ПРОГРАММИРУЕМЫЙ ЛОГИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЛЕР ДЛЯ ТЕРРИТОРИАЛЬНО-РАСПРЕДЕЛЕННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

Устройство относится к автоматизированным системам управления территориально-распределенными взрывоопасными производственными объектами, работающими в тяжелых климатических условиях, и может быть использована для построения систем управления объектами наземной инфраструктуры ракетно-космических комплексов, а также химических и нефтегазовых установок.
Известен контроллер TREI-5B-04 фирмы (Устройство программного управления TREI-5B-04. Руководство по эксплуатации. TREI.421457.401 РЭ. АО «ТРЭИ», 2016), который построен на базе унифицированных конструктивов стандарта Евромеханика 19” с высотой модулей 3U и и может быть помещен во взрывозащитную оболочку. Контроллер включает мастер-модуль на базе PC (процессорный) и набор интеллектуальных модулей для ввода/вывода сигналов различного вида (дискретных, аналоговых, импульсных и прочих). Модули объединяются дублированной магистралью ST-BUSM с использованием интерфейса RS-485. Предусмотрена возможность резервирования отдельных модулей. Недостатком данного ПЛК является то, что он не обеспечивает контроля за величиной питающего напряжения и потребляемого тока, а также температурой аппаратуры котроллера.
Известен взрывобезопасный ПЛК БАЗИС-100 ЗАО «Экоресурс» (Промышленные АСУ и контроллеры. 2012. № 6 с 45-49), который включает процессорные модули, модули входных и управляющих каналов и коммуникационный модуль, объединяемые дублированной шиной CAN. Для обмена информацией с другими ПЛК, а также удаленным оборудованием используются интерфейсы Ethernet и RS-485. ПЛК поддерживает возможность резервирования на модульном уровне. Недостатком данного ПЛК является его безкрейтовая модульная структура, затрудняющая его размещение во взрывозащитной оболочке, кроме того ПЛК не обеспечивает контроля за величиной питающего напряжения и потребляемого тока, а также температурой аппаратуры котроллера.
Наиболее близким техническим решением является многофункциональный высокопроизводительный программируемый контроллер МФК3000 компании «Текол» ("МФК3000 - программируемый контроллер для ответственных применений и крупномасштабных АСУ ТП" ("Промышленные АСУ и контроллеры", № 10, 2005). Указанный ПЛК выполнен в виде каркаса в конструктиве «Евромеханика» и может быть помещен во взрывозащитную оболочку, содержит процессорные и коммуникационные модули, разнообразные модули ввода-вывода, объединяемые дублированной шиной CAN, причем предусмотрено расширение шины CAN на несколько каркасов. Имеется возможность резервирования на модульном уровне. Недостаток данного ПЛК в том, что он не обеспечивает контроль за величиной питающего напряжения и потребляемого тока, а также температурой аппаратуры каркаса. Кроме того, при расширении шины CAN не обеспечивается гальваническая развязка сегментов шины разных каркасов.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в обеспечении высокой функциональности ПЛК, простоту резервирования компонент ПЛК, наращивания его производительности и повышении надежности, за счет включения в состав модуля управления электропитанием, а также объединением межмодульных магистралей каркасов с помощью установки специальных модулей расширения внутренней шины CAN, связанных между собой отдельной гальванически развязанной дублированной внешней шиной CAN.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показана функциональная схема ПЛК, где 1 - каркас, 2 - пассивная объединительная панель с внутренней шиной, 3 - модуль центрального процессора, 4 - модуль связной, 5 - модуль ввода-вывода дискретных и/или аналоговых сигналов, 6 - модуль управления электропитанием, 7 - модулей расширения внутренней шины CAN, 8 - кабель расширения CAN шины, 9 - защитная оболочка.
Осуществление полезной модели
Программируемый логический контроллер (ПЛК) - построен по магистрально-модульной архитектуре и состоит из одного или нескольких каркасов (1), выполненных в форм-факторе «Евромеханика» высотой 3U, которые могут быть помещены в дополнительную защитную взрывобезопасную оболочку (9).
Межмодульная магистраль в каркасе организована помощью установленной в него пассивной объединительной панели с разъемами для установки необходимого набора модулей, которая содержит дублированные шины CAN, шины разводки входного питания 27 В и дополнительны сигналов, кроме того в каждый разъем панель подается индивидуальный код, используемый для идентификации в шине CAN устанавливаемого в этот разъем модуля.
Устанавливаемые в каркас модули имеют однотипную конструкцию в виде печатной печатную платы размером 100×160 мм, с лицевой стороны которой устанавливается планка, с элементами индикации и соединительными разъемами для кабельного подключения датчиков, исполнительных устройств и внешних интерфейсов, а с тыльной стороны - разъем для подключения к объединительной панели.
Каждый ПЛК содержит, по крайней мере, один модуль центрального процессора (3), который выполняет следующие функции:
- прием данных из модулей ввода, и передача данных в модули вывода;
- выполнение пользовательской программы системы автоматизации;
- выполнение обмена данными с ПЭВМ при программировании контроллера;
- выполнение обмена данными по сетевым интерфейсам с использованием протоколов информационно-логического взаимодействия;
- контроль функционирования модулей ПЛК;
- контроль сообщений модуля управления электропитанием.
Модуль центрального процессора содержит:
- 32-разрядный микроконтроллер 1986ВЕ1Т с тактовой и внутренними FLASH памятью программ – 128 Кбайт и оперативной память ОЗУ 48 Кбайт,
- внешнее ПЗУ на микросхемах 1636РР1АУ емкостью 16 Мбайт;
- внешнее ОЗУ на микросхемах 1645РУ3АУ емкостью 8 Мбайт;
- собственные внешние интерфейсы Ethernet и RS-485 (с опторазвязкой);
- дублированные интерфейсы CAN внутренней шины, оборудованные опторазвязкой.
В целях резервирования или повышения производительности ПЛК в каркасе могут быть установлено несколько модулей центрального процессора, взаимодействующих по шине CAN.
Наличие собственных внешних интерфейсов Ethernet и RS-485 позволяют при необходимости подключать к модулю дополнительное оборудование (регистраторы, индикаторы и т.п.), а также организации обмена информацией с ПЭВМ и другим оборудованием по каналам, не требующим резервирования.
Связные модули (4) предназначены для связи ПЛК с ПЭВМ, с другими ПЛК и/или с внешними специализированными устройствами (интеллектуальные датчики и исполнительные механизмы, модемы, индикаторы и др.).
Связной модуль построен на базе 32-разрядного микроконтроллера 1986ВЕ91 и содержит 2 канала внешних интерфейсов RS-485, оборудованных опторазвязкой. Подключение к внутренней шине ПЛК выполняют дублированные интерфейсы CAN, оборудованные опторазвязкой. Имеется версия исполнения связного модуля с внешними интерфейсами RS-232.
Связные модули с интерфейсом RS-485 позволяют ПЛК в состав территориально-распределенной системы управления с топологией «Общая шина» или «Звезда» обмениваться информацией с однотипными ПЛК, а также с устройствами сторонних производителей, по стандартизированным протоколам информационно-логического взаимодействия (Modbus-RTU, Modbus-ASCII) с возможностью резервирования каналов.
Модули ввода-вывода обеспечивают обмен дискретными и аналоговыми сигналами с объектом управления. Каждый модуль ввода-вывода представляет собой законченное устройство, имеющее неизменяемое программное обеспечение. На каждый модуль ввода/вывода разработан протокол информационно логического сопряжения с модулем центрального процессора, в котором указываются управляющие и информационные команды, алгоритм поведения модуля при получении команд, а также описание содержимого ОЗУ и ПЗУ модуля доступного для чтения и записи. По выполняемым функциям и техническому исполнению модули ввода-вывода разделены на модули дискретного стыка с объектом и аналогового ввода/вывода.
Модули дискретного стыка:
- Дискретный ввод: 32 канала, 5 В/12 мА, «общий плюс», питание от модуля, опторазвязка 500 В; ИЛИ дискретные выходы: 32 канала, 5 В/20 мА, «общий минус», быстродействие: вкл/выкл 2 мс, гальваническая развязка 500 В. Тестирование дискретных входов и контроль тока выхода отсутствует.
- Быстродействующий ввод/вывод дискретных сигналов: ТТЛ, 4 группы по 8 каналов. 10 мкс, гальваническая развязка, групповое переключение на ввод/вывод.
- Релейный вывод 8 каналов, 30 В, 2 А, двустабильные реле РПК 44.
Модули используют 32-разрядный микроконтроллер 1986ВЕ91. Цепи входов-выходов имеют гальваническую развязку и барьеры искрозащиты. Подключение к внутренней шине ПЛК выполняют дублированные интерфейсы CAN, оборудованные опторазвязкой.
Модули аналогового ввода позволяют подключать все типы датчиков, имеющих токовый или потенциальный выход, а также термометры сопротивления и термопары:
- Аналоговый ввод: 4 канала, напряжение 0 … ± 10 В ИЛИ ток 0 .. ± 20 мА, программное управление, основная приведенная погрешность ± 0,1 %.
- Аналоговый ввод: 4 канала подключения - резистивные датчики c сопротивлением в диапазоне от 0 до 800 Ом с 4-х проводной схемой подключения, ±0,2 %.
Модули аналогового вывода позволяют подключать исполнительные механизмы с потенциальным и токовым управлением:
Аналоговый вывод: 4 канала, потенциальный выход ± 10 В ± 0,5 %.
- Аналоговый вывод: 4 канала, токовый выход ± 20 мА ± 0,5 %.
- Аналоговый ввод: 2 канала термопар в диапазоне от -20 мВ до +50 мВ
Модули используют 32-разрядный микроконтроллер 1986ВЕ91. Подключение к внутренней шине ПЛК выполняют дублированные интерфейсы CAN, оборудованные опторазвязкой. Схемы аналогового ввода-вывода, гальванически развязанные от микроконтроллера. Имеется схема питания аналоговых схем ввода-вывода.
При необходимости можно увеличить число устанавливаемых в ПЛК модулей ввода-вывода за счет использования дополнительного каркаса. объединение межмодульных магистралей каркасов выполняется с помощью установки в них специальных модулей расширения внутренней шины CAN (7), связанных между собой отдельной гальванически развязанной дублированной внешней шиной CAN (8). Модуль расширения использует микроконтроллеры 1986ВЕ91 в качестве СAN репитеров.
Электропитание ПЛК осуществляется от сети постоянного тока напряжением (27 ± 10 %) В. При необходимости питания от сети переменного тока напряжением (220 ± 10 %) В 50 Гц с использованием модуля требуется установка специального преобразователя с выходным напряжением 27 В.
Система электропитания ПЛК распределенная - каждый модуль, входящий в состав ПЛК имеет свой DC/DC преобразователь напряжения, преобразующий входное напряжение ПЛК 27 В в рабочие напряжения.
Каждый каркас содержит модуль управления электропитанием (6), который:
-  контролирует значения входного напряжения питания каркаса,
- нагрузку по току на внутренних линиях электропитания внутренней шины,
- температуру каркаса,
- выполняет выдачу в модуль центрального процессора предупредительных сообщений при повышении входного напряжения, увеличении тока нагрузки или температуры.
Модуль управления электропитанием выполняет:
-  аварийное отключение каркаса от входного источника электропитания
- индикацию наличия внешнего питающего напряжения 27 В и напряжения на линиях питания внутренней объединительной платы,
- индикацию аварийного состояния по входному питанию.
Представленный ПЛК может быть использован как центральная часть автоматизированной системы управления, как интеллектуальное устройство связи с объектом в иерархической распределенной системе управления и как компонент децентрализованной распределенной системе управления территориально-распределенными взрывоопасными производственными объектами, работающими в тяжелых климатических условиях.
На приложенных к описанию чертежах показано:
На фиг. 1 показана функциональная схема ПЛК, где 1 – каркас, 2 – пассивная объединительная панель с внутренней шиной, 3 – модуль центрального процессора, 4 – модуль связной, 5 – модуль ввода-вывода дискретных и/или аналоговых сигналов, 6 - модуль управления электропитанием, 7 - модулей расширения внутренней шины CAN, 8 - кабель расширения CAN шины, 9 - защитная оболочка.