Устройство управления двухкоординатным электроприводом

Данное техническое решение относится к управляющим и регулирующим системам общего назначения, а именно, к средствам управления технологическими процессами.

Устройство управления двухкоординатным электроприводом предназначено для выполнения функций сбора, обработки данных и управления твердомером при измерении механических характеристик металлов по диаграмме вдавливания шара.

Устройство управления обеспечивает выполнение следующего комплекса функций:

- прием и преобразование аналоговых и цифровых сигналов, поступающих от датчиков (с возможностью запитки датчиков);

- расчет неизмеряемых технологических параметров;

- авторегулирование по заданным законам;

- блокировки и защиты по предельным значениям технологических параметров;

- формирование и выдача аналоговых и цифровых сигналов управления на исполнительные механизмы;

- возможность подключения к сети Ethernet IEEE-802.3u (10/100 Мбит/с);

- возможность обмена данными по интерфейсу RS-232;

- возможность архивирования данных на флеш-накопитель USB 1.1;

- функциональный контроль и диагностика технических и программных средств.

Конструктивно устройство управления расположено в блочном каркасе, в который устанавливаются функциональные модули (МФ).

Взаимодействие модуля центрального процессора (МЦП) и МФ в устройстве управления осуществляется по последовательному интерфейсу RS-485.

В состав устройства управления входят следующие составные части:

- модуль центрального процессора (МЦП);

- модуль функциональный МФ-11;

- модуль функциональный МФ-12;

- модуль переходный тип 4 (МП4);

- модуль переходный тип 5 (МП5);

- модуль переходный МЦП1 (МП МЦП1).

Область техники

Данное техническое решение относится к управляющим и регулирующим системам общего назначения, а именно, к средствам управления технологическими процессами.

Уровень техники

Аналогом заявляемого технического решения БЛОК УПРАВЛЕНИЯ, ЗАЩИТЫ И СИГНАЛИЗАЦИИ МОДУЛЯ КОМПРЕССОРНОГО ЗАПРАВОЧНОГО (патент на изобретение RU 2211471 С1, 28.12.2000 г., МПК 7 G05В 15/02, G07F 15/00), предназначенный для автоматического управления, аварийно-предупредительной сигнализации и защиты модуля компрессорного заправочного.

Недостатками данного аналога являются малые функциональные возможности, недостаточная надежность, несейсмостойкость конструкции.

Другим аналогом заявляемого технического решения является КОМПЛЕКС СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ ГАЗОПОРШНЕВОГО ЭЛЕКТРОАГРЕГАТА (патент на изобретение RU 2218587 С1, 18.06.2001 г., МПК 7 G05В 19/02, Н02Р 9/00), предназначенный для автоматического управления и контроля работы газопоршневого электроагрегата в процессе предпусковой проверки, пуска, регулирования частоты, включения и работы на нагрузку, нормальной и аварийной остановки, а также для обнаружения аварийных и угрожающих ситуаций во всех режимах эксплуатации агрегата

и реагирования на эти ситуации. Базовым вычислительным элементом является программируемый контроллер.

Недостатками данного аналога являются ограниченные функциональные возможности по числу контролируемых и управляемых параметров и малая надежность.

Наиболее близким аналогом заявляемого технического решения (прототипом) является КОМПЛЕКС ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫХ СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ (патент на полезную модель RU 35902 U1, 27.10.2003 г., МПК 7 G05В 19/148, G05В 15/02), предназначенный для построения под «ключ» различных по архитектуре и уровню сложности автоматизированных систем управления технологическими процессами на энергоблоках атомных станций и других промышленных объектах.

1. Комплекс программно-аппаратных средств автоматизации управления технологическими процессами «ПАССАТ», содержащий систему верхнего блочного уровня (СВБУ), состоящую из персональных электронных вычислительных машин (ПЭВМ), и контроллеры, соединенные локальной вычислительной сетью (ЛВС) Ethernet, отличающийся тем, что каждый контроллер содержит модуль центрального процессора (МП) и модули функциональные (МФ) с программируемой структурой, объединенные через системную шину VME-bus.

2. Комплекс программно-аппаратных средств автоматизации по п.1, отличающийся тем, что модуль функциональный (МФ) с программируемой структурой содержит схему интерфейса VME-bus, схему обработки сигналов и управления, соединенную со схемой интерфейса VME-bus, мезонины ввода/вывода переменного количества и структуры, соединенные через первую группу разъемов со схемой обработки сигналов и управления, а через вторую группу разъемов с внешними входами/выходами модуля функционального для подключения датчиков и исполнительных механизмов.

3. Комплекс программно-аппаратных средств автоматизации по п.1, отличающийся тем, что в конфигурации для работы в режиме централизованного управления (например, объекта атомной энергетики) комплекс содержит модуль центрального процессора и модули функциональные с программируемой структурой, соединенные через системную шину VME-bus, модули функциональные содержат схемы интерфейса VME-bus, схемы ВВОД и схемы ВЫВОД, соединенные со схемой интерфейса VME-bus через первую группу выходов и входов, а через разъемы и вторую группу входов и выходов с группой входов и выходов модуля функционального для подключения соответственно датчиков исполнительных механизмов.

4. Комплекс программно-аппаратных средств автоматизации по п.1, отличающийся тем, что в конфигурации локального управления (например, объекта атомной энергетики) модуль функциональный (МФ) с программируемой структурой содержит схему интерфейса VME-bus, схему логического управления, соединенные между собой, и схемы ВВОД и ВЫВОД, соединенные через первую группу выходов и входов соответственно со схемой логического управления, а через вторые группы входов и выходов с группой входов и выходов модуля функционального для подключения соответственно внешних датчиков и исполнительных механизмов.

5. Комплекс программно-аппаратных средств автоматизации по п.1, отличающийся тем, что в конфигурации распределенного управления (например, объекта атомной энергетики) комплекс содержит модуль центрального процессора и модули функциональные (МФ) с программируемой структурой, соединенные через системную шину VME-bus, причем, каждый модуль функциональный содержит схему интерфейса VME-bus, соединенную со схемой логического управления, и схемы ВВОД и ВЫВОД, соединенные через первые группы выходов и входов соответственно с входами и выходами схемы логического управления, а через вторые группы входов и выходов соответственно с группой входов модуля функционального для подключения датчиков и группой выходов для подключения исполнительных механизмов.

Недостатком известного аналога-прототипа является отсутствие реализации заданных конкретных функциональных характеристик, необходимых для реализации управления двухкоординатным электроприводом твердомера и получения результатов с требуемой точностью.

Сущность полезной модели

Известное УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ДВУХКООРДИНАТНЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ содержит модуль центрального процессора (МЦП) с узлом интерфейса RS-485 и разъемами VGA, Ethernet, USB, клавиатуры (Keyboard) и манипулятора типа «мышь» (Mouse) и модуль электропитания, подключенный к источнику первичной сети ˜220 В, выдающий напряжение 24 В на шину электропитания.

Цель создания полезной модели - расширение функциональных возможностей, повышение точности управления, получение приемлемых массогабаритных характеристик.

Для реализации поставленной цели устройство управления двухкоординатным электроприводом дополнительно содержит модуль управления электроприводом, состоящий из узла интерфейса RS-485, узла драйверов двигателей, соединенного с двумя

электродвигателями, узла тахометров, два входа которого соединены соответственно с двумя электродвигателями; модуль датчиков, состоящий из узла интерфейса RS-485, узла приема сигналов, первая группа входов-выходов которого соединена с выключателями бесконтактными, вторая группа входов-выходов - с тензопреобразователями и третья группа входов-выходов - с преобразователем индуктивным.

Перечень фигур, чертежей и иных материалов

На фиг.1 приведена структурная схема устройства управления двухкоординатным электроприводом.

На фиг.2 приведено расположение мезонинов на модуле функциональном МФ11.

На фиг.3 приведена схема подключения сигнальных и силовых цепей к модулю переходному МП4.

На фиг.4 приведено расположение мезонинов на модуле функциональном МФ12.

На фиг.5 приведена схема подключения сигнальных и силовых цепей датчиков к модулю переходному МП5.

На фиг.6 приведен чертеж устройства управления (вид спереди).

На фиг.7 приведен чертеж устройства управления (вид сзади).

Пример выполнения полезной модели

Устройство управления двухкоординатным электроприводом (фиг.1) содержит модуль питания 1, модуль управления электроприводом 2, содержащий модуль логики 3, узел интерфейса 4, узел драйверов двигателей 5 и узел тахометров 6, модуль датчиков 7, содержащий узел запитки датчиков 8, узел интерфейса 9 и узел приема сигналов 10, модуль центрального процессора 11 с узлом интерфейса 12. Дополнительно на фиг.1 обозначены: 13 - интерфейс электропитания, 14 - интерфейс RS-485, 15 - входы модуля центрального процессора, 16 - электродвигатель, 17 - выключатель бесконтактный, 18 - тензопреобразователь, 19 - преобразователь индуктивный.

Описание и работа.

Назначение устройства управления

Устройство управления двухкоординатным электроприводом «ПАССАТ-ТМ» предназначено для выполнения функций сбора, обработки данных и управления твердомером при измерении механических характеристик металлов по диаграмме вдавливания шара.

Технические характеристики

Устройство управления является функционально законченным изделием и содержит в себе элементы контроля и сигнализации о выходе из строя.

Устройство управления обеспечивает выполнение следующего комплекса функций:

- прием и преобразование аналоговых и цифровых сигналов, поступающих от датчиков (с возможностью запитки датчиков);

- расчет неизмеряемых технологических параметров;

- авторегулирование по заданным законам;

- блокировки и защиты по предельным значениям технологических параметров;

- формирование и выдача аналоговых и цифровых сигналов управления на исполнительные механизмы;

- возможность подключения к сети Ethernet IEEE-802.3u (10/100 Мбит/с);

- возможность обмена данными по интерфейсу RS-232;

- возможность архивирования данных на флеш-накопитель USB 1.1;

- функциональный контроль и диагностика технических и программных средств.

Конструктивно устройство управления расположено в блочном каркасе, в который устанавливаются функциональные модули (далее - МФ).

Взаимодействие модуля центрального процессора (далее - МЦП) и МФ в устройстве управления осуществляется по последовательному интерфейсу RS-485.

Устройство управления обеспечивает длительность цикла опроса МФ не более 1 мс.

Электропитание устройства управления осуществляется от сети переменного тока напряжением от 187 до 242 В частотой (50±1) Гц.

Мощность, потребляемая устройством управления - не более 150 ВА.

Габаритные размеры - не более 300×325×300 мм.

Масса устройства управления - не более 10 кг.

Устройство управления по виду климатического исполнения относится к категории УХЛ4 в соответствии с ГОСТ 15150-69, при этом оно сохраняет внешний вид и работоспособность при воздействии следующих климатических факторов:

- температура окружающего воздуха от плюс 1 до плюс 40°С;

- относительная влажность воздуха 80% при плюс 25°С;

- атмосферное давление от 84,0 до 106,0 кПа (от 630 до 795 мм рт.ст.).

Состав устройства управления

В состав устройства управления входят следующие составные части:

- блок питания 220 В (БП-220) - 1 шт.;

- модуль центрального процессора (МЦП) - 1 шт.;

- модуль функциональный МФ-11 - 1 шт.;

- модуль функциональный МФ-12 - 1 шт.;

- модуль переходный тип 4 (МП4) - 1 шт.;

- модуль переходный тип 5 (МП5) - 1 шт.;

- модуль переходный МЦП1 (МП МЦП1) - 1 шт.

Описание и работа составных частей

МЦП предназначен для управления МФ в составе устройства управления.

БП-220 предназначен для преобразования напряжения переменного тока 220 В в постоянное напряжение плюс 24 В, суммарной выходной мощностью 200 Вт.

БП-220 обеспечивает защиту от перегрузок и коротких замыканий.

Ток потребления - не более 2,7 А.

Устройство управления обеспечивает:

- управление двухкоординатным электроприводом;

- формирование сигналов запитки датчиков;

- прием сигналов от датчиков;

- обработку результатов измерений в соответствии с управляющей программой.

Устройство управления включает в себя следующие основные функциональные узлы:

- узел питания;

- узел управления электроприводом;

- узел датчиков;

- центральное процессорное устройство.

Структурная схема устройства управления приведена на фиг.1.

Узел управления электроприводом (МФ-11) обеспечивает реверсивное плавное изменение скорости вращения якорей двух электродвигателей в диапазоне от 1 до 500 оборотов в минуту, при мощности электродвигателя до 60 Вт.

Расположение мезонинов на модуле функциональном МФ11 приведено на фиг.2.

Тип и назначение мезонинов:

- M1, М3, М4 - мезонин ввода аналоговый (МВА), предназначен для приема сигнала тахометра двигателей электропривода;

- М2 - мезонин вывода цифровой ТТЛ (МВВЦ ТТЛ), предназначен для управления направлением вращения якоря двигателей электропривода и для приема сигнала срабатывания защиты узла управления электроприводом.

Подача напряжения питания на МФ-11, обмен сигналами по интерфейсу RS-485 с МЦП, управление электроприводом осуществляется через модуль переходной тип 4 (МП4).

Подключение сигнальных и силовых цепей к модулю переходному МП4 приведено на фиг.3.

Узел управления электроприводом имеет следующие виды защиты:

- ограничение бросков тока, питающего двигатели;

- перегрузки по току (при превышении тока нагрузки 30 А);

- отключение при перегреве (при температуре корпуса драйвера двигателя 165°С) и пониженном напряжении питания (при напряжении питания драйвера двигателя менее 5,5 В).

Узел датчиков (МФ-12) обеспечивает запитку внешних датчиков и преобразование поступающих с них сигналов в цифровой код.

В число внешних датчиков входят: тензодатчик (типа ПС-10), индуктивный датчик перемещения (типа 75501 либо 75513), 2 таходатчика от электродвигателей, 4 индуктивных концевых выключателя.

Датчики могут располагаться от изделия на расстоянии до 40 метров.

Пределы допускаемой основной приведенной погрешности преобразования - не более ±0,3% (для сигналов тахометров - не более ±0,7%).

Расположение мезонинов на модуле функциональном МФ12 приведено на фиг.4.

Тип и назначение мезонинов:

- M1, М6 - мезонин ввода цифровой (МВЦ), предназначен для приема сигнала срабатывания выключателя бесконтактного;

- М2 - мезонин ввода аналоговый (МВА), предназначен для запитки тензопреобразователя (Iзап=2 мА) и приема сигнала тензопреобразователя;

- М3 - мезонин ввода аналоговый (МВА), предназначен для приема сигнала ±5 В;

- М4 - мезонин детектора (МД), предназначен для приема сигнала преобразователя индуктивного;

- М5 - мезонин вывода аналоговый (МВВА), предназначен для формирования сигнала запитки преобразователя индуктивного (синусоидальный сигнал частотой 10 кГц).

Подача напряжения питания на МФ12, обмен сигналами по интерфейсу RS-485 с МЦП, запитка и прием сигналов от датчиков осуществляется через модуль переходной тип 5 (МП5).

Подключение сигнальных и силовых цепей датчиков к модулю переходному МП5 приведено на фиг.5.

МЦП обеспечивает:

- управление электродвигателями;

- сбор, обработку и хранение данных, поступающих с датчиков;

- задание условий вдавливания и построение диаграммы вдавливания в соответствии с программой пользователя.

Устройство и работа

МЦП установлен в крайнее левое место устройства управления (фиг.6).

Взаимодействие МЦП и МФ в устройстве управления осуществляется по последовательному интерфейсу RS-485.

На передней панели МЦП расположены индикаторы «L», «R», «Р» и «М».

Исходное состояние индикаторов, расположенных на передней панели МЦП, при включенном питании устройства управления:

- индикаторы «L», «R», «М» - красные;

- индикатор «Р» - зеленый (при отсутствии питания на модуле носителе - свечения нет).

После загрузки данных конфигурирования ПЛИС МЦП индикатор «L» всегда зеленый.

При нормальной работе индикатор «R» изменяет зеленое свечение с частотой 20 Гц.

При подготовке к тестированию индикатор «R» изменяет зеленое свечение с частотой 5 Гц.

В режиме тестирования МЦП индикатор «R» - изменяет свечение с красного на зеленое с частотой 5 Гц.

При обнаружении ошибки индикатор «R» изменяет красное свечение с частотой 20 Гц.

На передней панели расположены индикаторы технического состояния блока питания БП-220 - «ПЕРЕГРУЗКА», «U ВЫХ» и индикатор «СЕТЬ».

На задней панели блока питания БП-220 расположены два сетевых разъема ˜220 В, предохранитель 15 А и разъем 24 В.

На задней панели расположены разъемы МП МЦП1 «KEYBOARD», «MOUSE», «ETHERNET», «USB» и «VGA».

На задней панели расположены разъемы «M1» и «М2» МП4 для подключения двигателей электроприводов.

На задней панели расположен разъем МП5 «ДАТЧИКИ» для подключения внешних датчиков.

Промышленная применимость

Данная полезная модель промышленно реализуема, обладает требуемыми функциональными характеристиками, необходимой точностью управления и измерения, высокой надежностью, малой массой и габаритами.

Устройство управления двухкоординатным электроприводом, содержащее модуль центрального процессора (МЦП) с узлом интерфейса RS-485 и разъемами VGA, Ethernet, USB, клавиатуры (Keyboard) и манипулятора типа «мышь» (Mouse) и модуль электропитания, подключенный к источнику первичной сети ˜220 В, выдающий напряжение 24 В на шину электропитания, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит модуль управления электроприводом, состоящий из узла интерфейса RS-485, узла драйверов двигателей, соединенного с двумя электродвигателями, узла тахометров, два входа которого соединены соответственно с двумя электродвигателями; модуль датчиков, состоящий из узла интерфейса RS-485, узла приема сигналов, первая группа входов-выходов которого соединена с выключателями бесконтактными, вторая группа входов-выходов - с тензопреобразователями и третья группа входов-выходов - с преобразователем индуктивным.