КОМПЛЕКС ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ УПРАВЛЯЮЩИЙ С МЕЖМОДУЛЬНОЙ ШИНОЙ FBUS Российский патент 2025 года по МПК G06F1/16 G06F13/40 H05K7/02 

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

Предлагаемое изобретение относится к области электроники, а именно к электронной технике, и предназначено для реализации элементов масштабируемых, сосредоточенных или территориально-распределенных автоматизированных систем сбора, обработки данных и управления технологическими процессами.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Все известные на сегодняшний день типы модульных вычислительных управляющих комплексов для создания автоматизированных систем сбора, обработки данных и управления технологическими процессами можно разделить на следующие группы:

Построенные на базе фиксированной объединительной платы (корзины) с задней панелью, которая является основным элементом коммутации модулей (СН-1 "СОНЕТ", "КАТРЕН", REGUL R600) [1]. Основным несущим элементом комплекса является корзина, в которую установлена задняя коммутационная панель с разъемами. Модули ввода-вывода вставляются в корзину и подключаются через разъемы на задней панели. К преимуществам такого конструктива следует отнести: возможность реализации функции горячей замены, возможность реализации высокоскоростных межмодульных шин. Такая конструкция имеет следующие недостатки: сложности масштабирования, неудобство монтажа и подключения полевых сигналов, высокая стоимость.

Комплексы, устанавливаемые на монтажную рейку с непосредственным соединением между модулями (Siemens ТМ 1703, SIMATIC S7-1200, SIMATIC S7-300, WAGO I/O System 750/753) [2]. В таких системах межмодульный соединитель является частью корпуса модуля и не допускает снятие модуля без отключения питания. Конструкция не позволяет реализовать функцию горячей замены, т.к. при снятии модуля цифровая межмодульная шина и шина питания разрывается. К преимуществам такого решения стоит отнести низкую стоимость, гибкость построения и масштабируемость.

Устанавливаемые на монтажную рейку и имеющие неразборную заднюю панель или шасси на фиксированное количество модулей (Rockwell Automation ControlLogix 1756, FLEXHA 5000, Schneider Electric Modicon M340, Modicon M580, TECON МФК 1500) [3]. Такое решение имеет сильно ограниченные возможности по расширению и масштабированию, но позволяет реализовать возможность горячей замены модулей ввода-вывода. Его следует рассматривать, как менее дорогостоящую альтернативу для [1].

Комплексы, имеющие наборную активную заднюю панель (ABB S800, REGUL R500) [4]. Данный тип комплексов свободен от большинства недостатков свойственных вышеперечисленным решениям. Наличие активных соединительных элементов, устанавливаемых на монтажную рейку для организации межмодульной шины, позволяет одновременно реализовать: хорошую масштабируемость, гибкость построения систем, удобство монтажа и подключения полевых сигналов, функции горячей замены модулей ввода-вывода. К недостаткам такой конструкции следует отнести высокую стоимость.

Отдельной проблемой создания модульных вычислительных управляющих комплексов является механизм автоматического определения взаимного положения и сетевого адреса периферийного модуля на межмодульной шине. Данный механизм необходим, поскольку на межмодульной шине обычно присутствует несколько модулей одного типа, каналы которых связаны с разными датчиками и/или исполнительными устройствами.

Наиболее распространенным является задание адреса переключателями. Это метод требует определения неявного и/или установленного в документации соответствия между местоположением модуля на шине и положением переключателей, что, в свою очередь, требует о аккуратности и внимательности от обслуживающего персонала.

Кроме того, переключатели занимают место на корпусе модуля, и в случае ошибки установки адреса межмодульная шина будет полностью или частично неработоспособна.

Также используется механизм программирования адреса в модуле аналогично программированию MAC адресов для сетевых устройств. В данном случае процесс установки адреса затруднительно выполнить на объекте, так как требуется дополнительное оборудование, и модуль становится невзаимозаменяемым с другими модулями такого же типа.

Определение адреса по номеру позиции модуля на шине является наиболее удобным и требующим минимум действий от пользователя. Однако такой механизм присутствует в существующих комплексах на основе активных и пассивных объединительных панелей, где есть возможность проложить дополнительные цифровые линии для реализации данной функции.

Межмодульная шина FBUS - асинхронная двунаправленная полудуплексная шина на основе интерфейса TIA/EIA RS-485 со скоростью передачи данных 2 Мбит/с. Шина FBUS предназначена для обмена данными реального времени и конфигурационной информацией между вычислительным устройством (мастером шины) и периферийными модулями (подчиненными узлами), образующими специфическую аппаратную конфигурацию комплекса. Спецификация шины FBUS определяет требования к питанию, уровни сигналов и стек протоколов взаимодействия между мастером шины (устройством вычислительным) и подчиненными узлами (модулями периферийными).

Известна Высокопроизводительная вычислительная платформа на базе процессоров с разнородной архитектурой по Патенту RU №2635896 [5]. Изобретение относится к вычислительным комплексам и может быть использовано для параллельной обработки больших объемов информации от специальных систем в режиме реального времени. Технический результат заключается в повышении надежности системы при формировании вычислительных задач и повышении эффективности при их выполнении на центральном компьютере. Указанный результат достигается за счет применения вычислительной платформы на базе процессоров с разнородной архитектурой, содержащей установочный блок высотой 4U, предназначенный для установки в телекоммуникационную стойку и выполненный в виде корпуса, разделенного на две секции. В одной из секций смонтирована система питания, а во второй - размещена объединительная плата со слотами, для размещения в них помещаемых через указанный проем модуля коммутации и вычислительных модулей на базе разнородных процессоров, объединенными через высокоскоростную шину стандарта CompactPCI Serial для образования многопроцессорной конфигурации. Система охлаждения корпуса в зоне каждого слота содержит теплосъемные кассеты для отвода тепла от модуля коммутации и вычислительных модулей на корпус установочного блока, который выполнен с дополнительным корпусом или кожухом, охватывающим разделенный на две секции корпус.

Также известна Система управления машиной блочно-модульного построения по Патенту RU №2801738 [6]. 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. Связь между электронными блоками в системе управления машиной обеспечивается посредством шины интерфейса.

Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является создание такого Комплекса вычислительного управляющего с межмодульной шиной FBUS, конструкция которого обеспечивала бы:

- функцию замены периферийных модулей без отключения питания, так называемую «горячую замену» периферийных модулей,

- автоматическое назначение адресов модулей на межмодульной шине FBUS,

- безотказное функционирование системы при отказе одного модуля при групповом обмене,

- изолированное питание системной цифровой части модулей на межмодульной шине FBUS,

- стабильную связь между устройствами, подключенными модулями, независимо от состояния питания и помех в полевых сигналах,

что позволяло бы повысить экономическую эффективность, а также снижение себестоимости конечного изделия представленной конструкции, а кроме того, результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение,

является расширение разновидности комплексов аналогичного назначения.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Необходимый технический результат достигается тем, что предложен:

1. Комплекс вычислительный управляющий с межмодульной шиной FBUS, включающий не менее одного вычислительного устройства с подключенными к упомянутым вычислительным устройствам не менее одного периферийного модуля, и выполненный с поддержанием функции замены периферийных модулей без отключения питания, с использованием так называемой, горячей замены, включающий гальваническую развязку цепей питания датчиков, исполнительных устройств, питания межмодульной шины, а также автоматическое определение топологии и назначение адресов периферийных модулей, подключенных к межмодульной шине FBUS типа «общая шина», включающий также элементы масштабируемых, сосредоточенных или территориально-распределенных автоматизированных систем сбора, обработки данных и управления технологическими процессами.

2. Комплекс вычислительный управляющий по п. 1, включающий периферийные модули, смонтированные на монтажной рейке, в котором конструкция корпуса и механизм установки периферийных модулей в шинный соединитель выполнены с функцией замены периферийных модулей без отключения питания.

3. Комплекс вычислительный управляющий по п. 1, 2, выполненный с функцией назначения адресов периферийных модулей на межмодульной шине, согласно их позиции, с использованием разрывного контакта в шинном соединителе.

4. Комплекс вычислительный управляющий по п. 1, 2, 3, в котором адреса периферийных модулей соответствуют позиции на межмодульной шине.

5. Комплекс вычислительный управляющий по п. 1, 2, 3, 4, выполненный с применением пассивных соединителей, реализованных в виде ламелей печатных плат периферийных модулей, для организации межмодульной шины.

6. Комплекс вычислительный управляющий по п. 1, 2, 3, 4, 5, в котором входные и выходные сигналы модулей, а также питание цепей датчиков и исполнительных устройств изолировано от питания системной цифровой части упомянутых вычислительных устройств и периферийных модулей.

Конструкция корпуса и механизм установки периферийных модулей в шинный соединитель, например, в разъем обеспечивает возможность производить горячую замену модулей без отключения питания за счет предопределенного порядка подключения и отключения цепей питания шины и модуля, не зависящего от действий обслуживающего персонала.

Наборная конструкция межмодульных шинных соединителей без активных электронных компонентов обеспечивает простоту монтажа и обслуживания, надежность и экономическую эффективность решения.

Использование межмодульных соединителей с одним разрывным контактом позволяет автоматически назначать адреса периферийным модулям, установленным на шине. Такое решение позволяет автоматически назначить адрес и выполнить параметризацию модуля после установки на шину без отключения питания при выполнении горячей замены.

Изоляция питания системной цифровой части модулей от цепей питания, сигналов датчиков и исполнительных устройств обеспечивает стабильное функционирование и высокую помехозащищенность межмодульной шины и всей конструкции комплекса, а также его системной части, и, кроме того, обеспечивает связь между ведущим устройством шины или мастером шины и периферийными модулями, независимо от состояния питания и наличия помех в цепях датчиков и исполнительных устройств.

Изобретение иллюстрируется чертежами, представленными на Фиг. 1-3, а также примерами, которые как совместно, так и по-отдельности не ограничивают все возможные варианты конструкции предложенного изобретения, а приведены исключительно для пояснения представленного Комплекса.

Так, на Фиг. 1 представлена структура вычислительного управляющего комплекса с межмодульной шиной FBUS.

На Фиг. 2 представлен фрагмент межмодульной шины FBUS, состоящей из наборных пассивных соединителей.

На Фиг. 3 проиллюстрирован процесс установки периферийных модулей в соединители шины в процессе замены периферийных модулей без отключения питания, так называемую, «горячую замену» периферийных модулей.

Таким образом, на Фиг. 1-3 полностью проиллюстрирован Комплекс вычислительный управляющий с межмодульной шиной FBUS, где:

1 - комплекс вычислительный управляющий,

2 - межмодульная шина FBUS,

3 - вычислительные устройства,

4 - периферийные модули,

5 - гальваническая развязка цепей питания,

6 - датчики,

7 - исполнительные устройства,

8 - монтажная рейка,

9 - шинный соединитель,

10 - разрывной контакт,

11 - позиции адресов периферийных модулей 4 на модульной шине 2,

12 - пассивные соединители,

13- входные сигналы периферийных модулей,

14 - выходные сигналы периферийных модулей,

15 - питание цепей датчиков 6,

16 - питание исполнительных устройств 7,

17 - питание системной цифровой части вычислительных устройств и периферийных модулей.

Пример осуществления комплекса вычислительного управляющего с межмодульной шиной FBUS

1. Комплекс вычислительный управляющий 1 с межмодульной шиной FBUS 2, включающий не менее одного вычислительного устройства 3 с подключенными к упомянутым вычислительным устройствам не менее одного периферийного модуля 4, и выполненный с поддержанием функции замены периферийных модулей без отключения питания, с использованием так называемой, горячей замены, включающий гальваническую развязку цепей питания 5 датчиков 6, исполнительных устройств 7, питания межмодульной шины, а также автоматическое определение топологии и назначение адресов периферийных модулей, подключенных к межмодульной шине FBUS типа «общая шина», включающий также элементы масштабируемых, сосредоточенных или территориально-распределенных автоматизированных систем сбора, обработки данных и управления технологическими процессами.

2. Комплекс вычислительный управляющий по п. 1, включающий периферийные модули, смонтированные на монтажной рейке 8, в котором конструкция корпуса и механизм установки периферийных модулей в шинный соединитель 9 выполнены с функцией замены периферийных модулей без отключения питания.

3. Комплекс вычислительный управляющий по п. 1, 2, выполненный с функцией назначения адресов периферийных модулей на межмодульной шине, согласно их позиции, с использованием разрывного контакта 10 в шинном соединителе.

4. Комплекс вычислительный управляющий по п. 1, 2, 3, в котором адреса периферийных модулей соответствуют позиции 11 на межмодульной шине.

5. Комплекс вычислительный управляющий по п. 1, 2, 3, 4, выполненный с применением пассивных соединителей 12, реализованных в виде ламелей печатных плат периферийных модулей, для организации межмодульной шины.

6. Комплекс вычислительный управляющий по п. 1, 2, 3, 4, 5, в котором входные 13 и выходные 14 сигналы модулей, а также питание 15 цепей датчиков и исполнительных устройств 16 изолировано от питания системной цифровой части 17 упомянутых вычислительных устройств и периферийных модулей.

Предложенная конструкция Комплекса вычислительного управляющего с межмодульной шиной FBUS практически реализует следующие функции: модульность, масштабируемость, гибкость конфигурации за счет большой номенклатуры модулей, функции резервирования, функции горячей замены модулей, автоматическое назначение адресов периферийных модулей на межмодульной шине, чем обеспечивает повышенную надежность и помехозащищенность, а также снижение себестоимости предложенного Комплекса за счет применения пассивных межмодульных соединителей для организации шины.

Таким образом, технический результат достигнут тем, что предложен Комплекс вычислительный управляющий с межмодульной шиной FBUS, конструкция которого обеспечивает:

- функцию замены периферийных модулей без отключения питания, так называемую «горячую замену» периферийных модулей,

- автоматическое назначение адресов модулей на межмодульной шине FBUS,

- безотказное функционирование системы при отказе одного модуля при групповом обмене,

- изолированное питание системной цифровой части модулей на межмодульной шине FBUS,

- стабильную связь между устройствами, подключенными модулями, независимо от состояния питания и помех в полевых сигналах,

изобретение позволяет повысить экономическую эффективность, а также снизить себестоимость конечного изделия представленной конструкции, а кроме того, расширить разновидность комплексов аналогичного назначения.

ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ

Комплекс относится к электронной технике и предназначен для измерения, контроля и регулирования параметров дискретных, периодических и непрерывных технологических процессов, представленных электрическими сигналами с дискретным и непрерывным изменением параметров, а также для обмена данными и командами с автоматизированными системами оперативно-диспетчерского управления.

Комплекс состоит из одного или нескольких вычислительных устройств с подключенными к ним периферийными модулями. Комплекс поддерживает функции замены периферийных модулей без отключения питания (горячей замены), гальваническую развязку цепей питания датчиков и исполнительных устройств и питания межмодульной шины, автоматическое определение топологии и назначение адресов периферийных модулей, подключенных к межмодульной шине (FBUS) типа «общая шина».

Предложенный и реализованный практически модульный вычислительный управляющий комплекс с межмодульной шиной FBUS функционально обеспечивает измерение, контроль и регулирование параметров дискретных, периодических и непрерывных технологических процессов, представленных электрическими сигналами с дискретным и непрерывным изменением параметров, а также обеспечивает обмен данными и командами с автоматизированными системами оперативно-диспетчерского управления, а также отвечающих современным требованиям по технологичности, ремонтопригодности, надежности, устойчивости к воздействию внешних факторов, долговечности, удобству монтажа и эксплуатации.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. СН-1 "СОНЕТ", "КАТРЕН", REGUL R600.

2. Siemens ТМ 1703, SIMATIC S7-1200, SIMATIC S7-300, WAGO I/O System 750/753.

3. Rockwell Automation ControlLogix 1756, FLEXHA 5000, Schneider Electric Modicon M340, Modicon M580, TECON МФК1500.

4. ABB S800, REGUL R500.

5. Патент RU № 2635896.

6. Патент RU № 280173.

Изобретение относится к электронной технике и предназначено для измерения, контроля и регулирования параметров технологических процессов. Техническим результатом является расширение арсенала технических средств аналогичного назначения. Комплекс содержит не менее одного вычислительного устройства с подключенными к упомянутым вычислительным устройствам не менее одного периферийного модуля, причем периферийные модули смонтированы на монтажной рейке, конструкция корпуса и механизм установки периферийных модулей в шинный соединитель выполнены с функцией замены периферийных модулей без отключения питания. Комплекс также включает гальваническую развязку цепей питания датчиков, исполнительных устройств, питания межмодульной шины, автоматическое определение топологии и назначение адресов периферийных модулей, подключенных к межмодульной шине FBUS типа «общая шина», элементы масштабируемых, сосредоточенных или территориально-распределенных автоматизированных систем сбора, обработки данных и управления технологическими процессами. 3 ил.

Комплекс вычислительный управляющий с межмодульной шиной FBUS, включающий не менее одного вычислительного устройства с подключенными к упомянутым вычислительным устройствам не менее одного периферийного модуля и выполненный с поддержанием функции замены периферийных модулей без отключения питания, с использованием так называемой горячей замены, включающий гальваническую развязку цепей питания датчиков, исполнительных устройств, питания межмодульной шины, а также автоматическое определение топологии и назначение адресов периферийных модулей, подключенных к межмодульной шине FBUS типа «общая шина», включающий также элементы масштабируемых, сосредоточенных или территориально-распределенных автоматизированных систем сбора, обработки данных и управления технологическими процессами, включающий периферийные модули, смонтированные на монтажной рейке, в котором конструкция корпуса и механизм установки периферийных модулей в шинный соединитель выполнены с функцией замены периферийных модулей без отключения питания, выполненный с функцией назначения адресов периферийных модулей на межмодульной шине, согласно их позиции, с использованием разрывного контакта в шинном соединителе, в котором адреса периферийных модулей соответствуют позиции на межмодульной шине, выполненный с применением пассивных соединителей, реализованных в виде ламелей печатных плат периферийных модулей, для организации межмодульной шины, в котором входные и выходные сигналы модулей, а также питание цепей датчиков и исполнительных устройств изолировано от питания системной цифровой части упомянутых вычислительных устройств и периферийных модулей.