Модульный контроллер
MODULAR CONTROLLER

Изобретение относится к автоматизации различных производственных и технологических процессов, таких как управление системами приточной вентиляции, водоподготовки, теплоснабжения, энергоснабжения и т.п.
Из патента на полезную модель РФ №51767 (опубл. 27.02.2006) известен модуль-контроллер обмена аналоговыми сигналами, содержащий блоки оптоэлектронной развязки, соединенные внешней группой входных и выходных связей с объектами управления, и внутренней группой выходных и входных связей, которые соединены соответственно с блоками управляющих триггеров, электронных ключей и селектором приема, выход которого соединен с мультиплексором, второй его вход - с блоком адресных регистров, в свою очередь выход которого последовательно соединен с блоками управляющих триггеров и электронных ключей, а вход - с дешифратором адреса. Причем с шиной ISA соединены первый-второй блоки управляющих триггеров и электронных ключей, мультиплексор, блок адресных регистров и дешифратор адреса, который отличается тем, что введены первый-второй селектор управляющих сигналов, имитатор исполнительных механизмов, имитатор системы управления исполнительными механизмами и блок управления имитаторами, первый вход которого соединен с дешифратором адреса, второй вход - с шиной ISA, а выход соединен последовательно с имитатором исполнительных механизмов, с имитатором системы управления исполнительными механизмами, первым-вторым селекторами управляющих сигналов, первая и вторая группа входов которых соединена соответственно с первыми-вторыми узлами электромеханических реле и первыми-вторыми блоками управляющих триггеров и электронных ключей, а выходы - с мультиплексором. При этом имитатор системы управления исполнительных механизмов и имитатор исполнительных механизмов последовательно соединены с блоком адресных регистров, выходами - с селектором приема и входами - с шиной ISA.
Из патента на полезную модель РФ №15528 (опубл. 20.10.2000) известен контроллер ввода-вывода аналоговых и дискретных сигналов, состоящий из пластмассового корпуса с основанием, на котором расположены средства крепления его в общем щите управления, крышки с отверстиями для вывода контактных и сигнальных частей внутренней элементной базы, а также из внутренней печатной платы с расположенными на ней элементами общего схемного решения, электрической части, отличающийся тем, что задняя стенка основания имеет сплошное продольное горизонтальное углубление. При этом верхнее ребро, ограничивающее это углубление, снабжено горизонтальными выступами, а нижнее ребро, ограничивающее упомянутое углубление, снабжено защелкой, имеющей возможность перемещения в пазах, выполненных в нижнем ребре, а защелка снабжена фиксатором и служит для крепления основания на общем щите. При этом передняя крышка корпуса в верхней своей части слева имеет клеммник вывода питающего напряжения, за ним, к середине, имеется выступ с клеммой заземления и далее стык разъема подключения внешних устройств и лампочка индикатора режима обмена. Средняя часть крышки имеет продольно горизонтальный выступ положительной крутизны, а нижняя часть крышки снабжена горизонтальным рядом прорезей с установленными в них клеммниками для подключения сетей датчиков и вывода сигналов. Расположенная внутри корпуса основная печатная плата имеет кроме элементов, выходящих на переднюю крышку, расположенные в левой части микросхемы, ниже которых имеются разъемы для подключения дополнительных вертикально стоящих малых печатных плат (мезонинов) как с левой стороны основания, так и с правой, а также элементы эталонного напряжения. В средней части имеется дополнительно разъем для подключения дополнительной малой платы (мезонина), под которой на основной плате установлены два вертикальных ряда микросхем.
Недостатками данных аналогов являются большое количество монтажных проводов, ненадежность передачи данных между модулями в связи с возможным окислением металлических контактов, а также большое время замены модуля в контроллере из-за необходимости отключения проводников и демонтажа соседних.
Задача, решаемая заявляемым техническим решением, заключается в разработке модульного контроллера, позволяющего:
1) сократить количество цепей (проводов), подключаемых к клеммным колодкам модулей;
2) уменьшить количество монтажных проводов;
3) повысить надежность передачи данных между модулями за счет исключения подверженных окислению металлических контактов;
4) повысить достоверность контроля выдаваемых команд за счет контроля второй группы контактов реле, выдающего команду;
5) сократить время замены модуля в контроллере за счет отсутствия необходимости отключения проводников и демонтажа соседних модулей;
6) обеспечить дополнительную гальваническую развязку по цепям обмена данными.
Поставленная задача решается благодаря заявленному электронному прибору автоматики, являющемуся многофункциональным электронным устройством, адаптируемым под требования системы автоматизации, состоящим из набора служебных и функциональных модулей, обеспечивающих контроль, диагностику и управление объектом автоматизации.
Функциональные модули заявленного модульного контроллера имеют следующие технические особенности:
- на боковых стенках каждого модуля расположены по два контакта - одному магнитному и одному стальному, обеспечивающих передачу напряжения питания от модуля к модулю, причем магнитный контакт выполнен из неодима, покрытого никелем, а стальной контакт также покрыт никелем;
- взаимное расположение контактов выбрано таким образом, что при установке соседних модулей на DIN-рейку магнитный контакт одного модуля притягивает стальной контакт другого;
- внутри модулей магнитные контакты крепятся к «лепесткам» печатной платы, выполняющим роль амортизаторов и обеспечивающим необходимую для плотного смыкания некоторую подвижность контактов относительно корпуса модуля;
- на двух торцевых стенках модулей расположены клеммные колодки, предназначенные для подключения цепей контроля и управления от объекта автоматизации;
- обмен сигналами между модулями ввода-вывода осуществляется посредством оптического интерфейса, работающего в инфракрасном диапазоне, для чего на боковых стенках модулей расположены пары оптических элементов - приемник-излучатель;
- взаимное расположение элементов выбрано таким образом, что при установке модулей на DIN-рейку передатчик одного модуля располагается напротив приемника другого;
- контроль срабатывания реле, выдающего команду, осуществляется с помощью второй группы контактов данного реле;
- все функциональные модули обеспечены гальванической развязкой входных цепей, связанных с объектом автоматизации и внутренних цепей контроллера.
Заявленный контроллер предназначен для построения на его базе систем автоматизации различных технологических и производственных процессов. Контроллер осуществляет измерение параметров и управление объектом автоматизации, индикацию диагностической информации и передачу информации в устройство управления по дублированному интерфейсу USB или RS-485. Контроллер может быть размещен локально возле устройства управления или распределен по объекту автоматизации, в зависимости от выбора принципа построения системы автоматизации.
Основные технические характеристики:
Принципы построения системы автоматизации на базе контроллера
На базе контроллера возможно построить локальную или распределенную систему автоматизации.
Принцип построения локальной системы автоматизации
В случае когда объект автоматизации имеет небольшую протяженность целесообразно строить систему автоматизации по локальной схеме, когда все модули контроллера размещены в одном месте (шкафу, стойке, конструктиве).
Схема контроллера для локальной системы автоматизации приведена на фиг. 1, где
БП - Блок питания (не входит в состав контроллера).
АБ - Аккумуляторная батарея (не входит в состав контроллера).
УУ - Устройство управления (не входит в состав контроллера).
ОИ - Оптический интерфейс.
OA - Объект автоматизации.
Локальная система автоматизации состоит из:
1) Функциональных модулей, обеспечивающих контроль и управление объектом автоматизации, внутреннюю самодиагностику и обмен информацией с УУ.
2) Блока питания (одиночного или дублированного), формирующего напряжение +5 В и обеспечивающего ток нагрузки, достаточный для питания всех модулей контроллера.
3) Аккумуляторной батареи, обеспечивающей бесперебойную работу контроллера 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 системы и тока потребления модулей контроллера.
4) Устройства управления (одиночного или дублированного), реализующего управление работой функциональных модулей контроллера.
5) Модуля питания, формирующего внутреннюю шину питания (+5 В) модулей контроллера, а также выполняющего функции источника бесперебойного питания: заряд и контроль напряжения АБ, переход на питание от АБ при пропадании напряжения БП, сигнализацию разряда АБ.
6) Модуля интерфейса (одного или нескольких), обеспечивающего передачу напряжения питания (+5 В) от модуля питания к функциональным модулям, преобразование сигналов интерфейса USB или RS-485 в оптический интерфейс для обмена информацией между УУ и функциональными модулями.
Конструктивно модули контроллера выполнены в виде унифицированных корпусов, устанавливаемых на DIN-рейку. На двух (торцевых) стенках модулей расположены клеммные колодки, для подключения цепей контроля и управления от объекта автоматизации. На боковых стенках модулей расположены магнитные контакты цепей питания и выходы сигналов оптического интерфейса. Для обмена данными с УУ сигналы оптического интерфейса преобразуются в интерфейс USB при помощи модуля интерфейса 1 либо в интерфейс RS-485 при помощи модуля интерфейса 2. Модуль интерфейса и подключенные к нему функциональные модули должны размещаться на одной DIN-рейке, соприкасаясь боковыми стенками друг к другу.
Интерфейс USB является широко распространенным и поддерживается подавляющим большинством современных ЭВМ, что обеспечивает независимость от производителя УУ. В контроллере может быть один или несколько модулей интерфейса - в зависимости от сложности объекта автоматизации и количества функциональных параметров и сигналов управления. К каждому модулю интерфейса можно подключить группу функциональных модулей (не более 16).
Выходное напряжение с БП1 (БП2) поступает на вход модуля питания. Рекомендуется установить выходное напряжение БП в диапазоне +5.1…5.25 В, т.к. в модуле питания происходит падение напряжения ~0.2 В на цепях формирования внутренней шины питания контроллера. Сформированное модулем питания напряжение поступает в модуль интерфейса и далее в функциональные модули через магнитные контакты. УУ формирует команды управления функциональными модулями, которые преобразуются модулем интерфейса 1 в оптические сигналы и передаются в функциональные модули. Каждый функциональный модуль является ретранслятором оптического сигнала и шины питания для следующего за ним модуля. Каждый функциональный модуль имеет свой уникальный адрес (для данной группы) 0…15, устанавливаемый с помощью микропереключателей, расположенных на лицевой панели. Команда УУ содержит адрес модуля, которому она адресована. При совпадении адреса, содержащегося в команде УУ, с установленным микропереключателями модуль выполняет данную команду и отправляет ответ в УУ по обратному каналу оптического интерфейса. На лицевой панели модулей также расположены индикаторы, отображающие диагностическую и функциональную информацию.
Принцип построения распределенной системы автоматизации.
В случае когда объект автоматизации имеет большую протяженность, целесообразно строить систему автоматизации по распределенной схеме, когда модули контроллера размещены в разных местах объекта автоматизации.
Схема контроллера для распределенной системы автоматизации приведена на фиг. 2.
Отличием от локальной схемы является наличие возможности разнести функциональные модули и УУ на значительное расстояние за счет применения модулей интерфейса 2 и 3, обеспечивающих обмен информацией по интерфейсу RS-485. Питание модуля интерфейса 3 осуществляется от интерфейса USB УУ. Работа модуля интерфейса 2 аналогична работе модуля интерфейса 1. Если УУ оснащено интерфейсом RS-485, то оно может быть подключено напрямую к модулю интерфейса 2. Необходимость модуля интерфейса 3 в таком случае пропадает.
Принципы взаимодействия модулей с помощью магнитных контактов и оптического интерфейса (см. фиг. 3), где
МК - магнитный контакт
СК - стальной контакт.
Передача напряжения питания от модуля к модулю осуществляется с помощью магнитных контактов, расположенных на боковых стенках модулей. На каждой стенке расположено два контакта - магнитный и стальной. Взаимное расположение контактов выбрано таким образом, что при установке соседних модулей на DIN-рейку магнитный контакт одного модуля притягивает стальной контакт другого, как показано на фиг. 3. Магнитный контакт выполнен из неодима, покрытого никелем. Стальной контакт также покрыт никелем для исключения окисления в процессе эксплуатации. Внутри модулей магниты крепятся к «лепесткам» печатной платы, выполняющим роль амортизаторов и обеспечивающих некоторую подвижность контактов относительно корпуса модуля. Это позволяет обеспечивать более надежный контакт при стыковке модулей.
Для передачи информации между модулями используется оптический интерфейс, работающий в ИК-диапазоне. Оптический интерфейс позволяет передавать данные бесконтактным образом, что решает проблему подверженности окислению металлических контактов.
На боковых стенках модулей расположены пары оптических элементов - приемник-излучатель. Взаимное расположение элементов выбрано таким образом, что при установке модулей на DIN-рейку передатчик одного модуля располагается напротив приемника другого, как показано на фиг. 3. Полученный приемником сигнал усиливается и поступает на передатчик для передачи в следующий модуль «по цепочке», т.е. осуществляется двунаправленная передача информации между модулем интерфейса и функциональными модулями.
Таким образом, технический результат, достигаемый от реализации заявленного контрольного модуля, заключается в следующем:
- в сокращении количества цепей (проводов), подключаемых к клеммным колодкам модулей;
- в исключении монтажных проводов между модулями контроллера;
- в повышении надежности передачи данных между модулями за счет исключения подверженных окислению металлических контактов;
- в сокращении времени замены модуля в контроллере за счет отсутствия необходимости отключения проводников и демонтажа соседних модулей;
- в обеспечении дополнительной гальванической развязки по цепям обмена данными.
Общее описание модулей
Все модули выполнены в корпусах, предназначенных для установки на DIN-рейку согласно EN 60715, отличаются шириной и лицевой панелью в зависимости от функционального назначения.
На лицевой панели модулей в зависимости от их назначения имеются светодиодные индикаторы и переключатели для установки адреса. На торцевых сторонах модулей имеются разъемные клеммники для подключения цепей питания контроллера, интерфейса RS-485 или цепей связи с объектом автоматизации.
Все функциональные модули имеют гальваническую развязку входных цепей, связанных с объектом автоматизации и внутренних цепей контроллера, что обеспечивает дополнительную надежность и защиту как контроллера от ошибок монтажа и возможных неисправностей в объекте автоматизации, так и защиту объекта автоматизации от аварий в сети питания и в контроллере.
По назначению модули делятся на две группы: служебные и функциональные. Назначение модулей и выполняемые функции приведены в таблице 1.