счетчика электроэнергии выпрямителя СКЗ подается последовательность импульсов (для всех типов выпрямителей СКЗ-500 импульсов/кВт) на настроенную на вход линию порта микроконтроллера PIC16F874, который обрабатывает информацию по заданному алгоритму и суммирует потребленную СКЗ электроэнергию в свою память данных EEPROM. Содержимое EEPROM - памяти микроконтроллера PIC16F874 выводится на семисегментный знаковый индикатор.
Прототип в режиме управления СКЗ по ТМ выполняет следующие четыре функции управления (см. приложение №2): включение в работу и выключение СКЗ осуществляется оптоэлектронным переключателем; подключение в цепь контроля ДК с помощью блока подключения ДК в цепь измерения падения напряжения на нем; задание требуемой величины тока нагрузки (защиты) СКЗ, его регулирование и восстановление заданного значения тока при снятии электропитания и последующем его восстановлении осуществляется блоком контроллера тока нагрузки, выполненном на микроконтроллере PIC16F628; при поступлении сигнала от передатчика ТХ по цифровому каналу поста комплекса ТМ на приемник RX порта микроконтроллера PIC16F874 по интерфейсу USART, информация о потребленной выпрямителем СКЗ электроэнергии из EEPROM - памяти данных микроконтроллера PIC16F874 поступает в ТМ в цифровой форме от передатчика ТХ микроконтроллера PIC16F874 на приемник RX поста комплекса ТМ по интерфейсу USART.
Прототип лишен первого недостатка, присущего аналогу, но у него остается основной существенный недостаток:
- аналоговая информация о величине пяти измеряемых параметров СКЗ передается по ТМ в аналоговой форме (напряжение ДЭХП; напряжение ДПП; сопротивление ДК; напряжение, вырабатываемое СКЗ; ток нагрузки (защиты) СКЗ, что потребовало наличия в ТМ пяти аналоговых каналов передачи информации и обусловило высокую ошибку и низкую скорость передачи информации. Так например, ошибка передачи аналоговой информации по каждому из пяти каналов составляет 5-7%.
Необходимость проведения работ по устранению этого основного недостатка подчеркивают МОСТРАНСГАЗ, Тульское, Елецкое и ряд других региональных управлений магистральных газопроводов.
Предлагаемой полезной моделью решается задача обеспечения гальванически развязанного цифрового контроля и управления работой СКЗ по цифровому каналу ТМ, при расширении функциональных возможностей прототипа.
Поставленная задача достигается тем, что в контроллер удаленных объектов (станций катодной защиты), содержащий блок измерения и нормализации, к шести входам которого подключены датчик электрохимического потенциала, датчик поляризационного потенциала, выход блока подключения датчика коррозии, выходное напряжение станции катодной защиты, токовый шунт станции катодной защиты и выход блока контроллера тока нагрузки на микроконтроллере PIC16F628, а шесть выходов которого подключены к шести входам блока преобразования и гальванической развязки, выходами которого являются светодиоды шести диодно-транзисторных оптронов АОТ128А, оптоэлектронный переключатель выходом подключен к станции катодной защиты, измерительный вход блока подключения датчика коррозии подключен к датчику коррозии, блок контроллера потребленной станции катодной защиты электроэнергии на микроконтроллере PIC16F874 и знаковый индикатор АЛС356А, две линии порта микроконтроллера PIC16F874 по интерфейсу USART соединены с телемеханикой, линия порта, настроенная на вход, подключена к оптрону счетчика электроэнергии станции катодной защиты, а семнадцать линий портов, настроенные на выход, подключены к знаковому индикатору АЛС356А, введен третий микроконтроллер - PIC16F873, у которого к шести линиям портов, настроенным на вход, подключены фототранзисторы шести оптронов АОТ128А, линия порта, настроенная на выход, подключена к блоку управления выпрямителя станции катодной защиты, линии порта интерфейса SPI микроконтроллера PIC16F873 соединены с линиями порта интерфейса SPI микроконтроллера PIC16F874, три линии порта которого, настроенные на выход, подключены к входу оптоэлектронного переключателя, к управляющему входу блока подключения датчика коррозии и к входу блока контроллера тока нагрузки на микроконтроллере PIC16F628, соответственно.
Включение в контроллер удаленных объектов третьего микроконтроллера - PIC16F873, у которого к шести линиям портов, настроенным на вход, подключены фототранзисторы шести оптронов АОТ128А, линия порта, настроенная на выход, подключена к блоку управления выпрямителя СКЗ, линии порта интерфейса SPI (SCK, SDO) микроконтроллера PIC16F873 соединены с линиями порта интерфейса SPI (SCK, SDI) микроконтроллера PIC16F874, три линии порта которого, настроенные на выход, подключены к входу оптоэлектронного переключателя, к управляющему входу блока подключения датчика коррозии, к входу блока контроллера тока нагрузки на микроконтроллере PIC16F628, соответственно, при сохранении всех достоинств прототипа дополнительно обеспечило: во - первых - возможность перевода информации о измеряемых параметрах СКЗ в цифровую форму в микроконтроллере PIC16F873; во - вторых - передачу цифровой информации о измеряемых параметрах СКЗ из EEPROM - памяти микроконтроллера PIC16F873 в SRAM - память микроконтроллера PIC16F874 по интерфейсу SPI; в - третьих - по интерфейсу USART микроконтроллер PIC16F874 обеспечивает обмен цифровой информацией с комплексом ТМ как в режиме управления, так и в режиме контроля параметров СКЗ.
На фиг. изображена блок - схема контроллера удаленных объектов. Кроме того, на фиг. показаны блоки СКЗ и пост комплекса ТМ к которым подключен контроллер удаленных объектов.
Контроллер удаленных объектов включает в себя (см. фиг.) плату контроллера 1, на которой размещены: блок измерения и нормализации 2, шесть выходов которого подключены к шести входам блока преобразования и гальванической развязки 3, выходы которого через шесть диодно-транзисторных оптронов АОТ128А связаны с шестью линиями портов, настроенных на вход, микроконтроллера PIC16F873 4; блок контроллера тока нагрузки 5, выполненный на микроконтроллере PIC16F628, выход которого соединен с нижним по схеме входом блока измерения и нормализации 2; оптоэлектронный переключатель 6; блок подключения датчика коррозии 7, выход которого подключен к третьему сверху по схеме входу блока измерения и нормализации 2; блок контроллера потребленной СКЗ электроэнергии 8, выполненный на микроконтроллере PIC16F874, линии порта последовательного интерфейса SPI (SCK, SDI) которого соединены с линиями порта последовательного интерфейса SPI (SCK, SDO) микроконтроллера PIC16F873 4; три линии порта микроконтроллера PIC16F874 блока 8, настроенные на выход, соединены со входом оптоэлектронного переключателя 6, управляющим входом блока подключения ДК 7, и входом блока контроллера тока нагрузки 5 на микроконтроллере PIC16F628, а семнадцать линий портов, настроенные на выход, подключены к знаковому индикатору АЛС356А 9; кроме контроллера удаленных объектов 1-9 на фиг. показан пост комплекса ТМ 10, который по каналу асинхронного приемопередатчика USART (TX-RX) ТМ 10 подключен к каналу асинхронного приемопередатчика USART микроконтроллера PIC16F874 (RX-TX, соответственно) блока контроллера потребляемой СКЗ электроэнергии 8; кроме контроллера удаленных объектов 1-9 и поста комплекса ТМ 10 на фиг. показаны блоки СКЗ: ДЭХП 11, подключенный к верхнему по схеме входу блока измерения и нормализации 2; ДПП 12, подключенный ко второму сверху по схеме входу блока измерения и нормализации 2; ДК 13, подключенный к измерительному входу блока подключения ДК 7; выпрямитель 14 со своим блоком управления, два верхних по схеме выхода (выходное напряжение и ток нагрузки - падение напряжения на токовом шунте) которого подключены к четвертому и пятому сверху по схеме входам блока измерения и нормализации 2, нижний по схеме выход (оптрон счетчика электроэнергии выпрямителя 14) соединен с настроенной на вход линией порта микроконтроллера PIC16F874 блока контроллера потребленной СКЗ электроэнергии 8; верхний вход выпрямителя 14 соединен с настроенной на выход линией порта PIC16F873 4, а нижний вход выпрямителя 14 подключен к выходу оптоэлектронного переключателя 6.
Контроллер удаленных объектов (полезная модель) в режиме цифрового контроля параметров СКЗ по ТМ имеет шесть цифровых информационных каналов, которые работают даже при отсутствии управляющих сигналов от ТМ (см. фиг.): контроля напряжения ДЭХП 11; контроля напряжения ДПП 12; контроля сопротивления ДК 13; контроля напряжения выпрямителя 14 СКЗ; контроля тока нагрузки - падения напряжения на токовом шунте выпрямителя 14 СКЗ; измерения и суммирования потребленной СКЗ электроэнергии.
Принцип работы канала цифрового контроля напряжения ДЭХП сводится к следующему: напряжение ДЭХП 11 интервала от 0 до - 5 В поступает на блок измерения и нормализации 2 (принципиальные электрические схемы блока 2 по всем шести входам-выходам однотипны и в основу их положены повторители и усилители напряжения на операционных усилителях К140УД708, но с различными коэффициентами усиления и начальными смещениями), где преобразуется в нормированное для блока 2 выходное напряжение интервала 0-5 В (это интервал входных напряжений микроконтроллеров); далее нормированное постоянное напряжение интервала 0-5 В поступает на блок преобразования и гальванической развязки 3 (блок 3 имеет по всем шести входам-выходам одинаковые параметры и одну принципиальную электрическую схему преобразователя «напряжение-частота» на ИМС КР1108ПП1, нагруженного на светодиод оптрона АОТ128А), где преобразуется в последовательность прямоугольных импульсов с частотой интервала 0-256 Гц, соответственно, которые подаются на светодиод оптрона АОТ128А; фототранзисторы шести оптронов АОТ128А подключены к шести настроенным на вход линиям порта микроконтроллера PIC16F873 4, который по заданному алгоритму записывает количество импульсов, пропорциональное напряжению ДЭХП, в свою EEPROM - память (в двоичном коде от 00000000 до 11111111), где хранится до запроса по интерфейсу SPI с микроконтроллера PIC16F874 блока 8; обновление данных EEPROM- памяти микроконтроллера PIC16F873 4 осуществляется каждую секунду.
Работа следующих четырех каналов цифрового контроля (измерения) параметров СКЗ (напряжения ДПП 12; сопротивления ДК 13; напряжения выпрямителя 14 СКЗ; тока нагрузки - падения напряжения на токовом шунте выпрямителя 14 СКЗ;) аналогична рассмотренному до настоящего момента принципу работы канала контроля, только есть разница в диапазоне напряжений, поступающих на вход блока измерения и нормализации 2. Таким образом, измеренные в цифровой форме пять параметров СКЗ хранятся в EEPROM - памяти микроконтроллера PIC16F873 4.
Кроме того, существует шестой канал цифрового контроля (измерения): с оптрона счетчика электроэнергии выпрямителя 14 (нижний по схеме выход) подается импульсный сигнал - 500 импульсов/кВт в настроенную на вход линию порта микроконтроллера PIC16F874 блока 8, который обрабатывает информацию по заданному алгоритму и суммирует потребленную СКЗ электроэнергию в свою память данных EEPROM, с целью сохранения информации о потребленной СКЗ электроэнергии при снятии электропитания и для передачи информации в ТМ; содержимое EEPROM - памяти микроконтроллера PIC16F874 блока 8 выводится на семисегментный знаковый индикатор 9; при необходимости обслуживающий персонал может приводить в соответствие показания счетчика электроэнергии выпрямителя 14 СКЗ и информацию в EEPROM - памяти микроконтроллера PIC16F874 блока 8.
Контроллер удаленных объектов (полезная модель) в режиме цифрового управления СКЗ по ТМ работает следующим образом (см. фиг.):
1) включение (выключение) СКЗ осуществляется оптоэлектронным переключателем 6: оператор (диспетчер) центрального поста ТМ через интерфейс асинхронного приемопередатчика USART (ТХ) ТМ 10 подает соответствующий цифровой сигнал управления на интерфейс асинхронного приемопередатчика USART (RX) микроконтроллера PIC16F874 блока 8, который вырабатывает соответствующий сигнал и подает его на вход блока 6;
2) подключение (отключение) в цепь контроля ДК 13 с помощью блока подключения ДК 7 в цепь измерения падения напряжения на нем: оператор (диспетчер) центрального поста ТМ через интерфейс асинхронного приемопередатчика USART (ТХ) ТМ 10 подает соответствующий цифровой сигнал управления на интерфейс асинхронного приемопередатчика USART (RX) микроконтроллера PIC16F874 блока 8, который вырабатывает соответствующий сигнал и подает его на управляющий вход блока 7;
3) задание требуемой величины тока нагрузки (защиты) СКЗ, его регулирование и восстановление заданного значения тока при снятии электропитания и последующем его восстановлении осуществляется блоком контроллера тока нагрузки 5, выполненным на микроконтроллере PIC16F628: оператор (диспетчер) центрального поста ТМ через интерфейс асинхронного приемопередатчика USART (ТХ) ТМ 10 подает соответствующий цифровой сигнал управления на интерфейс асинхронного приемопередатчика USART (RX) микроконтроллера PIC16F874 блока 8, который вырабатывает соответствующие сигналы и подает их на микроконтроллер PIC16F628 блока 5; микроконтроллер PIC 16F628 устанавливает требуемый ток нагрузки и запоминает его численное значение в своей EEPROM - памяти на случай снятия электропитания с СКЗ и последующем его восстановлении;
4) определение потребленной СКЗ электроэнергии: оператор (диспетчер) центрального поста ТМ через интерфейс асинхронного приемопередатчика USART (ТХ) ТМ 10 подает соответствующий цифровой сигнал запроса на интерфейс асинхронного приемопередатчика USART (RX) микроконтроллера PIC16F874 блока 8, который выводит цифровую информацию о величине потребленной СКЗ электроэнергии из EEPROM - памяти микроконтроллера PIC16F874 на интерфейс асинхронного приемопередатчика USART (ТХ) микроконтроллера и далее через интерфейс асинхронного приемопередатчика USART (RX) ТМ 10 цифровая информация о величине потребленной СКЗ электроэнергии поступает к оператору (диспетчеру) центрального поста ТМ;
5) управление контроллером удаленных объектов (полезной моделью) в режиме цифрового контроля (измерения) параметров СКЗ (напряжения ДЭХП 11; напряжения ДПП 12; сопротивления ДК 13; напряжения выпрямителя 14 СКЗ; тока нагрузки - падения напряжения на токовом шунте выпрямителя 14 СКЗ) рассмотрим на примере контроля (измерения) напряжения ДЭХП 11: оператор (диспетчер) центрального поста ТМ через интерфейс асинхронного приемопередатчика USART (ТХ) ТМ 10 подает соответствующий цифровой сигнал запроса на интерфейс асинхронного приемопередатчика USART (RX) микроконтроллера PIC16F874 блока 8, который подает управляющий сигнал на интерфейс SPI; по последовательному интерфейсу SPI (SDI, SDO и SCK) микроконтроллеры PIC16F874 блока 8 и PIC16F873 4 связаны; цифровая информация о величине напряжения ДЭХП 11 из EEPROM - памяти микроконтроллера PIC16F873 переписывается в SRAM -память микроконтроллера PIC16F874 блока 8; из SRAM - памяти микроконтроллера PIC16F874 цифровая информация поступает на интерфейс асинхронного приемопередатчика USART (ТХ) микроконтроллера PIC16F874 блока 8 и далее через интерфейс асинхронного приемопередатчика USART (RX) ТМ 10 цифровая информация о величине напряжения ДЭХП 11 поступает к оператору (диспетчеру) центрального поста ТМ.
Применение в контроллере удаленных объектов (полезной модели) третьего микроконтроллера фирмы MicroCHIP серии PIC16F873 4, имеющего модуль последовательного интерфейса SPI, FLASH - память программ в 4 Кбайта, SRAM - память данных в 192 байта, EEPROM - память данных в 128 байт, обеспечило устранение недостатка прототипа и улучшение функциональных показателей контроллера удаленных объектов:
1) обеспечена полностью цифровая передача информации контроля и управления СКЗ по одному цифровому каналу ТМ;
2) так как используется только один цифровой канал ТМ для передачи информации контроля и управления, то отпала необходимость в пяти аналоговых каналах ТМ, используемых ранее для аналогового контроля параметров СКЗ;
3) микроконтроллеры PIC16F873 и PIC16F874 имеют восьмибитную структуру и поэтому ошибка цифрового представления и передачи информации не превышает 0,4%, что на порядок меньше ошибки аналогового представления и передачи информации (5-7%);
OSC
4) при частоте кварцевого резонатора F=4 МГц микроконтроллеры PIC16F873 и PIC16F874 обеспечивают скорость передачи информации до 55 Кбит/с, что на 2-3 порядка превышает скорость передачи аналоговой информации.