Цифровой автономный универсальный контроллер для работы в условиях подземной выработки угля

Полезная модель относится к устройствам автоматизированного контроля и управления технологическими объектами, в том числе размещаемым в подземных выработках, опасных по газу и угольной пыли, и предназначена для сбора и первичной обработки информации, выработки управляющих сигналов, обмена данными и командами с управляющими (наземными) вычислительными комплексами. При осуществлении полезной модели может быть получен следующий технический результат: повышение надежности и достоверности контроля и управления оборудованием, сокращение времени диагностирования и увеличение срока межремонтной эксплуатации. Указанный технический результат достигается за счет введения в состав заявляемого устройства мини-пульта, цифрового индикатора, блока светодиодной индикации, интерфейса RS-485 с функцией переприема, а также устройства согласования с объектом, в состав которого входят узел аналоговых вводов, узел частотных вводов, узел резистивных вводов, узел дискретных вводов и узел дискретных выводов.

Данная полезная модель относится к устройствам, предназначенным для непрерывного автономного и дистанционного контроля и управления оборудованием, установленным в угольных шахтах, опасных по газу (метану) и угольной пыли.

Одним из устройств, известных в данной области, является Искробезопасный программируемый контроллер (ИБК), входящий в состав Программно-технического комплекса (ПТК) для построения систем управления горно-шахтным оборудованием (Е.С.Виленкин, А.Ю.Горлов. Программно-технический комплекс для построения систем управления горно-шахтным оборудованием и АСУ ТП подземной угледобычи. «Горная промышленность», 1, 2005 г., стр.18-22) ИБК является базовым устройством комплекса, устанавливаемого в угольных шахтах, и выполняет измерение и обработку параметров горно-шахтного оборудования, управление им в соответствии с установленным алгоритмом работы и взаимодействие с диспетчерским пунктом, находящимся на поверхности шахты. Недостатком организации НТК и непосредственно контроллера является излишне сложная архитектура комплекса. Дело в том, что сам ИБК не имеет средств для взаимодействия с горно-шахтным оборудованием, это выполняют входящие в состав ПТК устройства измерения, контроля и управления, а результаты передаются в ИБК по интерфейсу CAN-bus. В итоге увеличивается номенклатура устройств системы, добавляются кабельные соединения.

Наиболее близким к заявляемой полезной модели (прототипом) является системный блок (далее СБ), входящий в комплекс ДЕКОНТ-Ех (А.В.Уваров. Взрывозащищенный комплекс ДЕКОНТ-Ех. «Промышленные АСУ и контроллеры», 9, 2003 г., стр.46-49).

Функции СБ во многом аналогичны вышеуказанному Искробезопасному контроллеру. СБ также, как и ИБК, размещается в горных выработках и защищен от возможных взрывов, также осуществляет по локальной сети сбор данных от устройств ввода-вывода, входящих в состав системы ДЕКОНТ-Ех, и имеет выход на диспетчерский пункт на поверхности шахты. Таким образом, измерения, контроль и формирование сигналов управления в известном устройстве - прототипе выполняют с помощью соответствующих дополнительных устройств ввода-вывода, набор которых осуществляется на основании заранее разработанного проекта на конкретный объект автоматизации. СБ размещается во взрывозащищенной корпусе и состоит из блока процессора ДЕКОНТ-182 и блока питания. Блок процессора обеспечивает взаимодействие с модулями ввода-вывода, реализует алгоритмы, формирует архивы, поддерживает связь с другими контроллерами и диспетчерским пунктом на поверхности шахты.

В качестве информационной шины для связи устройств ввода-вывода с блоком процессора и блока процессора с диспетчерским пунктом используется, в отличие от ИБК, более распространенный интерфейс RS-485.

Указанное техническое решение для контроля и управления горно-шахтным оборудованием является наиболее близким по техническому решению к заявляемой полезной модели и принято авторами за прототип.

Данное известное решение для контроля технического состояния горно-шахтного оборудования не обладает достаточно компактной реализацией, так как для создания автоматизированной системы контроля и управления технологическим объектом, размещаемым в подземных выработках, помимо СБ, необходимо большое количество дополнительных устройств, соединенных с блоком процессора по интерфейсу RS-485, что неизбежно приводит к дополнительным затратам на наладку, монтаж, программирование и финансовые затраты на изготовление (закупку).

Ввиду отмеченных недостатков известные устройства - устройство прототип и устройство аналог не обладают достаточной гибкостью и надежностью при создании систем автоматизации горно-шахтного оборудования.

Предлагаемая авторами полезная модель Цифровой автономный универсальный контроллер (далее ЦАУК) для работы в условиях подземной выработки угля позволяет решить следующую задачу: создать новый взрывозащищенный контроллер для оперативного, высоконадежного, дистанционного контроля технического состояния горно-шахтного оборудования, сократив при этом номенклатуру дополнительных устройств ввода-вывода и облегчив программирование, монтаж и наладку.

При осуществлении предлагаемого устройства может быть получен следующий технический результат: повышение надежности контроля и управления технологическим оборудованием, в том числе в подземных выработках в условиях наличия газа и угольной пыли; сокращение времени диагностирования и увеличение срока межремонтной эксплуатации.

Указанный технический результат достигается за счет того, что все необходимые функции реализованы заявляемым устройством без привлечения дополнительных устройств ввода-вывода. Для создания автоматизированной системы контроля и управления горно-шахтным или наземным оборудованием нет необходимости включать в состав системы устройства ввода-вывода, а для комплексирования нескольких ЦАУК на расстояние, более регламентированного протоколом RS-485 (1200 м) - вводить устройства переприема (типа ExR485 в системе ДЕКОНТ), т.к. функцию переприема выполняет интерфейс RS-485.

Сущность полезной модели поясняет фиг.1, где представлена структурная схема заявляемого устройства.

Согласно фиг.1, заявляемое устройство конструктивно выполнено в виде отдельного блока, размещаемого в корпусе 1. Внутри корпуса 1 размещаются блок процессора 2 и устройство согласования с объектом 3, в состав которого входят узел аналоговых вводов 4, узел частотных вводов 5, узел резистивных вводов 6, узел дискретных вводов 7 и узел дискретных выводов 8. Сигналы контролируемого технологического объекта вводятся в корпус 1 через первый - пятый кабельные вводы соответственно. Кроме того, заявляемое устройство содержит в свом составе мини-пульт 9, подключенный к первому входу блока процессора 2, цифровой индикатор 10, подключенный к первому выходу блока процессора 2, блок светодиодной индикации 11, подключенный ко второму выходу блока процессора 2, а также интерфейс RS-485 12, выполняющий функцию переприема. Второй, третий, четвертый, пятый входы блока процессора 2 подключены соответственно к выходам узла аналоговых вводов 4, узла частотных вводов 5, узла резистивных вводов 6 и узла дискретных вводов 7. Третий выход блока процессора 2 подключен к входу узла дискретных выводов 8, а первый вход-выход блока процессора 2 через интерфейс RS-485 12 и шестой кабельный ввод подключен к технологическому объекту. Все входы и выходы заявляемого устройства, соединенные с технологическим объектом через кабельные вводы КВ1-КВ6, обеспечены искробезопасными цепями.

Общие с прототипом признаки заявляемого устройства: наличие корпуса 1, блока процессора 2 и интерфейса RS-485 12.

Отличительными от прототипа признаками являются введенные дополнительно мини-пульт 9, цифровой индикатор 10, блок светодиодной индикации 11, а также устройство согласования с объектом 3, в состав которого входят узел аналоговых вводов 4, узел частотных вводов 5, узел резистивных вводов 6, узел дискретных вводов 7 и узел дискретных выводов 8, соединенные соответственно через первый - пятый кабельные вводы с технологическим объектом управления. Мини-пульт 9 подключен к первому входу блока процессора 2, выходы узла аналоговых вводов 4, узла частотных вводов 5, узла резистивных вводов 6 и узла дискретных вводов 7 подключены соответственно ко второму, третьему, четвертому и пятому входам блока процессора 2, первый выход которого подключен к цифровому индикатору 10, второй выход к блоку светодиодной индикации 11, третий выход соединен с входом узла дискретных выводов 8, а первый вход-выход блока процессора 2 через интерфейс RS-485 12, реализующий функцию переприема, и шестой кабельный ввод соединен с технологическим объектом.

В динамике заявляемое устройство осуществляет все необходимые функции в соответствии с алгоритмом его работы, который записан во Flash память блока процессора 2. На входы устройства согласования с объектом 3 через кабельные вводы КВ1-КВ4 от технологического объекта (в угольной шахте - ленточного конвейера, системы водоснабжения, раннего обнаружения пожара, аэрогазового контроля и т.п.) поступают входные сигналы. Аналоговые сигналы (данные от датчиков содержания метана, углерода в атмосфере шахты, скорости проветривания тупиковых выработок и т.д.) в узле аналоговых вводов 4 обеспечиваются искробезопасностью входных аналоговых сигналов, их нормированием и передачей в блок процессора 2 для преобразования в цифровой код Аналогично работают узел частотных вводов 5 (например, данные о скорости движения ленточного полотна конвейера) и узел резистивных вводов 6 (сопротивление изоляции, оценка уровня нагружения угля на конвейере - «заштыбовка»). Через кабельный ввод KB 4 в узел дискретных вводов 7 поступают дискретные сигналы (от концевых выключателей, датчиков схода ленты и др.), которые также регистрируются в блоке процессора 2. Информация о поступивших в блок процессора 2 сигналах анализируется алгоритмом и, в случае появления аварийного сообщения, ЦАУК принимает соответствующее решение - например, формирует команду включить или выключить некий исполнительный механизм (включить вентилятор, остановить ленточный конвейер и т.п.). В этом случае через узел дискретных выводов 8 формируется выходной дискретный сигнал, который через кабельный вывод KB 5 поступает на технологический объект. Такие команды можно задавать и вручную с помощью мини-пульта 9. Цифровой индикатор 10 и блок светодиодной индикации 11 выводят необходимую информацию.

Вся входная и выходная информация через интерфейс RS-485 12 (кабельный вывод KB 6) регистрируется в диспетчерском пункте, расположенном на поверхности. Диспетчер контролирует на дисплее функционирование устройства и тоже может через ЦАУК выдавать команды исполнительным механизмам. Через тот же кабельный вывод KB 6 узел интерфейса RS-485 12 может быть связан с оборудованием технологического объекта, имеющим интерфейс RS-485.

Алгоритм функционирования ЦАУК определяется и корректируется в соответствии с требованиями "Правил безопасности в угольных шахтах" ПБ 05-618-03. Создание и изменение алгоритма работы выполняют на специализированной СКАДА системе эксплуатационной службой шахты. Запись измененного алгоритма функционирования осуществляется путем передачи данных на выбранный ЦАУК через общешахтную сеть передачи данных. Описание функционирования работы ЦАУК задается в графическом виде путем составления схемы из имеющихся стандартных элементов.

Пример конкретной реализации устройства. Основные технические характеристики ЦАУК приведены в таблице

Таблица.
Параметр	Технические характеристики	Кол.	Примечание
УСО - дискретные входные сигналы «сухой контакт» с диодом	рабочее напряжение не более 5,5 В постоянный рабочий ток не более 16 мА	16 шт.	искробезопасные входы
УСО - аналоговые сигналы, в том числе: токовый сигнал и сигнал постоянного напряжения	020,420 мА 02,5 В	16 шт.	искробезопасные входы, 8 входов имеют гальваническую развязку
УСО - дискретные выходные сигналы	до 60 В, 0,5 А	16 шт.	искробезопасные выходы управления
УСО - частотные входные сигналы	050 Гц, 330В	4 шт.	искробезопасные входы
УСО - резистивные входные сигналы	60÷600 кОм	4 шт.	искробезопасные входы, в том числе сигнал «заштыбовка»
Интерфейс RS-485	2400,4800, 9600, 19 200,38 400,56 700 бит/с	2 шт.	искробезопасная цепь, длина линии связи до 1200 м, для цепочки УЦАУК - без ограничения расстояния
Цифровой индикатор		1 шт.	2×16 символов
Светодиодная индикация		16 светодиодов	назначение устанавливается программно
Мини-пульт		12 шт. кнопок	назначение устанавливается программно
Вычислительная мощность	60 MIPS
Напряжение питания	12 В
Ток потребления	не более 0.6 А
Тип корпуса ЦАУК	стальной, защита от пыли и влаги IP 54
Вес ЦАУК, не более, кг	20
Габаритные размеры ЦАУК, не более, мм	497×375×240

ЦАУК является специализированным программируемым микропроцессорным вычислительным устройством и предназначен для сбора и первичной обработки информации, выработки управляющих сигналов, обмена данными и командами с наземными вычислительными устройствами. ЦАУК собран в защитном корпусе 1 из стального листа с открывающейся передней дверью со специальным замком. На двери расположены жидкокристаллический цифровой индикатор 10, блок светодиодной индикации 11 и кнопки управления (мини-пульт 9).

Реализован ЦАУК на серийно выпускаемых элементах, в частности, в качестве блока процессора 2 использован микропроцессор DSP фирмы Freescale Semiconductor, применяются клеммные соединители фирмы WAGO и герметичные кабельные вводы фирмы RST.

Необходимо отметить особое удобство применения ЦАУК для нестационарных, часто перемещаемых конвейеров, располагаемых, как правило, в зоне выработки.

ЦАУК имеет маркировку взрывозащиты РО ExiaI в соответствии с сертификатом соответствия согласно ГОСТ Р 51330.0 и ГОСТ Р 51330.10 и эксплуатируется по «Правилам безопасности в угольных шахтах» ПБ 05-618-03.

Цифровой автономный универсальный контроллер для работы в условиях подземной выработки угля, состоящий из корпуса, в котором размещены блок процессора, интерфейс RS-485, отличающийся тем, что заявляемое устройство дополнительно содержит мини-пульт, цифровой индикатор, блок светодиодной индикации, а также устройство согласования с объектом, в состав которого входят искробезопасный узел аналоговых вводов, искробезопасный узел частотных вводов, искробезопасный узел резистивных вводов, искробезопасный узел дискретных вводов и искробезопасный узел дискретных выводов, соединенные соответственно через первый - пятый кабельные вводы с технологическим объектом, причем мини-пульт подключен к первому входу блока процессора, выходы узла аналоговых вводов, узла частотных вводов, узла резистивных вводов и узла дискретных вводов подключены соответственно ко второму, третьему, четвертому и пятому входам блока процессора, первый выход которого подключен к цифровому индикатору, второй выход к блоку светодиодной индикации, третий выход соединен с входом узла дискретных выводов, а первый вход-выход блока процессора через искробезопасный интерфейс RS-485, имеющий функцию переприема, и шестой кабельный ввод соединен с технологическим объектом.