Адаптивный управляющий контроллер защиты объекта с гальванической развязкой

Полезная модель относится к микроконтроллерной схемотехнике, автоматике и телемеханике, а именно к устройствам систем контроля и управления станциями катодной защиты магистральных газопроводов с помощью комплексов телемеханики.

Полезной моделью решается задача гальванической развязки линий связи телемеханики и существенного повышения помехоустойчивости работы адаптивного управляющего контроллера защиты объекта с гальванической развязкой.

Адаптивный управляющий контроллер защиты объекта с гальванической развязкой, содержащий микроконтроллер PIC16LF628, выводы питания которого U_DD и U_CC зашунтированы блокировочным конденсатором, вывод микроконтроллера MCLR подключен к шине +5 B, выводы кварцевого генератора микроконтроллера OSC1 и OSC2 соединены с кварцевым резонатором на 4,0 МГц и через два конденсатора связи с шиной 0 B, параллельный интегральный цифроаналоговый преобразователь AD7302, выводы которого U_DD, CLR, PD и REF_IN подключены к шине +5 B, вывод питания U _DD через блокировочный конденсатор соединен с шиной 0 B, выводы AGND, DGND и LDAC подключены к шине 0 В, восемь линий порта AD7302, настроенные на прием двоичной информации, подключены к восьми линиям порта микроконтроллера PIC16LF628, настроенным на вывод двоичной информации, вывод разрешения ввода информации WR цифроаналогового преобразователя соединен с выходом синхронизации CLK микроконтроллера, с вывода U_OUT цифроаналогового преобразователя аналоговый управляющий сигнал подается на объект управления, два ключа ручной регулировки тока защиты при отключении телемеханики, при этом в устройство введены два диодно-транзисторных оптрона АОТ128В, в которых катоды фотодиодов и эмиттеры фототранзисторов подключены к шине 0 B, аноды фотодиодов через ограничительные резисторы - к линиям телемеханики и двум ключам ручной регулировки тока защиты, коллекторы фототранзисторов - к двум линиям порта микроконтроллера, настроенным на вход, базы фототранзисторов через резисторы утечки подключены к шине 0 B.

Иллюстраций - 2.

Полезная модель относится к микроконтроллерной схемотехнике, автоматике и телемеханике, а именно к устройствам систем контроля и управления станциями катодной защиты (СКЗ) управлений магистральных газопроводов (УМГ) с помощью комплексов телемеханики (ТМ), где объектами управления являются СКЗ УМГ.

Следует подчеркнуть, что современные СКЗ включают в себя основное устройство-выпрямитель с блоком управления и ряд дополнительных устройств. Завод изготовитель ОАО «Сигнал», г.Ставрополь выпускает шесть модификации СКЗ с выпрямителями, обеспечивающими ток защиты от 20 А до 100 А, а электропитание СКЗ осуществляется от промышленной сети ~220/380 В. В блок управления выпрямителя СКЗ входит устройство, называемые заводом изготовителем «плата ПС» - плата сопряжения, она предназначена для сопряжения блока управления выпрямителя СКЗ с комплексом ТМ, см. «Выпрямитель типа В-ОПЕ-ТМ-1. Серия Б1. Руководство по эксплуатации ИЖСК.435211.002 РЭ. г.Ставрополь, ОАО «Сигнал», 2001 г.». На «плату ПС» от комплексов ТМ «Импульс», «Импуль-2» (изготовитель - ОАО «АК «ЦНИИ систем управления», г.Тула) подается управляющее напряжение величиной от 0 В до +5 В, что приводит к изменению тока нагрузки (защиты) СКЗ от нулевого до максимального значения.

Известен аналог-контроллер тока нагрузки (защиты) СКЗ, опубликованный в статье: К.А.Анкудинов. Повышение надежности работы контроллера тока нагрузки за счет экономии ресурса памяти данных EEPROM микроконтроллера // XXV научная сессия, посвященная дню Радио. Сборник научных статей. - Тула: Изд-во ООО «Тульский полиграфист», 2007. - С.34-36. Принципиальная электрическая схема, описанного в статье устройства-контроллера тока нагрузки (защиты) СКЗ представлена в Приложении 1 к данному описанию полезной модели. Устройство-аналог включает в себя (см. Приложение 1): восьмибитный микроконтроллер PIC16F628 фирмы «Microchip» с допустимым пониженным напряжением питания U_DD=+5 B, содержащий FLASH-память программ, SRAM-память данных и EEPROM-память данных; блокировочный конденсатор С1; кварцевый генератор на кварцевом резонаторе ZQ и двух конденсаторах С2 и С3; цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) на основе резисторной матрицы «R-2R» фирмы B1 Technologies номинала M10 8R 10K; две кнопки SB1 и SB2 для установки оператором тока защиты СКЗ при отключении комплекса ТМ. Аналог обеспечивает: запоминание величины тока защиты СКЗ при аварийном отключении электропитания; автоматическое восстановление величины тока защиты СКЗ при включении электропитания вновь. Причем в аналоге применен алгоритма работы микроконтроллера, где процесс «запись-стирание» ячеек EEPROM происходит только один раз - в конце процесса изменения тока нагрузки СКЗ. Этот факт уменьшает затраты ресурса работы ячеек EEPROM-памяти данных микроконтроллера. Несмотря на то, что аналог имеет свои недостатки, он проходил испытания и достаточно успешно используется в работе некоторых образцов СКЗ Тульского и Елецкого УМГ.

Аналогу присущи следующие основные недостатки (см. Приложение 1):

1. Низкая надежность устройства, т.к. повышение напряжения в подводящих цепях (линиях связи) ТМ к микроконтроллеру до уровня превышающего +5 B, а также понижение напряжения ниже 0 B, в некоторых случаях приводят к сбоям, а иногда и к выходу из строя микроконтроллера.

2. Невысокая точность контроллера, так как лабораторные исследования, проведенные в Тульском и Елецком УМГ показали, что применение в качестве ЦАП резисторных матриц типа «R-2R» дают ошибку регулирования тока защиты до 3-5%.

Известен прототип - Патент на полезную модель 108161 РФ. Бюл. 25 за 2011 год. «Адаптивный управляющий контроллер защиты объекта» // Карпов Е.Б., Карпов И.Е., Анкудинов К.А., Анкудинов А.И. и др. Принципиальная электрическая схема устройства - «Адаптивного управляющего контроллера защиты объекта» представлена в Приложении 2 к данному описанию полезной модели. Устройство-прототип включает в себя (см. рис. в Приложение 2): восьмибитный микроконтроллер PIC16LF628, выводы питания которого U_DD и U_CC зашунтированы блокировочным конденсатором, вывод микроконтроллера MCLR подключен к шине +5 B, выводы кварцевого генератора микроконтроллера OSC1 и OSC2 соединены с кварцевым резонатором на 4,0 МГц и через два конденсатора связи с шиной 0 B; две линии порта микроконтроллера RA3 и RA4, настроенные на вход, подключены к комплексу телемеханики (в Приложение 2 - «от ТМ») и к двум ключам регулирования тока защиты при отключении телемеханики; четыре защитных диода, подключенных по два к каждой из двух линий порта микроконтроллера RA3 и RA4, настроенных на вход; параллельный интегральный цифроаналоговый преобразователь AD7302, выводы которого U_DD, CLR, PD и REF_IN подключены к шине +5 B, вывод питания U _DD через блокировочный конденсатор соединен с шиной 0 B, выводы AGND, DGND и LDAC подключены к шине 0 B, восемь линий порта AD7302, настроенные на прием двоичной информации, подключены к восьми линиям порта микроконтроллера PIC16LF628, настроенным на вывод двоичной информации, вывод разрешения ввода информации WR цифроаналогового преобразователя соединен с выходом синхронизации CLK микроконтроллера, с вывода U_OUT цифроаналогового преобразователя аналоговый управляющий сигнал подается на объект управления СКЗ.

В прототипе устранены недостатки аналога, но прототипу остается присущ следующий существенный основной недостаток (см. Приложение 2) - плохая помехозащищенность. Линии связи комплексов ТМ гальванически соединены: с адаптивным управляющим контроллером защиты объекта, собственно комплексом ТМ и системой контроля и управления СКЗ УМГ в целом (см. Приложение 1 - аналог и Приложение 2 - прототип). Геофизические, промышленные и атмосферные наводки в линиях связи комплекса ТМ, которые могут достигать десятков километров и проходить как по воздуху так и в грунте, приводят к существенным наведенным помехам и в первую очередь на прототип - адаптивным управляющим контроллером защиты объекта. Как показал опыт эксплуатации прототипа в Тульском и Елецком УМГ, даже введение в прототип (см. Приложение 2) четырех защитных диодов не решило глобально задачу существенного повышения помехоустойчивости устройства по причинам, описанным в данном пункте описания выше.

Полезной моделью решается задача гальванической развязки линий связи комплексов ТМ с СКЗ УМГ и существенного повышения помехоустойчивости работы адаптивного управляющего контроллера защиты объекта с гальванической развязкой.

Поставленная задача достигается тем, что в адаптивный управляющий контроллер защиты объекта с гальванической развязкой, содержащий микроконтроллер PIC16LF628, выводы питания которого U_DD и U_CC зашунтированы блокировочным конденсатором, вывод микроконтроллера MCLR подключен к шине +5 B, выводы кварцевого генератора микроконтроллера OSC1 и OSC2 соединены с кварцевым резонатором на 4,0 МГц и через два конденсатора связи с шиной 0 B, параллельный интегральный цифроаналоговый преобразователь AD7302, выводы которого U_DD, CLR, PD и REF_IN подключены к шине +5 B, вывод питания U _DD через блокировочный конденсатор соединен с шиной 0 B, выводы AGND, DGND и LDAC подключены к шине 0 B, восемь линий порта AD7302, настроенные на прием двоичной информации, подключены к восьми линиям порта микроконтроллера PIC16LF628, настроенным на вывод двоичной информации, вывод разрешения ввода информации WR цифроаналогового преобразователя соединен с выходом синхронизации CLK микроконтроллера, с вывода U_OUT цифроаналогового преобразователя аналоговый управляющий сигнал подается на объект управления, два ключа ручной регулировки тока защиты при отключении телемеханики, введены два диодно-транзисторных оптрона АОТ128В, в которых катоды фотодиодов и эмиттеры фототранзисторов подключены к шине 0 В, аноды фотодиодов через ограничительные резисторы - к линиям телемеханики и двум ключам ручной регулировки тока защиты, коллекторы фототранзисторов - к двум линиям порта микроконтроллера, настроенным на вход, базы фототранзисторов через резисторы утечки подключены к шине 0 В.

Введение в полезную модель двух диодно-транзисторных оптронов АОТ128В, двух ограничительных резисторов и двух резисторов утечки, задающих рабочий режим работы фототранзисторов оптронов, обеспечило:

- во-первых, гальваническую развязку линий связи комплекса ТМ в первую очередь с адаптивным управляющим контроллером защиты объекта с гальванической развязкой и, следовательно, собственно со всем комплексом ТМ и системой контроля и управления СКЗ УМГ в целом;

- во-вторых, введенная гальваническая развязка линий связи комплекса ТМ в предлагаемой полезной моделью - существенное повышение помехозащищенности системы в целом (сравнение параллельной работы предлагаемой полезной модели и прототипа в лабораторных условиях Тульского УМГ с июня месяца 2011 года по настоящее время показало повышение более чем на порядок помехоустойчивости предлагаемой полезной модели по сравнению с прототипом;

- в-третьих исключение из полезной модели двух пар (четырех) защитных диодов КД105Б, функциональные свойства которых взяли на себя введенные в полезную модель два оптрона АОТ128В, позволило несколько упростить схему устройства.

На фиг.1 изображена принципиальная электрическая схема устройства - полезной модели - адаптивного управляющего контроллера защиты объекта с гальванической развязкой, а на фиг.2 представлена обобщенная блок-схема алгоритма работы микроконтроллера PIC16LF628 адаптивного управляющего контроллера защиты объекта с гальванической развязкой, в блоки которой внесены изменения, касающиеся гальванической развязки, хотя внешне блок-схема соответствует прототипу.

Адаптивный управляющий контроллер защиты объекта с гальванической развязкой включает в себя (см. фиг.1): микроконтроллер PIC16LF628 - 1, девять выходов которого RB0-RB7 и CLK соединены с девятью входами DB0-DB7 и WR цифроаналогового преобразователя AD7302 - 2, соответственно; выводы U_DD, MCLR микроконтроллера 1 и выводы U _DD, CLR, PD, REF цифроаналогового преобразователя 2 соединены с шиной питания +5 B, а вывод U_SS микроконтроллера 1 и выводы AGND, DGND и LDAC цифроаналогового преобразователя 2 подключены к шине питания 0 B, соответственно; выводы U _DD микроконтроллера 1 и цифроаналогового преобразователя 2 через блокировочные конденсаторы 3 и 4, соответственно, подключены к шине питания 0 B; выводы OSC1 и OSC2 кварцевого генератора микроконтроллера 1 соединены с кварцевым резонатором 5 (4,0 МГц) и через два конденсатора связи 6 и 7 - с шиной питания 0 B; два диодно-транзисторных оптрона АОТ128В - 8 и 9, в которых катоды фотодиодов и эмиттеры фототранзисторов подключены к шине 0 B, аноды фотодиодов через ограничительные резисторы 10 и 11 - к линиям телемеханики (на фиг.1 - «от ТМ») и двум ключам ручного увеличения тока защиты 12 и уменьшения тока защиты 13, соответственно; коллекторы фототранзисторов оптронов 8 и 9 - к двум линиям порта микроконтроллера 1 RA3 и RA4, настроенным на вход, соответственно; базы фототранзисторов оптронов 8 и 9 через резисторы утечки 14 и 15 - к шине 0 B; с выхода U_OUT цифроаналогового преобразователя 2 аналоговый выходной сигнал управления подается на объект управления (на фиг.1 - «к СКЗ»).

Полезная модель - «Адаптивный управляющий контроллер защиты объекта с гальванической развязкой» питается от выпрямителя СКЗ со стабилизацией постоянного напряжения питания полезной модели на уровне 5±0,2 B. Во всех возможных режимах работы полезной модели микроконтроллер 1 (фиг.1) предварительно проходит инициализацию, которая показана блоком 1Б на фиг.2, где 1Б означает - первый блок в обобщенной блок-схеме алгоритма работы (фиг.2) микроконтроллера 1 (фиг.1).

В инициализацию микроконтроллера блок 1Б на фиг.2 входят следующие основные операции: собственно инициализация микроконтроллера 1 (фиг.1) и его специальных регистров; настройка на вход двух линий порта A (RA3 и RA4) и настройка на выход восьми линий порта B (RB0-RB7, значения которых 2⁰-2⁷, соответственно) микроконтроллера 1 (фиг.1); выделение в SRAM-памяти микроконтроллера 1 (фиг.1) восьмибитного регистра результата изменения тока защиты - RRTZ; запись в регистр RRTZ содержимого восьмибитного регистра EECON памяти данных EEPROM микроконтроллера 1 (фиг.1); обнуление счетчика времени регулирования тока защиты Т_Ц, который включается в работу в результате срабатывания оптронов 8 или 9 при появлении управляющих сигналов от комплекса ТМ («от ТМ» на фиг.1) на увеличение или на уменьшение тока защиты, соответственно

Можно условно выделить четыре режима работы полезной модели:

1. Управляющий режим. В этом режиме от комплекса ТМ на адаптивный управляющий контроллер защиты объекта с гальванической развязкой подается, например, управляющий сигнал через оптрон 8 - на увеличение тока защиты СКЗ (см. фиг.1: на входе RA3 микроконтроллера 1 (фиг.1) появляется «единичный» потенциал; запускается в работу счетчик Т_Ц блоке инициализации (блока 1Б на фиг.2); выполняется условие RA3=1 блока 2Б, но не выполняется условие RA4=1 блока 3Б и блока 4Б - сигнала на уменьшение тока защиты нет (RA4=0); в блоке 5Б происходит инкрементация регистра RRTZ; в блоке 7Б информация из регистра RRTZ выводится в порт B (RB0-RB7); в блоке 8Б на выводе CLK микроконтроллера 1 появляется сигнал, запускающий в работу цифроаналоговый преобразователь 2 (фиг.1), на выходе U_OUT которого будет присутствовать аналоговый управляющий сигнал от 0 B до +5 B, пропорциональный содержимому регистра RRTZ, подающийся в блок управления выпрямителя СКЗ; в блоке 9Б если условие Т_Ц20 с (20 с достаточно для изменения содержимого регистра RRTZ от 0 до 255) не выполняется, то в блоке 12Б осуществляется технологическая выдержка времени 0,12 с, а далее продолжается анализ состояния входов RA3 и RA4 (фиг.2) и т.д.; если условие Т_Ц20 с выполняется (процесс регулирования тока защиты завершен), то осуществляется запись содержимого регистра RRTZ в регистр EECON памяти EEPROM микроконтроллера 1 (фиг.1) - блок 10Б и обнуляется счетчик времени регулирования тока защиты Т_Ц - блок 11Б на фиг.2.

Таким образом, информация о установленном токе защиты объекта (СКЗ) записана и хранится в регистре EECON EEPROM-памяти микроконтроллера 1 (фиг.1). При поступлении от комплекса ТМ на адаптивный управляющий контроллер защиты объекта с гальванической развязкой управляющего сигнала на уменьшение тока защиты через оптрон 9 процессы аналогичны, но в этом случае RA3=0, a RA4=1 (фиг.2) и, следовательно в блоке 6Б будет производиться декрементация содержимого регистра RRTZ.

2. Первый адаптивный режим возникает при случайном не санкционированном («аварийном») отключении электропитания СКЗ от промышленной сети ~220/380 B. Естественно, что в таком случае СКЗ не работает, ток защиты отсутствует, полезная модель обесточена, но в EEPROM-памяти микроконтроллера 1 (фиг.1) в его регистре EECON сохраняется восьмибитная информация о величине тока защиты объекта до отключения электропитания СКЗ от промышленной сети.

При восстановлении электропитания СКЗ от промышленной сети ~220/380 B на шинах питания +5 B и 0 B полезной модели (фиг.1) восстанавливается питающее напряжение и происходит инициализация микроконтроллера 1 (фиг.1): собственно инициализация микроконтроллера 1 (фиг.1) и его специальных регистров; настройка на вход линий порта A (RA3 и RA4) и настройка на выход линий порта B (RB0-RB7, значения которых 2⁰-2 ⁷, соответственно) микроконтроллера 1 (фиг.1); выделение в SRAM-памяти микроконтроллера 1 (фиг.1) восьмибитного регистра результата изменения тока защиты - RRTZ; запись в регистр RRTZ содержимого восьмибитного регистра EECON памяти данных EEPROM микроконтроллера 1 (фиг.1); обнуление счетчик времени регулирования тока защиты Т_Ц, который включается в работу при появлении управляющих сигналов от комплекса ТМ на увеличение или на уменьшение тока защиты.

Следовательно, в результате инициализации микроконтроллера 1 (фиг.1) из регистра RRTZ SRAM-памяти микроконтроллера 1 информация поступает в порт B микроконтроллера, далее на цифроаналоговый преобразователь 2 (фиг.1), на выходе которого U_OUT формируется тот же сигнал управления, что присутствовал до отключения электропитания СКЗ.

Таким образом, при отключении электропитания СКЗ от промышленной сети ~220/380 B и последующем его восстановлении, ток защиты СКЗ автоматически восстанавливается полезной моделью без всякого воздействия со стороны комплекса ТМ, как и в прототипе.

3. Второй адаптивный режим является «аварийным» и может возникнуть при сбоях в комплексе ТМ когда одновременно имеют место: сигнал на увеличение тока защиты (RA3=1 на фиг.2) - сработал оптрон 8 на фиг.1; сигнал на уменьшение тока защиты (RA4=1 на фиг.2) - сработал и оптрон 9 (фиг.2). В этом режиме микроконтроллер 1 (фиг.1) работает по следующим ветвям алгоритма (фиг.2): блок 2Б, блок 4Б, блок 12Б, возврат к блоку 2Б и т.д.

Таким образом, рассмотренный «аварийный» режим для алгоритма работы (фиг.2.) микроконтроллера 1 (фиг.1) тоже не является аварийным, так как не приводит к изменению сигналов на выходах микроконтроллера 1 и цифроаналогового преобразователя 2 (фиг.1).

4. О режиме повышения помехоустойчивости работы адаптивного управляющего контроллера защиты объекта с гальванической развязкой следует заключить следующее:

Геофизические, атмосферные и промышленные наводки в линиях связи комплексов ТМ, которые могут достигать десятков километров и проходить как по воздуху так и в грунте, не влияют на сам адаптивный управляющий контроллер защиты объекта с гальванической развязкой, комплекс ТМ и СКЗ УМГ, так как они гальванически развязаны с линиями связи комплексов ТМ двумя диодно-транзисторными оптронами АОТ128В - 8 и 9 на фиг 1.

Включение в схему полезной модели (см. фиг.1) - адаптивного управляющего контроллера защиты объекта с гальванической развязкой двух диодно-транзисторных оптронов - АОТ128В - 8 и 9, двух ограничительных резисторов 10 и 11 номинала - 1,2 кОм, двух резисторов утечки 14 и 15 номинала - 330 кОм, задающих рабочий режим работы оптронов, соответственно, обеспечило:

- во-первых, гальваническую развязку линий связи комплекса ТМ на (на фиг.1 «от ТМ») оптронами - АОТ128В - 8 и 9 в первую очередь с адаптивным управляющим контроллером защиты объекта с гальванической развязкой и, следовательно, собственно со всем комплексом ТМ и системой контроля и управления СКЗ УМГ в целом;

- во-вторых, введенная гальваническая развязка линий связи комплекса ТМ с адаптивным управляющим контроллером защиты объекта с гальванической развязкой - повышение более чем на порядок помехозащищенности полезной модели и системы контроля и управления в целом;

- в-третьих исключение из полезной модели двух пар (четырех) защитных диодов КД105Б, функциональные свойства которых взяли на себя введенные в полезную модель два диодно-транзисторных оптрона АОТ128В, позволило несколько упростить схему устройства.

Кроме того, полезная модель - адаптивный управляющий контроллер защиты объекта с гальванической развязкой (фиг.1) может быть использован не только для управления током защиты СКЗ, но и во всех информационно-измерительных и вычислительно-управляющих комплексах с гальванической развязкой, где необходимы преобразования сигналов от комплекса ТМ в аналоговые сигналы диапазона от 0 до +5 B.

Адаптивный управляющий контроллер защиты объекта с гальванической развязкой, содержащий микроконтроллер PIC16LF628, выводы питания которого U_DD и U_CC зашунтированы блокировочным конденсатором, вывод микроконтроллера MCLR подключен к шине +5 B, выводы кварцевого генератора микроконтроллера OSC1 и OSC2 соединены с кварцевым резонатором на 4,0 МГц и через два конденсатора связи с шиной 0 B, параллельный интегральный цифроаналоговый преобразователь AD7302, выводы которого U_DD, CLR, PD и REF_IN подключены к шине +5 B, вывод питания U _DD через блокировочный конденсатор соединен с шиной 0 B, выводы AGND, DGND и LDAC подключены к шине 0 B, восемь линий порта AD7302, настроенные на прием двоичной информации, подключены к восьми линиям порта микроконтроллера PIC16LF628, настроенным на вывод двоичной информации, вывод разрешения ввода информации WR цифроаналогового преобразователя соединен с выходом синхронизации CLK микроконтроллера, с вывода U_OUT цифроаналогового преобразователя аналоговый управляющий сигнал подается на объект управления, два ключа ручной регулировки тока защиты при отключении телемеханики, отличающийся тем, что в устройство введены два диодно-транзисторных оптрона АОТ128В, в которых катоды фотодиодов и эмиттеры фототранзисторов подключены к шине 0 B, аноды фотодиодов через ограничительные резисторы - к линиям телемеханики и двум ключам ручной регулировки тока защиты, коллекторы фототранзисторов - к двум линиям порта микроконтроллера, настроенным на вход, базы фототранзисторов через резисторы утечки подключены к шине 0 B.