Программируемый логический контроллер (плк) для построения распределенных отказоустойчивых информационно-управляющих систем

Полезная модель относится к области вычислительной техники, в частности к системам автоматизации управления технологическими процессами промышленных объектов, и может быть использована как устройство отображения данных, как устройство управления, как устройство регистрации и хранения данных, с возможностью дублирования каналов связи для удаленного управления объектом. Полезная модель содержит в своем составе микроконтроллер и ОЗУ, позволяющие выполнять программу управления, энергонезависимую карту памяти Compact Flash для изменения алгоритма управления и ведения протоколов работы, гальванически развязанные от внутренних цепей питания интерфейсы Ethernet (2 канала), CAN (2 канала), RS-485 (2 канала), 1-wire (2 канала) для подключения датчиков, ЭВМ и других ПЛК, с организацией дублированных каналов связи и обеспечением «горячего» резервирования, встроенные часы реального времени для определения времени наступления события, датчик температуры, а так же аналоговые линии ввода/вывода, дискретные линии вода/вывода с функциями диагностики обрыва нагрузки, замыкания на +U, -U, короткого замыкания, перегрева, защит от превышения напряжения, а так же блок индикации для отображения состояния механизмов, датчиков и самого ПЛК. Алгоритм работы программируемого контроллера загружается с карты памяти Compact Flash и зависит от требований к конкретной системе управления.

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

Известно устройство для сбора и обработки данных (см. заявку РФ 2002104633, 2003 г.), содержащее управляющий вычислительный комплекс, входные цепи, мультиплексоры, блок предварительной обработки данных, ОЗУ, блок запроса и обработки данных, блок гальванической развязки, регистр адреса, датчик телесигнализации.

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

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

Известен многопроцессорный контроллер для управления сложным технологическим объектом (см. патент РФ 2263952), содержащий процессор, блок памяти, блок логического управления, интерфейс последовательной связи (RS 232С), интерфейс локальной сети верхнего

уровня (Ethernet), интерфейс последовательной системной шины, субмодуль ввода-вывода, внутреннюю шину, процессорный модуль, блок интерфейса измерения и управления объектом, блок формирования географического адреса, первую последовательную системную шину, вторую последовательную системную шину, многопроцессорный контроллер, объект управления, локальную сеть верхнего уровня.

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

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

Известен программируемый логический контроллер (см. патент РФ 2101757, 1998 г.), содержащий микропроцессор, локальную шину, двухпортовое статистическое ОЗУ, интерфейсы шин типа VME и ISA, ПЗУ, EEPROM, часы реального времени, контроллер клавиатуры, системный контроллер, универсальный программируемый сторожевой таймер, последовательные интерфейсы RS232, RS485, периферийную шину, интерфейс шины субмодулей, буферные усилители адреса и приемники/передатчики данных ОЗУ, приемники/передатчики адреса и приемники/передатчики данных интерфейса VME, буферные усилители адреса и приемники/передатчики данных интерфейса ISA, буферные усилители и приемники/передатчики данных периферийной шины.

Признаки аналога, совпадающие с существенными признаками заявляемой ПМ: микропроцессор, ПЗУ, EEPROM, системный контроллер, сторожевой таймер - в заявляемом БФУС представлены как микроконтроллер, кроме того, локальная шина (мультиплексированная шина

адрес/данные в заявляемой ПМ), интерфейс RS-485 (SSI интерфейс - в заявляемой ПМ).

Причинами, препятствующими достижению необходимого технического результата, являются:

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

- отсутствие возможности расширения количества вводов/выводов;

- отсутствие аппаратных модулей анализа состояния устройства и обнаружения отказов;

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

Из известных устройств наиболее близким к заявляемой ПМ является блок формирования управляющих сигналов (см. заявку РФ 2006102082, 2006 г.), содержащий микроконтроллер, блок ОЗУ, блок временного хранения адреса и данных, блок анализа ошибок, блок приемника CLK RS-485, блок приемопередатчика RS-485, блок гальванической развязки RS-485 1, блок гальванической развязки RS-485 2, блок приемопередатчика CAN 1, блок приемопередатчика CAN 2, блок гальванической развязки CAN 1, блок гальванической развязки CAN 2, блок контроллера Ethernet 1, блок контроллера Ethernet 2, блок гальванической развязки Ethernet 1, блок гальванической развязки Ethernet 2, блок гальванической развязки сигналов БФУС, мильтиплексированая шина адрес/данные, шина адреса, интерфейс SSI, канал CAN 1, канал CAN 2, канал Ethernet 1, канал Ethernet 2, канал для подключения модулей ввода/вывода.

Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками ПМ, являются блоки: ОЗУ, сетевого контроллера Ethernet 1 и 2, адресации и анализа ошибок, одного интерфейса RS-485, каналов CAN 1 и 2, одного интерфейса SSI, микроконтроллера.

Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются:

- отсутствие дублирования каналов SSI и RS485;

- отсутствие интерфейсов для считывания электронных ключей;

- отсутствие возможности подключение и работы с Compact Flash;

- отсутствие встроенных часов реального времени;

- отсутствие востренного датчика температуры;

- отсутствие, возможности непосредственного подключения дискретных линий ввода/вывода.

Задачей, на решение которой направлена ПМ, является создание устройства с программно задаваемым алгоритмом обработки данных для использования его в составе автоматизированных систем управления и контроля в реальном времени, устойчивого к любому единичному отказу, с возможностью дублирования каналов связи, обеспечением «горячего» резервирования, а так же возможностью ведения протоколов работы с записью в энергонезависимую память и расширенными функциями самодиагностики.

Для этого в ПЛК включены следующие блоки (фиг.):

1. блок дискретных выходов;

2. блок питания внешних сигналов;

3. блок аналоговых входов;

4. блок дискретных входов;

5. блок аналоговых выходов;

6. блок приема и передачи данных;

7. блок индикации;

8. блок питания 2;

9. блок Compact Flash;

10. блок адресации и анализа ошибок;

11. блок ОЗУ;

12. блок сетевого контроллера Ethernet 1;

13. блок сетевого контроллера Ethernet 2;

14. блок интерфейса RS-485 1;

15. блок интерфейса RS-485 2;

16. блок микроконтроллера;

17. блок канала CAN 1;

18. блок канала CAN 2;

19. блок конфигурации и внешней ошибки;

20. блок электронного ключа (1-wire) 1;

21. блок электронного ключа (1-wire) 2;

22. блок часов реального времени;

23. блок анализа температуры;

24. блок питания 1;

25. мультиплексированная шина адрес/данные;

26. шина адреса;

27. шина управления;

28. канал для подключения дополнительных модулей;

Микроконтроллер осуществляет управление всеми функциональными узлами ПЛК, отвечает за загрузку изменяемой управляющей программы, анализ принятой и формирование передаваемой информации, организацию связи с другими устройствами через блоки соответствующих интерфейсов.

Блок адресации и анализа ошибок обеспечивает организацию связи микроконтроллера с другими функциональными узлами по шине адрес/данные, а так же вырабатывает управляющие сигналы для дополнительных модулей по шине управления. Кроме того, этот блок отвечает за аппаратную диагностику работоспособности микроконтроллера и состояния дополнительных модулей.

Блок Compact Flash предназначен для подключения карты памяти Compact Flash и организации обмена данными между Compact Flash и микроконтроллером через блок адресации и анализа ошибок.

Блоки каналов CAN предназначены для обеспечения поддержки интерфейсов CAN стандарта ISO 11898-2 (hight speed). Поддержка протоколов верхнего уровня обеспечивается микроконтроллером и может быть различной (CanOpen, DiviceNet и т.д.) в зависимости от программных средств. Блоки имеют гальваническую развязку внешних линий данных от внутренних цепей ПЛК.

Блоки интерфейса RS-485 предназначены для поддержки физического уровня сигналов стандарта EIA-485. При этом данные блоки позволяют выбирать полнодуплексный или полудуплексный режим работы. Полнодуплексный режим может использоваться для организации интерфейсов SSI или для работы по стандарту интерфейса RS-422 (EIA-422). К тому же блок интерфейса RS-485 1 может работать в режиме интерфейса RS-232 (стандарт EIA/TIA-232E). Выбор режима работы блока 1 (RS-485 или RS-232) осуществляется микроконтроллером. Так же микроконтроллер отвечает за организацию протоколов верхнего уровня на RS-485 (ModBus RTU, ModBus ASCII, ProfiBus DP, IntrBus и т.д.). Блоки имеют гальваническую развязку внешних линий данных от внутренних цепей ПЛК.

Блоки интерфейсов Ethernet служат для организации каналов связи 100-Base-Tx (стандарт 802.3u). Эти блоки полностью поддерживают протокол обмена в соответствии со стандартом IEEE 802.3. За формирования поля данных и организацию протоколов верхнего уровня (TCP/IP, UDP, HTTP и т.д.) отвечает микроконтроллер. Блоки имеют гальваническую развязку внешних линий данных от внутренних цепей ПЛК.

Блоки электронного ключа предназначены для подключения считывателей электронного ключа по интерфейсу 1-wire (так же возможно подключение и других устройств, поддерживающих 1-wire). Блоки имеют гальваническую развязку внешних линий данных от внутренних цепей ПЛК.

Блок конфигурации и внешней ошибки представляет собой набор дискретных входов, которые служат для конфигурирования ПЛК на различные режимы работы, а так же эти входы могут использоваться как сигналы внешней неисправности и читаться непосредственно блоком адресации и анализа ошибок для идентификации внешней ошибки на аппаратном уровне без участия микроконтроллера.

Блок анализа температуры осуществляет измерение температуры в диапазоне от минус 55 до плюс 125°С.

Блок часов реального времени предназначен для подсчета года, месяца, даты, дня недели, часов, минут и секунд. Этот блок имеет место для установки батареи, что позволяет ему работать даже при отсутствии питающего напряжения.

Блок приема и передачи данных предназначен для связи микроконтроллера через блок адресации и анализа ошибок с блоками аналоговых и дискретных входов/выходов, а так же блоком индикации.

Блок дискретных выходов обеспечивает коммутацию напряжения с блока питания выходов на необходимую дискретную линию. Выбор, какую линию коммутировать, а так же выбор коммутации на +U или -U осуществляется микроконтроллером. Так же блоки дискретных выходов обеспечивают аппаратную диагностику выходов от короткого замыкания, замыкания на +U или +U, обрыв нагрузки, защиту от статического напряжения, тепловую защиту и выдачу информации о своем состоянии на блок адресации и анализа ошибок, а так же на микроконтроллер. Блоки имеют гальваническую развязку внешних выходных линий от внутренних цепей ПЛК.

Блок дискретных входов обеспечивает чтение дискретных линий, и передачу их состояния микроконтроллеру, а так же обеспечивает гальваническую развязку входных линий от внутренних цепей ПЛК.

Блок аналоговых входов обеспечивает чтение аналогового сигнала 4-20 мА и имеет гальваническую развязку от внутренних цепей ПЛК.

Блок аналоговых выходов обеспечивает выдачу сигнала 4-20 мА. Уровень выходного тока задается микроконтроллером. Имеет гальваническую развязку от внутренних цепей ПЛК.

Блок индикации предназначен для организации человеко-машинного интерфейса и выдачи информации о состоянии ПЛК, состоянии датчиков или другой информации, в зависимости от выполняемой программы.

Работа устройства начинается с подачи питающего напряжения на все функциональные узлы ПЛК через блоки питания (24, 8). Далее инициализируется микроконтроллер (16). Затем микроконтроллер через блок 10 и шину 25 производит диагностику основных функциональных узлов 6, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 20, 21, 22, 23, определяет наличие дополнительных модулей на шине 28, выполняет проверку состояния входов/выходов 1, 4, 3, 5, с помощью блока 23 измеряет температуру внутри корпуса (температура должна находится в диапазоне от минус 40 до плюс 85°С). Если микроконтроллер 16 не обнаруживает неисправности, тогда он определяет, установлена или нет карта памяти Compact Flash в блоке 9. Затем микроконтроллер 16 ищет программу для выполнения на карте Compact Flash и во внутренней памяти. Если во внутренней памяти микроконтроллера 16 нет программы, то он загружает туда программу с карты Compact Flash, если же во внутренней памяти программа есть, то микроконтроллер 16 сначала сравнивает с программой на Compact Flash и, если они разные, загружает новую программу во внутреннюю память. После этого микроконтроллер 16 начинает выполнение загруженной программы из внутренней памяти. ПЛК ориентирован на работу в различных системах управления процессами, поэтому используемые интерфейсы связи, алгоритмы управления, управляющие воздействия и команды определяются программой, загружаемой с Compact Flash. Данная программа разрабатывается для управления различными технологическими процессами отдельно.

Программируемый логический контроллер (ПЛК) для построения распределенных отказоустойчивых информационно-управляющих систем относится к области вычислительной техники, в частности к системам автоматизации управления технологическими процессами, содержит в своем составе блоки управления (микроконтроллер, блок адресации и анализа ошибок), связанные мультиплексной шиной адреса/данных с блоками интерфейсов (Ethernet (2 канала), CAN (2 канала), RS-485 (2 канала)), с блоком ОЗУ и блоком конфигурации и внешней ошибки, отличающийся тем, что включает в себя блок индикации, блоки дискретного/аналогового ввода/вывода, блок питания внешних сигналов, блок Compact Flash, блок часов реального времени, блок анализа температуры, блоки 1-wire (2 канала), а также блок второго канала RS-485.