КОНТРОЛИРУЮЩИЙ ПУНКТ ВВОДА-ВЫВОДА ДИСКРЕТНЫХ СИГНАЛОВ Российский патент 2020 года по МПК G05B15/02 H04B1/00 

Область техники

Настоящее техническое решение относится к устройствам, используемым в составе управляющих систем, например, управляющих систем безопасности или автоматизированных систем управления технологическими процессами (далее - АСУ ТП), а именно, к устройствам для информационного обмена между техническими средствами (устройствами) нижнего уровня и устройствами верхнего уровня управляющей системы.

Уровень техники

Из уровня техники известны следующие решения.

Известно устройство для обмена информацией между автоматизированным горно-шахтным оборудованием и оборудованием АСУ ТП. Устройство конструктивно выполнено в виде отдельного блока, размещаемого в корпусе. Внутри корпуса размещаются блок процессора и блок универсального асинхронного приемо-передатчика, первый вход-выход которого через блок приемо-передатчиков интерфейса RS-485, барьер искробезопасности и кабельный ввод связан с оборудованием АСУ ТП. Второй вход-выход блока приемо-передатчиков связан с первым входом-выходом блока процессора, второй вход-выход которого через стек TCP/IP связан с первым входом-выходом блока приемо-передатчиков интерфейса Ethernet. Второй вход-выход блока приемопередатчиков интерфейса Ethernet связан с входом-выходом 16-портового коммутатора Ethernet. Входы-выходы с третьего по восьмой блока приемопередатчиков Ethernet через блок разъемов для оптических кабелей и кабельные вводы со второго по седьмой соответственно связаны с оборудованием АСУ ТП. Девятый вход-выход блока приемо-передатчиков Ethernet через разъем для кабеля с витой парой и кабельный ввод, а также десятый вход-выход блока приемо-передатчиков Ethernet через разъем для кабеля с витой парой и один из кабельных вводов связаны с оборудованием, размещаемым на поверхности шахты. (RU 94097, дата публикации 10.05.2010).

Недостатком известного устройства является то, что оно обладает недостаточной надежностью и низкой эффективностью контроля параметров устройств нижнего уровня, поскольку не содержит дублированной вычислительной части, имеет малое количество портов RS-485, а также не содержит защиты от короткого замыкания, перегрузки линии или утечки тока.

Известна система мониторинга и контроля трансформатора, содержащая центральный процессорный блок, к которому подключены блок питания, модуль связи по интерфейсу RS-485 или Ethernet, оптоволоконный сетевой коммутатор, передающий информацию центральному процессору, и устройства входящего и исходящего сигнала. Такая система выполнена с возможностью сбора информации с трансформатора, осуществления дистанционного управления и автоматического мониторинга. (CN 106054704, дата публикации 26.10.2016).

Недостатки такой системы заключаются в том, что она обладает недостаточной надежностью и низкой эффективностью контроля параметров устройств нижнего уровня, поскольку не содержит дублирующей вычислительной части и дублирующего питания, имеет малое количество портов RS-485, не имеет интерфейса Ethernet 10/100 Base-TX, а также не имеет возможности одновременного подключения устройств по каналам RS-485 и оптическим каналам Ethernet.

Наиболее близким к заявляемому решению является контроллер ввода-вывода для обработки и передачи данных с датчиков и исполнительных механизмов на систему верхнего блочного уровня (далее - СВБУ) по локальной вычислительной сети Ethernet, содержащий корпус, в котором размещен процессор с одноплатным компьютером и соединенный с ним модульный блок, выполненный с возможностью обработки и преобразования поступающих с датчиков и исполнительных механизмов сигналов по каналу RS-485 и выработки сигналов управления по каналу Ethernet, а также содержащий блок питания. Устройство выполнено с возможностью дублирования предаваемых данных. (RU 2279117, дата публикации 27.06.2006).

Недостатками наиболее близкого аналога является то, что он обладает недостаточной надежностью и низкой эффективностью контроля параметров устройств нижнего уровня, поскольку не имеет дублирующей вычислительной части, резервных блоков питания и защиты от короткого замыкания, перегрузки линии или утечки тока, а также недостаточно защищен от электромагнитных помех по сети питания и каналам RS-485.

Раскрытие изобретения

Технической проблемой настоящего изобретения является преодоление технических недостатков, присущих аналогам, что ведет к необходимости создания многофункционального контролирующего пункта ввода-вывода дискретных сигналов (далее - контроллер), обладающего простой и надежной конструкцией, обеспечивающего эффективный контроль параметров технических средств (устройств) нижнего уровня управляющей системы и информационный обмен между устройствами нижнего и верхнего уровня.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение эффективности контроля параметров устройств нижнего уровня и повышение надежности, а также расширение функциональных возможностей контроллера, заключающихся в обеспечении оперативной передачи преобразованных по определенным алгоритмам данных между устройствами нижнего уровня и устройствами верхнего уровня, а также обеспечении возможности передачи преобразованных данных с системы мониторинга, при помощи которой осуществляется дополнительное повышение надежности питания электрических схем блока, контроль доступа к устройствам контроллера, а также контроль параметров микроклимата внутри устройства, тока и напряжения (далее - система мониторинга).

Технический результат достигается за счет выполнения контроллера ввода-вывода дискретных сигналов, содержащего корпус, в котором установлено не менее двух объединенных между собой программируемых преобразователей последовательных интерфейсов RS-485 (далее - коммутаторы RS-485), выполненных с возможностью обеспечения сбора данных с устройств нижнего уровня и их конфигурирования по каналам RS-485, преобразования для дальнейшей передачи по каналам Ethernet в основной и резервный коммутаторы Ethernet, а также передачи данных, поступающих с основного и резервного коммутаторов Ethernet на устройства нижнего уровня по каналам RS-485, при этом основной и резервный коммутаторы Ethernet подключены по основному и резервному каналам Ethernet соответственно к основному и резервному процессорным блокам, а процессорные блоки выполнены с возможностью преобразования полученных данных по заданному алгоритму и передачи преобразованных данных через основной и резервный коммутаторы Ethernet на устройства верхнего уровня по каналам Ethernet, либо через основной и резервный коммутаторы Ethernet, соединенные с коммутаторами RS-485, на устройства верхнего уровня по каналам RS-485.

Контроллер может быть использован в качестве шлюза сопряжения для обеспечения информационного обмена между сегментами АСУ ТП и/или автоматизированной системой радиационного контроля (АСРК) АЭС, а также для получения, обработки и передачи данных от устройств нижнего уровня на АСУ ТП.

Контроллер ввода-вывода дискретных сигналов может производить обмен данными с любым устройством (или устройствами) нижнего уровня, выполненным с возможностью соединения по каналу RS-485, а также с любым устройством (или устройствами) верхнего уровня, выполненным с возможностью соединения по каналу Ethernet или RS-485.

Коммутаторы каналов RS-485 могут быть соединены с терминаторами для обеспечения согласования линий RS-485 и защиты от электромагнитных помех на каналах.

Основной и резервный коммутаторы Ethernet могут быть выполнены с возможностью передачи данных через интерфейсы Ethernet 10/100 Base-TX и Ethernet 100 Base-FX.

Контроллер может содержать основной и резервный медиаконвертеры, подключенные по независимым каналам Ethernet 10/100 Base-TX соответственно к основному и резервному процессорным блокам, используемые для преобразования данных для передачи по оптоволоконным каналам с интерфейсом Ethernet 100 Base-FX на устройства верхнего уровня, что обеспечивает обмен данными с устройствами верхнего уровня по отдельным линиям от отдельных портов основного и резервного процессорных блоков, что повышает надежность и защищенность устройства.

Процессорные блоки могут быть подключены дублирующими оптоволоконными каналами к устройствам верхнего уровня.

В контроллере могут быть установлены основной и резервный блоки питания процессорных блоков, основной и резервный блоки питания коммутаторов RS-485, основной и резервный блоки питания коммутаторов Ethernet и медиаконвертеров, причем вышеуказанные блоки питания соединены соответственно с основным и резервным автоматическими выключателями дифференциального тока (далее - АВДТ), подключенными через сетевой фильтр к сети электропитания ~220 В (±15%) 50 Гц (±6%).

Каждый коммутатор канала RS-485 может содержать 10 портов для соединения с устройствами нижнего уровня, что обеспечивает расширение функциональных возможностей заявленного контроллера.

В качестве устройства нижнего уровня могут быть использованы блоки или устройства детектирования, например, блок БДМГ-100-07, БОП-04м, или УДА-1АБ, или УДГ-1Б, или УДИ-1Б, или АРГ-31.2.

В качестве устройств верхнего уровня автоматизированной системы могут быть использованы устройства, входящие в состав АСУ ТП, например, автоматизированное рабочее место системы радиационного контроля (АРМ СРК) или сервер системы радиационного контроля (сервер СРК) или автоматизированное рабочее место системы верхнего блочного уровня (АРМ СВБУ) или автоматизированное рабочее место системы верхнего станционного уровня (АРМ СВСУ).

К процессорным блокам по интерфейсу USB может быть подключена система мониторинга, подключенная к сетевому фильтру, которая может содержать датчики давления, температуры, влажности для контроля параметров микроклимата внутри устройства, датчик открытия двери для исключения несанкционированного доступа к ПО и аппаратному обеспечению, осуществляющая контроль питания устройств, входящих в состав конструкции контроллера, для определения их состояния, а также может обеспечивать дублирование питания резервного процессорного блока для повышения надежности работы оборудования.

Кроме того, элементы конструкции контроллера могут быть установлены внутри корпуса контроллера на DIN-рейках для обеспечения удобства монтажа и доступа к элементам.

Описание чертежей

Заявленное изобретение поясняется чертежами, где изображено следующее:

На фиг. 1 - блок-схема исполнения контроллера;

На фиг. 2 - блок-схема частного варианта исполнения контроллера.

Позициями на фигурах обозначены:

1) Корпус

2) Первое устройство нижнего уровня (НУ)

3) Второе устройство нижнего уровня (НУ)

4) Первый коммутатор RS-485

5) Второй коммутатор RS-485

6) Коммутатор Ethernet основного канала

7) Коммутатор Ethernet резервного канала

8) Процессорный блок основного канала

9) Процессорный блок резервного канала

10) Устройство верхнего уровня (ВУ)

11) Сетевой фильтр

12) АВДТ основного канала

13) АВДТ резервного канала

14) Блок питания основного канала первый

15) Блок питания резервного канала первый

16) Блок питания основного канала второй

17) Блок питания резервного канала второй

18) Блок питания коммутаторов RS-485 основной

19) Терминатор первого коммутатора RS-458

20) Терминатор второго коммутатора RS-485

21) Медиаконвертер основного канала (МК)

22) Медиаконвертер резервного канала (МК)

23) Второе устройство верхнего уровня (ВУ)

24) Блок питания основного канала третий

25) Блок питания основного канала четвертый

26) Блок питания резервного канала третий

27) Блок питания резервного канала четвертый

28) Система мониторинга

Осуществление изобретения

На фиг. 1 приведен контроллер, который исполнен в корпусе 1. Данные от устройств нижнего уровня 2,3 по каналам RS-485 поступают на объединенные между собой коммутаторы RS-485 4,5, где данные преобразуются для передачи по каналам Ethernet 100 Base ТХ, после чего по каналам Ethernet 100 Base ТХ через основной 6 и резервный 7 коммутаторы Ethernet данные передаются на основной 8 и резервный 9 процессорные блоки. Процессорные блоки 8, 9 производят обработку поступивших на них данных и передают по основному и резервному каналам Ethernet 100 Base ТХ через основной 6 и резервный 7 коммутаторы Ethernet на устройство верхнего уровня 10, например, АРМ.

Питание контроллера осуществляется от сети ~220 В (±15%) 50 Гц (±6%). Питание поступает на сетевой фильтр 11, откуда распределяется на АВДТ 12,13 для питания основного и резервного каналов. От АВДТ основного канала 12 питание поступает на блок питания 14, обеспечивающий преобразование напряжения для питания основного процессорного блока 8, на блок питания 16, обеспечивающий преобразование напряжения для питания коммутатора Ethernet основного канала 6 и на блок питания 18, обеспечивающий питание коммутаторов RS-485. От АВДТ резервного канала 13 питание поступает на блок питания 15, обеспечивающий преобразование напряжения для питания резервного процессорного блока 9 и на блок питания 17, обеспечивающий преобразование напряжения для питания коммутатора Ethernet резервного канала 7.

На фиг. 2 приведен частный вариант исполнения контроллера. Контроллер исполнен в корпусе 1. Данные от устройств нижнего уровня 2,3 по каналам RS-485 поступают на терминаторы 19,20, соответственно соединенные с объединенными между собой коммутаторами RS-485 4,5, где данные преобразуются для передачи по каналам Ethernet 100 Base ТХ, после чего по каналам Ethernet 100 Base ТХ через основной 6 и резервный 7 коммутаторы Ethernet данные передаются на основной 8 и резервный 9 процессорные блоки. Также контроллер содержит систему мониторинга 28, включающую датчики температуры, влажности, давления, датчик открытия двери контроллера, а также обеспечивает контроль параметров питания. Информация, собранная системой мониторинга 28 по каналам USB также передается на процессорные блоки 8,9. Процессорные блоки 8,9 производят обработку поступивших на них данных и передают по основному и резервному каналам Ethernet 100 Base ТХ на устройство верхнего уровня, а также, через медиаконвертеры основного 21 и резервного 22 каналов по каналу Ethernet 100 Base FX, на второе устройство верхнего уровня 23, например, СВБУ.

Питание контроллера осуществляется от сети ~220 В (±15%) 50 Гц (±6%). Питание поступает на сетевой фильтр 11, откуда распределяется на АВДТ 12,13 для питания основного и резервного каналов. От АВДТ основного канала 12 питание поступает на блок питания 14, обеспечивающий преобразование напряжения для питания основного процессорного блока 8, на блок питания 16, обеспечивающий преобразование напряжения для питания коммутатора Ethernet основного канала 6 и медиаконвертер основного канала 21, а также на блоки питания 24 и 25 основного канала, обеспечивающие преобразование напряжения для питания датчиков, установленных в системе мониторинга 28, конвертеров RS-485 4,5, а также питания резервного процессорного блока 9. От АВДТ резервного канала 13 питание поступает на блок питания 17, обеспечивающий преобразование напряжения для питания коммутатора Ethernet резервного канала 7 и медиаконвертер резервеного канала 22, а также на блоки питания 26 и 27 резервного канала, обеспечивающие преобразование напряжения для дублирования питания датчиков, установленных в системе мониторинга 28, а также дублирования питания резервного процессорного блока 9.

Примеры конкретной реализации

Контроллер может быть выполнен в следующем виде.

В качестве шкафа может быть использован Компактный распределительный шкаф Rittal АЕ-1090.500, внутри которого установлено 3 коммутатора RS-485 PDS-5105D-MTCP, преобразующие поступающие на них сигналы и передающие их по дублированным каналам Ethernet 100 Base-Tx на основной и резервный коммутаторы Ethernet, например, SWD-42F-MM-SC, откуда данные по каналам Ethernet 100 Base-TX поступают на основной и резервный процессорные блоки NANO-ULT3-C-R10, в которых происходит обработка данных, поступивших от устройств нижнего уровня. Далее сигнал через порты 1 основного и резервного процессорных блоков по основному и резервному каналам Ethernet 100 Base-TX поступают на соответственно основной и резервный коммутаторы Ethernet SWD-42F-MM-SC. Преобразованный сигнал с коммутаторов SWD-42F-MM-SC по каналам Ethernet 100 Base-TX поступает на автоматизированное рабочее место системы радиационного контроля.

Конфигурация процессорных блоков может осуществляется через ПЭВМ или устройства верхнего уровня по каналам Ethernet, RS-485 или каналам RS-232.

Питание электрических схем контроллера осуществляется следующим образом. Питание от сети ~ 220 В 50 Гц поступает на сетевой фильтр, например, «Барьер-С1», после чего направляется на основной и резервный АВДТ Legrand DX3 1P+N-16-30mA. Далее питание от АВДТ поступает на основной и резервный блоки питания MDR 60-12, питающие процессорные блоки, а также на основной и резервный блоки питания MDR 20-24, питающие коммутаторы Ethernet и основной и резервный блоки питания MDR 40-24, питающие коммутаторы RS-485.

Еще одним вариантом исполнения контроллера является следующий. В качестве шкафа может быть использован компактный распределительный шкаф Rittal АЕ-1090.500, внутри которого установлено 3 коммутатора RS-485 PDS-5105D-MTCP, преобразующие поступающие на них сигналы и передающие их по дублированным каналам Ethernet 100 Base-TX на основной и резервный коммутаторы Ethernet, например, SWD-42F-MM-SC, откуда данные по каналам Ethernet 100 Base-TX поступают на основной и резервный процессорные блоки NANO-ULT3-C-R10, в которых происходит обработка данных, поступивших от устройств нижнего уровня. Также контроллер содержит систему мониторинга, включающую датчики температуры, влажности, давления, обеспечивающую контроль параметров питания, а также датчик открытия двери контроллера. Информация, собранная системой мониторинга по каналам USB также передается на процессорные блоки. Далее обработанная информация через независимые порты 1 основного и резервного процессорных блоков по основному и резервному каналам Ethernet 100 Base-TX поступает на соответственно основной и резервный коммутаторы Ethernet SWD-42F-MM-SC, после чего по каналам Ethernet 100 Base-TX поступает на автоматизированное рабочее место системы радиационного контроля, а через независимые порты 2 основного и резервного процессорных блоков по основному и резервному каналам Ethernet Base ТХ поступает на соответственно основной и резервный медиаконвертеры Моха IMC-101-M-SC-T, после чего преобразованный сигнал с коммутаторов Моха IMC-101-M-SC-T по каналам Ethernet 100 Base-FX передается на сервер системы радиационного контроля.

Питание электрических схем вышеуказанного исполнения контроллера осуществляется следующим образом. Питание от сети ~ 220 В 50 Гц поступает на сетевой фильтр, например, «Барьер-С1», после чего направляется на основной и резервный АВДТ Legrand DX3 1P+N-16-30mA. Далее питание от АВДТ поступает на блок питания MDR 60-12, обеспечивающий питание основного процессорного блока, основной и резервный блоки питания MDR 20-24, питающие коммутаторы Ethernet и медиаконвертеры, на основные блоки питания MDR 40-24, MDR 60-12 и, соответственно, резервные блоки питания MDR 40-24 и MDR 60-12, обеспечивающие питание и дублирование питания датчиков, установленных в системе мониторинга, коммутаторов RS-485, а также резервного процессорного блока.

В приведенных выше исполнениях габаритные размеры контроллера не более:

- высота с учетом креплений - 1250 мм;

- ширина с учетом креплений - 800 мм;

- глубина с учетом креплений и замка - 350 мм.

Нормальными климатическими условиями эксплуатации контроллера являются:

- температура от 15 до 35 градусов по Цельсию;

- влажность от 40 до 80%;

- атмосферное давление от 84 до 107 кПа.

Параметры устройств нижнего уровня: возможность подключения по каналу RS-485.

Параметры устройств верхнего уровня: возможность подключения по каналу Ethernet или RS-485.

Таким образом, конструкция заявленного контролирующего пункта ввода-вывода дискретных сигналов является надежной при эксплуатации, и обеспечивает высокую точность и эффективность при осуществлении контроля параметров устройств нижнего уровня и информационный обмен между устройствами нижнего и верхнего уровня.

Изобретение относится к системам управления. Контролирующий пункт ввода-вывода дискретных сигналов состоит из корпуса, содержащего блоки питания, преобразователи последовательных интерфейсов RS-485, коммутаторы Ethernet. Дополнительно установлены объединенные между собой программируемые преобразователи последовательных интерфейсов RS-485. Основной и резервный коммутаторы Ethernet подключены по основному и резервному каналам Ethernet к основному и резервному процессорным блокам. Процессорные блоки преобразуют полученные данные по заданному алгоритму и передают их через основной и резервный коммутаторы Ethernet на устройства верхнего уровня по каналам Ethernet или по каналам RS-485. Повышается эффективность контроля. 9 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Контролирующий пункт ввода-вывода дискретных сигналов, состоящий из корпуса, содержащего блоки питания, преобразователи последовательных интерфейсов RS-485, коммутаторы Ethernet, отличающийся тем, что в нем установлено не менее двух объединенных между собой программируемых преобразователей последовательных интерфейсов RS-485, выполненных с возможностью обеспечения сбора данных с устройств нижнего уровня и их конфигурирования по каналам RS-485, преобразования для дальнейшей передачи по каналам Ethernet в основной и резервный коммутаторы Ethernet, а также передачи данных, поступающих с основного и резервного коммутаторов Ethernet на устройства нижнего уровня по каналам RS-485, при этом основной и резервный коммутаторы Ethernet подключены по основному и резервному каналам Ethernet соответственно к основному и резервному процессорным блокам, а процессорные блоки выполнены с возможностью преобразования полученных данных по заданному алгоритму и передачи преобразованных данных через основной и резервный коммутаторы Ethernet на устройства верхнего уровня по каналам Ethernet, либо через основной и резервный коммутаторы Ethernet, соединенные с коммутаторами RS-485, на устройства верхнего уровня по каналам RS-485.

2. Контролирующий пункт ввода-вывода дискретных сигналов по п. 1, отличающийся тем, что программируемые преобразователи последовательных интерфейсов RS-485 могут быть соединены с терминаторами для обеспечения согласованной нагрузки и защиты от электромагнитных помех на каналах.

3. Контролирующий пункт ввода-вывода дискретных сигналов по п. 1, отличающийся тем, что он может производить обмен данными с любым устройством нижнего уровня, выполненным с возможностью соединения по каналу RS-485, а также с любым устройством верхнего уровня, выполненным с возможностью соединения по каналу Ethernet или RS-485.

4. Контролирующий пункт ввода-вывода дискретных сигналов по п. 1, отличающийся тем, что каждый программируемый преобразователь интерфейсов RS-485 содержит 10 портов для соединения с устройствами нижнего уровня.

5. Контролирующий пункт ввода-вывода дискретных сигналов по п. 1, отличающийся тем, что в качестве устройства нижнего уровня может быть использован блок или устройство детектирования.

6. Контролирующий пункт ввода-вывода дискретных сигналов по п. 1, отличающийся тем, что в качестве устройств верхнего уровня может быть использовано устройство, входящее в состав АСУ ТП.

7. Контролирующий пункт ввода-вывода дискретных сигналов по п. 1, отличающийся тем, что он содержит систему мониторинга, состоящую из датчиков давления, температуры, влажности, открытия дверцы и осуществляющую контроль питания устройств, входящих в состав конструкции контроллера, для определения их состояния и возможного доступа к ним, соединенную с процессорными блоками.

8. Контролирующий пункт ввода-вывода дискретных сигналов по п. 1, отличающийся тем, что элементы конструкции контроллера установлены внутри корпуса устройства на DIN-рейках.

9. Контролирующий пункт ввода-вывода дискретных сигналов по п. 1, отличающийся тем, что к процессорным блокам, программируемым преобразователям последовательных интерфейсов RS-485 и коммутаторам Ethernet подключены блоки питания, а также дублирующие блоки питания, соединенные с автоматическими выключателями дифференциального тока, подключенными через сетевой фильтр к сети электропитания.

10. Контролирующий пункт ввода-вывода дискретных сигналов по п. 9, отличающийся тем, что в нем установлены основной и резервный медиаконвертеры, выполненные с возможностью передачи поступающих с процессорных блоков преобразованных данных на устройство верхнего уровня по каналам Ethernet 100 Base-FX, подключенные соответственно к основному и резервному блокам питания коммутаторов Ethernet.