RU53030U1 - Блок формирования управляющих сигналов (бфус) - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к вычислительной технике, в частности к системам автоматизации управления технологическими процессами крупных промышленных объектов, и может быть использована в устройствах с программно задаваемым алгоритмом обработки данных для использования его в составе автоматизированных систем управления и контроля в реальном времени, устойчивого к любому единичному отказу, с возможностью дублирования каналов связи.

Для этого микроконтроллер соединен мультиплексированной шиной адрес/данные с блоками ОЗУ, сетевыми контроллерами, блоком временного хранения адреса и данных, который демультиплексирует ее и соединен с блоком ОЗУ и блок сетевых контроллеров шиной адреса, блоком анализа ошибок связан с микроконтроллером посредством линии диагностики микроконтроллера, а также линиями диагностики к дополнительным БФУС и линиями интерфейса для подключения модулей ввода-вывода, кроме того, микроконтроллер подключен к интерфейсу CAN №1 через блок гальваноразвязки CAN №1 и блок приемопередатчика CAN №1, к интерфейсу CAN №2 через блок гальваноразвязки CAN №2 и блок приемопередатчика CAN №2, к интерфейсу SSI через блок гальваноразвязки RS-485 №1, блок приемника CLK RS 485, а также через блок гальваноразаязки RS-485 №2 и блок приемопередатчика RS-485 №1 по линиям приема/передачи данных интерфейсов CAN №1, CAN №2 и SSI соответственно, а сетевые контроллеры соединены через блоки гальваноразвязок Ethernet №1 и Ethernet №2 по линиям приема/передачи с соответствующими интерфейсами Ethernet, причем блок временного хранения адреса и данных по линиям адрес/данные модулей ввода/вывода, по линиям управляющих сигналов и по линиям диагностики модуля ввода/вывода образуют интерфейс для подключения модулей ввода/вывода.

Description

Полезная модель (ПМ) относится к вычислительной технике, в частности к системам автоматизации управления технологическими процессами крупных промышленных объектов, и может быть использована при создании систем управления ответственными объектами с помощью ЭВМ.

Известно устройство для сбора и обработки данных (см. заявку РФ №2002104633, 2003 г.), содержащее управляющий вычислительный комплекс, входные цепи, мультиплексоры, блок предварительной обработки данных, ОЗУ, блок запроса и обработки данных, блок гальванической развязки, регистр адреса, датчик телесигнализации.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками ПМ, являются: блок предварительной обработки данных (в заявляемой ПМ -микроконтроллер), ОЗУ, регистр адреса (в заявляемой ПМ - блок временного хранения адреса и данных).

Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются отсутствие линий резервирования каналов связи, ограниченность интерфейсов для ввода/вывода, низкая отказоустойчивость.

Известен многопроцессорный контроллер для управления сложным технологическим объектом (см. патент РФ №2263952), содержащий процессор, блок памяти, блок логического управления, интерфейс последовательной связи (RS 232С), интерфейс локальной сети верхнего уровня (Ethernet), интерфейс последовательной системной шины, субмодуль ввода-вывода, внутреннюю шину, процессорный модуль, блок интерфейса измерения и управления объектом, блок формирования географического адреса, первую последовательную системную шину, вторую последовательную системную шину, многопроцессорный контроллер, объект управления, локальную сеть верхнего уровня.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками ПМ, являются: процессор, блок памяти, процессорный модуль - в заявляемой ПМ представлены как микроконтроллер, кроме того, субмодуль ввода/вывода - в заявляемой ПМ представлен как интерфейс для подключения модулей ввода/вывода.

Причинами, препятствующими достижению технического результата, является ограничение интерфейсов для подключения датчиков ввода/вывода, а отказоустойчивость устройства повышается путем усложнения самого устройства.

Из известных устройств наиболее близким к заявляемой ПМ является программируемый логический контроллер (см. патент РФ №2101757, 1998 г.), содержащий микропроцессор, локальную шину, двухпортовое статистическое ОЗУ, интерфейсы шин типа VМЕ и ISA, ПЗУ, EEPROM, часы реального времени, контроллер клавиатуры, системный контроллер, универсальный программируемый сторожевой таймер, последовательные интерфейсы RS232, RS485, периферийную шину, интерфейс шины субмодулей, буферные усилители адреса и приемники/передатчики данных ОЗУ, приемники/передатчики адреса и приемники/передатчики данных интерфейса VME, буферные усилители адреса и приемники/передатчики данных интерфейса ISA, буферные усилители и приемники/передатчики данных периферийной шины.

Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемой ПМ: микропроцессор, ПЗУ, EEPROM, системный контроллер, сторожевой таймер - в заявляемом БФУС представлены как микроконтроллер, кроме того локальная шина (мультиплексированная шина адрес/данные в заявляемой ПМ), интерфейс RS-485 (SSI интерфейс - в заявляемой ПМ).

Причинами, препятствующими достижению необходимого технического результата, являются:

- наличие в прототипе интерфейсов ISA, VME, не имеющих аппаратных средств защиты от сбоя и не обеспечивающих возможность удаленного расположения ЭВМ относительно пункта контроля, кроме того это устройство не имеет никаких дополнительных интерфейсов для подключения датчиков и устройств управления, использующих в качестве каналов промышленные интерфейсы типа CanOpen, DeviceNet, InterBus, ProfiBus, и т.д., которые в настоящее время получили широкое распространение;

- отсутствие возможности расширения вводов/выводов;

- отсутствие аппаратных модулей анализа состояния устройства и обнаружения отказов;

- отсутствие возможности эксплуатации устройства в аварийном режиме в случае такого сбоя.

Все это значительно уменьшает отказоустойчивость прототипа. Задачей, на решение которой направлена ПМ, является создание устройства с программно задаваемым алгоритмом обработки данных для использования его в составе автоматизированных систем управления и контроля в реальном времени, устойчивого к любому единичному отказу, с возможностью дублирования каналов связи.

Технический результат достигается тем, что микроконтроллер соединен мультиплексированной шиной адрес/данные с блоками ОЗУ, сетевыми контроллерами, блоком временного хранения адреса и данных, который демультиплексирует ее и соединен с блоком ОЗУ и блоками сетевых контроллеров шиной адреса и по линиям управляющих сигналов и адрес/данные образует интейфейс подключения модулей ввода/вывода, а блок анализа ошибок связан с микроконтроллером посредством линий диагностики микроконтроллера, а также линиями диагностики дополнительных БФУС, подключенными через блок гальванической развязки сигналов БФУС, и линией сигнала ошибки модулей ввода/вывода, кроме того, микроконтроллер подключен к интерфейсу CAN №1 через блок

гальваноразвязки CAN №1 и блок приемопередатчика CAN №1, к интерфейсу CAN №2 через блок гальваноразвязки CAN №2 и блок приемопередатчика CAN №2, к интерфейсу SSI через блок гальваноразвязки RS-485 №1, блок приемника CLK RS 485, а также через блок гальваноразаязки RS-485 №2 и блок приемопередатчика RS-485 №1 по линиям приема/передачи данных интерфейсов CAN №1, CAN №2 и SSI соответственно, а сетевые контроллеры соединены через блоки гальваноразвязок Ethernet №1 и Ethernet №2 по линиям приема/передачи с соответствующими интерфейсами Ethernet, причем блок временного хранения адреса и данных по линиям адрес/данные модулей ввода/вывода, а также по линиям управляющих сигналов и по линиям диагностики модуля ввода/вывода образует интерфейс для подключения модулей ввода/вывода.

Для достижения технического результата в блоке формирования управляющих сигналов, содержащем микроконтроллер, мультиплексированную шину адрес/данные, интерфейс SSI, микроконтроллер соединен мультиплексированной шиной адрес/данные с блоками ОЗУ, сетевыми контроллерами, блоком временного хранения адреса и данных, который демультиплексирует ее и соединен с блоком ОЗУ и блоками сетевых контроллеров шиной адреса и по линиям управляющих сигналов и адрес/данные образует интейфейс подключения модулей ввода/вывода, а блок анализа ошибок связан с микроконтроллером посредством линий диагностики микроконтроллера, а также линиями диагностики дополнительных БФУС, подключенными через блок гальванической развязки сигналов БФУС, и линией сигнала ошибки модулей ввода/вывода, кроме того, микроконтроллер подключен к интерфейсу CAN №1 через блок гальваноразвязки CAN №1 и блок приемопередатчика CAN №1, к интерфейсу CAN №2 через блок гальваноразвязки CAN №2 и блок приемопередатчика CAN №2, к интерфейсу SSI через блок гальваноразвязки RS-485 №1, блок приемника CLK RS 485, а также через блок гальваноразаязки RS-485 №2 и блок приемопередатчика RS-485 №1 по

линиям приема/передачи данных интерфейсов CAN №1, CAN №2 и SSI соответственно, а сетевые контроллеры соединены через блоки гальваноразвязок Ethernet №1 и Ethernet №2 по линиям приема/передачи с соответствующими интерфейсами Ethernet, причем блок временного хранения адреса и данных по линиям адрес/данные модулей ввода/вывода, а также по линиям управляющих сигналов и по линиям диагностики модуля ввода/вывода образует интерфейс для подключения модулей ввода/вывода.

Предполагаемая полезная модель поясняется чертежом, где:

1. микроконтроллер;

2. блок ОЗУ;

3. блок временного хранения адреса и данных;

4. блок анализа ошибок.

5. блок приемника CLKRS-485;

6. блок приемопередатчика RS-485;

7. блок гальванической развязки RS-485 №1;

8. блок гальванической развязки RS-485 №2;

9. блок приемопередатчика CAN №1;

10. блок приемопередатчика CAN №2;

11. блок гальванической развязки CAN №1;

12. блок гальванической развязки CAN №2;

13. сетевой контроллер Ethernet №1;

14. сетевой контроллер Ethernet №2;

15. блок гальванической развязки Ethernet №1;

16. блок гальванической развязки Ethernet №2;

17. Блок гальванической развязки сигналов БФУС;

18. Мультиплексированая шина адрес/данные;

19. Шина адреса;

20. Интерфейс SSI;

21. Интерфейс CAN №1;

22. Интерфейс CAN №2;

23. Интерфейс Ethernet №1;

24. Интерфейс Ethernet №2;

25. Интерфейс для подключения модулей ввода/вывода.

Работа ПМ начинается с подачи питающего напряжения на все функциональные узлы БФУС. Далее инициализируется микроконтроллер 1. Затем микроконтроллер 1 настраивает блок ОЗУ 2, блок приемника CLK RS-485 5, блок приемопередатчика RS-485 6, блок приемопередатчика CAN №1 9, блок приемопередатчика CAN №2 10, сетевой контроллер Ethernet №1 13, сетевой контроллер Ethernet №2 14. Общение с сетевыми контроллерами Ethernet 13, 14, ОЗУ 2 и модулями ввода/вывода происходит в режиме внешний памяти, через блок временного хранения адреса 3, где демультиплексируется шина адрес/данные 18. При общении с модулями ввода/вывода, помимо адреса и данных, а так же сигналов «запись», «чтения» и сигнала, стробирующего адрес, используются сигналы состояния блока ввода/вывода и сигнал отключения модулей вводов/выводов. Одновременно с тем как микроконтроллер 1 настраивает сетевые контроллеры Ethernet 13, 14 и очищает ОЗУ 2, блок анализа ошибок 4 читает состояние вводов/выводов по линиям 25 и специальную диагностическую последовательность, которую ему передает микроконтроллер 1. Если ошибок не обнаруживается, то блок анализа ошибок 4 через гальваническую развязку 17, выставляет сигнал работоспособности БФУС и читает сигнал готовности от остальных БФУС-ов. После этого, если остальные БФУС-ы готовы, то разрешается работа всего модуля.

Затем микроконтроллер 1 ожидает команду инициализации по одному из интерфейсов 21, 22, 23, 24. По этому же каналу загружается программа для работы БФУС, в которой указывается, будет ли канал 24 (21) дублирующим для канала 23 (22), резервным, дополнительным каналом данных т.д. Получение данных для каждого интерфейса 20, 21, 22, 23, 24 происходит по разному. Так как модули CAN распложены внутри микроконтроллера 1 и установлены только блоки приемопередатчиков CAN

9, 10, то оформление и анализ пакетов CAN осуществляется в микроконтроллере 1, а блоки приемопередатчиков CAN 9, 10 отвечают только за преобразования физического уровня CAN в сигналы ТТЛ уровня. Поэтому данные, поступающие от внешнего устройства, проходят через блоки приемопередатчиков CAN 9, 10, где преобразуются в ТТЛ уровень, затем через модули гальванической развязки CAN 11, 12 и поступают на микроконтроллер 1, где происходит их анализ. Отправка пакета проходит в обратном порядке, причем микроконтроллер 1 сам отслеживает состояние линии передачи, проверку доставки пакета, коллизии и т.д. Для интерфейсов Ethernet 23, 24 обмен происходит иначе, чем для CAN. Микроконтроллер 1 оформляет только кадр Ethernet без поля CRC32 и в режиме общения с внешней памятью, через блок временного хранения 3 (см. выше), записывает этот кадр в сетевые контроллеры Ethernet 13, 14. За отправку и получение пакетов отвечают сетевые контроллеры Ethernet 13, 14, они считают CRC-32, отслеживают коллизии, определяют тип принимаемого пакета (широковещательный, по заданному адресу и т.д.), определяют адрес приемника, и сохраняют во внутренней памяти только необходимый пакет. После получения пакета, который проходит через блоки Ethernet гальванической развязки 15, 16, сетевые контроллеры Ethernet 13, 14 генерируют внешнее прерывание для микроконтроллера 1. После появления прерывания микроконтроллер 1 в режиме общения с внешней памятью читает внутреннюю память сетевых контроллеров Ethernet 13, 14 и обрабатывает прочитанные данные. При общении по интерфейсу SSI 20 предусмотрены 2 режима работы «master» и «slave». В режиме «master» микроконтроллер 1 сам генерирует тактовую частоту CLK и передает ее на блок приемника CLK RS-485 5, через блок гальванической развязки RS-485 7, где сигналы преобразуются из ТТЛ уровня в уровни сигналов RS-485. В режиме «slave» CLK не генерируется, а берется от внешнего устройства. Сигнал CLK проходит через блок приемопередатчика RS-485 6, через блок

гальванической развязки RS-485 8 и далее читается микроконтроллером 1. В SSI интерфейса 20 обработка данных осуществляется микроконтроллером 1.

Блоки сопряжения с сетью Ethernet служат для связи БФУС с двумя независимыми сетевыми каналами Ethernet. Начальная инициализация и настройка на передачу пакета осуществляется микроконтроллером. Блоки сопряжения с сетью отвечают за оформление кадра Ethernet, передачу его в сеть, отслеживание коллизий, прием и фильтрацию получаемых пакетов. Микроконтроллер устанавливает содержимое поля данных кадра и адреса приемника.

Блоки приемопередатчиков RS-485 предназначены для организации интерфейса SSI. Причем, эти блоки отвечают только за организацию физической среды RS-485, сам же протокол SSI формируется микроконтроллерам. Это позволяет реализовать дополнительные протоколы верхнего уровня на базе RS-485, с соответствующей доработкой программных средств БФУС.

Блоки приемопередатчика CAN, обеспечивают физический уровень сопряжения БФУС с двумя каналами CAN. Формирование протоколов верхнего уровня обеспечивается микроконтроллером и может быт различным (CanOpen, DiviceNet и т.д) в зависимости от программных средств БФУС.

Блок временного хранения адреса и данных, обеспечивает связь с другими функциональными узлами по шине адрес/данные. Так, для связи с ОЗУ, блок временного хранения адреса, демультиплексирует шину адрес/данные микроконтроллера. Так же наличие этого блока позволяет подключать дополнительные модули ввода/вывода, общение с которыми осуществляется по шине адрес/данные. Количество дополнительных модулей и соответственно число входов и выходов ограничивается свободным адресным пространством микроконтроллера.

Блок анализа ошибок частично совмещен с блоком временного хранения адреса и данных. Данный блок отвечает за диагностику микроконтроллера, чтения состояний дополнительных модулей

ввода/вывода, а так же предусматривает чтение состояний остальных блоков формирования управляющих сигналов, если в системе их несколько.

Отличительной особенностью БФУС является высокая отказоустойчивость. Это достигается за счет наличия диагностики основных узлов БФУС, а так же наличие двух каналов приема и передачи данных (Ethernet, CAN). Двухканальная структура позволяет осуществлять контроль принимаемых данных путем сравнения информации по двум каналам и выявлять возникновение ошибке, до выдачи управляющего воздействия на исполнительный механизм. К тому же, наличие двухканальной структуры, позволяет продолжать аварийную работу модуля в одноканальном режиме, в случае отказа одного из каналов. Так же имеется возможность дублирования информации получаемой от датчиков по двум каналам, без снижения количества используемых датчиков, за счет использования в качестве канал для приема данных CAN-интерфейса.

Аппаратная самодиагностика заключается в периодическом чтении контрольного сигнала микроконтроллера, для диагностики его работоспособности. А так же чтения состояния плат вода/вывода. Причем диагностика осуществляется как микроконтроллером, так и блоком анализа ошибок, что уменьшает вероятность возникновения сбоя БФУС.

Ориентированность БФУС на применение в системах управления различными технологическими процессами предполагает отсутствие заранее заложенного алгоритма обработки информации от датчиков и выработки стратегии выдачи управляющих сигналов. Поэтому второй отличительной особенностью БФУС является возможность организации интерпретатора команд, загружаемых по одному из внешних интерфейсов, которые и определяют алгоритм обработки информации и выработки управляющих воздействий. Строгих ограничений на интерфейс для приема команд - нет, это может быть любой из поддерживаемых интерфейсов. Для этого в БФУС перед началом работы загружается установочная информация, о том, по какому интерфейсу будут загружены команды. После загрузки данный канал

может использоваться так же, как и остальные для обмена данными с удаленными устройствами.

Claims (1)

1. Блок формирования управляющих сигналов, содержащий микроконтроллер, мультиплексированную шину адрес/данные, интерфейс SSI, отличающийся тем, что микроконтроллер соединен мультиплексированной шиной адрес/данные с блоками оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), сетевыми контроллерами, блоком временного хранения адреса и данных, который демультиплексирует ее и соединен с блоком ОЗУ и блоками сетевых контроллеров шиной адреса и по линиям управляющих сигналов и адрес/данные образует интейфейс подключения модулей ввода/вывода, а блок анализа ошибок связан с микроконтроллером посредством линий диагностики микроконтроллера, а также линиями диагностики дополнительных БФУС, подключенными через блок гальванической развязки сигналов БФУС, и линией сигнала ошибки модулей ввода/вывода, кроме того, микроконтроллер подключен к интерфейсу CAN №1 через блок гальваноразвязки CAN №1 и блок приемопередатчика CAN №1, к интерфейсу CAN №2 через блок гальваноразвязки CAN №2 и блок приемопередатчика CAN №2, к интерфейсу SSI через блок гальваноразвязки RS-485 №1, блок приемника CLK RS 485, а также через блок гальваноразаязки RS-485 №2 и блок приемопередатчика RS-485 №1 по линиям приема/передачи данных интерфейсов CAN №1, CAN №2 и SSI соответственно, а сетевые контроллеры соединены через блоки гальваноразвязок Ethernet №1 и Ethernet №2 по линиям приема/передачи с соответствующими интерфейсами Ethernet, причем блок временного хранения адреса и данных по линиям адрес/данные модулей ввода/вывода, а также по линиям управляющих сигналов и по линиям диагностики модуля ввода/вывода образует интерфейс для подключения модулей ввода/вывода.