Способ контроля состояния дискретных источников сигналов и устройство для его осуществления
Владельцы патента RU 2289164:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Нижегородский государственный технический университет (ГОУ ВПО НГТУ) (RU)
Использование: в области автоматического управления технологическим оборудованием и в информационно-измерительной технике. Технический результат заключается в повышении надежности, уменьшении габаритов и расхода энергии. Способ контроля связан с формированием импульсов, соответствующих состоянию датчиков и используемых для выработки команд управления, согласно способу напряжение в виде огибающей импульсной последовательности, соответствующей замкнутому состоянию контакта датчика, подают на вход контрольного устройства для формирования команд управления. В устройство для осуществления способа введен источник импульсов, выход которого подключен к одному из выводов контактного датчика, другой вывод которого подключен к линии связи, к другому концу которой подключен делитель из двух последовательно включенных резисторов, к выходу которого подключен вход диодного амплитудного детектора с фильтром, выход которого подключен к входу контрольного устройства для формирования команд управления. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к области автоматического управления технологическим оборудованием и информационно-измерительной технике и, в частности, способам формирования и передачи электрических сигналов в импульсной форме и может быть использовано для контроля состояния дискретных источников сигналов (например, датчиков, кнопок, переключателей) в системах управления комплексами технологического оборудования, например автоматическими линиями, и информационно-измерительных системах.
В указанных областях техники имеется необходимость получения информации о ходе контролируемого технологического процесса с помощью дискретных контактных датчиков, замкнутое или разомкнутое состояния которых определяется технологическим процессом.
В настоящее время системы управления часто выполняют на основе программируемых логических контроллеров (ПЛК). Для сопряжения с объектом управления входы ПЛК должны иметь определенные энергетические характеристики по величине и роду тока и напряжения. Номенклатура датчиков и средств управления, используемых в качестве источников входных сигналов для ПЛК, достаточно широка как по роду, так и по уровню тока и напряжения. Использование низкого напряжения =24 В для контактных датчиков не всегда обеспечивает их надежную работу. Это связано с несогласованностью параметров элементов электрооборудования с входными параметрами модулей ПЛК и характерно не только для контактных, но и бесконтактных источников сигнала, например бесконтактных путевых выключателей [Крыленко В.В. и др. Управление автоматическими линиями с помощью ЭВМ. - М.: Машиностроение, 1983. с.14, 38, 134].
В качестве аналога на фиг.5 показано типовое подключение контактных датчиков к входам модуля SM323 с использованием соответствующих линий связи. Rш - шунтирующий резистор, R1 и R2 - резисторы согласующей цепочки. Модуль SM323 предназначен для преобразования входных дискретных сигналов контроллера в его внутренние логические сигналы (SIMATIC. Комплексная автоматизация производства. Каталог ST 70. 2003, с 3-98, 3-99). Количество входов одного модуля -8 или 16, входное напряжение =24 В, типовое значение входного тока высокого уровня 7.0 мА.
Несогласованность параметров элементов электрооборудования с входным параметром модуля проявляется в том, что, как указано выше, входной ток модуля составляет 7.0 мА, тогда как контакты датчика нормально могут работать со значительно большими токами. При использовании электроаппаратов с негерметичными контактами (кнопки типа КЕ или переключатели типа ПЕ) "пробивание" током окисной пленки при напряжении 24 В обеспечивается при силе тока 0,2-0,5 А [Крыленко В.В. и др. Управление автоматическими линиями с помощью ЭВМ. - М.: Машиностроение, 1983, с.140].
Кроме того, работа таких датчиков часто происходит в тяжелых условиях, что связано с открытой коммутацией тока, подверженностью вредному воздействию окружающей среды (пыль, влага, грязь) и др., что характерно для путевых, блокировочных и конечных выключателей, от которых зависит не только правильное функционирование оборудования, но и безопасность обслуживающего персонала.
Для увеличения тока, протекающего через контакты датчиков, параллельно каждому входу ПЛК подключают дополнительные шунтирующие резисторы Rш (см. фиг.5). Это приводит к большому количеству плат с резисторами, усложнению монтажа и бесполезной потере энергии, рассеиваемой на этих резисторах.
Для повышения достоверности оценки состояния контактных датчиков применяют различные способы их контроля.
В качестве прототипа может быть принят способ контроля удаленных датчиков, заключающийся в передаче по линии связи выпрямленного однополупериодного напряжения, из которого формируют импульсы, соответствующие состоянию датчиков, контроль импульсов осуществляют путем сравнения сформированных импульсов с эталонными и формируют по результатам сравнения команды управления, при включенном состоянии датчиков формируют последовательность импульсов одной длительности, при отключенном - другой длительности и при контроле сравнивают длительности сформированных импульсов с эталонными временными интервалами (пат. РФ №2012062, G 08 C 19/16, 1994 г.).
Способ осуществляют посредством устройства, содержащего двухпроводную линию связи, на одном конце которой подключены последовательно выпрямительный диод и контакт датчика, на другом - соединенный с проводами линии связи источник переменного напряжения, блок контроля и формирования команд и исполнительный элемент, с целью упрощения устройства и повышения функциональной надежности, в него введены формирователь длительности импульсов, элемент гальванической развязки, элемент индикации, элемент сопряжения, выход исполнительного элемента является выходом устройства и объединен с одним выводом элемента индикации, второй вывод которого и вход исполнительного элемента подключены через элемент сопряжения с выходом блока контроля и формирования команд, входы которого соединены через элемент гальванической развязки с соответствующими выводами формирователя длительности импульсов, вход которого и вход элемента гальванической развязки подключены к соответствующим проводам линии связи.
К недостаткам прототипа в отношении способа и устройства следует отнести их сложность, использование для контроля датчиков сетевого (т.е. низкой частоты) выпрямленного однополупериодного напряжения, необходимость формирования для каждого состояния датчика импульсов различной длительности, использование микроЭВМ для окончательного распознавания состояния датчиков и, главное, не устраняется указанная выше несогласованность электрических параметров контакта датчика, входа блока контроля и формирования команд, а также сложность согласующего устройства.
Эти недостатки устраняются предлагаемым решением.
Решаемая задача - совершенствование известного способа и устройства для его осуществления. Технический результат заключается в согласовании режимов работы по току и напряжению входных цепей контролирующего устройства (например, программируемого контроллера) и контактных источников сигналов (датчиков), упрощении согласующего устройства и повышении достоверности определения состояния контактного источника сигнала.
Это достигается тем, что в способе контроля состояния дискретных источников сигналов, связанном с формированием импульсов, соответствующих состоянию датчиков и используемых для выработки команд управления, при включенном состоянии датчиков передают по линии связи короткие, по отношению к периоду их следования, импульсы напряжения от источника импульсов, которые на другом конце линии подают на формирователь, параметрами которого выбирают требуемый ток через контакт датчика в момент подачи на него импульса и требуемую амплитуду выходных импульсов, которые подают на вход диодного амплитудного детектора с фильтром в составе формирователя, после которого напряжение в виде огибающей импульсной последовательности, соответствующей замкнутому состоянию контакта датчика, подают на вход контрольного устройства для формирования команд управления.
В устройство для контроля состояния дискретных источников сигналов, содержащее линию связи, на одном конце которой подключен контакт датчика, на другом - соединенный с линией связи через формирователь вход контрольного устройства, введен источник импульсов, выход которого подключен к одному из выводов контактного датчика, другой вывод которого подключен к линии связи, к другому концу которой подключен формирователь, содержащий делитель из двух последовательно включенных резисторов, к выходу которого подключен вход диодного амплитудного детектора с фильтром в составе формирователя, выход которого подключен к входу контрольного устройства для формирования команд управления.
На фиг.1 показана структурная схема устройства для реализации предлагаемого способа; на фиг.2 - принципиальная схема устройства для реализации способа; на фиг.3 представлен вид импульсов, которые подают на датчик; на фиг.4 показан процесс формирования входного напряжения из импульсной последовательности.
Структурная схема устройства для реализации способа (фиг.1) состоит из источника 1 импульсов, контактного датчика 2, линии связи 3, формирователя 4 и входа контрольного устройства 5 (показана схема для одного канала).
Принципиальная схема устройства для реализации предложенного способа (фиг.2) содержит источник 1 импульсов; датчики 2 (SQ1-SQ N), подключенные к общей шине 6; транзисторный ключ 7; генератор импульсов 8; линию связи 3; формирователь 4 с резисторами R1 9 и R2 10, диодом VD 11, конденсатором С 12 и входным сопротивлением Rвх 13 первого канала контрольного устройства 5.
Выход источника 1 импульсов подключен к одному из выводов контактного датчика 2, другой вывод которого подключен к линии связи 3. К другому ее концу подключен формирователь 4 с делителем из двух последовательно включенных резисторов R1 и R2 - 9, 10. К выходу делителя подключен вход диодного амплитудного детектора с фильтром, которые входят в состав формирователя 4 (диод 11, конденсатор 12, входное сопротивление 13), выход которого подключен к входу контрольного устройства 5 для формирования команд управления.
Способ осуществляют следующим путем.
Импульсы от источника 1 (фиг.2) поступают на контактный датчик 2, состояние которого определяется ходом контролируемого технологического процесса. В качестве датчика также может быть любой дискретный командоаппарат (например, кнопка или переключатель), с помощью которого задаются команды от оператора для управляющего устройства.
Если контакт датчика замкнут (или состояние бесконтактного дискретного датчика соответствует логической единице), импульсы от источника 1 поступают через линию связи 3 на формирователь 4. Суммарное сопротивление резисторов R1 и R2 - 9, 10 будет определять ток через контакт датчика 2 в момент действия импульса от источника 1. Тем самым обеспечивается необходимый режим работы контакта по току. Амплитуда импульсов источника 1 выбирается из условия надежной работы контакта датчика. Для приведения амплитуды импульсов к требуемому уровню (по условию работы входа устройства 5) используют делитель на резисторах R1 и К2 - 9, 10.
Импульсы с резистора R2 10 формирователя 4 поступают на вход диодного амплитудного детектора с фильтром, которые входят в состав формирователя 4 (диод 11, конденсатор 12, входное сопротивление 13), служащего для выделения огибающей 14 (фиг.4) импульсной последовательности 15, которая поступает на формирователь 4 при замкнутом состоянии датчика 2 (позиция 16 на фиг.4) и образуется из импульсной последовательности 17, которая формируется источником импульсов 1. Выбором высокой частоты следования импульсов (10-100 кГц) обеспечивается малая постоянная времени фильтра и малая величина задержки формируемой огибающей по отношению к импульсной последовательности. Выбор параметров элементов при реализации способа можно пояснить следующим примером.
Если положить, что ток через контакт датчика в импульсе будет равен
,
(где Uи - амплитуда импульсов) то средний ток с учетом скважности 
(фиг.3, где Т - период следования импульсов, tи - длительность импульса) будет равен
.
Выбором скважности Q (при tи≪Т) можно получить небольшой средний ток. Так при Iи=200 мА и скважности Q=20, средний ток составит icp=10 мА, что соответствует уровню токов входных модулей ПЛК. Амплитуда импульса Uи сможет приниматься порядка 100-110 В, что обеспечивает надежный пробой окисной пленки контактов датчика и малое влияние его переходного сопротивления.
Поскольку средняя рассеиваемая мощность на резисторах формирователя 4 невелика (с учетом большой скважности импульсов ), а габариты конденсатора фильтра также небольшие (из-за высокой частоты следования импульсов), такие формирователи легко встраиваются в каждый канал контрольного устройства (например, входного модуля программируемого контроллера) вместо ранее используемых цепей аналогичного назначения (см. фиг.5).
Таким образом, при реализации предлагаемого способа контроля состояния дискретных датчиков с использованием импульсов большой скважности достигаются следующие технические результаты:
- повышение надежности работы контактных датчиков (за счет увеличенных значений напряжения и тока) и, тем самым, достоверности определения их состояния;
- исключается расход энергии на дополнительных нагрузочных резисторах и необходимость установки плат с этими резисторами;
- уменьшаются габариты элементов входных цепей каналов модулей;
- уменьшаются габариты и расход энергии в импульсных блоках питания по сравнению с обычными источниками питания;
- появляется возможность для производителя ПЛК выпускать только один тип дискретных входных модулей.
1. Способ контроля состояния дискретных источников сигналов, связанный с формированием импульсов, соответствующих состоянию датчиков и используемых для выработки команд управления, отличающийся тем, что при включенном состоянии датчиков передают по линии связи короткие по отношению к периоду их следования импульсы напряжения от источника импульсов, которые на другом конце линии подают на формирователь, параметрами которого выбирают требуемый ток через контакт датчика в момент подачи на него импульса и требуемую амплитуду выходных импульсов, которые подают на вход диодного амплитудного детектора с фильтром в составе формирователя, после которого напряжение в виде огибающей импульсной последовательности, соответствующей замкнутому состоянию контакта датчика, подают на вход контрольного устройства для формирования команд управления.
2. Устройство для контроля состояния дискретных источников сигналов, содержащее линию связи, на одном конце которой подключен контакт датчика, на другом - соединенный с линией связи через формирователь вход контрольного устройства, отличающееся тем, что в него введен источник импульсов, выход которого подключен к одному из выводов контактного датчика, другой вывод которого подключен к линии связи, к другому концу которой подключен формирователь, содержащий делитель из двух последовательно включенных резисторов, к выходу которого подключен вход диодного амплитудного детектора с фильтром в составе формирователя, выход которого подключен к входу контрольного устройства для формирования команд управления.
