УСТРОЙСТВО СВЯЗИ С ОБЪЕКТОМ Российский патент 2016 года по МПК G05B23/02 

Изобретение относится к области вычислительной техники и может найти применение в устройствах, предназначенных для использования в промышленных системах автоматизации, а именно в программируемых логических контроллерах (ПЛК).

Программируемые логические контроллеры (ПЛК) являются неотъемлемой частью систем автоматизации (СА) технологического оборудования и автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП). ПЛК в такого рода системах выполняют множество функций: обрабатывают разнообразные аналоговые и дискретные входные электрические сигналы, преобразуют эти данные по заданным алгоритмам, формируют управляющие воздействия и посредством аналоговых и дискретных выходных сигналов выдают их на исполнительные устройства, производят обмен информацией с другими интеллектуальными устройствами с использованием различных коммуникационных протоколов.

Центральным блоком ПЛК является процессор, к которому добавляются обеспечивающие требуемую функциональность компоненты и который программируется на выполнение некой определенной задачи. В распределенных системах управления (РСУ) на базе ПЛК строятся центральные процессорные устройства (ЦПУ) и устройства связи с объектом (УСО).

ЦПУ является вычислительным устройством, которое получает по информационной сети от УСО информацию о состоянии объекта управления, обрабатывает эту информацию по заданному алгоритму управления и возвращает в УСО управляющие воздействия (включает или выключает исполнительные механизмы СА, задает скоростные режимы электроприводов и др.). Таким образом осуществляется автоматическое управление объектом.

ПЛК УСО содержит модули ввода и модули вывода информации и обеспечивает подключение СА к датчикам (давления, температуры, тока, напряжения и др.) и исполнительным механизмам. Назначением модулей ввода является преобразование физических сигналов от датчиков в цифровые коды, которые затем передаются и обрабатываются в ЦПУ. Назначением модулей вывода является обратное преобразование цифровых кодов из ЦПУ в физические сигналы, подающиеся на исполнительные механизмы СА (например, электромагнитные клапаны, магнитные пускатели и др.). Конструктивно УСО и ЦПУ обычно располагаются в металлических электрошкафах. Как правило, кабели, приходящие с объекта управления и с помощью которых к УСО подключаются датчики и исполнительные механизмы, расключаются на объектовые клеммники, устанавливаемые в электрошкафу. Кроме того, в электрошкафу, помимо ПЛК и объектовых клеммников, устанавливаются различные дополнительные устройства, например, устройства защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП), промежуточные реле, барьеры искрозащиты (для взрывоопасных производств), предохранители, размыкатели, устройства гальванической развязки и др. На объектовых клеммниках также устанавливаются дополнительные электрические перемычки, объединяющие сигналы с объекта в определенные группы. Для соединения всех вышеперечисленных устройств внутри электрошкафа используются электрические провода.

Таким образом, в СА сигнал с датчика подводится объектовым кабелем до электрошкафа УСО. В электрошкафу этот сигнал подводится к объектовому клеммнику. Далее этот сигнал по внутришкафным электрическим проводам подводится к различным дополнительным устройствам. И только после этого сигнал, также с помощью электрических проводов, подводится к модулю ввода ПЛК УСО. После этого сигнал в модуле преобразуется в цифровой вид и передается по информационной шине в ЦПУ для дальнейшей алгоритмической обработки.

Точно так же после алгоритмической обработки в ЦПУ цифровой сигнал управления передается по информационной шине в модуль вывода ПЛК УСО, и далее посредством внутришкафных электрических проводов этот сигнал подводится к дополнительным устройствам, а затем к объектовым клемникам. От объектовых клеммников этот сигнал посредством объектовых кабелей попадает к исполнительным механизмам.

Такой подход используется во всех современных СА, использующих универсальные ПЛК, такие как Siemens, Omron, Yokogawa и многие другие.

При разработке электрошкафов создается схема подключения объектовых кабелей к клеммникам, схема внутришкафного электромонтажа, конструкция электрошкафа с различными модулями ввода/вывода и дополнительными устройствами. В больших СА таких электрошкафов может быть от единиц до десятков, при этом один электрошкаф, как правило, не похож на другой из-за разного состава сигналов и дополнительных устройств. Таким образом, трудоемкость разработки конструкторской документации для одного электрошкафа получается достаточно высокой.

С такими же сложностями сталкиваются и при изготовлении электрошкафов за счет их неунифицированности, большого объема внутришкафного электромонтажа и последующей проверки и наладки всего электрошкафа в сборе.

Существует довольно много одноплатных ПЛК для организации в электрошкафах УСО ввода-вывода сигналов, но они не содержат всей гаммы дополнительных устройств (ДУ), а следовательно, в УСО требуется установка различных ДУ и использование внутришкафных электрических проводов. Из-за этого невозможна унификация электрошкафа УСО.

Наиболее близким к предлагаемому решению является устройство ввода/вывода сигналов Terminator I/O фирмы AutomationDirect.com, см. сайт www.automationdirect.com. Это устройство представляет из себя модульную систему, которая объединяет в себе функции терминальных блоков и модулей распределенного ввода/вывода. В состав каждой удаленной системы ввода/вывода входят следующие компоненты: источник питания, базовый контроллер, один или несколько модулей ввода/вывода.

Недостатком этого устройства является то, что в нем используются многоканальные модули и их номенклатура и функционал недостаточны для того, чтобы в шкафу УСО исключить использование различных дополнительных устройств (ДУ).

Кроме того, клеммные поля не имеют резервных клемм для дополнительных соединений. Следовательно, в шкафу УСО при использовании контроллера Terminator I/O все равно требуется использование ДУ, а значит требуется и внутришкафной электромонтаж. Кроме того, в связи с тем, что габаритные размеры каждого такого контроллера зависят от количества и состава модулей ввода/вывода, невозможна унификация электрошкафа УСО.

Задачей предлагаемого изобретения является упрощение конструкции электрошкафа УСО, уменьшение трудоемкости сборки и удешевление изделия в целом. Кроме того, существенно упрощается обслуживание такого УСО и его модификация.

Для решения этой задачи предлагаемое устройство связи с объектом (УСО) содержит сетевой модуль, многофункциональные малоканальные (одно-, двух- и трехканальные) модули ввода/вывода, базовую печатную плату с установленными на ней разъемными соединителями для подключения модулей и клеммными соединителями для подключения объектовых кабелей, отличающееся тем, что для объединения сигналов в группы с общими потенциалами или для разветвления сигналов клеммные соединители имеют дополнительные клеммы, а многофункциональные модули ввода/вывода дополнительно содержат функциональные устройства для обеспечения требуемого уровня защиты как самих модулей ввода/вывода, так и подключенного к ним объектового оборудования от возможных воздействий превышающих максимально допустимые значения напряжений и токов, а также для обеспечения контроля целостности цепей подключенных объектовых кабелей, при этом количество клеммников, выделенных под каждый модуль ввода/вывода, равно девяти.

На фиг.1 прилагаемых чертежей показана схема устройства связи с объектом (УСО);

на фиг.2 - схема модуля ввода/вывода.

Схема УСО содержит базовую печатную плату 1, на которой установлен сетевой модуль 2, одноканальные модули ввода/вывода 3 и объектовые клеммники 4 с разъемными соединителями для подключения модулей ввода/ вывода 3, объектовые кабели 5 и 6. Модуль ввода/вывода 3 содержит установленные последовательно блок защиты от импульсных перенапряжений 7, барьер искрозащиты 8, соединенный с блоком питания 9, аналого-цифровой преобразователь 10, микропроцессор 11, HART-модем 12, соединенный с микропроцессором 11, барьером искрозащиты 8 и аналого-цифровым преобразователем 10.

Устройство работает следующим образом.

Аналоговый сигнал, например, от интеллектуального датчика давления поступает на объектовый клеммник 4 базовой печатной платы 1, затем через разъемный соединитель 13 он поступает в одноканальный модуль ввода 3 на блок защиты от импульсных перенапряжений 7, барьер искрозащиты 8, который запитан от блока питания 9, далее - на аналого-цифровой преобразователь 10 и на HART-модем 12, который выделяет из аналогового сигнала диагностическую информацию о состоянии датчика. Затем оцифрованный сигнал поступает на микропроцессорный блок 12, где происходит программная фильтрация цифрового сигнала. Затем по последовательному интерфейсу обработанная информация передается в сетевой модуль 2.

Таким образом, сигнал из объектового кабеля попадает непосредственно в блок ввода/вывода УСО, в котором производятся все необходимые преобразования с учетом функций каких-либо дополнительных устройств, используемых в УСО, и далее оцифрованная информация передается по информационной шине в ЦПУ, и наоборот, управляющая информация от ЦПУ поступает в блок ввода/вывода УСО и далее после преобразования через объектовые клеммники непосредственно поступает на объектовые кабели.

В данной конструкции отпадает необходимость использования в электрошкафу УСО дополнительных устройств и внутришкафного электромонтажа. Схемотехника и номенклатура таких модулей ввода/вывода такова, что позволяет перекрыть всю возможную номенклатуру дополнительных устройств, используемых в УСО. Конструкция и габариты таких блоков ввода/вывода УСО стандартизована, и меняется только набор модулей ввода/вывода в зависимости от состава сигналов СА в подключаемых объектовых кабелях.

Конструкция электрошкафа УСО на базе стандартизованных блоков ввода/вывода также является стандартизованной, а это значит, что затраты на разработку и изготовление такого электрошкафа сокращается в 5…10 раз по сравнению с электрошкафом, построенным на базе универсальных ПЛК.

Эксплуатация таких стандартизованных электрошкафов УСО также существенно упрощается. Модернизация электрошкафов УСО осуществляется за счет установки в резервные места электрошкафа дополнительных блоков ввода/вывода.

Устройство содержит сетевой модуль, многофункциональные малоканальные (одно-, двух- и трехканальные) модули ввода/вывода, базовую печатную плату с установленными на ней разъемными соединителями для подключения модулей и клеммными соединителями для подключения объектовых кабелей. Новым является то, что клеммные соединители имеют дополнительные клеммы для объединения сигналов в группы с общими потенциалами, а многофункциональные модули ввода/вывода дополнительно содержат функциональные устройства для обеспечения защиты как самих модулей ввода/вывода, так и подключенного к ним объектового оборудования от возможных воздействий превышающих максимально допустимые значения напряжений и токов, а также для обеспечения контроля целостности цепей подключенных объектовых кабелей или обеспечения какого-либо другого функционала УСО. При использовании предлагаемого устройства отпадает необходимость использования в электрошкафу УСО дополнительных устройств и внутришкафного электромонтажа, что снижает трудоемкость проектирования и изготовления, упрощает эксплуатацию и снижает себестоимость конструкции. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство связи с объектом (УСО), содержащее сетевой модуль, многофункциональные малоканальные (одно-, двух- и трехканальные) модули ввода/вывода, базовую печатную плату с установленными на ней разъемными соединителями для подключения модулей и клеммными соединителями для подключения объектовых кабелей, отличающееся тем, что для объединения сигналов в группы с общими потенциалами клеммные соединители имеют дополнительные клеммы, а многофункциональные модули ввода/вывода дополнительно содержат функциональные устройства для обеспечения требуемого уровня защиты как самих модулей ввода/вывода, так и подключенного к ним объектового оборудования от возможных воздействий превышающих максимально допустимые значения напряжений и токов, а также для обеспечения контроля целостности цепей подключенных объектовых кабелей.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что количество клеммников, выделенных под каждый модуль ввода/вывода, равно девяти.