Система управления машиной блочно-модульного построения Российский патент 2023 года по МПК G05B19/02 H05K1/14 G06F13/36 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к системам управления машинами с навесным оборудованием, строительно-дорожной техникой, подъемно-транспортными машинами, автогидроподъемниками, пожарными машинами и т.д. (далее по тексту - машины).

Из предшествующего уровня техники известен электронный «Блок входов и нагрузок БВН1.3» ООО НПП «Резонанс» (http://www.rezonans-tech.ru/catalog/control/bvn/bvn1_3/), предназначенный для коммутации активных и индуктивных нагрузок, обработки аналоговых и дискретных входных сигналов в системах управления и безопасности строительно-дорожной техники, состоящий из корпуса, содержащего переключатель на 2 положения и электрический разъем прямоугольной формы, включающий 4 входа для измерения тока, 4 входа для измерения сопротивления, 6 силовых выходов, защищенных от короткого замыкания и перенапряжений, 15 дискретных входов. Связь между электронными блоками в системе управления машиной обеспечивается посредством шины интерфейса.

Недостатком построения системы управления машинами на основе электронных блоков данного типа с ограниченным, фиксированным количеством сигналов является удорожание системы управления машиной в целом, снижение надежности, увеличение трудоемкости при отладке и монтаже системы, удорожание при ремонте, ограничение функциональных возможностей блоков.

Это объясняется тем, что при управлении разными машинами требуется обрабатывать различное количество входных (от измерительных датчиков и т.д) и выходных сигналов (управление электромагнитами и т.д.), а также требуются различные количество и типы шин интерфейса для соединения разных электронных блоков в системе управления между собой (например, блок управления двигателем, блок управления гидрораспределителем и т.д.). Необходимое количество входных, выходных сигналов, количество и типы шин интерфейса зависит от уровня сложности системы управления машиной: в «простых» системах требуется «малое» количество сигналов (например, входных сигналов - 3 входа, выходных сигналов - 3 выхода, шина интерфейса - отсутствует), а в «сложных» системах - «большое» количество сигналов (например, входных сигналов - 100 входов, выходных сигналов - 50 выходов, шина интерфейса CAN - 3 шины, шина интерфейса RS485 - 3 шины). При построении «простых» систем управления на основе блоков с фиксированным количеством сигналов может возникнуть избыточность блока по количеству сигналов, а при построении «сложных» систем управления из нескольких блоков с фиксированным количеством сигналов -возникает избыточность системы по количеству блоков. Поэтому, при построении «простой» системы из таких блоков может возникнуть удорожание за счет избыточного количества невостребованных элементов в блоке, а при построении «сложной» - происходит удорожание, снижение надежности, увеличение трудоемкости при отладке и монтаже системы за счет увеличенного количества блоков в системе, дополнительных жгутов и разъемов, дополнительных мест креплений на машине, увеличении времени на отладку программного обеспечения.

К тому же, блок с фиксированным количеством сигналов имеет ограниченные функциональные возможности. Например, при построении системы управления машиной требуется электронный блок для установки в кабине: дисплей с «большим» количеством входных сигналов (равным 50 входов) для подключения органов управления. Система управления из блоков с фиксированным количеством сигналов будет состоять из отдельного дисплея и нескольких блоков, соединенных между собой электрическими жгутами, или потребуется разработка нового блока с заданными характеристиками, что не всегда экономически целесообразно.

При разработке и изготовлении системы управления машиной с одной стороны учитываются требуемые функции, количество внешних периферийных сигналов, требования по электромагнитной совместимости, расположение электронных блоков на машине. С другой стороны, высокая конкуренция на рынке производителей и поставщиков систем управления для машин требует снижения стоимости комплектующих и системы в целом, уменьшения срока производства, повышение качества и надежности, меньшие сроки при разработке новых систем управления, обеспечение удобства и минимальной трудоемкости при проведении технического обслуживания и ремонта. Таким требованиям удовлетворяет построение системы управления машинами на основе электронных блоков, содержащих электронные модули.

Из предшествующего уровня техники известна распределенная система ввода-вывода FASTWEL I/O предприятия ООО «ФАСТВЕЛ ГРУПП» (Tittps://www.fastwel.ru/products/fastwel-io/), которая представляет собой семейство программируемых логических контроллеров с переменным составом модулей, предназначенная для автоматизации промышленных объектов. Система FASTWEL I/O состоит из модулей, связанных с конкретным объектом автоматизации, которые образуют узел системы сбора и обработки данных. Такой узел устанавливается в непосредственной близости от объекта автоматизации, что позволяет сократить длину соединительных проводов, упростить монтаж оборудования и отказаться от применения кросс-панелей (объединительных панелей).

Узел системы сбора и обработки данных на базе FASTWEL I/O состоит из контроллера узла сети и оконечного модуля. Дополнительно между контроллером узла сети и оконечным модулем могут устанавливаться модули питания и модули ввода-вывода: модули ввода дискретных сигналов, модули вывода дискретных сигналов, модули ввода аналоговых сигналов, модули вывода аналоговых сигналов, модули измерения температуры, модули сетевых интерфейсов. Связь между модулями ввода-вывода и контроллером узла сети осуществляется по внутренней шине интерфейса FBUS.

Все модули FASTWEL I/O имеют унифицированное конструктивное исполнение. Модули FASTWEL I/O выполнены в унифицированном корпусе, устанавливаются на 35-миллиметровую DIN-рейку и закрепляются на ней при помощи фиксатора.

Первым устанавливается контроллер узла сети. Справа от контроллера узла сети устанавливаются модули ввода-вывода. Оконечный модуль устанавливается последним в линейке на шине интерфейса FBUS по отношению к контроллеру узла сети.

Для защиты от внешнего воздействия окружающей среды модулей FASTWEL I/O и контактных соединений, узел системы сбора и обработки данных устанавливается в корпусе или в шкафу управления, обеспечивающем требуемую степень защиты.

Контроллер узла сети обеспечивает возможность исполнения прикладных программ (приложений), реализующих алгоритмы сбора, обработки данных и управления, разработанных при помощи адаптированной среды разработки. Контроллер узла сети программируется пользователем в среде программирования CoDeSys, адаптированной для системы FASTWEL I/O.

Контроллер узла сети предназначен для управления модулями ввода-вывода, автоматически определяет состав подключенных модулей и выполняет конфигурацию модулей. Контроллер имеет встроенный источник питания для модулей ввода-вывода, установленных на внутренней шине интерфейса FBUS.

Контроллер узла сети имеет в своем составе модуль питания, преобразующий входное напряжение 24В постоянного тока в 5В для электропитания цифровой части контроллера и модулей ввода-вывода, подключенных к шине интерфейса FBUS.

Модули ввода-вывода имеют от двух до восьми каналов ввода-вывода. Для присоединения внешних проводов модули имеют до восьми фронтальных пружинных контактов. Базовым элементом модуля ввода-вывода является микросхема программируемой логики.

Для разделения узла системы сбора и обработки данных на несколько отдельных сборок, имеющих один общий контроллер узла сети требуется дополнительная установка двух модулей расширения внутренней шины интерфейса FBUS: с правой и левой стороны сборок.

Модуль питания предназначен для ввода напряжения 24В постоянного тока от внешнего источника питания, а выходы с модуля через боковые ножевые контакты используют для питания +5В модулей ввода-вывода шины интерфейса FBUS и распределения питания посредством других модулей для организации питания внешних электрических цепей.

Оконечный модуль используется для согласования электрических цепей шины интерфейса FBUS.

С одной боковой стороны контроллера узла сети и каждого модуля ввода-вывода расположены выступающие пружинные нажимные контакты, а с другой стороны оконечного модуля и модуля ввода-вывода - выступающие фиксированные контакты с плоской поверхностью. Таким образом, при установке модулей FASTWEL I/O вплотную друг к другу, без зазора, смежные модули электрически соединяются через эти контакты, тем самым образуется внутренняя шина интерфейса FBUS и обеспечивается подача электрического питания к модулям ввода-вывода.

Недостатком распределенной системы ввода-вывода FASTWEL I/O является то, что минимальная конфигурация узла системы сбора и обработки данных с задействованной внутренней шиной интерфейса FBUS из двух абонентов, состоит из контроллера узла сети, одного модуля ввода-вывода и оконечного модуля. Так как оконечный модуль используется только для согласования электрических цепей шины интерфейса, то применение оконечного модуля ведет к удорожанию системы и увеличению габаритных размеров корпуса электронного блока, в который устанавливается узел системы сбора и обработки данных.

Следующим недостатком распределенной системы ввода-вывода FASTWEL I/O является обязательное расположение модулей вплотную друг к другу, без зазора, что ведет к уменьшению вариативности расположения модулей и снижению гибкости при конструировании электронного блока.

Следующим недостатком распределенной системы ввода-вывода FASTWEL I/O является дополнительная установка модулей расширения внутренней шины интерфейса, необходимых для разделения узла системы сбора и обработки данных на несколько отдельных сборок, имеющих один общий контроллер узла сети, что ведет к удорожанию системы, снижению надежности системы и увеличению габаритных размеров корпуса электронного блока.

Следующим недостатком распределенной системы ввода-вывода FASTWEL I/O является подключение внешнего источника питания к контроллеру узла сети и к модулю питания с последующей подачей электрического питания к модулям ввода-вывода через контакты на боковой стороне. Подключенные модули ввода-вывода к одному источнику питания образуют группу модулей. При такой схеме подачи питания суммарный ток через контакты каждого модуля ввода-вывода равен сумме потребляемых токов и токов нагрузки всех модулей, установленных правее. А так как у любого контактного соединения имеется ограничение по максимальному пропускному току, то это приводит к ограничению количества модулей ввода-вывода, установленных правее от контроллера узла сети и от модуля питания. Из-за ограничения количества модулей ввода-вывода, установленных правее от контроллера узла сети или от модуля питания, требуется установка дополнительных модулей питания, что ведет к удорожанию системы, снижению надежности и увеличению габаритных размеров корпуса электронного блока.

Следующим недостатком распределенной системы ввода-вывода FASTWEL I/O является формирование на боковых ножевых контактах модуля питания напряжения +5В для модулей ввода-вывода шины интерфейса FBUS. При выходе из строя источника напряжения +5В возможна некорректная работа шины интерфейса FBUS, что ведет к снижению надежности системы.

Следующим недостатком распределенной системы ввода-вывода FASTWEL I/O является формирование напряжения на боковых ножевых контактах модуля питания для распределения и организации питания внешних электрических цепей через другие модули, что ведет к снижению надежности системы.

Следующим недостатком распределенной системы ввода-вывода FASTWEL I/O является строгий порядок расположения модулей ввода-вывода справа от контроллера узла сети, что может привести к несоблюдению требований по электромагнитной совместимости технических средств строительных машин. Параметры электромагнитных помех существенно меняются в зависимости от способа размещения кабелей, конфигурации модулей в блоке, а также другой установленной аппаратуры и ее близости к блоку управления. Для обеспечения требований электромагнитной совместимости и повышения помехоустойчивости при построении системы управления машиной модули ввода-вывода со слаботочными сигналами, восприимчивыми к электромагнитным помехам, размещают на максимально возможном расстоянии от силовых модулей ввода-вывода с большими токами. Соответственно и проводники к этим модулям должны располагаться на максимально возможном расстоянии друг от друга и иметь минимальное число пересечений. А также, желательно, чтобы контроллер узла сети был расположен как можно дальше от модулей с силовыми выходами на сильноточные нагрузки, чтобы электромагнитные помехи не оказывали влияние на работу контроллера. Как правило, в машинах пространство для размещения узла системы сбора и обработки данных ограничено, поэтому возникает необходимость в расположении контроллера узла сети и модулей ввода-вывода относительно друг друга в различных комбинациях, что невозможно у аналога при комбинации модулей в составе одного узла, что ведет к снижению надежности системы.

Следующим недостатком распределенной системы ввода-вывода FASTWEL I/O является сложность при поиске неисправности: при отсутствии контактного соединения с любой боковой стороны любого модуля по шине интерфейса FBUS, связь между контроллером узла сети и модулями ввода-вывода прерывается. При такой неисправности повышается трудоемкость ремонта, заключаемая в аппаратном поиске неисправности, что соответственно приводит к снижению ремонтопригодности.

Следующим недостатком распределенной системы ввода-вывода FASTWEL I/O является применение корпуса в конструкции каждого модуля, что ведет к удорожанию системы.

Следующим недостатком распределенной системы ввода-вывода FASTWEL I/O является формирование шины интерфейса FBUS посредством выступающих пружинных нажимных контактов и выступающих фиксированных контактов с плоской поверхностью, которые расположены на боковых поверхностях модулей. При коррозии, окислении и выгорании контактов ремонт заключается в полной замене неисправного модуля, что ведет к снижению надежности и ремонтопригодности системы.

Наиболее близким к настоящему изобретению техническим решением является устройство управления с контролем нагрузки, источник информации US 2019073326 A1 (патент US 10353835 B2), 16.07.2019, представляющее собой модульное устройство управления, в частности устройство аварийного отключения, содержащее главный модуль, по меньшей мере один модуль питания и по меньшей мере один периферийный модуль, которые присоединены к главному модулю посредством шинной структуры.

Периферийные модули используются для подключения управляемых периферийных устройств, поэтому такие модули также называют модулями ввода и вывода. Периферийные модули используются в том числе для управления и подачи тока на подключенные исполнительные механизмы, например, контакторы, электромагнитные клапаны и лампы. Необходимый ток для управления подается на периферийные модули через модули питания.

Модули питания и периферийные модули расположены на устройстве управления и подключены к общей шине. Внешние соединения на модулях питания могут использоваться для подачи периферийного тока на устройство управления, а шина может использоваться для передачи указанного периферийного тока на соответствующие периферийные модули. Периферийный ток обеспечивается внешними блоками питания, которые преобразовывают сетевое напряжение 230 Вольт переменного тока, например, в соответствующее рабочее напряжение 24 Вольта постоянного тока, обеспечивают требуемые уровни тока и имеют защитные механизмы, например, в виде предохранителей, которые отключают и прерывают путь тока к блоку управления при превышении определенного порогового значения.

Обычно несколько периферийных модулей питаются током от одного модуля питания, таким образом образуется группа модулей. Модули одной группы расположены на шине последовательно, таким образом, что каждая группа начинается с модуля питания. Чем больше периферийных модулей связано с одним модулем питания, тем выше, как правило, ток, который модуль питания принимает от внешнего блока питания.

В случае превышения потребляемой мощности, нагрузка может стать слишком высокой для модуля питания, так что, внутренний предохранитель или предохранитель внешнего блока питания срабатывает и отключает устройство управления или отдельные группы модулей. Однако, неконтролируемое отключение такого рода нежелательно и отрицательно влияет на доступность всей системы.

Модуль питания и периферийные модули содержат базовую часть, электронную часть и соединительную часть. Базовые части модулей образуют шинную структуру, которая электрически соединяет главный модуль, модуль питания и периферийные модули между собой. Электронная часть модуля обеспечивает логическую обработку. К соединительной части модуля питания подключается внешний блок питания для подачи внешнего периферийного тока, а к соединительной части периферийного модуля подключаются исполнительные механизмы для вывода периферийного тока.

Модуль питания содержит электрическую линию, выполненную определенным поперечным сечением, которая проходит от его соединительной части через электронную часть к базовой части модуля таким образом, что через линию пропускается весь периферийный ток от внешнего блока питания, равный сумме всех периферийных токов на выходах периферийных модулей одной группы.

Кроме того, электрическая линия на модуле питания содержит устройство идентификации перегрузки, которое непрерывно определяет по меньшей мере один характерный параметр электрической линии, например, ток в линии. При превышении значения характерного параметра над критическим значением схема идентификации перегрузки генерирует предупреждающий сигнал, который передается по шинной структуре в головной модуль. В таком случае, головной модуль по заданной логике отключает выходы периферийных модулей.

Схема идентификации перегрузки в модуле питания может иметь датчик температуры для определения температуры электрической линии.

В дальнейшем уточнении, выходы периферийного модуля могут быть электрически соединены с электрической линией модуля питания для подачи напряжения питания к исполнительным механизмам.

Устройство раскрыто в различных вариантах осуществления, где модули варианта, наиболее близкого для его упоминания в качестве аналога настоящего изобретения, выполнены в виде бескорпусных печатных плат, установленных на объединительной печатной плате посредством разъемов, расположенных в базовой части каждого модуля. Объединительная печатная плата содержит шинную структуру, через которую осуществляется обмен данными между модулями и питание периферийных модулей от модуля питания.

В особо предпочтительном варианте объединительная плата образована непосредственно базовыми частями модулей. В этом случае базовые части расположены вплотную друг к другу, образуя объединительную плату.

Соединительная часть модуля питания имеет в этом варианте одно питающее соединение для подключения внешнего блока питания, которое используется для подачи периферийного тока в группу периферийных модулей.

В электронной части периферийного модуля в том числе могут быть установлены полупроводниковые переключатели для переключения выходов. Кроме того, электронная часть может содержать компоненты ЭМС или схему ограничения тока.

Недостатком ближайшего аналога является подключение по шине питания группы из нескольких периферийных модулей вывода после модуля питания таким образом, что суммарный периферийный ток группы периферийных модулей проходит через модуль питания. При неисправности модуля питания или электрического разъема произойдет выход из строя всей группы периферийных модулей. Это приводит к снижению надежности электронного блока.

Следующим недостатком ближайшего аналога является нагрев модуля питания и его контактного соединения с объединительной платой, обусловленный прохождением суммарного периферийного тока к периферийным модулям вывода. Для контроля и ограничения нагрева в модуле питания установлен датчик температуры. Это снижает надежность электронного блока, приводит к удорожанию системы и низкой эффективности решения при быстром возрастании тока в широком диапазоне изменения температуры окружающей среды.

Следующим недостатком ближайшего аналога является длинная цепь прохождения периферийного тока питания к периферийному модулю: внешний блок питания - модуль питания - электрический разъем - объединительная плата - электрический разъем - периферийный модуль. Наличие промежуточных элементов в виде разъемов с объединительной платой, в том числе вследствие окисления контактов, снижает надежность электронного блока.

Следующим недостатком ближайшего аналога является включение в состав шинной структуры объединительной платы, при неисправности которой повышается трудоемкость ремонта, заключаемая в аппаратном поиске неисправности, что соответственно приводит к снижению ремонтопригодности.

Следующим недостатком ближайшего аналога является подключение шины интерфейса между главным модулем и группой модулей, состоящей из модуля питания, периферийных модулей и объединительной платы. При неисправности шины интерфейса в модуле питания или в объединительной плате произойдет потеря связи между главным модулем и группой модулей, что приводит к снижению надежности электронного блока.

Следующим недостатком ближайшего аналога является наличие электронной схемы измерения суммарного значения периферийных токов группы модулей и передачу данных суммарного тока в главный модуль посредством цифро-аналоговой схемы в каждом модуле питания. Наличие таких схем приводит к удорожанию электронного блока, усложнению модуля питания и снижению надежности электронного блока.

Следующим недостатком ближайшего аналога является фиксированное и неизменное положение модулей питания и периферийных модулей относительно друг друга на объединительной плате. Такая конструкция ведет к уменьшению вариативности расположения модулей и снижению гибкости при конструировании электронного блока.

Следующим недостатком ближайшего аналога является расположение электрических разъемов базовой и соединительной частей на противоположных боковых сторонах печатной платы модуля, что приводит к снижению технологичности нанесения защитных покрытий при изготовлении модуля.

Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является оптимизация процесса разработки и производства системы управления машиной (далее по тексту - система), с одновременным улучшением эксплуатационных свойств системы и упрощением ее сервисного обслуживания.

Основным техническим результатом заявляемого изобретения является повышение вариативности и гибкости системы за счет применения блочно-модульной архитектуры построения, выполненной с возможностью свободного расположения модулей в пределах конструкции электронного блока и независимой организацией питания модулей, что обеспечивает компактность электронного блока, повышение надежности и ремонтопригодности системы.

Дополнительным техническим результатом является повышение эффективности и быстродействия при перегрузках на выходах модулей.

Для достижения указанного технического результата предлагается система управления машиной блочно-модульного построения, состоящая по меньшей мере из одного электронного блока, содержащего в том числе корпус, внутренние схемы электронного блока и электронные модули, причем один из электронных блоков представляет собой основной электронный блок, содержащий главный модуль и по меньшей мере один периферийный модуль. К главному и периферийным модулям подключены внутренние схемы электронного блока и электрические схемы машины.

Все модули выполнены в бескорпусном исполнении в виде печатных плат с одинаковыми габаритными размерами и возможностью установки в корпус электронного блока, с размещенными на них радиодеталями.

На каждый модуль посредством проводов и разъемов подано напряжение питания от общего электрического соединения, подключенного к внешней сети питания электронного блока от схемы машины, при этом преобразованное напряжение питания в каждом модуле используется для питания электрических схем в этом модуле.

Главный и периферийные модули содержат программируемые микросхемы и посредством проводов и разъемов к этим модулям подключена шина интерфейса для обмена данными между модулями. Адрес абонентов интерфейса главного и периферийных модулей включает в себя в том числе фиксированный код групповой адресации, и дополнительно для периферийных модулей код логической адресации, устанавливаемый на разъеме или с помощью переключателей на модуле.

Дополнительные существенные признаки заявляемого технического решения могут быть представлены в следующих частных вариантах осуществления.

В частности, система дополнительно содержит по меньшей мере один добавочный электронный блок, который состоит по меньшей мере из одного периферийного модуля, при этом соединение основного и добавочного электронных блоков между собой осуществлено посредством шины интерфейса для обмена данными между модулями, а к периферийному модулю аналогично, как в основном электронном блоке, посредством проводов и разъемов подано напряжение питания и подключена шина интерфейса для обмена данными между модулями.

В частности, в любом из электронных блоков может быть дополнительно установлен по меньшей мере один модуль питания, напряжение с которого, после схем зашиты и преобразования, использовано для электрического питания внутренних схем электронного блока и электрических схем машины посредством проводов и разъемов.

В частности, в основном электронном блоке совместно с главным модулем установлен по меньшей мере один модуль регистратора параметров работы, который по дополнительной внутренней шине интерфейса регистратора соединен с главным модулем для обмена данными посредством проводов и разъемов.

В частности, разъемы на электронных модулях для подключения внутренних схем электронного блока и электрической схемы машины расположены с одной из боковых сторон печатной платы модуля.

Заявляемое изобретение поясняется фигурами.

На фиг. 1 изображена электрическая схема основного электронного блока, состоящего из главного и двух периферийных модулей, где:

1 - электрическая схема машины;

2 - основной электронный блок;

4 - шина интерфейса для обмена данными между модулями;

5 - внутренние схемы электронного блока;

6 - общее электрическое соединение;

7 - главный модуль;

8 - периферийный модуль;

12 - оконечная схема согласования шины интерфейса.

На фиг. 2 изображена электрическая схема основного электронного блока, состоящего из главного и двух периферийных модулей, и одного добавочного электронного блока, состоящего из одного периферийного модуля, где:

1 - электрическая схема машины;

2 - основной электронный блок;

3 - добавочный электронный блок;

4 - шина интерфейса для обмена данными между модулями;

5 - внутренние схемы электронного блока;

6 - общее электрическое соединение;

7 - главный модуль;

8 - периферийный модуль;

12 - оконечная схема согласования шины интерфейса.

На фиг. 3 изображена электрическая схема основного электронного блока, состоящего из главного модуля, двух периферийных модулей, одного модуля питания и одного модуля регистратора параметров работы, где:

1 - электрическая схема машины;

2 - основной электронный блок;

4 - шина интерфейса для обмена данными между модулями;

5 - внутренние схемы электронного блока;

6 - общее электрическое соединение;

7 - главный модуль;

8 - периферийный модуль;

9 - модуль питания;

10 - модуль регистратора параметров работы;

11 - шина интерфейса для обмена данными регистратора;

12 - оконечная схема согласования шины интерфейса.

На фиг. 4 изображена электрическая схема основного электронного блока, состоящего из главного модуля, двух периферийных модулей, одного модуля питания и одного модуля регистратора параметров работы, и одного добавочного электронного блока, состоящего из одного периферийного модуля, где:

1 - электрическая схема машины;

2 - основной электронный блок;

3 - добавочный электронный блок;

4 - шина интерфейса для обмена данными между модулями;

5 - внутренние схемы электронного блока;

6 - общее электрическое соединение;

7 - главный модуль;

8 - периферийный модуль;

9 - модуль питания;

10 - модуль регистратора параметров работы;

11 - шина интерфейса для обмена данными регистратора;

12 - оконечная схема согласования шины интерфейса.

На фиг. 5 изображен главный модуль, где:

7 - главный модуль;

13 - печатная плата, с размещенными на ней радиодеталями;

14 - разъем для подачи напряжения питания;

15 - разъем для подключения внутренних схем электронного блока и электрической схемы машины;

16 - разъем для подключения шины интерфейса для обмена данными между модулями;

17 - разъем для подключения шины интерфейса для обмена данными регистратора;

19 - разъем для программирования микросхем.

На фиг. 6 изображен периферийный модуль, где:

8 - периферийный модуль;

13 - печатная плата, с размещенными на ней радиодеталями;

14 - разъем для подачи напряжения питания;

15 - разъем для подключения внутренних схем электронного блока и электрической схемы машины;

16 - разъем для подключения шины интерфейса для обмена данными между модулями;

18 - разъем для установки кода логической адресации;

19 - разъем для программирования микросхем.

На фиг. 7 изображен модуль питания, где:

9 - модуль питания;

13 - печатная плата, с размещенными на ней радиодеталями;

14 - разъем для подачи напряжения питания;

15 - разъем для подключения внутренних схем электронного блока и электрической схемы машины.

На фиг. 8 изображен модуль регистратора параметров работы, где:

10 - модуль регистратора параметров работы;

13 - печатная плата, с размещенными на ней радиодеталями;

14 - разъем для подачи напряжения питания;

17 - разъем для подключения шины интерфейса для обмена данными регистратора;

19 - разъем для программирования микросхем.

На фиг. 9 изображен основной электронный блок, где:

2 - основной электронный блок;

6 - общее электрическое соединение;

7 - главный модуль;

8 - периферийный модуль;

10 - модуль регистратора параметров работы.

Пример осуществления №1 (фиг. 1, фиг. 5, фиг. 6).

Система управления машиной состоит из электрической схемы 1 машины и основного электронного блока 2, который содержит корпус с размещенными внутренними схемами 5 электронного блока 2, такими как реле, органы управления (кнопки, переключатели и т.д.), индикация и отображение информации, элементы защиты и т.д. В корпусе электронного блока 2 установлены главный модуль 7 и два периферийных модуля 8 (далее по тексту главный модуль 7 и периферийные модули 8 совместно именуются - модули), к которым подключены внутренние схемы 5 электронного блока 2 и электрические схемы 1 машины.

Все модули выполнены в бескорпусном исполнении в виде печатных плат с одинаковыми габаритными размерами и размещенными на них радиодеталями, при этом электрическая схема каждого из модулей содержит программируемые микросхемы, например, микроконтроллеры. Модули выполнены с возможностью установки в корпус электронного блока 2 и крепления любым известным способом. Модули соединены между собой посредством шины интерфейса 4 для обмена данными между модулями, а в крайних, наиболее удаленных местах с двух концов шины интерфейса 4 установлены оконечные схемы согласования 12 шины интерфейса 4, например, резистор. Шина интерфейса 4 для обмена данными между модулями и оконечные схемы согласования 12 шины интерфейса 4 выполнены посредством проводов и разъемов.

Для обмена данными между модулями по шине интерфейса 4 используются адреса абонентов, которые включают в себя в том числе фиксированный код групповой адресации. Например, главный модуль 7 относится к «первой» группе главных модулей с одинаковым кодом, периферийный модуль 8 для обработки входных сигналов относится ко «второй» группе модулей, периферийный модуль 8 для формирования выходных сигналов относится к «третьей» группе модулей, а периферийный модуль 8 с входами и выходами относится к «четвертой» группе модулей и т.д. Обычно к одной группе периферийных модулей 8 относятся модули с одинаковой аппаратной схемной частью и одинаковым программным обеспечением.

Дополнительно, адрес абонента периферийного модуля 8 включает код логической адресации, который устанавливается, например, с помощью микропереключателей на периферийном модуле 8, или разъема и перемычек на периферийном модуле 8, или разъема на периферийном модуле 8 и ответной печатной платой с разъемом, на которой имеется соответствующая коду схема. Код логической адресации не зависит от местоположения периферийного модуля 8 и может совпадать с порядковым номером в пределах одной группы периферийных модулей.

В состав электронного блока 2 входит общее электрическое соединение 6, выполненное из клеммных колодок, разъемов и т.д., с помощью которых модули, и внутренние схемы 5 электронного блока 2 соединяются с электрической схемой 1 машины. От общего электрического соединения 6 посредством проводов и разъемов подано напряжение питания к каждому модулю раздельно, которое, после преобразования в каждом модуле, используется для питания его электрических схем.

Пример осуществления №2 (фиг. 2, фиг. 5, фиг. 6).

Схема системы управления машиной повторяет схему, описанную в примере осуществления №1 (по изобретению), но в отличии от схемы по примеру осуществления №1 система дополнительно содержит один добавочный электронный блок 3, который состоит из одного периферийного модуля 8.

Соединение основного 2 и добавочного 3 электронных блоков между собой осуществлено посредством шины интерфейса 4 для обмена данными между модулями, проходящей через общее электрическое соединение 6 основного 2 и добавочного 3 электронных блоков. При этом общее электрическое соединение 6 выполнено любым известным способом из клеммных колодок, разъемов и т.д.

Периферийный модуль 8 в добавочном электронном блоке 3 подключен к шине интерфейса 4 для обмена данными между модулями посредством проводов и разъемов аналогично, как в основном электронном блоке 2.

В основном электронном блоке 2 с одной стороны шины интерфейса для обмена данными между модулями 4 установлена оконечная схема согласования шины интерфейса 12 и в добавочном электронном блоке 3 с другой стороны шины интерфейса 4 для обмена данными между модулями установлена оконечная схема согласования 12 шины интерфейса.

Подача напряжения питания, подключение внутренних схем добавочного электронного блока 3 и электрической схемы 1 машины к периферийному модулю 8 в добавочном электронном блоке 3 выполнено посредством проводов и разъемов аналогично, как в основном электронном блоке 2.

Пример осуществления №3 (фиг. 3, фиг. 5, фиг. 6, фиг. 7, фиг. 8).

Схема системы управления машиной повторяет схему, описанную в примере осуществления №1 (по изобретению), но в отличии от схемы по примеру осуществления №1 система дополнительно содержит в основном электронном блоке 2 один модуль питания 9 и один модуль регистратора параметров работы 10.

От общего электрического соединения 6 в основном электронном блоке 2 посредством проводов и разъемов напряжение питания подано на модуль питания 9, которое после схем зашиты и преобразования, использовано для электрического питания внутренних схем 5 электронного блока 2 и электрических схем 1 машины через общее электрическое соединение 6.

От общего электрического соединения 6 в основном электронном блоке 2 посредством проводов и разъемов напряжение питания подано на модуль регистратора параметров работы 10. Модуль регистратора параметров работы 10 посредством проводов и разъемов соединен с главным модулем 7 по дополнительной внутренней шине интерфейса 11 для обмена данными регистратора.

Пример осуществления №4 (фиг. 4, фиг. 5, фиг. 6, фиг. 7, фиг. 8).

Схема системы управления машиной повторяет схему, описанную в примере осуществления №2 и №3 (по изобретению), но в отличии от схемы по примеру осуществления №3 оконечные схемы согласования 12 шины интерфейса установлены в соответствии с примером осуществления №2 (по изобретению).

Сопоставительный анализ с приведенными аналогами выявляет следующие улучшения эксплуатационных свойств предлагаемого технического решения:

1. При минимальной комплектации электронных блоков, основной электронный блок может содержать два модуля: главный модуль и один периферийный модуль, а добавочный электронный блок может содержать один периферийный модуль. Такая комплектация ведет к удешевлению системы и уменьшению габаритных размеров корпуса электронного блока.

2. Выполнение модулей в бескорпусном исполнении обеспечивает удешевление системы, т.к. не требуется изготовление корпусов модулей, оснастки для изготовления корпусов и т.д.

3. Подача напряжения питания и подключение шины интерфейса для обмена данными между модулями на каждый модуль посредством проводов и разъемов расширяет возможности для компоновки электронного блока, обеспечивая свободное расположение модулей, на любом расстоянии друг от друга и любой ориентации в пространстве в пределах конструкции электронного блока, что увеличивает гибкость при конструировании электронного блока, а также повышает его компактность, надежность и ремонтопригодность.

4. Подача напряжения питания на каждый модуль от общего электрического соединения и преобразование напряжения в модуле для питания электрических схем в модуле повышает надежность системы и ремонтопригодность, в том числе по причине использования меньшего количества соединений электрических цепей и более короткой цепи прохождения тока, обеспечивая при этом меньший нагрев проводников тока.

5. Все выходы периферийных модулей имеют схему измерения тока нагрузки и все выходы с модуля питания имеют схему ограничения максимального тока нагрузки. Обычно, напряжение с выходов модулей питания используется для подачи электрического питания к измерительным датчикам, ток потребления которых достаточно мал и составляет десятки-сотни миллиампер. К выходам периферийных модулей подключены нагрузки, токи которых составляют единицы ампер. Главный модуль принимает данные значений токов нагрузки всех выходов от периферийных модулей, учитывает значения токов потребления модулей и максимальных токов на всех выходах модулей питания, и на основе этих данных рассчитывает суммарный ток потребления системы и ток потребления каждого электронного блока. Учитывая, что система используется в составе машин, у которых система питания содержит в том числе аккумулятор и генератор для генерации «большой» мощности, то погрешность расчета тока потребления, обусловленная схемой модуля питания без передачи значений тока главному модулю, будет мала по сравнению с током системы питания машиной. Применение модуля питания, содержащего схемы зашиты и преобразования, без передачи значений тока главному модулю, упрощает схему модуля питания, что ведет к удешевлению системы и повышает надежность системы.

6. Для реализации шины интерфейса обмена данными между модулями можно выбрать любую известную шину интерфейса, например, CAN-шину. При наличии требований к шине интерфейса по установке оконечных схем согласования шины в наиболее удаленных местах с двух концов шины интерфейса, установка таких оконечных схем наиболее целесообразна в электронных блоках посредством проводов и разъемов, что ведет к удешевлению системы, уменьшению габаритных размеров корпуса электронного блока, повышает надежность и ремонтопригодность системы.

7. Применение единой шины интерфейса для обмена данными между модулями и между электронными блоками в системе ведет к удешевлению системы, повышению надежности системы, уменьшению трудоемкости при отладке и монтаже системы, уменьшению времени на отладку программного обеспечения.

8. Расположение разъемов с одной из боковых сторон печатной платы модуля повышает технологичность нанесения защитных покрытий при изготовлении модуля, например, при погружении модуля в раствор с защитным составом, таким образом, чтобы защитный состав не попал в электрические разъемы модуля. Такое расположение разъемов также способствует повышению надежности системы.

9. Установка модуля регистратора параметров работы, например, для грузоподъемного крана, в основном электронном блоке совместно с главным модулем и соединение их по дополнительной внутренней шине интерфейса регистратора посредством проводов и разъемов повышает надежность и ремонтопригодность системы, так как в случае неисправности шины интерфейса для обмена данными между модулями, операции записи и чтения данных с модуля регистратора параметров работы будут доступны для главного модуля.

Вышеизложенное позволяет сделать вывод о том, что заявляемая совокупность признаков характеризует новое техническое решение, ранее не известное и явным образом не следующее из уровня техники, а, следовательно, заявленное изобретение соответствует критериям «новизна» и «изобретательский уровень».

Изобретение относится к системам управления машинами. Технический результат заключается в повышении вариативности и гибкости системы и достигается тем, что система выполнена в блочно-модульном построении. Система включает основной электронный блок с внутренней схемой, главным модулем, периферийными модулями и модулем питания. Модули выполнены в виде печатных плат с возможностью установки в корпус электронного блока. Главный и периферийные модули содержат программируемые микросхемы. К модулям подключены внутренние схемы электронного блока, такие как реле, органы управления, индикации и отображения информации, и электрические схемы машины, а также шина интерфейса для обмена данными между модулями. Адрес абонентов интерфейса модулей включает в себя фиксированный код групповой адресации, причем адрес периферийных модулей включает код логической адресации, устанавливаемый на разъеме или с помощью переключателей на модуле. В основном электронном блоке для питания электрических схем модулей подается напряжение питания от общего электрического соединения, подключенного к внешней сети питания электронного блока от схемы машины, и преобразованное в модуле. 4 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Система управления машиной блочно-модульного построения, состоящая из электрической схемы машины, по меньшей мере одного электронного блока, содержащего в том числе корпус, внутренние схемы электронного блока и электронные модули, которые представляют собой главный модуль, периферийные модули и модуль питания, при этом все модули выполнены в бескорпусном исполнении в виде печатных плат с одинаковыми габаритными размерами и возможностью установки в корпус электронного блока, с размещенными на них радиодеталями, причем главный и периферийные модули содержат программируемые микросхемы и соединены между собой посредством шины интерфейса для обмена данными между модулями, а адрес абонентов интерфейса модулей включает в себя фиксированный код групповой адресации, при этом к главному и периферийному модулям подключены электрические схемы машины и внутренние схемы электронного блока, такие как реле, органы управления, индикации и отображения информации, отличающаяся тем, что один из электронных блоков представляет собой основной электронный блок, содержащий главный модуль и по меньшей мере один периферийный модуль, причем в основном электронном блоке на каждый модуль посредством проводов и разъемов подано напряжение питания от общего электрического соединения, подключенного к внешней сети питания электронного блока от схемы машины, а также к главному и периферийным модулям подключена шина интерфейса для обмена данными между модулями посредством проводов и разъемов, при этом адрес абонентов интерфейса периферийных модулей включает код логической адресации, устанавливаемого на разъеме или с помощью переключателей на модуле, а для питания электрических схем в модуле используется напряжение, поданное на каждый электронный модуль от общего электрического соединения и преобразованное в модуле.

2. Система управления машиной по п. 1, отличающаяся тем, что система дополнительно содержит по меньшей мере один добавочный электронный блок, который состоит по меньшей мере из одного периферийного модуля, при этом соединение основного и добавочного электронных блоков между собой осуществлено посредством шины интерфейса для обмена данными между модулями, а к периферийному модулю, аналогично, как в основном электронном блоке, посредством проводов и разъемов подано напряжение питания и подключена шина интерфейса для обмена данными между модулями.

3. Система управления машиной по пп. 1, 2, отличающаяся тем, что в электронном блоке дополнительно установлен по меньшей мере один модуль питания, напряжение с которого, после схем зашиты и преобразования, использовано для электрического питания внутренних схем электронного блока и электрических схем машины посредством проводов и разъемов.

4. Система управления машиной по п. 1, отличающаяся тем, что в основном электронном блоке совместно с главным модулем установлен по меньшей мере один модуль регистратора параметров работы, который по дополнительной внутренней шине интерфейса регистратора соединен с главным модулем для обмена данными посредством проводов и разъемов.

5. Система управления машиной по пп. 1-4, отличающаяся тем, что разъемы электронных модулей для подключения внутренних схем электронного блока и электрической схемы машины расположены с одной из боковых сторон печатной платы модуля.