Промышленный контроллер

Авторы патента:

Полезная модель относится к системам программного управления, а именно к программируемым логическим контроллерам, и может быть использована для управления технологическими процессами в различных областях промышленности.

К техническому результату относится повышение надежности работы промышленного контроллера и расширение его функциональных возможностей за счет введения в схему устройства термометра, барометра и акселерометра в виде отдельных дополнительных микросхем, и интерфейсов S-485, служащих для удаленного подключения датчиков и исполнительных устройств, а также снабжения схемы двумя разъемами, образующими две внутренние межмодульные шины, служащие для подключения модулей расширения.

Достижение указанного результата обеспечивается за счет того, что в «Промышленный контроллер», который содержит корпус с расположенными в нем источником питания, однокристальным микроконтроллером со встроенными часами реального времени и ОЗУ, работающими от батареи энергонезависимого питания, FLASH памятью, интерфейсами Ethernet и (или) CAN для соединения с управляющим компьютером, светодиодными индикаторами, расположенными на передней панели корпуса, клеммами для подсоединения интерфейсов, установленными на верхних и нижних сторонах корпуса, введены термометр, барометр и акселерометр, выполненные в виде отдельных дополнительных микросхем, а также интерфейсы RS-485 для подключения удаленных датчиков и исполнительных устройств. Кроме того схема снабжена двумя разъемами, расположенными с двух боковых сторон корпуса промышленного контроллера, которые служат для подключения модулей расширения ввода-вывода сигналов управляемых объектов. При этом контакты каждого из двух разъемов образуют отдельную внутреннюю межмодульную шину, которая содержит цепи интерфейса I²C, запроса прерывания и питания, а модули расширения выполнены с использованием БИС расширения для интерфейса I²C.

Известен «Контроллер промышленный» содержащий модуль питания, модуль вычислительный, модули ввода/вывода дискретных сигналов и/или модули ввода/вывода аналоговых сигналов, подсоединенные к блоку объединительному для шины ISA, отличающийся тем, что в блоке объединительном земляная шина соединена со вторым, третьим, четвертым, пятым контактами первого соединителя, с первым, третьим, четвертым, пятым контактами второго соединителя, с третьим, четвертым, пятым контактами третьего соединителя, с первым, вторым, четвертым, пятым контактами четвертого соединителя, со вторым, четвертым, пятым контактами пятого соединителя, с первым, четвертым, пятым контактами шестого соединителя, с четвертым, пятым контактами седьмого соединителя, с первым, вторым, третьим, пятым контактами восьмого соединителя, со вторым, третьим, пятым контактами девятого соединителя, с первым, третьим, пятым контактами десятого соединителя, с третьим, пятым контактами одиннадцатого соединителя, с первым, вторым, пятым контактами двенадцатого соединителя, в модулях ввода/вывода первый вход схемы сравнения адреса подключен к первому контакту соединителя, второй вход схемы сравнения адреса подключен к второму контакту соединителя, третий вход схемы сравнения адреса подключен к третьему контакту соединителя, четвертый вход схемы сравнения адреса подключен к четвертому контакту соединителя, пятый вход схемы сравнения адреса подключен к пятому контакту соединителя, причем каждый соединитель блока объединительного обеспечивает любому подключенному модулю ввода/вывода уникальный адрес. Патент РФ на изобретение 2429524 МПК: 6 G06F 9/00 д. публ. 27.07.2009.

Известен также «Промышленный контроллер», содержащий печатную плату со встроенным накопителем информации и с размещенным на ней микропроцессором, осуществляющим сбор информации с входов и портов RS-232 и RS-485 и передачу по интерфейсу Ethernet, контроллер последовательных портов и контроллер сетевых интерфейсов, связанные с микропроцессором и с блоком колодок и разъемов, предназначенных для подключения сторонних устройств и коммутаторов, энергонезависимую память, часы реального времени с автономным источником питания, отличающийся тем, что он снабжен программным обеспечением для преобразования данных цифрового информационного протокола нижнего уровня в данные информационного протокола верхнего уровня, размещенным на встроенном накопителе информации, содержащем операционную и исполнительную системы, имеет разъем для подключения съемных накопителей информации, связанным с микропроцессором, а также содержит дополнительно, по меньшей мере, по одному контроллеру последовательных портов и контроллеру сетевых интерфейсов, связанных с микропроцессором и с блоком колодок и разъемов.

Патент РФ на ПМ 109303 МПК: G06F 9/00 д. публ. 10.10.2011 г.

Известен «Программируемый логический контроллер (ПЛК) для построения локальных и распределенных управляющих систем», относится к области вычислительной техники, в частности к системам управления светотехническими системами, содержит в своем составе блок управления (микроконтроллер), блок интерфейсов (RS-232 (2 канала), I²C (1 канал), USB (1 канал)), отличающийся тем, что включает в себя приемник пульта дистанционного управления, интерфейс X10, интерфейс DMX-512, измеритель температуры и систему контроля доступа, подключаемые по интерфейсу 1-wire, а также GPRS модем для работы через сеть GSM и интерфейс WIZnet для подключения непосредственно в локальную сеть

Патент РФ на ПМ 98266, МПК: G06F 9/00 д. публ. 10.10.2010 г.

Известен «Промышленный контроллер», содержащий расположенные в корпусе блок питания, микроконтроллер, устройства ввода-вывода дискретных сигналов, часы реального времени с энергонезависимым питанием, энергонезависимое ОЗУ, интерфейс RS-485, обеспечивающий удаленное подключение устройства связи с объектом, интерфейс RS-232 для соединения с компьютером, клеммы для подсоединения управляемых объектов, жестко установленные на корпусе контроллера, и ответные им съемные клеммы, светодиодные индикаторы, алфавитно-цифровой жидкокристаллический дисплей, расположенный на передней панели корпуса, клавиатуру, расположенную под дисплеем, при этом клеммы расположены с одной стороны корпуса.

Патент РФ на ПМ 52643 МПК: G06F 9/00, д. публ. 2006.04.05.

К недостаткам вышеуказанного аналога относятся то, что контроллер не обеспечивает возможностей расширения вводов-выводов, а также не обеспечивает контроля параметров окружающей среды (температура, давление, внешние механические воздействия), кроме того оснащение его жидкокристаллическим дисплеем и клавиатурой увеличивает его стоимость.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому техническому решению является контроллер узла сети, устанавливаемый на DIN рейке, содержащий расположенные в корпусе, источник питания, микроконтроллер, ОЗУ, FLASH память, часы реального времени, интерфейс Ethernet или CAN для связи с компьютером верхнего уровня, светодиодные индикаторы, клеммы для подсоединения интерфейса Ethernet или CAN, расположенные на передней панели корпуса, разъем с цепями интерфейса и питания (межмодульной внутренней шиной) для подключения модулей расширения ввода-вывода, расположенный с правой боковой стороны корпуса. (Контроллеры узла сети CPM71X модульного ПЛК Fastwel I/O.)

Александр Константинов, «Модульный ПЛК Fastwel I/O - от замысла до реализации», журнал «Современные технологии автоматизации» 3 2012 г., стр. 12-20.

К недостаткам вышеописанного контроллера относится то, что в нем не предусмотрены встроенные интерфейсы типа RS-485 для удаленного подключения датчиков и исполнительных устройств, не обеспечивается контроль параметров окружающей среды (температуры, давления, механических воздействий), модули расширения подключаются только с одной стороны корпуса контроллера по специальной внутренней шине FBUS, формируемой с помощью дополнительных микроконтроллеров в каждом модуле расширения, что увеличивает вероятность сбоев и зависаний модулей расширения в результате помех и тем самым снижает общую надежность системы.

К техническому результату относится повышение надежности работы промышленного контроллера и расширение его функциональных возможностей за счет введения в схему устройства термометра, барометра и акселерометра в виде отдельных дополнительных микросхем, и интерфейсов RS-485, служащих для удаленного подключения датчиков и исполнительных устройств, а также снабжение схемы двумя разъемами, образующими две внутренние межмодульные шины, служащие для подключения модулей расширения.

Достижение указанного результата обеспечивается за счет того, что в «Промышленный контроллер», который содержит корпус с расположенными в нем источником питания, однокристальным микроконтроллером со встроенными часами реального времени и ОЗУ, работающими от батареи энергонезависимого питания, FLASH памятью, интерфейсами Ethernet и (или) CAN для соединения с управляющим компьютером, светодиодными индикаторами, расположенными на передней панели корпуса, клеммами для подсоединения интерфейсов, установленными на верхних и нижних сторонах корпуса, введены термометр, барометр и акселерометр, выполненные в виде отдельных дополнительных микросхем, а также интерфейсы RS-485 для подключения удаленных датчиков и исполнительных устройств. Кроме того схема снабжена двумя разъемами, расположенными с двух боковых сторон корпуса промышленного контроллера, которые служат для подключения модулей расширения ввода-вывода сигналов управляемых объектов. При этом контакты каждого из двух разъемов образуют отдельную внутреннюю межмодульную шину, которая содержит цепи интерфейса I²C, запроса прерывания и питания, а модули расширения выполнены с использованием специализированных БИС расширения для интерфейса I²C.

Промышленный контроллер снабжен встроенными термометром, барометром и акселерометром, выполненными в виде отдельных дополнительных микросхем (например, MCP9801 фирмы "Microchip Technology Inc.", LPS331AP фирмы "STMicroelectronics" и H3LIS331DLTR фирмы "STMicroelectronics"), установленными на плате контроллера, что обеспечивает контроль параметров окружающей среды (температуры, давления и ускорения, вызванного механическими воздействиями). Он имеет два разъема (две независимые друг от друга межмодульные внутренние шины) с цепями интерфейса типа I²C, запроса прерывания и питания для подключения модулей расширения с двух боковых сторон корпуса контроллера, что улучшает возможности расширения (масштабируемость) и повышает удобство при эксплуатации. При этом модули расширения выполнены с использованием специализированных БИС для расширения интерфейса I²C, выпускаемых рядом производителей (например, микросхемы PCA9554 компании NXP Semiconductors), и не содержат дополнительных микроконтроллеров, что повышает надежность работы в условиях воздействия электромагнитных помех, характерных для многих промышленных применений.

Между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь, а именно:

Введение дополнительных интерфейсов типа RS-485 для подключения удаленных датчиков и исполнительных устройств, а также термометра, барометра и акселерометра, выполненных в виде отдельных дополнительных микросхем, расширяет функциональные возможности промышленного контроллера.

Снабжение схемы двумя разъемами с цепями интерфейса I²C, запроса прерывания и питания, образующими две независимые друг от друга внутренние межмодульные шины, служащие для подключения модулей расширения, обеспечивает повышение надежности и удобство при использовании.

Использование специализированных БИС расширения интерфейса I²C в модулях расширения вместо микропроцессоров, склонных к сбоям и зависаниям программы в условиях воздействия сильных электромагнитных помех, повышает надежность работы промышленного контроллера.

Состав и работа промышленного контроллера поясняются чертежом и схемой (фиг. 1 и 2).

Фиг. 1 - промышленный контроллер (общий вид).

Фиг. 2 - промышленный контроллер (блок-схема).

Промышленный контроллер согласно фиг. 1 и 2 содержит корпус 1, расположенные в корпусе 1 источник питания 2, однокристальный микроконтроллер 3 со встроенными часами реального времени и ОЗУ, работающими от батареи энергонезависимого питания 4, FLASH память 5, термометр 6, барометр 7 и акселерометр 8, выполненные в виде отдельных дополнительных микросхем, интерфейсы RS-485 поз. 9, обеспечивающие подключение удаленных датчиков и исполнительных устройств, интерфейсы Ethernet 10 и CAN 11 для соединения с компьютером верхнего уровня (управляющим компьютером), светодиодные индикаторы 12, расположенные на передней панели корпуса 1, клеммы 13 для подсоединения интерфейсов Ethernet, CAN и RS-485, установленные на верхних и нижних сторонах корпуса 1, и два разъема 14 с цепями интерфейсов I²C, запроса прерывания и питания (две внутренние шины) для подключения модулей расширения ввода-вывода сигналов 15 с двух боковых сторон корпуса 1 промышленного контроллера.

Промышленный контроллер работает следующим образом.

Источник питания 2 формирует напряжения, необходимые для работы промышленного контроллера и модулей расширения 15. Объекты управления подключают к клеммам ввода-вывода модулей расширения 15, устанавливаемых с двух сторон от корпуса 1 контроллера. Удаленные объекты управления, имеющие интерфейсы RS-485, подключают к клеммам 13 интерфейсов RS-485. Сигналы от датчиков объектов управления могут поступать на микроконтроллер 3 как через цепи ввода модулей расширения 15, так и по интерфейсам RS-485. Микроконтроллер 3 может считывать показания термометра 6, барометра 7 и акселерометра 8, опрашивать состояния датчиков объектов управления через интерфейсы I²C внутренних шин периодически или при возникновении прерываний, формируемых специализированными БИС. С компьютера верхнего уровня (управляющего компьютера) по интерфейсам Ethernet 10 или CAN 11 в микроконтроллер 3 загружаются программа управления объектами и информация о подключенных объектах управления, которые сохраняются во FLASH памяти 5 и в ОЗУ микроконтроллера 3. Также от управляющего компьютера поступает информация о текущем времени, которая синхронизует встроенные в микроконтроллер 3 часы реального времени. Получив необходимую информацию от управляющего компьютера, промышленный контроллер далее может управлять объектами управления самостоятельно. В соответствии с программой управления микроконтроллер 3, периодически, по запросу от управляющего компьютера или при выходе контролируемых параметров из заданных пределов, посылает управляющие сигналы на объекты управления, передает управляющему компьютеру информацию о состоянии объектов управления, а также о параметрах окружающей среды (температуре, давлении и ускорении, вызванном механическими воздействиями) в месте установки промышленного контроллера, что важно для многих применений. Также микроконтроллер 3 выводит информацию о состоянии промышленного контроллера на светодиодные индикаторы 12.

Предлагаемое в качестве полезной модели техническое решение - промышленный контроллер можно активно применять в системах автоматического управления технологическими процессами и системах жизнеобеспечения стационарных и мобильных объектов (например, на электростанциях, в электропоездах, на морских и речных судах, в изолированных герметизированных помещениях с избыточным давлением воздуха (подпором) и пр.).

Промышленный контроллер, содержащий корпус, расположенные в корпусе источник питания, однокристальный микроконтроллер со встроенными часами реального времени и ОЗУ, работающими от батареи энергонезависимого питания, FLASH память, интерфейсы Ethernet и (или) CAN для соединения с управляющим компьютером, светодиодные индикаторы, расположенные на передней панели корпуса, клеммы для подсоединения интерфейсов, установленные на верхних и нижних сторонах корпуса, отличающийся тем, что в схему устройства введены термометр, барометр и акселерометр, выполненные в виде отдельных дополнительных микросхем, а также интерфейсы RS-485 для подключения удаленных датчиков и исполнительных устройств, кроме того, схема снабжена двумя разъемами, расположенными с двух боковых сторон корпуса промышленного контроллера, которые служат для подключения модулей расширения ввода-вывода сигналов управляемых объектов, при этом контакты каждого из двух разъемов образуют отдельную внутреннюю межмодульную шину, которая содержит цепи интерфейса I²C, запроса прерывания и питания, а модули расширения выполнены с использованием БИС расширения для интерфейса I²C.