Модуль сбора и обработки данных

Модуль сбора и обработки данных относится к устройствам с программным управлением, а именно к программируемым контроллерам и может быть использован в устройствах сбора, обработки и передачи информации в технических системах. Задача, на решение которой направлено заявленное техническое устройство, заключается в повышении гибкости применения и технологичности изделия за счет модульности конструкции, повышение открытости архитектуры за счет использования модулей-мезонинов ввода/вывода, удовлетворяющих спецификации IP Modules Draft Standard VITA 4-1995, повышение надежности за счет обеспечения возможности использования готовых модулей-мезонинов ввода/вывода хорошо зарекомендовавших себя фирм, повышении живучести устройства путем резервирования интерфейса CAN-bus и питания устройства одновременно от двух независимых первичных источников питания, а также в повышении помехоустойчивости за счет подавления помех в цепи питания. Для этого модуль сбора и обработки данных включает лицевую панель, жестко соединенную с печатной платой, на которой установлен программируемый микроконтроллер со встроенным каналом прямого доступа в память, часы реального времени, энергонезависимая память программ и данных, элемент резервного питания памяти данных и часов реального времени, элементы индикации, два сменных функциональных модуля-мезонина формата IndustryPack, сменный модуль-мезонин питания, два преобразователя сигналов двух интерфейсов CAN-bus с гальванической изоляцией и схемой защиты от высоковольтных помех, разъем для подключения к плате двух независимых источников питания в режиме горячего резервирования со схемой защиты от перенапряжений и неправильного подключения полярности и для подключения линий связи двух интерфейсов CAN-bus, разъем для подключения внешних цепей ввода/вывода, причем микроконтроллер обменивается информацией с функциональными модулями-мезонинами формата IndustryPack в режиме прямого доступа в память по параллельной интерфейсной шине, удовлетворяющей спецификации «IP Modules Draft Standard VITA 4-1995»,

Заявленное техническое решение относится к устройствам с программным управлением, а именно к программируемым контроллерам и может быть использовано в устройствах сбора, обработки и передачи информации в технических системах.

Из существующего уровня техники известен контроллер, содержащий печатную плату с микропроцессором, источник питания, постоянное запоминающее устройство, устройство контроля времени и схему управления исполнительными реле, а также линии связи, подключенные к каналам ввода-вывода микропроцессора, линии управления и сигнализации, схему согласования и защиты линий связи, (Патент RU 41167 U1, 08.07.2004, опубликовано 10.10.2004). Недостатком известного контроллера является жесткая фиксированность количественного состава и структуры его технических средств, не позволяющая их оперативное изменение в зависимости от различных условий применения прибора.

Наиболее близким к заявленному устройству является контроллер, содержащий печатную плату, на которой расположены микроконтроллер, осуществляющий сбор информации с импульсных каналов и передачу по интерфейсам RS-232, который используется для соединения с компьютером, RS-485 и CAN, обеспечивающим удаленное подключение с объектом, литиевый элемент, энергонезависимую память, часы реального времени, блок питания, дополнительную печатную плату с зажимами для подключения импульсных каналов, часы реального времени выполнены со встроенной энергонезависимой памятью, a CAN контроллер выполнен отдельной микросхемой. (Патент RU 61900 U1, 23.10.2006, опубликовано 10.03.2007) (прототип).

Недостатком известного контроллера является жесткая фиксированность количественного состава и структуры его технических средств, препятствующая, оперативному изменению состава каналов ввода/вывода в зависимости от различных условий применения прибора. Возможность установки дополнительной печатной платы с зажимами является частичным решением указанной проблемы и только для частного случая подключения импульсных каналов. Кроме того, в настоящее время традиционные меры по повышению надежности за счет применения технических средств с большим временем наработки на отказ (более 100 тыс.часов) уже не являются достаточными. Требуются дополнительные схемные решения, повышающие живучесть контроллеров и системы в целом. Одним из вариантов таких решений является резервирование ответственных узлов изделия. В известном контроллере отсутствует резервирование таких важных узлов, как сетевой интерфейс CAN-bus и источник питания, а это сужает область его применения для ответственных объектов автоматизации, таких, например, как ядерная энергетика, переработка нефти и газа.

Задача, на решение которой направлено заявленное устройство, заключается в расширении арсенала технических средств в данной области, повышении гибкости применения и технологичности изделия, повышение открытости архитектуры, повышении надежности и живучести устройства, повышении устойчивости устройства к воздействию высоковольтных помех по цепи первичного электропитания, защиты устройства от несоблюдения полярности подключения первичного электропитания.

Решение поставленной задачи достигается за счет того, что модуль сбора и обработки данных (МСОД), содержащий печатную плату, на которой расположены микроконтроллер, интерфейс CAN, обеспечивающий удаленное подключение с объектом, литиевый элемент, энергонезависимая память, часы реального времени, блок питания, часы реального времени выполнены со встроенной энергонезависимой памятью, a CAN контроллер выполнен отдельной микросхемой, дополнительно включает лицевую панель, жестко соединенную винтами с печатной платой, на которую добавлены элементы индикации, выходящие на переднюю сторону лицевой панели, параллельная интерфейсная шина, удовлетворяющая спецификации «IP Modules Draft Standard VITA 4-1995», четыре 50-контактных разъема для установки в них двух сменных функциональных субмодулей-мезонинов формата IndustryPack (IP Modules), второй интерфейс CAN-bus с гальванической изоляцией, один 48-контактный разъем, содержащий контакты для подключения к плате двух независимых источников питания в режиме горячего резервирования со схемой защиты от перенапряжений и неправильного подключения полярности и контакты для подключения линий связи двух упомянутых интерфейсов CAN-bus, два 50-контактных разъема для подключения внешних цепей ввода/вывода обрабатываемых данных, выходящие через прямоугольный вырез на переднюю сторону лицевой панели, причем микроконтроллер обменивается информацией с функциональными модулями-мезонинами формата IndustryPack как в режиме программного опроса, так и в режиме прямого доступа в память по упомянутой параллельной интерфейсной шине, в соответствии со спецификацией «IP Modules Draft Standard VITA 4-1995».

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является расширение арсенала технических средств в данной области, повышении гибкости применения и технологичности изделия за счет модульности конструкции, повышение открытости архитектуры за счет использования параллельного интерфейса, удовлетворяющего спецификации «IP Modules Draft Standard VITA 4-1995», повышение надежности за счет того, что упомянутый интерфейс обеспечивает возможность использования широкого спектра готовых субмодулей-мезонинов ввода/вывода формата IndustryPack различного функционального назначения хорошо зарекомендовавших себя фирм-изготовителей, сертифицированных по международному стандарту качества ISO-9001, повышение живучести устройства путем резервирования интерфейса CAN-bus и резервирования первичных источников питания, а также повышении помехоустойчивости за счет схемы защиты цепи питания от высоковольтных помех. Помимо быстроты компоновки прибора, мезонинные модули позволяют легко оптимизировать его в отношении критериев стоимости и функциональности, а также снизить эксплуатационные расходы. Хорошо известно, что в процессе эксплуатации систем управления обычно выходят из строя входные и выходные каналы. Если их расположить на мезонине, то в данном случае можно менять уже не плату или прибор целиком, а всего лишь гораздо более дешевый мезонинный модуль, установленный на этой плате. Появление дополнительных требований по количеству и составу каналов связи не приводит к полной замене всего устройства, а только к добавлению или изменению состава мезонинных модулей, что значительно снижает затраты на сопровождение. При появлении новых типов каналов ввода и/или вывода проблема расширения может быть решена путем разработки нового модуля-мезонина, без внесения каких либо изменений в базовое изделие.

Устройство МСОД поясняется фиг.1, 2, 3 и 4.

МСОД выполнен в виде функционально законченного изделия вдвижной конструкции с индивидуальной лицевой панелью, без собственной защитной оболочки от проникновения воды и посторонних твердых частиц. В целях механической защиты, удобства монтажа и подключения к внешним электрическим цепям, МСОД могут помещаться в каркас компоновочный размера 3U (19" стандарт МЭК 60297).

Конструктивно МСОД состоит из пяти сборочных единиц: лицевой панели 1, печатной платы 2, двух съемных субмодулей-мезонинов 3 и 4 формата IndustryPack, съемного субмодуля питания 5, причем субмодули закрепляются на печатной плате винтами 11 (см. фиг.1).

Кроме того, на лицевой панели установлена ручка-экстрактор 9 для удобства извлечения модуля из каркаса компоновочного и два винта крепления 10 модуля МСОД в каркасе. На ручке 9 предусмотрена возможность помещения шильдика с идентификационной информацией модуля по усмотрению пользователя.

На фиг.2 приведен общий вид печатной платы 2 с лицевой панелью 1. На плате 2 расположен программируемый микроконтроллер 17 и установлены три элемента сигнализации 6 о наличии питающих напряжений +5 В, +12 В и -12 В, вырабатываемых субмодулем питания 5 и два элемента сигнализации 7, на которые выведены импульсные сигналы А и В подтверждения окончания цикла обмена микроконтроллера 17 с соответствующим субмодулем 3 и 4. Две пары 50-ти контактных разъемов 13, 14 и 15, 16 предназначены для установки двух субмодулей-мезонинов формата IndustryPack 3 и 4 соответственно. На разъемы 14, 16 выведены все сигналы параллельного интерфейса 32 в соответствии со спецификацией «IP Modules Draft Standard VITA 4-1995». Субмодули формата IndustryPack (IP module А и В) представляют собой платы-мезонины размером 45,73×99,1 мм (плата одинарного размера) или 91,46×99,1 мм (плата двойного размера). Печатная плата 2 обеспечивает нормальное функционирование мезонинов IndustryPack в соответствии со спецификацией «IP Modules Draft Standard VITA 4-1995» при базовой тактовой частоте 8 МГц. Каждый мезонин IndustryPack содержит постоянную память ID PROM, в которой записана идентификационная информация о функциональном назначении данного мезонина. Формат записи описан в спецификации «IP Modules Draft Standard VITA 4-1995». Мезонины IndustryPack различного функционального назначения выпускаются большим количеством фирм и не являются предметом настоящей заявки. На фиг.2 (поз.3) изображен пример мезонина IndustryPack. Разъем 8 на печатной плате служит для подключения модуля МСОД к первичным преобразователям (датчикам) и исполнительным механизмам управляемого объекта и состоит из двух одинаковых частей А и В по 50 контактов каждый. Разъем А печатными проводниками соединен с разъемом 13, а разъем В - с разъемом 15, причем, соединение выполнено «один к одному» т.е., первый контакт одного разъема соединен с первым контактом другого разъема и т.д. Распределение сигналов по контактам разъема 8 не специфицировано так, как оно зависит от конкретных типов субмодулей-мезонинов IndustryPack, установленных на печатную плату пользователем. Кроме того, на плате 2 установлены два элемента гальванической изоляции 22, 23 и два преобразователя сигналов линий связи 24, 25 бит-последовательных интерфейсов CAN-bus1 и CAN-bus2 соответственно. Контакты разъемов 14 и 16 соединены с портами микроконтроллера 17, который по заданной пользователем программе управляет работой субмодулей 3 и 4 и интерфейсов CAN-bus1 и CAN-bus2. Разъемы 18, 19, 20 предназначены для установки субмодуля питания 5. Разъем 12 предназначен для подключения интерфейсов CAN-bus1 и CAN-bus2 к двум внешним сетям, а также для подключения напряжения питания к модулю МСОД от двух первичных источников питания напряжением 24 В постоянного тока. На плате также установлены диоды защиты от неправильного подключения полярности источника питания D1, D2 и защиты от перенапряжений D3. Разъем 21 предназначен для подключения аппаратного отладчика программного обеспечения.

Субмодуль питания 5 (см. фиг.2 и 3) содержит четыре DC-DC преобразователя 28, 29, 30, 31 и устанавливается на печатную плату в разъемы 18, 19, 20. Упомянутые DC-DC преобразователи имеют трансформаторную гальваническую изоляцию между входной цепью первичного напряжения и выходными цепями питания нагрузок. Преобразователь 28 выдает на выходе напряжение 5 В, для питания субмодулей IndustryPack 3, 4 и микроконтроллера 17. Преобразователь 29 выдает на выходе напряжение ±12 В, для питания субмодулей IndustryPack 3, 4. Преобразователи 30 и 31 питают напряжением 5 В преобразователи сигналов интерфейсов CAN-bus1 и CAN-bus2 соответственно.

Предлагаемое устройство работает следующим образом:

Один или несколько (до 14) модулей МСОД с предустановленной прикладной программой пользователя помещают в каркас компоновочный размера 3U (19" стандарт МЭК 60297) и фиксируют винтами 10, при этом кросс-плата каркаса компоновочного должна быть выполнена по схеме, изображенной на фиг.4. Включают первичные источники питания 24 В постоянного тока. Наличие вторичных напряжений питания контролируют по индикаторам 6 на лицевой панели каждого модуля МСОД. В каждом модуле МСОД происходит автоматический запуск всех компонентов встроенного программного обеспечения и прибор переходит в режим циклического исполнения прикладной (технологической) программы пользователя. В начале каждого цикла микроконтроллер 17 выполняет обращение к мезонинам 3 и 4 с запросом на операцию ввода или вывода. Соответствующий мезонин выполняет предписанную операцию и выдает в микроконтроллер сигнал подтверждения выполнения AckA или AckB (см. фиг.3), который отображается на индикаторе 7. Далее в каждом цикле модуль МСОД выполняет следующие функции в заданной ниже последовательности:

- ввод цифровых данных через параллельную шину и IP-модуль-мезонин 3, или 4, который осуществляет преобразование аналоговых или дискретных сигналов внешних электрических датчиков в цифровую форму, причем, ввод может осуществляться как в режиме программного опроса, так и в режиме прямого доступа в память (режим DMA).

- Последовательное выполнение алгоритмов управления технологической программы пользователя (регулирование, защита, логическое управление и т.д.)

- Вывод цифровых значений через параллельную шину и IP-модуль-мезонин 3 или 4 с преобразованием их в электрические аналоговые или дискретные сигналы управления исполнительными механизмами, причем, вывод данных может осуществляться как в режиме программного опроса, так и в режиме прямого доступа из памяти микроконтроллера.

- Обмен информацией с другими абонентам сетей CAN-bus1 и CAN-bus2, как по своей инициативе, так и по запросам других абонентов.

Предлагаемое устройство МСОД может быть практически реализовано с использованием материалов и комплектующих изделий различных изготовителей. Как вариант устройство МСОД было практически реализовано с использованием комплектующих изделий, приведенных в таблице.

1. Модуль сбора и обработки данных, содержащий печатную плату, на которой расположены микроконтроллер, интерфейс CAN, обеспечивающий удаленное подключение с объектом, литиевый элемент резервного питания, энергонезависимая память, часы реального времени, блок питания, часы реального времени выполнены со встроенной энергонезависимой памятью, a CAN контроллер выполнен отдельной микросхемой, отличающийся тем, что он дополнительно включает лицевую панель, жестко соединенную винтами с печатной платой, на которую добавлены элементы индикации, выходящие на переднюю сторону лицевой панели, параллельная интерфейсная шина, удовлетворяющая спецификации «IP Modules Draft Standard VITA 4-1995», четыре 50-контактных разъема для установки в них двух сменных функциональных модулей-мезонинов формата IndustryPack, второй интерфейс CAN-bus с гальванической изоляцией, один 48-контактный разъем, содержащий контакты для подключения к плате двух независимых источников питания в режиме горячего резервирования со схемой защиты от перенапряжений и неправильного подключения полярности и контакты для подключения линий связи двух упомянутых интерфейсов CAN-bus, один 100-контактный разъем для подключения внешних цепей ввода/вывода обрабатываемых данных, выходящий через прямоугольный вырез на переднюю сторону лицевой панели, причем микроконтроллер обменивается информацией с функциональными модулями-мезонинами формата IndustryPack в режиме прямого доступа в память по упомянутой параллельной интерфейсной шине в соответствии со спецификацией «IP Modules Draft Standard VITA 4-1995».

2. Модуль сбора и обработки данных по п.1, отличающийся тем, что микроконтроллер со встроенным каналом прямого доступа в память, часы реального времени, энергонезависимая память программ и данных могут быть выполнены в виде одной микросхемы.

3. Модуль сбора и обработки данных по п.1, отличающийся тем, что в качестве функциональных модулей-мезонинов формата IndustryPack могут быть использованы модули одинарного или двойного размера любых изготовителей, удовлетворяющие требованиям спецификации «IP Modules Draft Standard VITA 4-1995».

4. Модуль сбора и обработки данных по п.1, отличающийся тем, что разъемный соединитель для подключения внешних цепей ввода/вывода может быть выполнен в виде блока из двух разъемов по 50 контактов в каждом.

5. Модуль сбора и обработки данных по п.1, отличающийся тем, что он может устанавливаться в монтажный каркас 19" стандарта МЭК 60297 высотой 3U и имеет средства крепления в упомянутом каркасе.

6. Модуль сбора и обработки данных по п.1, отличающийся тем, что в качестве элемента резервного питания памяти данных и часов реального времени может быть использован ионистор (конденсатор большой емкости с двойным электрическим слоем и малым током утечки).