WO2020135912A1 - Программируемый логический контроллер и система ввода/вывода - Google Patents

Программируемый логический контроллер и система ввода/вывода Download PDF

Info

Publication number
WO2020135912A1
WO2020135912A1 PCT/EA2019/000007 EA2019000007W WO2020135912A1 WO 2020135912 A1 WO2020135912 A1 WO 2020135912A1 EA 2019000007 W EA2019000007 W EA 2019000007W WO 2020135912 A1 WO2020135912 A1 WO 2020135912A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
connection
input
processing device
bpp
processing
Prior art date
Application number
PCT/EA2019/000007
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Владимир Саулович АЙЗИН
Original Assignee
Владимир Саулович АЙЗИН
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from EA201800634 external-priority patent/EA039975B1/ru
Application filed by Владимир Саулович АЙЗИН filed Critical Владимир Саулович АЙЗИН
Publication of WO2020135912A1 publication Critical patent/WO2020135912A1/ru

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/04—Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers
    • G05B19/042—Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers using digital processors

Definitions

  • the present invention relates to automation and computer technology and can be used in dispatching systems and automated monitoring and control of technological processes in various industries, energy facilities, buildings and housing facilities.
  • the controllers collect and process analog and discrete information signals from primary converters and devices in autonomous control circuits or as part of a distributed control system, as well as generate and issue control actions to the control object. They operate in critical systems where high reliability of the equipment is required.
  • controllers of the Advantech company which include modules of the central
  • processor CPU
  • input / output modules racks
  • power supplies IP
  • auxiliary equipment auxiliary equipment
  • the disadvantage of these controllers is the presence of a large number of separate I / O modules, because for each type of signal (discrete or analog, input or output, current, potential, relay, temperature and other types of signals) different types of modules are used I / O and for each type of signal, depending on the control system being created, several corresponding I / O modules can be used. As the number of I / O modules increases, the number of requests and commands that need to be transmitted along their lines of communication with the processor modules increases. This lengthens the polling cycle and reduces the reliability of the controller due to the increase in the number of electronic components of the controller.
  • the technical problem to which the claimed invention is directed is the need to reduce the time for collecting information and transmitting commands between processor modules and input / output modules by reducing their number.
  • the technical result that is obtained as a result of using this invention is to increase the reliability of the controller.
  • reliability is meant the property of an object to keep in time, within established limits, the values of all parameters characterizing the ability to perform the required functions in the given conditions of use, maintenance, storage and transportation, as well as minimizing the recovery time when a malfunction occurs.
  • a programmable logic controller including at least one processor module (PM) and an input / output system (I / O), interconnected by an information transmission cable and / or via radio, where the input / output system (I / O) ) contains at least one processing device (U O) and connection and conversion units (BPP), while the processing device (U O) is at least one processing module (MO), which is mounted on the installation platform (UP), with connectors made on it, through which it is connected to the connection and conversion blocks (BPP) and at least one processor module (PM), and the connection and conversion blocks (BPP) consist of a connection platform (PP ) and a conversion module (MP), while the connection platform (PP) contains a terminal block for connecting sensors and actuators, and at least one connector for connecting cables zi with the processing device (U O).
  • the input / output system (I / O) contains at least one processing device (U O) and connection and conversion units (BPP), while the processing device (U O) is at least one processing module (MO), which is mounted on the
  • a processor module (PM) can be combined with an input / output system (I / O) in a case with general power supply and a system bus that provides the interaction of the processor module (PM) with the input / output system (UHV).
  • the processor module (PM) can be made in the form of a separate device and interact with the input / output system (UHV) through field buses or standard interfaces (for example, Ethernet), or through radio communication, or combined in one housing with part of the input / output system (UHV) - a processing device (UO) responsible for the logical (digital) processing of controlled signals.
  • the processing module (MO) and the conversion module (MP) can be removable.
  • the controller includes additional processing devices (UO) and processing modules (MO).
  • the processing device (UO) provides an input for a storage device.
  • the processing device (UO) and the connection and conversion unit (BPP) can be connected via copper cables, fiber optics (FOCL) or radio communications, and the connection and conversion unit (BPO) is additionally configured to transmit information about the type of signals to the processing device (UO) processed by the connection and conversion unit (BPP).
  • the isolation between the connection and conversion units (BPP) and the processing device (UO) is made through the use of galvanic isolation.
  • the controller is configured to replace analog signals with discrete ones when the processing device (U O) interacts with the connection and conversion units (BPP) by using pulse width modulation (PWM) or frequency conversion.
  • PWM pulse width modulation
  • the specified technical result is obtained due to the input / output system, including at least one processing device (U O) and connection and conversion units (BPP), where the processing device (UO) is configured to implement digital (logical) processing of all types signals and data exchange with external devices connected to the input / output (UHV) system, and the connection and conversion unit (BPP), is configured to transmit information about the type of controlled or generated signals to the processing device (U O) to select the applied processing algorithms and formats for representing signal values.
  • the processing device (UO) is configured to implement digital (logical) processing of all types signals and data exchange with external devices connected to the input / output (UHV) system
  • the connection and conversion unit (BPP) is configured to transmit information about the type of controlled or generated signals to the processing device (U O) to select the applied processing algorithms and formats for representing signal values.
  • processing device (U O) is at least one processing module (MO), which is mounted on the installation platform (UP), with connectors made on it, through which it is connected to the connection and conversion units (BPP) and external devices, and the connection and conversion blocks (BPP) consist of a connection platform (PP) and conversion module (MP), while the connection platform (PP) contains a terminal block for connecting sensors and actuators, and at least one connector for connecting communication cables to the processing device (UO).
  • MO processing module
  • UP installation platform
  • MP conversion module
  • connection platform (PP) contains a terminal block for connecting sensors and actuators, and at least one connector for connecting communication cables to the processing device (UO).
  • the input / output system (UHV) is configured to exchange data with external devices through standard interfaces using open protocols, for example, such as OPC UA, MODBUS, BACnet, Profmet, IEC-60870-5-104 or IEC 61850, and the processing device (U O) is configured to save the history of changes of the controlled / generated signals and transmit this data to requests via the protocols supported by it.
  • open protocols for example, such as OPC UA, MODBUS, BACnet, Profmet, IEC-60870-5-104 or IEC 61850
  • the processing device (U O) is configured to save the history of changes of the controlled / generated signals and transmit this data to requests via the protocols supported by it.
  • FIG. 1 presents a General diagram of the inventive programmable logic controller
  • FIG. 3 schematically illustrates a connection and conversion unit; figure 4 presents an embodiment of an input / output system,
  • figure 5 presents an embodiment of a controller with redundant elements
  • FIG. 6 schematically illustrates an example implementation of the inventive controller
  • a programmable logic controller is a device used to collect information from technological sensors and generate control signals for actuators according to a programmed algorithm.
  • each I / O module has its own processor and microcircuits that implement bus exchange.
  • the inventive programmable logic controller it is proposed to translate the signal values into a digital form and digitally process the signals in the processing device (U O), and transfer all signal level transformations and their partial processing to the connection and conversion units (BPP), which are connected by a cable and / or via radio (e.g. Wi-Fi).
  • the processor module (PM) interacts through a system or field a bus with one device — a processing device (U O), and not with many I / O modules.
  • the processing device (U O) with connection and conversion units (BPP) form an input / output system (GBB).
  • connection and conversion units (BPP) it is further proposed to provide for the generation of information that informs the processing device (U O) the type of signals processed by this connection and conversion unit (BPP) and, accordingly, what type of processing should be selected.
  • This will allow the processing device (UO) to automatically tune to the sensors and actuators connected to the controller, which will reduce the controller setup work, simplify its maintenance and increase reliability by reducing the risk of errors when making manual settings, as well as by reducing recovery time in case of failures.
  • connection and conversion units (BPP) connection and conversion units
  • processing device (U O) processing device
  • galvanic isolation electronic components are used that provide galvanic isolation.
  • the presence of galvanic isolation prevents high voltage from entering the processing device (U O) and through it to other controller components, which can enter the connection and conversion unit (BPP) through wires from sensors or actuators in the event of an accident or erroneous personnel actions, as well as if damaged block connection and conversion (BPP). Blocking this feature increases the reliability of the controller.
  • the controller it is proposed to use fiber optic communication lines (FOCL) to connect the connection and conversion unit (BPP) with the processing device (U O). This will ensure isolation between the connection and conversion unit (BPP) and the processing device (U O) without the use of special electronic components.
  • FOCL fiber optic communication lines
  • the use of fiber-optic communication lines will avoid electromagnetic interference on the data cable between the connection and conversion unit (BPP) and the processing device (U O), which will allow the connection and conversion units (BPP) to be located at a considerable distance from the processing device (UO) closer to sensors and actuators and reduce the effect of electromagnetic interference that are induced on the wires from sensors and actuators. Reducing the number of electronic components used to provide insulation, as well as preventing the influence of electromagnetic interference, increases the reliability of the controller.
  • radio communications for example, Wi-Fi
  • BPP connection and conversion units
  • U ⁇ processing device
  • FIG. 1 shows a General diagram of the inventive programmable logic controller 1, which includes at least one processor module (PM) 2 and an input / output system (UHV) 3.
  • the processor module (IM) 2 can be combined with an input / output system ( UHV) 3 into a housing with a common power supply and a system bus, and can be implemented as a separate device and interact with the input / output system (UHV) 3 through field buses or standard interfaces (e.g. Ethernet) or via radio (e.g. Wi- Fi).
  • the processor module (PM) 2 can be combined within one enclosure with part of the input / output system (UHV) 3, which is responsible for the logical (digital) processing of controlled signals.
  • the input / output system (UHV) 3 (Fig. 1) consists of a processing device (U O) 4 and connection and conversion blocks (BPP) 5.
  • the number of connection and conversion blocks (BPP) 5 depends on the quantity and type monitored signals and is limited by the number of connection sockets on the processing device (U O) 4.
  • the number of processed I / O signals in one processing device (U O) 4 is not fundamentally limited. Limitations are possible based on the design features of the device. Data is exchanged with external devices via standard interfaces using proprietary or open protocols, for example, such as OPC UA, MODBUS, BACnet, Profmet, IEC-60870-5-104, IEC 61850, etc.
  • processing device (U O) 4 may have one or more communication interfaces (for example, Ethernet) for communication with processor modules (PM) 2 of controller 1 or any other devices requesting data from it by the protocols supported by it.
  • communication interfaces for example, Ethernet
  • connection and conversion units (BPP) 5 When using fiber-optic lines (FOCL) for connecting the connection and conversion units (BPP) 5 with the processing device (UO) 4, it is proposed to provide the possibility of using expanders for the number of input / output connectors. These are devices that are connected to one of the connectors on the processing device (U O) 4 and have several additional connectors for connecting the connection and conversion units (BPP) 5. This solution allows you to increase the number of signals processed by one processing device (U O) 4, and take out at a considerable distance from the controller a part of the connection and conversion blocks (BPP) 5. This ensures a reduction in the length of wires from the sensors and, accordingly, induced interference, which increases the reliability of the controller.
  • FOCL fiber-optic lines
  • signal input / output is provided by a large number of individual input / output modules, each of which is designed to input or output a specific type of signal, which significantly overloads the controller system and leads to an increase in the polling cycle of all modules and a decrease in reliability by increasing the number microchips that implement data exchange.
  • the DI32 module is designed to input 32 discrete signals, AI8 to 8 analog input signals, DO 16 to output 16 discrete signals, LIG16 to input 16 temperature signals, AOC4 to output 4 analog signals and many other types of input / output modules (more than 20 types in total).
  • the proposed design of the programmable logic controller is fundamentally different from the known controllers, because it includes not separate input / output modules, but an input / output system (UHV), which has a dedicated processing device (U O) 4, realizing digital (logical) processing of all signals and data exchange with a processor module (PM).
  • UHV input / output system
  • PM processor module
  • U O dedicated processing device
  • PM processor module
  • U O dedicated processing device
  • PM processor module
  • the proposed processing device (U O) 4 and the connection and conversion unit (BPP) 5 are universal in terms of types of controlled or generated signals.
  • the connection and conversion unit (BPP) 5 transmits to the processing device (U O) 4 information about the type of controlled or generated signals to select the applied processing algorithms and formats for representing signal values.
  • connection and conversion unit (BPP) 5 Information about the type of signals is generated in the connection and conversion unit (BPP) 5.
  • BPP connection and conversion unit
  • a similar design provides increased reliability of the controller, since it reduces the number of microcircuits and other electronic components that ensure the interaction of processor modules (PM) 2 and the input / output system (UHV) 3.
  • FIG. 2 illustrates a diagram of a processing device (U O) 4, which includes a processing module (MO) b, which processes the signals received from the connection and conversion units (BPP) 5 and implements data exchange with a processor module (PM) 2.
  • Processing module ( MO) 6 is mounted on the installation platform (UP) 7, which performs the function of connecting communication cables to the connection and conversion units (BPP) 5 and the processor module (PM) 2 and transmitting the information and signals received through them to the processing module (MO) 6
  • connectors 8 are provided, through which 4 connection and conversion units (BPUs) 5 are connected to the processing device (UO) 5, as well as connectors 9 for connecting the processor module (PM) 2 and / or other devices via open protocols.
  • the installation platform (UP) 7 there is a switch (not shown in FIG.) For setting the address of the processing device (UO) 4 for interrogating it via interfaces. All data arriving at the installation platform (UP) 7 is transmitted to the processing module (MO) 6. Since the installation platform (UP) 7 does not contain active elements (only connectors), it is a very reliable element of the system. Processing module (MO) 6 is a less reliable element. Therefore, solutions for quick replacement and redundancy may be provided for the processing module (MO) 6. For this, the processing module (MO) 6 can be made removable and using at least one connector (not shown in Fig.) Connected to the installation platform (UP) 7, which is fixed, for example, by latches or screws.
  • a slot for a flash disk or other storage device may be provided on which a part of the tuning parameters can be stored.
  • One processing device (U O) 4 may include several processing modules (MO) 6, in particular, to provide redundancy.
  • additional connectors can be provided for installing the processing modules (MO) b (Fig. 5).
  • information on the type of controlled or generated signals, which is transmitted by each connection and conversion unit (BPP), and the configuration information stored in the installation platform (UP) 7 (address and data from a flash drive or other storage device installed on (U O) 4).
  • the automatic configuration and the proposed design of the processing device (U 0) 4 ensures that when the processing module (MO) 6 fails, it can be replaced as quickly as possible.
  • Additional connectors for processing modules (MO) 6 on the installation platform (UP) 7 can be used not only to reserve processing modules (MO) 6, but also to expand the number of processed signals by distributing them between several parallel processing modules (MO) 6 .
  • the input / output lines of microcontroller microcircuits, the microcircuits of the input / output ports or other microcircuits, or the standard communication interfaces between the microcircuits (for example, I2C, SPI or others) are used, which work with TTL level or other low voltage level signals.
  • the connectors 8 on the installation platform (UP) 7 they are fed with data from the connection and conversion unit (BPP) 5, and in the case of control, on the contrary, data is transmitted from them to the connection and conversion unit (BPP) 5.
  • connection and conversion unit (BPP) 5 (Fig. 3) is designed to connect wires from sensors or actuators and convert the signals transmitted through them. It consists of a connection platform (PP) 10 and a conversion module (MP) 11, the type of which determines which signals will be controlled or generated by a given connection and conversion block (BPP) 5. All signal processing is concentrated in the conversion module (MP) 11.
  • Platform connection (PP) 10 is universal for all types of input and output II
  • the conversion module (MP) 11 can be removable .
  • a special connector is provided for installing the conversion module (MP) AND on the connection platform (PP) 10 (not shown in Fig.).
  • the conversion module (MP) 11 is installed in this connector and is fixed, for example, by latches.
  • connection platform (PP) 10 Wires from sensors or actuators are connected to terminal 14 of the connection platform (PP) 10. But the conversion module (MP) 11 is set different for different types of signals, its type must correspond to the signals connected to the connection platform (PP) 10.
  • the signals from the terminal 14 go to the conversion module (MP) 11. Here they are converted to TTL signals of a level or other low-voltage level, or to an optical signal for transmission using a fiber optic link (fiber optic communication line). Further, these signals are transmitted through the connection connectors 12 to the processing device (U O) 4.
  • the conversion module (MP) 11 works in the opposite direction. The output signals are received from the processing device (U O) 4, converted into physical output signals and transmitted to the terminal 14.
  • an intermediate PWM or frequency conversion can be used .
  • the use of low-voltage discrete signals during the exchange with the conversion module (MP) 11 allows the use of the same electronic components in the processing module (MO) 6 for processing and generation of any types of signals.
  • the direction of information transfer (input or output signal) is specified by the corresponding initialization of these electronic components. Since the conversion module (MP) 11 transmits information on the type of connected signals to the processing unit (UO) 4, the processing module (MO) b can automatically initialize the corresponding electronic components in the desired way and select the necessary algorithms for their processing or signal generation. For example, if the input analog signal is processed, then the algorithm for calculating the duty cycle or frequency is started, if discrete, its value is simply read from the port.
  • One of the important features of the claimed controller is the ability to reserve its most critical nodes, integrating all the information flows. This allows you to significantly increase the reliability of the entire controller system.
  • the inventive programmable logic controller 1 provides redundancy as processor modules (PM) 2, and input / output (UHV) 3. Reservation of processor modules (PM) 2 is ensured by their equal access to the input / output (UHV) 3 and the ability identify each other's performance.
  • the inventive controller it is proposed to reserve the most critical elements of the input / output system (UHV) 3. These responsible elements are, in particular, the processing device (U) 4 or its intellectual component - the processing module (MO) b. It is there that the processing of all signals is concentrated and the failure of these devices will lead to the failure of the controller as a whole. Therefore, with redundancy, the number of processing devices (U O) 4 (Fig. 4) or the number of processing modules (MO) 6 (Fig. 5) increases. However, the number of connection and conversion units (BPUs) 5 remains the same as in a non-redundant system.
  • UHV input / output system
  • connection and conversion blocks (BPP) 5 The fact is that the probability of failure of the connection and conversion blocks (BPP) 5 is significantly less than the processing modules (MO) 6, due to the simplicity of the design of the connection and conversion blocks (BPP) 5, on the one hand, and on the other, the failure of the connection blocks and conversion (BPP) 5 does not lead to a failure of the controller as a whole, but only to the termination of control by signals associated with this connection and conversion unit (BPP) 5, until the failure is eliminated.
  • several connectors 12 are provided in the connection and conversion unit (BPP) 5, each connector 12 for connecting to separate processing devices (U ⁇ ) 4.
  • connection and conversion units (BPP) 5 are connected to only one installation platform (UP) 7, on which two processing modules (MO) are installed ) 6.
  • the interaction in the connection and conversion units (BPP) 5 is performed by the processing module (MO) 6, which is in the “Master” state (main module), and the backup processing module (MO) 6 only receives the input from the connection block and Conversion (BPP) 5 information.
  • data exchange with the processor module (PM) 2 is performed only by the processing module (MO) 6, which is in the "Master” mode. In this case, redundancy of the input / output system (UHV) 3 does not additionally load the processor module (PM) 2 and does not increase the polling cycle.
  • Such a control system will require one processor module (PM) 2 and an output input system (UHV) 3, including one processing device (UO) 4, consisting of an installation platform (UP) 7 and a processing module (MO) 6, and five connection blocks and transformations (BPP) 5, i.e. BPP1, BPP2, EPPZ, BPP4 and BPP5.
  • Each individual connection and conversion unit (BPU) 5 receives signals of the same type, as shown in FIG. 6:
  • MP1 is installed in BPP1, which converts each connected 4-20 mA signal into a discrete TTL level signal with PWM modulation, transmitting the analog signal value in the form of a duty cycle.
  • MP1 generates one discrete TTL level signal with PWM modulation, the duty cycle of which tells the processing device (U O) 4 that BPP1 processes 4-20 mA input analog signals;
  • MGI2 is installed in BPP2, which converts each connected TXA temperature signal into a discrete TTL level signal with PWM modulation, which transmits thermal emf value in the form of a duty cycle.
  • MP2 generates one discrete TTL level signal with PWM modulation, the duty cycle of which tells the processing device (U O) 4 that BPP2 processes signals from temperature sensors of the TXA type;
  • an MFZ is installed, which converts each connected 24V discrete signal to a discrete TTL level signal.
  • the MPS generates one discrete TTL level signal with PWM modulation, the duty cycle of which tells the processing device (O) 4 that the BPS is processing discrete input signals;
  • MP4 is installed in BPP4, which converts discrete TTL level signals with PWM modulation generated in the processing device into 4-20 mA analog output signals.
  • MP4 generates one discrete TTL level signal with PWM modulation, the duty cycle of which tells the processing device (U O) 4 that BPP4 generates 4-20 mA analog output signals;
  • MP5 is installed in HSP5, which converts the discrete TTL level signals generated in the processing device into discrete 24 V output signals.
  • MP5 generates one discrete TTL level signal with PWM modulation, the duty cycle of which tells the processing device (U ⁇ ) 4 that BPGO generates output discrete signals 24 V.
  • connection and conversion units BPGI ..., BPP5
  • UP installation platform 7 of the processing device (UO) 4 and install on it processing module (MO) 4.
  • PM processor module
  • controller 1 When controller 1 is turned on, the processing module (MO) 4 first polls the signals from the BPSh-BPP5 connection and conversion blocks, transmitting information about the type of signals connected to them. Then he performs the necessary initialization of his TTL level I / O lines for interaction with the corresponding connection and conversion blocks (BPP) and selects the necessary processing algorithms:
  • the I / O lines are initialized to output and an algorithm is selected that converts using the PWM values of variables of type float and a range from 0 to 100 into the duty cycle of discrete signals transmitted along the corresponding lines;
  • I / O lines are initialized to output and an algorithm is selected that translates the values of variables of the bool type into the corresponding values of discrete signals.
  • the processing module (MO) 4 polls the input signals from the connection and conversion units BPP1, BPP2 and BPPZ, forming them according to the signals from the sensors connected to them, and generates the values of the corresponding variables that will be transmitted to the processor module (PM) 2, launched in processor module (PM) 2, the control algorithm will analyze the values of the variables received from the processing module (MO) 4 and generate the values of other variables that will be sent to the processing module (MO) 4, where they will be converted into discrete TTL level signals and sent to blocks connection and conversion of BPP4 and BPP5, which will convert them into control signals and transmit to actuators connected to them.
  • the inventive programmable logic controller has several advantages over similar devices known from the prior art, namely, due to the reduction in the number of devices on the communication bus of the processor modules with input / output devices (system or field bus), the signal acquisition rate is increased, and the operational reliability is also increased controller by reducing the number of electronic elements for the implementation of exchange with input / output devices; reduced controller recovery time after a failure due to the implementation of piug & play mode at the level of connection and conversion blocks (BPP) and processing device (U O); the creation of redundant I / O systems is simplified by implementing parallel connection of connection and conversion units (BPP) to either two processing devices (UO) or UO with redundant processing modules (MO) with automatic switching to work with the “Master”; due to the unification of the processing of any signals, which consists in using discrete signals with PWM or frequency conversion for transmitting analog signals, the element base is greatly simplified and the number of electronic components is reduced. Reducing the number of microcircuits leads to lower power consumption and, accordingly, heat dissipation, increases

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Programmable Controllers (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области автоматики и вычислительной техники, обеспечивает автоматизированный контроль и управление технологическими процессами в различных областях промышленности и направлено на повышение надежности работы программируемого логического контроллера, содержащего связанные между собой, меньшей мере, один процессорный модуль и систему ввода/вывода, включающую, по меньшей мере, одно устройство обработки и блоки подключения и преобразования, где устройство обработки представляет собой, по меньшей мере, один модуль обработки на установочной платформе с разъемами для подключения к блокам подключения и преобразования и к процессорному модулю, а блоки подключения и преобразования состоят из платформы подключения и модуля преобразования, причем платформа подключения содержит клемник для подключения датчиков и исполнительных механизмов и, по меньшей мере, один разъем для подключения кабелей связи с устройством обработки.

Description

ПРОГРАММИРУЕМЫЙ ЛОГИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЛЕР
И СИСТЕМА ВВОДА/ВЫВОДА
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в системах диспетчеризации и автоматизированного контроля и управления технологическими процессами в различных отраслях промышленности, на объектах энергетики, зданиях и на объектах ЖКХ.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Контроллеры выполняют сбор и обработку аналоговых и дискретных информационных сигналов с первичных преобразователей и приборов в схемах автономного управления или в составе распределенной системы управления, а также формирование и выдачу управляющих воздействий на объект управления. Они функционируют в ответственных системах, где требуется высокая надежность работы оборудования.
Из уровня техники известны программируемые контроллеры, выпускаемые компанией ТЕКОН (htp://tecon.ru/prodvkciia/kontrollerv) или компанией TREI (http://trei.biz/controllersA. контроллеры компании SIEMENS (Германия) (http://cxem.net/promelectr/promelectrl 1 ,pho). контроллеры компании ICP DAS (Тайвань)
, контроллеры компании Advantech (Тайвань) . в состав которых входят модули центрального
Figure imgf000003_0001
процессора (ЦП), модули ввода/вывода, крейты, источники питания (ИП) и вспомогательное оборудование.
Известны программируемые контроллеры, описанные в патенте РФ Ml 71436, онубл. 31.05.2017, кл. G05B 19/042, G06K 9/00 или в патенте РФ l 15939, опубл. 10.05.2012, кл. G06F 9/00, включающие процессорный модуль, модули ввода/вывода аналоговых и дискретных сигналов, вспомогательное оборудование.
В качестве недостатка указанных контроллеров можно назвать наличие большого количества отдельных модулей ввода/вывода, т.к. для каждого типа сигнала (дискретные или аналоговые, входные или выходные, токовые, потенциальные, релейные, температурные и др. типы сигналов) используются различные типы модулей ввода/вывода и для каждого типа сигналов в зависимости от создаваемой системы управления может использоваться несколько соответствующих модулей ввода/вывода. С ростом числа модулей ввода/вывода увеличивается количество запросов и команд, которые надо передавать по линиям их связи с процессорными модулями. Это удлиняет цикл опроса и снижает надежность работы контроллера за счет роста числа электронных компонентов контроллера.
Техническая проблема, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в необходимости сократить время сбора информации и передачи команд между процессорными модулями и модулями ввода/вывода за счет сокращения их числа.
Технический результат, который получают в результате использования данного изобретения, заключается в повышении надежности работы контроллера. Где под «надежностью» понимают свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования, а также минимизации времени восстановления работоспособности при возникновении сбоя в работе.
Указанный результат получают за счет конструкции программируемого логического контроллера, включающего, по меньшей мере, один процессорный модуль (ПМ) и систему ввода/вывода (СВВ), связанные между собой кабелем передачи информации и/или посредством радиосвязи, где система ввода/вывода (СВВ) содержит, по меньшей мере, одно устройство обработки (У О) и блоки подключения и преобразования (БПП), при этом устройство обработки (У О) представляет собой, по меньшей мере, один модуль обработки (МО), который монтируется на установочную платформу (УП), с выполненными на ней разъемами, через которые обеспечивается подключение к блокам подключения и преобразования (БПП) и, по меньшей мере, к одному процессорному модулю (ПМ), а блоки подключения и преобразования (БПП) состоят из платформы подключения (ПП) и модуля преобразования (МП), при этом платформа подключения (ПП) содержит клемник, для подключения датчиков и исполнительных механизмов, и, по меньшей мере, один разъем для подключения кабелей связи с устройством обработки (У О). Где устройство обработки (У О) выполнено с возможностью перевода значений сигналов в цифровой вид и цифровой обработки сигналов, а блоки подключения и преобразования (БПП) выполнены с возможностью преобразования уровней сигналов и их частичной обработки. А процессорный модуль (ПМ) может быть объединен с системой ввода/вывода (СВВ) в корпус с общим питанием и системной шиной, обеспечивающей взаимодействие процессорного модуля (ПМ) с системой ввода/вывода (СВВ). Процессорный модуль (ПМ) может быть выполнен в виде отдельного устройства и взаимодействовать с системой ввода/вывода (СВВ) через полевые шины или стандартные интерфейсы (например, Ethernet), или посредством радиосвязи, или объединен в рамках одного корпуса с частью системы ввода/вывода (СВВ) - устройством обработки (УО), ответственным за логическую (цифровую) обработку контролируемых сигналов. Модуль обработки (МО) и модуль преобразования (МП) могут быть выполнены съемными. Для реализации резервирования контроллер включает дополнительные устройства обработки (УО) и модули обработки (МО). В устройстве обработки (УО) предусмотрен вход для запоминающего устройства. Устройство обработки (УО) и блок подключения и преобразования (БПП) могут быть связаны посредством медных кабелей, волоконной оптики (ВОЛС) или радиосвязи, а блок подключения и преобразования (БПП) дополнительно выполнен с возможностью передачи устройству обработки (УО) информации о типе сигналов, обрабатываемых блоком подключения и преобразования (БПП). Изоляция между блоками подключения и преобразования (БПП) и устройством обработки (УО) выполнена за счет использования гальванической развязки. Контроллер выполнен с возможностью замены аналоговых сигналов дискретными, при взаимодействии устройства обработки (У О) и блоков подключения и преобразования (БПП) посредством использования широтно- импульсной модуляции (ШИМ) или частотного преобразования.
Указанный технический результат получают за счет системы ввода/вывода, включающей, по меньшей мере, одно устройство обработки (У О) и блоки подключения и преобразования (БПП), где устройство обработки (УО) выполнено с возможностью реализации цифровой (логической) обработки всех типов сигналов и обмена данными с подключаемыми к системе ввода/вывода (СВВ) внешними устройствами, а блок подключения и преобразования (БПП), выполнен с возможностью передачи в устройство обработки (У О) информации о типе контролируемых или формируемых сигналов для выбора применяемых алгоритмов обработки и форматов представления значений сигналов. Где устройство обработки (У О) представляет собой, по меньшей мере, один модуль обработки (МО), который монтируется на установочную платформу (УП), с выполненными на ней разъемами, через которые обеспечивается подключение к блокам подключения и преобразования (БПП) и внешним устройствам, а блоки подключения и преобразования (БПП) состоят из платформы подключения (ПП) и модуля преобразования (МП), при этом платформа подключения (ПП) содержит клемник, для подключения датчиков и исполнительных механизмов, и, по меньшей мере, один разъем для подключения кабелей связи с устройством обработки (УО). При этом, система ввода/вывода (СВВ) выполнена с возможностью обмена данными с внешними устройствами через стандартные интерфейсы по открытым протоколам, например, таким, как ОРС UA, MODBUS, BACnet, Profmet, МЭК-60870-5-104 или МЭК 61850, а устройство обработки (У О) выполнено с возможностью сохранения истории изменения контролируемых/формируемых сигналов и передачи этих данных на запросы по поддерживаемым им протоколам.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Заявляемое техническое решение может быть проиллюстрировано следующими фигурами чертежей, где на фиг. 1 представлена общая схема заявляемого программируемого логического контроллера;
на фиг.2 схематически проиллюстрировано устройство обработки;
на фиг.З схематически проиллюстрирован блок подключения и преобразования; на фиг.4 представлен вариант выполнения системы ввода/вывода,
на фиг.5 представлен вариант выполнения контроллера с резервируемыми элементами;
на фиг. 6 схематически проиллюстрирован пример реализации заявляемого контроллера,
где на фигурах приняты следующие обозначения:
1- программируемый контроллер
2- процессорный модуль (ПМ)
3- система ввода/вывода (СВВ)
4- устройство обработки (У О)
5- блок подключения и преобразования (БПП)
6- модуль обработки (МО)
7- установочная платформа (УП)
8- разъемы для подключения блока подключения и преобразования
9- внешние интерфейсы
10- платформа подключения (ПП) 11- модуль преобразования (МП)
12- разъемы подключения к устройству обработки
13- разъемы питания
14-клемник для объектовых сигналов.
СУЩЕСТВО ЗАЯВЛЕННОГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
Программируемый логический контроллер представляет собой устройство, используемое для сбора информации от технологических датчиков и формирования управляющих сигналов для исполнительных механизмов по запрограммированному алгоритму.
Из уровня техники известно, что для каждого типа сигналов используются различные типы модулей ввода/вывода, как минимум, входные или выходные, дискретные или аналоговые, все это умножается на число стандартов аналоговых и дискретных сигналов, используемых в промышленности. Поэтому производителям контроллеров приходится иметь широкую номенклатуру модулей ввода/вывода. Эти модули имеют небольшое число входов или выходов. Для аналоговых сигналов, как правило, не более 16, для дискретных - не более 32. Для обработки входных или формирования выходных сигналов каждый модуль ввода/вывода должен иметь соответствующий набор электронных компонентов. С их помощью выполняется преобразование физических сигналов от датчиков или исполнительных механизмов (0- 10 В, 4-20 мА, термопара, термометр, контакт реле, дискретный сигнал 24 В) к уровню, с которым работают микросхемы выполняющие оцифровку (ЦАП, АЦП, порты ввода/вывода). Эти микросхемы переводят преобразованные сигналы в цифровые значения, которыми оперируют процессорные модули при контроле сигналов от датчиков и в обратном направлении из цифровых значений в физические сигналы при управлении. Для обработки цифровых значений и взаимодействия с процессорным модулем по системной или полевой шине каждый модуль ввода/вывода имеет свой процессор и микросхемы, реализующие обмен по шине.
В заявляемом программируемом логическом контроллере предлагается осуществлять перевод значений сигналов в цифровой вид и цифровую обработку сигналов в устройстве обработки (У О), а все преобразования уровней сигналов и их частичную обработку вынести в блоки подключения и преобразования (БПП), которые связаны между собой кабелем и/или посредством радиосвязи (например, Wi-Fi). В результате, процессорный модуль (ПМ) взаимодействует по системной или полевой шине с одним устройством - устройством обработки (У О), а не с множеством модулей ввода-вывода. Устройство обработки (У О) с блоками подключения и преобразования (БПП) образуют систему ввода/вывода (GBB). Это позволяет увеличить надежность работы контроллера, а также сократить время сбора информации и передачи команд между процессорным модулем и системой ввода/вывода (СВВ), использование которой предлагается вместо набора отдельных модулей ввода/вывода, известных из уровня техники решениях контроллера.
Кроме того, в блоках подключения и преобразования (БПП) дополнительно предлагается предусмотреть формирование информации, сообщающей устройству обработки (У О) тип сигналов, обрабатываемых данным блоком подключения и преобразования (БПП) и, соответственно, какой тип обработки следует выбрать. Это позволит устройству обработки (У О) автоматически настраиваться на подключенные к контроллеру датчики и исполнительные механизмы, что сократит работы по настройке контроллера, упростит его обслуживание и приведет к повышению надежности благодаря сокращению рисков ошибок при выполнении настроек вручную, а также за счет сокращения времени восстановления при сбоях.
Кроме того, дополнительно предлагается при передаче сигналов между устройством обработки (У О) и блоком подключения и преобразования (БПП) заменить аналоговые сигналы дискретными посредством использования, например, ШИМ (широтно-импульсная модуляция) или частотного преобразования. Это позволит отказаться от специализированных микросхем обработки и формирования аналоговых сигналов, а также снизит влияние помех при передаче. Предлагаемое решение сократит количество используемых электронных компонентов, что повысит надежность всей системы контроллера и позволит сделать все входы и выходы устройства универсальными с точки зрения направления (входы или выходы) и типа сигналов (аналоговые или дискретные).
Кроме того, предлагается обеспечить изоляцию между блоками подключения и преобразования (БПП) и устройством обработки (У О) за счет использования гальванической развязки. Для этого используются электронные компоненты, обеспечивающие гальваническую развязку. Наличие гальванической развязки предотвращает попадание высокого напряжения в устройство обработки (У О) и через него в другие компоненты контроллера, которое может попасть в блок подключения и преобразования (БПП) через провода от датчиков или исполнительных механизмов в случае аварии или ошибочных действий персонала, а также при повреждении самого блока подключения и преобразования (БПП). Блокирование такой возможности повышает надежность контроллера.
В одном из вариантов выполнения контроллера предлагается использовать волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) для соединения блока подключения и преобразования (БПП) с устройство обработки (У О). Это позволит обеспечить изоляцию между блоком подключения и преобразования (БПП) и устройством обработки (У О) без использования специальных электронных компонентов. Кроме того, использование ВОЛС позволит избежать электромагнитных помех на кабеле передачи данных между блоком подключения и преобразования (БПП) и устройством обработки (У О), что позволит располагать блоки подключения и преобразования (БПП) на значительном расстоянии от устройства обработки (УО) ближе к датчикам и исполнительным механизмам и сократить влияние электромагнитных помех, которые наводятся на провода от датчиков и исполнительных механизмов. Снижение числа используемых электронных компонентов для обеспечения изоляции, а также предотвращение влияния электромагнитных помех повышает надежность работы контроллера.
Использование радиосвязи, например, Wi-Fi, для обмена между блоками подключения и преобразования (БПП) и устройством обработки (У О) так же решает задачу гальванической развязки без применения специальных электронных компонентов.
На фиг. 1 представлена общая схема заявляемого программируемого логического контроллера 1, который включает в себя, по меньшей мере, один процессорный модуль (ПМ) 2 и систему ввода/вывода (СВВ) 3. Процессорный модуль (ИМ) 2 может объединяться с системой ввода/вывода (СВВ) 3 в корпус с общим питанием и системной шиной, а может быть выполнен в качестве отдельного устройства и взаимодействовать с системой ввода/вывода (СВВ) 3 через полевые шины или стандартные интерфейсы (например, Ethernet) или посредством радиосвязи (например, Wi-Fi). Кроме того, процессорный модуль (ПМ) 2 может быть объединен в рамках одного корпуса с частью системы ввода/вывода (СВВ) 3, ответственной за логическую (цифровую) обработку контролируемых сигналов.
В свою очередь, система ввода/вывода (СВВ) 3 (фиг.1) состоит из устройства обработки (У О) 4 и блоков подключения и преобразования (БПП) 5. Число блоков подключения и преобразования (БПП) 5 зависит от количества и типа контролируемых сигналов и ограничено числом разъемов подключения на устройстве обработки (У О) 4. Число обрабатываемых сигналов ввода/вывода в одном устройстве обработки (У О) 4 принципиально не ограничивается. Возможны ограничения исходя из конструктивных особенностей устройства. Обмен данными с внешними устройствами осуществляется через стандартные интерфейсы по проприетарным или открытым протоколам, например, таким, как ОРС UA, MODBUS, BACnet, Profmet, МЭК-60870-5- 104, МЭК 61850 и др.
Кроме того устройство обработки (У О) 4 может иметь один или несколько коммуникационных интерфейсов (например, Ethernet) для связи с процессорными модулями (ПМ) 2 контроллера 1 или любыми другими устройствами, запрашивающими у него данные по поддерживаемым им протоколам.
При использовании волоконно-оптических линий (ВОЛС) для связи блоков подключения и преобразования (БПП) 5 с устройством обработки (УО) 4 предлагается предусмотреть возможность использования расширителей числа разъемов ввода/вывода. Это устройства, которые подключаются в один из разъемов на устройстве обработки (У О) 4 и имеют несколько дополнительных разъемов для подключения блоков подключения и преобразования (БПП) 5. Такое решение позволяет увеличить число сигналов, обрабатываемых одним устройством обработки (У О) 4, и вынести на значительное расстояние от контроллера часть блоков подключения и преобразования (БПП) 5. Это обеспечивает сокращение длины проводов от датчиков и, соответственно, наведенные помехи, что повышает надежность работы контроллера.
В большинстве промышленных программируемых контроллеров ввод/вывод сигналов обеспечивается большим числом отдельных модулей ввода/вывода, каждый из которых предназначен для ввода или вывода определенного тина сигналов, что значительно перегружает систему контроллера и приводит к увеличению цикла опроса всех модулей и снижению надежности за счет увеличения числа микросхем, реализующих обмен данными. Например, в контроллерах МФК 1500 компании ТЕКОН модуль DI32 предназначен для ввода 32 дискретных сигналов, AI8 - для 8 аналоговых входных сигналов, DO 16 - для вывода 16 дискретных сигналов, LIG16 - для ввода 16 температурных сигналов, АОС4 - для вывода 4 аналоговых сигналов и много других типов модулей ввода-вывода (всего более 20 типов). Предложенная конструкция программируемого логического контроллера принципиально отличается от известных контроллеров, поскольку она включает не отдельные модули ввода/вывода, а систему ввода/вывода (СВВ), которая имеет выделенное устройство обработки (У О) 4, реализующее цифровую (логическую) обработку всех сигналов и обмен данными с процессорным модулем (ПМ). В заявляемом контроллере достаточно иметь одно устройство обработки (УО) 4 и только в отдельных случаях, когда обрабатывается большое число сигналов, их используется несколько. Предлагаемое устройство обработки (У О) 4 и блок подключения и преобразования (БПП) 5 универсальны с точки зрения типов контролируемых или формируемых сигналов. Блок подключения и преобразования (БПП) 5 передает в устройство обработки (У О) 4 информацию о типе контролируемых или формируемых сигналов для выбора применяемых алгоритмов обработки и форматов представления значений сигналов. Информация о типе сигналов формируется в блоке подключения и преобразования (БПП) 5. Подобная конструкция обеспечивает повышение надежности контроллера, поскольку сокращает число микросхем и других электронных компонентов, обеспечивающих взаимодействие процессорных модулей (ПМ) 2 и системы ввода/вывода (СВВ) 3.
На фиг. 2 проиллюстрирована схема устройства обработки (У О) 4, которое включает модуль обработки (МО) б, осуществляющий обработку поступающих на него сигналов от блоков подключения и преобразования (БПП) 5 и реализацию обмена данными с процессорным модулем (ПМ) 2. Модуль обработки (МО) 6 монтируется на установочную платформу (УП) 7, которая выполняет функцию подключения кабелей связи с блоками подключения и преобразования (БПП) 5 и е процессорным модулем (ПМ) 2 и передачу поступающей по ним информации и сигналов в модуль обработки (МО) 6. На установочной платформе (УП) 7 предусмотрены разъемы 8, через которые обеспечивается подключение к устройству обработки (УО) 4 блоков подключения и преобразования (БПП) 5, а также разъемы 9 для подключения процессорного модуля (ПМ) 2 и/или других устройств по открытым протоколам. Кроме того, на установочной платформе (УП) 7 размещен переключатель (на фиг. не показан) настройки адреса устройства обработки (УО) 4 для его опроса по интерфейсам. Все данные, поступающие на установочную платформу (УП) 7, передаются в модуль обработки (МО) 6. Поскольку установочная платформа (УП) 7 не содержит активных элементов (только разъемы), то она является очень надежным элементом системы. Модуль обработки (МО) 6 является менее надежным элементом. Поэтому для модуля обработки (МО) 6 могут быть предусмотрены решения по его быстрой замене и резервированию. Для этого модуль обработки (МО) 6 может быть выполнен съемным и с помощью, по меньшей мере, одного разъема (на фиг. не показано) соединен с установочной платформой (УП) 7, к которой фиксируется, например, защелками или винтами. В устройстве обработки (У О) 4 может быть предусмотрен слот для флэш- диска или другого запоминающего устройства, на котором может храниться часть настроечных параметров. Одно устройство обработки (У О) 4 может включать в себя несколько модулей обработки (МО) 6, в частности, для обеспечения резервирования. Для этого на установочной платформе (УП) 7 могут быть предусмотрены дополнительные разъемы для установки модулей обработки (МО) б (фиг. 5). Для автоматической настройки модуля обработки (МО) 6, при его замене, используется информация о типе контролируемых или формируемых сигналов, которую передает каждый блок подключения и преобразования (БПП), и настроечная информация, хранящаяся в установочной платформе (УП) 7 (переключатель адреса и данные с флеш- диска или другого запоминающего устройства, установленного на (У О) 4). Автоматическая настройка и предложенная конструкция устройства обработки (У О) 4 обеспечивает при выходе модуля обработки (МО) 6 из строя максимально быструю его замену. Дополнительные разъемы для модулей обработки (МО) 6 на установочной платформе (УП) 7 могут использоваться не только для резервирования модулей обработки (МО) 6, а так же для расширения числа обрабатываемых сигналов путем распределения их между несколькими параллельно работающими модулями обработки (МО) 6.
В модуле обработки (МО) 6 для контроля значений входных сигналов и формирования выходных сигналов используются линии ввода/вывода микросхем микроконтроллеров, микросхем портов ввода/вывода или других микросхем или стандартные интерфейсы обмена данными между микросхемами (например, I2C, SPI или другие), которые работают с сигналами TTL уровня или другого низковольтного уровня. На них при контроле входных сигналов через разъемы 8 на установочной платформе (УП) 7 подаются данные от блока подключения и преобразования (БПП) 5, а в случае управления, наоборот - с них данные подаются на блок подключения и преобразования (БПП) 5.
Блок подключения и преобразования (БПП) 5 (фиг. 3) предназначен для подключения проводов от датчиков или исполнительных механизмов и преобразования передаваемых по ним сигналов. Он состоит из платформы подключения (ПП) 10 и модуля преобразования (МП) 11, тип которого определяет, какие сигналы будет контролировать или формировать данный блок подключения и преобразования (БПП) 5. Вся обработка сигналов сосредоточена в модуле преобразования (МП) 11. Платформа подключения (ПП) 10 универсальна для любых типов входных и выходных II
сигналов, она не имеет никаких активных компонентов и содержит клемник 14 для подключения проводов от датчиков и исполнительных механизмов, один или более разъемов 12 для соединения с устройством обработки (УО) 4 и разъем питания 13. Модуль преобразования (МП) 11 может быть выполнен съемным. В этом случае для установки модуля преобразования (МП) И на платформу подключения (ПП) 10 предусмотрен специальный разъем (на фиг. не показан). Модуль преобразования (МП) 11 устанавливается в этот разъем и фиксируется, например, защелками.
Провода от датчиков или исполнительных механизмов подключаются к клемнику 14 платформы подключения (ПП) 10. А вот модуль преобразования (МП) 11 для различных типов сигналов устанавливается разный, его тип должен соответствовать подсоединенным к платформе подключения (ПП) 10 сигналам. При контроле сигналов от датчиков, сигналы с клемника 14 попадают в модуль преобразования (МП) 11. Здесь они преобразуютс в сигналы TTL уровня или другого низковольтного уровня, либо в оптический сигнал для передачи с помощью ВОЛС (волоконно-оптическая линия связи). Далее эти сигналы через разъемы подключения 12 передаются в устройство обработки (У О) 4. При формировании управляющих сигналов, модуль преобразования (МП) 11 работает в обратном направлении. Выходные сигналы принимаются от устройства обработки (У О) 4, преобразуются в выходные физические сигналы и передаются на клемник 14. При передаче сигналов между блоком подключения и преобразования (БПП) 5 и устройством обработки (У О) 4 может использоваться промежуточное ШИМ или частотное преобразование.
Использование низковольтных дискретных сигналов при обмене с модулем преобразования (МП) 11 позволяет применять в модуле обработки (МО) 6 одинаковые электронные компоненты для обработки и формирования любых типов сигналов. Направление передачи информации (входной или выходной сигнал) задается соответствующей инициализацией этих электронных компонентов. Поскольку модуль преобразования (МП) 11 передает в устройство обработки (У О) 4 информацию о типе подключенных сигналов, модуль обработки (МО) б может автоматически инициализировать соответствующие электронные компоненты нужным образом и выбрать нужные алгоритмы их обработки или формирования сигналов. Например, если обрабатывается входной аналоговый сигнал, то запускается алгоритм вычисления скважности или частоты, если дискретный, то просто читается его значение из порта. Такая конструкция системы ввода вывода (СВВ) 3 делает все ее клемники универсальными по типу (4-20 мА, 0-1QB, 24В, реле, сухой контакт, термопара и др.) и направлению (входные или выходные) подключаемых сигналов. Надо только после подключения проводов к блоку подключения и преобразования (БПП) 5 установить соответствующие модули преобразования (МП) 11.
Одной из важных особенностей заявляемого контроллера является возможность резервирования наиболее ответственных его узлов, интегрирующих в себе все информационные потоки. Это позволяет существенно увеличить надежность работы всей системы контроллера. В рамках заявляемого программируемого логического контроллера 1 обеспечивается резервирование как процессорных модулей (ПМ) 2, так и системы ввода/вывода (СВВ) 3. Резервирование процессорных модулей (ПМ) 2 обеспечивается их равноправным доступом к системе ввода/вывода (СВВ) 3 и возможностью идентифицировать работоспособность друг друга.
При резервировании модулей ввода/вывода в известных контроллерах приходилось использовать дополнительные нормирующие устройства для обеспечения параллельного ввода информации и дополнительные переключающие устройства для выбора с какого из модулей ввода/вывода брать управляющие сигналы. Это приводило к двукратному увеличению нагрузки на процессорные модули, с точки зрения информационного обмена с резервированными модулями ввода/вывода, и увеличивало общее число элементов системы за счет дополнительных устройств, что негативно влияло на надежность в целом.
В заявляемом контроллере предлагается резервировать наиболее ответственные элементы системы ввода/вывода (СВВ) 3. Такими ответственными элементами являются, в частности, устройство обработки (У О) 4 или ее интеллектуальная составляющая - модуль обработки (МО) б. Именно там сосредоточена обработка всех сигналов и отказ этих устройств приведет к отказу контроллера в целом. Поэтому при резервировании увеличивается число устройств обработки (У О) 4 (фиг. 4), либо число модулей обработки (МО) 6 (фиг. 5). Однако число блоков подключения и преобразования (БПП) 5 остается таким же, как и в не резервированной системе. Дело в том, что вероятность отказа блоков подключения и преобразования (БПП) 5 существенно меньше, чем модулей обработки (МО) 6, в силу простоты конструкции блоков подключения и преобразования (БПП) 5, с одной стороны, а с другой - отказ блоков подключения и преобразования (БПП) 5 не приводит к отказу контроллера в целом, а только к прекращению контроля по сигналам, связанным с данным блоком подключения и преобразования (БПП) 5, до момента устранения отказа. Для случая использования нескольких устройств обработки (У О) 4 в блоке подключения и преобразования (БПП) 5 предусмотрено несколько разъемов 12, каждый разъем 12 для подключения к отдельным устройствам обработки (У О) 4.
В случае использования устройства обработки (У О) 4 с резервированными модулями обработки (МО) 6 (фиг. 5) блоки подключения и преобразования (БПП) 5 соединяются только с одной установочной платформой (УП) 7, на которую установлены два модуля обработки (МО) 6. В этом случае, взаимодействие в блоками подключения и преобразования (БПП) 5 выполняет модуль обработки (МО) 6, находящийся в состоянии «Мастер» (основного модуля), а резервный модуль обработки (МО) 6 только воспринимает поступающую от блока подключения и преобразования (БПП) 5 информацию. Кроме того, обмен данными с процессорным модулем (ПМ) 2 выполняет только модуль обработки (МО) 6, находящийся в режиме «Мастер». В этом случае резервирование системы ввода/вывода (СВВ) 3 никак дополнительно не нагружает процессорный модуль (ПМ) 2 и не увеличивает цикл опроса.
Работа заявляемого программируемого логического контроллера может быть рассмотрена на неисчерпывающем примере.
Для управления технологическим процессом требуется контролировать 8 унифицированных аналоговых сигналов 4-20 мА (АП, ..., АХ8), 8 сигналов от датчиков температуры типа ТХА (TI1, TI8) и 8 дискретных сигналов 24 В (DI1, ..., DI8), а так же формировать 8 аналоговых сигналов 4-20 мА (А01, ..., А08) и 8 дискретных управляющих сигналов 24 В (D01, DO 8). Схема контроллера для решения этой задачи представлена на фиг. 6.
Для такой системы управления потребуется один процессорный модуль (ПМ) 2 и система ввода вывода (СВВ) 3, включающая одно устройство обработки (УО) 4, состоящее из установочной платформы (УП) 7 и модуля обработки (МО) 6, и пять блоков подключения и преобразования (БПП) 5, т.е. БПП1, БПП2, ЕППЗ, БПП4 и БПП5. Каждый отдельный блок подключения и преобразование (БПП) 5 принимает сигналы одного типа, как это показано на фиг. 6:
• АП, ..., AI8 подключены к БПП 1 ;
• ТП, ..., TI8 подключены к БПП2;
• DI1, ..., DI8 подключены к БППЗ ;
• А01, ..., А08 подключены к БПП4;
• DOl, DOB подключены к БПП 5. Далее в каждый блок подключения и преобразования (БШ1) 5 устанавливают модуль преобразования (МП) 11, соответствующий подключенным сигналам. В результате получают:
• в БПП1 устанавливают МП1, который преобразует каждый подключенный сигнал 4-20 мА в дискретный сигнал TTL уровня с ШИМ модуляцией, передающий в виде скважности величину аналогового сигнала. Кроме того, МП1 формирует один дискретный сигнал TTL уровня с ШИМ модуляцией, скважность которого сообщает устройству обработки (У О) 4, что БПП1 обрабатывает входные аналоговые сигналы 4-20 мА;
• в БПП2 устанавливают MGI2, который преобразует каждый подключенный температурный сигнал ТХА в дискретный сигнал TTL уровня с ШЙМ модуляцией, передающей в виде скважности величину термо-ЭДС. Кроме того, МП2 формирует один дискретный сигнал TTL уровня с ШИМ модуляцией, скважность которого сообщает устройству обработки (У О) 4, что БПП2 обрабатывает сигналы от датчиков температуры типа ТХА;
• в БППЗ устанавливают МПЗ, который преобразует каждый подключенный дискретный сигнал 24В в дискретный сигнал TTL уровня. Кроме того, МПЗ формирует один дискретный сигнал TTL уровня с ШИМ модуляцией, скважность которого сообщает устройству обработки ( О) 4, что БППЗ обрабатывает дискретные входные сигналы;
• в БПП4 устанавливают МП4, который преобразует дискретные сигналы TTL уровня с ШИМ модуляцией, формируемые в устройстве обработки, в аналоговые выходные сигналы 4-20 мА. Кроме того, МП4 формирует один дискретный сигнал TTL уровня с ШИМ модуляцией, скважность которого сообщает устройству обработки (У О) 4, что БПП4 формирует выходные аналоговые сигналы 4-20 мА;
• в БТШ5 устанавливают МП5, который преобразует дискретные сигналы TTL уровня, формируемые в устройстве обработки в дискретные выходные сигналы 24 В. Кроме того, МП5 формирует один дискретный сигнал TTL уровня с ШИМ модуляцией, скважность которого сообщает устройству обработки (У О) 4, что БПГО формирует выходные дискретные сигналы 24 В.
Подключают все блоки подключения и преобразования (БПГИ, ..., БПП5) к установочной платформе (УП) 7 устройства обработки (УО) 4 и устанавливают на нее модуль обработки (МО) 4. Далее к установочной платформе (УП) 7 подключают процессорный модуль (ПМ) 2.
При включении контроллера 1 модуль обработки (МО) 4 сначала опрашивает сигналы от блоков подключения и преобразования БПШ-БПП5, передающие информацию о типе подключенных к ним сигналов. Затем он выполняет необходимую инициализацию своих линий ввода-вывода TTL уровня для взаимодействия с соответствующими блоками подключения и преобразования (БПП) и выбирает необходимые алгоритмы обработки:
• для БПП1 линии ввода-вывода инициализируются на ввод и выбирается алгоритм вычисления скважности получаемых сигналов и преобразования ее в значения переменных типа float в диапазоне от 0 до 100;
• для БГШ2 линии ввода-вывода инициализируются на ввод и выбираетс алгоритм вычисления скважности получаемых сигналов и преобразования ее в значения переменных типа float в диапазоне от 0 до 100 е последующим пересчетом этих значений по аппроксимирующему полиному в значение температуры с присвоением результатов переменным тина float;
• для БППЗ линии ввода-вывода инициализируются на ввод и выбирается алгоритм присвоения величин дискретных сигналов переменным типа bool;
• для БПП4 линии ввода-вывода инициализируются на вывод и выбирается алгоритм, преобразующий с помощью ШИМ значения переменных типа float и диапазоном от 0 до 100 в скважность дискретных сигналов, передаваемых по соответствующим линиям;
• для БПП5 линии ввода-вывода инициализируются на вывод и выбирается алгоритм, переводящий значения переменных типа bool в соответствующие значения дискретных сигналов.
Далее модуль обработки (МО) 4 опрашивает входные сигналы от блоков подключения и преобразования БПП1, БПП2 и БППЗ, формирующие их по сигналам от подключенных к ним датчиков, и формирует значения соответствующих переменных, которые будут передаваться в процессорный модуль (ПМ) 2, Запущенный в процессорном модуле (ПМ) 2 алгоритм управления будет анализировать значения переменных, полученных от модуля обработки (МО) 4 и формировать значения других переменных, которые будет направлять в модуль обработки (МО) 4, где они будут преобразовываться в дискретные сигналы TTL уровня и пересылаться в блоки подключения и преобразования БПП4 и БПП5, которые будут преобразовывать их в управляющие сигналы и передавать на подключенные к ним исполнительные механизмы.
Заявляемый программируемый логический контроллер имеет ряд преимуществ перед известными из уровня техники аналогичными устройствами, а именно, из-за сокращения числа устройств на шине связи процессорных модулей с устройствами ввода/вывода (системная или полевая шина) увеличивается скорость опроса сигналов, а также повышается надежность работы контроллера за счет сокращения числа электронных элементов для реализации обмена с устройствами ввода/вывода; сокращается время восстановления контроллера после сбоя за счет реализации режима piug&play на уровне блоков подключения и преобразования (БПП) и устройства обработки (У О); упрощается создание резервированных систем ввода/вывода за счет реализации параллельного подключения блоков подключения и преобразования (БПП) либо к двум устройствам обработки (УО), либо к УО с резервированными модулями обработки (МО) с автоматическим переключением на работу с «Мастером»; за счет унификации обработки любых сигналов, заключающейся в использования дискретных сигналов с ШИМ или частотным преобразованием для передачи аналоговых сигналов, сильно упрощается элементная база и сокращается число электронных компонентов. Сокращение числа микросхем приводит к снижению энергопотребления и, соответственно, тепловыделения, повышает надежность и снижает стоимость контроллера.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Программируемый логический контроллер, включающий, по меньшей мере, один процессорный модуль (ИМ) и систему ввода/вывода (СВВ), связанные между собой кабелем передачи информации и/или посредством радиосвязи, где система ввода/вывода (СВВ) содержит, по меньшей мере, одно устройство обработки (УО) и блоки подключения и преобразования (БПП), при этом устройство обработки (У О) представляет собой, по меньшей мере, один модуль обработки (МО), который монтируется на установочную платформу (УП), с выполненными на ней разъемами, через которые обеспечивается подключение к блокам подключения и преобразования (БПП) и, по меньшей мере, к одному процессорному модулю (ПМ), а блоки подключения и преобразования (БПП) состоят из платформы подключения (ПП) и модуля преобразования (МП), при этом платформа подключения (ПП) содержит кдемник, для подключения датчиков и исполнительных механизмов, и, по меньшей мере, один разъем для подключения кабелей связи с устройством обработки (У О).
2. Программируемый логический контроллер по п.1, отличающийся тем, что устройство обработки (У О) выполнено с возможностью перевода значений сигналов в цифровой вид и цифровой обработки сигналов, а блоки подключения и преобразования (БПП) выполнены с возможностью преобразования уровней сигналов и их частичной обработки.
3. Программируемый логический контроллер по н.1, отличающийся тем, что процессорный модуль (ПМ) может быть объединен с системой ввода/вывода (СВВ) в корпус с общим питанием и системной шиной, обеспечивающей взаимодействие процессорного модуля (ПМ) с системой ввода/вывода (СВВ).
4. Программируемый логический контроллер по пЛ, отличающийся тем, что процессорный модуль (ПМ) может быть выполнен в виде отдельного устройства и взаимодействовать с системой ввода/вывода (СВВ) через полевые шины или стандартные интерфейсы (например, Ethernet), или посредством радиосвязи.
5. Программируемый логический контроллер по п.1, отличающийся тем, что процессорный модуль (ПМ) может быть объединен в рамках одного корпуса с частью системы ввода/вывода (СВВ) - устройством обработки (У О).
6. Программируемый логический контроллер по любому из п.п.1-5, отличающийся тем, что модуль обработки (МО) может быть выполнен съемным.
7. Программируемый логический контроллер по любому из п.п.1-6, отличающийся тем, что модуль преобразования (МП) может быть выполнен съемным.
8. Программируемый логический контроллер по любому из п.п.1-7, отличающийся тем, что он включает дополнительные устройства обработки (УО) для реализации резервирования.
9. Программируемый логический контроллер по п.6, отличающийся тем, что он включает дополнительные модули обработки (МО) для реализации резервирования.
10. Программируемый логический контроллер по п.1, отличающийся тем, что устройство обработки (У О) дополнительно снабжено входом для запоминающего устройства.
11. Программируемый логический контроллер по п.1, отличающийся тем, что устройство обработки (У О) и блок подключения и преобразования (БПП) могут быть связаны посредством волоконной оптики (ВОЛ С).
12. Программируемый логический контроллер по п.1, отличающийся тем, что устройство обработки (У О) и блок подключения и преобразования (БПП) могут быть связаны посредством радиосвязи.
13. Программируемый логический контроллер по пЛ, отличающийся тем, что блок подключения и преобразования (БПП) дополнительно выполнен с возможностью передачи устройству обработки (У О) информаций о типе сигналов, обрабатываемых блоком подключения и преобразования (БПП).
14. Программируемый логический контроллер по п.1, отличающийся тем, что изоляция между блоками подключения и преобразования (БПП) и устройством обработки (УО) выполнена за счет использования гальванической развязки.
15. Программируемый логический контроллер по п.1, отличающийся тем, что он выполнен с возможностью замены аналоговых сигналов дискретными, при взаимодействии устройства обработки (У О) и блоков подключения и преобразования (БПП) посредством использования широтно-импульсной модуляции (ШИМ) или частотного преобразования.
16. Система ввода/вывода, включающая, по меньшей мере, одно устройство обработки (У О) и блоки подключения и преобразования (БПП), где устройство обработки (У О) выполнено с возможностью реализации цифровой (логической) обработки всех типов сигналов и обмена данными с подключаемыми к системе ввода/вывода внешними устройствами, а блок подключения и преобразования (БПП), выполнен с возможностью передачи в устройство обработки (У О) информации о типе контролируемых или формируемых сигналов для выбора применяемых алгоритмов обработки и форматов представления значений сигналов.
17. Система ввода/вывода по п. 16, отличающаяся тем, что устройство обработки (У О) представляет собой, по меньшей мере, один модуль обработки (МО), который монтируется на установочную платформу (УП), с выполненными на ней разъемами, через которые обеспечивается подключение к блокам подключения и преобразования (БПП) и внешним устройствам.
18. Система ввода/вывода по п. 16, отличающаяся тем, что блоки подключения и преобразования (БПП) состоят из платформы подключения (ПП) и модул преобразования (МП), при этом платформа подключения (ПП) содержит клемник, для подключения датчиков и исполнительных механизмов, и, по меньшей мере, один разъем для подключения кабелей связи с устройством обработки (УО).
19. Система ввода/вывода по п. 16, отличающаяся тем, что она включает дополнительные устройства обработки (У О) для реализации резервирования.
20. Система ввода/вывода по п. 16, отличающаяся тем, что она включает дополнительные модули обработки (МО) для реализации резервирования.
21. Система ввода/вывода по п. 16, отличающаяся тем, что в устройство обработки (У О) дополнительно снабжено входом для запоминающего устройства.
22. Система ввода/вывода по п. 16, отличающаяся тем, что устройство обработки (У О) и блок подключения и преобразования (БПП) могут быть связаны посредством волоконной оптики (ВОЛС).
23. Система ввода/вывода по п. 16, отличающаяся тем, что устройство обработки (УО) и блок подключения и преобразования (БПП) могут быть связаны посредством радиосвязи.
24. Система ввода/вывода по п. 16, отличающаяся тем, что она выполнена с возможностью обмена данными с внешними устройствами через стандартные интерфейсы по открытым протоколам, таким, как ОРС UA, MODBUS, BACnet, Profmet, МЭК-60870-5 -104 или МЭК 6 850.
25. Система ввода/вывода по п. 16, отличающаяся тем, что устройство обработки
(У О) выполнено с возможностью сохранения истории изменения контролируемых/формируемых сигналов и передачи этих данных на запросы по поддерживаемым им протоколам.
PCT/EA2019/000007 2018-12-26 2019-11-19 Программируемый логический контроллер и система ввода/вывода WO2020135912A1 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EA201800634 EA039975B1 (ru) 2018-12-26 Программируемый логический контроллер и система ввода/вывода
EA201800634A EA201800634A1 (ru) 2018-12-26 2018-12-26 Программируемый логический контроллер и система ввода / вывода

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2020135912A1 true WO2020135912A1 (ru) 2020-07-02

Family

ID=71126984

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EA2019/000007 WO2020135912A1 (ru) 2018-12-26 2019-11-19 Программируемый логический контроллер и система ввода/вывода

Country Status (2)

Country Link
EA (1) EA201800634A1 (ru)
WO (1) WO2020135912A1 (ru)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2101757C1 (ru) * 1995-12-01 1998-01-10 Научно-исследовательский институт системных исследований РАН Программируемый логический контроллер
KR20040091925A (ko) * 2003-04-23 2004-11-03 주식회사 케이디티 시스템즈 직렬통신에 의한 프로그래머블 로직 제어장치의 증설시스템과 그 동작방법
RU83146U1 (ru) * 2009-02-20 2009-05-20 Федеральное Государственное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Южный Федеральный Университет" Программируемый логический контроллер (плк) для построения распределенных отказоустойчивых информационно-управляющих систем
RU171436U1 (ru) * 2016-12-30 2017-05-31 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пензенский государственный университет" (ФГБОУ ВО "Пензенский государственный университет") Программируемый логический контроллер для территориально-распределенной системы управления

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2101757C1 (ru) * 1995-12-01 1998-01-10 Научно-исследовательский институт системных исследований РАН Программируемый логический контроллер
KR20040091925A (ko) * 2003-04-23 2004-11-03 주식회사 케이디티 시스템즈 직렬통신에 의한 프로그래머블 로직 제어장치의 증설시스템과 그 동작방법
RU83146U1 (ru) * 2009-02-20 2009-05-20 Федеральное Государственное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Южный Федеральный Университет" Программируемый логический контроллер (плк) для построения распределенных отказоустойчивых информационно-управляющих систем
RU171436U1 (ru) * 2016-12-30 2017-05-31 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пензенский государственный университет" (ФГБОУ ВО "Пензенский государственный университет") Программируемый логический контроллер для территориально-распределенной системы управления

Also Published As

Publication number Publication date
EA201800634A1 (ru) 2020-06-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9219760B2 (en) Oil field process control system
CN107112750B (zh) 远程终端单元硬件架构
US9136697B2 (en) Substation automation system with protection functions
EP3629114A1 (en) High availability industrial automation system having primary and secondary industrial automation controllers and method of communicating information over the same
US20070192449A1 (en) Redundant communications network
US7617011B2 (en) Automation system
US9344327B2 (en) Wireless-based network management
WO2020135912A1 (ru) Программируемый логический контроллер и система ввода/вывода
EA039975B1 (ru) Программируемый логический контроллер и система ввода/вывода
JP4495015B2 (ja) システム管理装置、情報処理装置およびシステム管理装置冗長化方法
CN111756552B (zh) 电能量供给装置
EP3430296B1 (en) Expanding functions of a process device
WO2020171742A1 (ru) Универсальный модульный iot-контроллер для системы глобального мониторинга и управления
EP3951557A1 (en) Diagnostic module of a photovoltaic panel
US12021379B2 (en) Electronic device and communication unit
US20230281076A1 (en) Data processing procedure for safety instrumentation and control (i&c) systems, i&c system platform, and design procedure for i&c system computing facilities
US20240007773A1 (en) Safety Communication Method, Communication Apparatus, Safety Communication System and Control System
US20240235893A9 (en) Gateway for Facilitating Control System Upgrades
US20240137249A1 (en) Gateway for Facilitating Control System Upgrades
US20220341392A1 (en) Pitch drive controller for a wind turbine, pitch drive control device, and method for controlling a pitch drive controller
EA043435B1 (ru) Система автоматического конфигурирования модульного плк
RU181875U1 (ru) Модуль управления пуском технологического оборудования
CN115917448A (zh) 用于处理和交换现场信号的技术
RU2021121736A (ru) Программируемый логический контроллер и система ввода/вывода
EA042500B1 (ru) Контроллер с процессорным субмодулем

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 19901867

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 19901867

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1