Пристрій вводу дискретних сигналів

Реферат: Пристрій вводу дискретних сигналів належить до пристроїв збору, перетворення даних та їх реєстрації для цифрового обладнання автоматизованих систем керування технологічними процесами і керуючих систем безпеки та призначений для перетворення і вводу в цифрові системи сигналів дискретних датчиків параметрів промислових технологічних процесів у вигляді ″сухий контакт″. Пристрій містить множину вузлів вводу дискретних сигналів, програмовану логічну інтегральну схему ПЛІС, в якій реалізовані вузол логіки, вузол комунікації, вузол діагностики і вузол індикації, елемент безперервності роботи ПЛІС, два вузли гальванічної прийому-передачі, інтерфейс зв'язку LVDS, інтерфейс мережі, вузол електричного живлення, який містить два незалежних взаємно резервованих вводи. Вузол індикації містить цифрові індикатори, пристрій внутрішнього стану пристрою і кодів помилок, пристрій керування параметрами відображення від кнопок на лицьовій панелі пристрою. Кожний із вузлів вводу дискретних сигналів містить два індивідуальних джерела струму, швидкодіючий мультиплексор, пристрій дискретного вводу, гальванічного розділення і передачі цифрових сигналів в вузол логіки ПЛІС. Технічним результатом є підвищення швидкодії, точності перетворень та надійності пристрою, безперервного контролю вхідних ключів і вхідних ланцюгів, а також самодіагностики всіх елементів пристрою та розширення функціональних можливостей. UA 101547 C2 (12) UA 101547 C2 UA 101547 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до пристроїв збору, перетворення даних та їх реєстрації для цифрового обладнання автоматизованих систем керування технологічними процесами і керуючих систем безпеки та призначений для перетворення і вводу в цифрові системи сигналів дискретних датчиків параметрів промислових технологічних процесів у вигляді «сухий контакт». Відомий пристрій віддаленого вводу-виводу дискретних сигналів з гальванічною ізоляцією по патенту РФ № 2356088, МПК G06F 15/17, який містить вузол вводу-виводу дискретних сигналів який включає декілька каналів та елементи гальванічної ізоляції, пристрій обробки вхідних сигналів, формувач інтерфейсу зв'язку з гальванічною ізоляцією, пристрій електричного живлення. Пристрій обробки вхідних сигналів реалізований на мікроконтролері (мікропроцесорі). Як елемент гальванічної ізоляції використовують імпульсний трансформатор. Кожний канал вводу дискретних сигналів містить вхідні фільтри низьких частот. Тип вхідного сигналу - дискретний «сухий контакт». Інтерфейс зв'язку - RS 485. До недоліків даного пристрою належать: пристрій обробки вхідних сигналів, реалізований на мікроконтролері (мікропроцесорі), при цьому обробка вхідних сигналів послідовна; використання імпульсних трансформаторів як вузлів гальванічної розв'язки (габарити, маса та інші недоліки трансформаторів); наявність вхідних фільтрів низьких частот на дискретних елементах по кожному каналу; використання інтерфейсу зв'язку RS 485 з низькою швидкістю та великим споживанням енергії у порівнянні з іншими інтерфейсами. Відомий також пристрій вводу дискретних сигналів з гальванічною ізоляцією ADAM - 4053 серії ADAM - 4000 фірми Advantech (Тайвань) (www.advantech.com). Пристрій містить вузол логіки, реалізований на мікроконтролері, вузли вводу і вузли виводу дискретних сигналів з елементами гальванічної ізоляції у вигляді оптронних ключів, формувач інтерфейсу зв'язку RS 485 з гальванічною розв'язкою, вузол електричного живлення. Тип вхідного сигналу-дискретний «сухий контакт». До недоліків даного пристрою належать: вузол логіки, реалізований на мікроконтролері, при цьому обробка вхідних сигналів послідовна; відсутність елементів безперервного контролю вхідних ланцюгів і вхідних ключів, а також відсутність самодіагностики внутрішніх ланцюгів блока, гальванічно розв'язаних від функціональних елементів; використання інтерфейсу зв'язку RS 485 - низької швидкості, з великим споживанням енергії порівняно з іншими інтерфейсами; інтерфейс мережі - канали зв'язку з розподіленим оптичним середовищем, т.б. до 100 пристроїв на одній лінії - створює проблему одночасного загального доступу; використання одного нерезервованого вводу індивідуального електроживлення; блок монтується автономно на DIN-рейку. В основу винаходу поставлено задачу створення пристрою вводу дискретних сигналів для паралельного прийому вхідних дискретних сигналів у вигляді «сухий контакт» по декількох вхідних незалежних гальванічно розділених лініях, перетворення їх в цифрову форму та первісної обробки вхідних сигналів шляхом введення нового складу елементів пристрою та нової організації взаємозв'язку між ними, використання сучасних програмованих логічних інтегральних схем (ПЛІС), використання швидкодіючих шин LVDS, вузьконаправлених каналів зв'язку типу «передавач-приймач», діагностики всіх вузлів і елементів пристрою, забезпечити підвищення швидкодії та точності перетворень з одночасним спрощенням структури та схеми пристрою, забезпечити надійність та безперервний контроль вхідних ключів і вхідних ланцюгів, а також самодіагностику всіх елементів пристрою, розширення функціональних можливостей. Поставлена задача вирішується тим, що пристрій вводу дискретних сигналів, який містить множину вузлів вводу дискретних сигналів, вузол логіки, вузол комунікації, вузол прийманняпередачі дискретних сигналів, інтерфейс зв'язку, інтерфейс мережі, вузол електричного живлення додатково містить програмовану логічну інтегральну схему (ПЛІС), елемент безперервної роботи програмованої логічної інтегральної схеми, вузол діагностики, вузол індикації, другий вузол приймання-передачі дискретних сигналів, при цьому вузли вводу дискретних сигналів з'єднані з вузлом логіки, перший вузол приймання-передачі дискретних сигналів з'єднаний з вузлом комунікації, другий вузол приймання-передачі дискретних сигналів з'єднаний з вузлом діагностики, елемент безперервної роботи програмованої логічної інтегральної схеми з'єднаний з ПЛІС. Вузол логіки, вузол діагностики, вузол комунікації і вузол індикації, реалізовані в програмованій логічній інтегральній схемі, при цьому вузол логіки з'єднаний з вузлом комунікації і вузлом діагностики, вузол комунікації з'єднаний з вузлом діагностики, вузол діагностики з'єднаний з вузлом індикації. Інтерфейс зв'язку - швидкодіючі 1 UA 101547 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 шини LVDS, інтерфейс мережі - індивідуальні лінії «передавач-приймач». Електричне живлення пристрою забезпечується по двох незалежних вводах. Кожен із вузлів вводу дискретних сигналів містить два індивідуальні джерела струму, швидкодіючий мультиплексор, пристрій дискретного вводу, гальванічного розділення і передачі цифрових сигналів. Порівняльний аналіз з відомими технічними рішеннями показав, що винахід який пропонується, відрізняється наявністю нового складу елементів пристрою та зв'язків між ними, тобто має нову сукупність ознак, які забезпечують нові технічні властивості пристрою. Технічний результат - забезпечення підвищення швидкодії, точності перетворень та надійності пристрою, безперервного контролю вхідних ключів і вхідних ланцюгів, а також самодіагностики всіх елементів пристрою, розширення функціональних можливостей. Використання жорсткої логіки ПЛІС дозволяє забезпечити підвищення точності перетворень та швидкодію, а відповідно підвищити надійність пристрою в цілому і в той же час спростити структуру пристрою. Реалізація алгоритмів в ПЛІС дозволяє в своїй структурі за допомогою спеціальних засобів розробки і програмування жорстко зафіксувати необхідні елементи схемотехніки для одночасної і паралельної обробки всіх необхідних алгоритмів за один цикл роботи та на порядок швидше виконувати різні алгоритми. В ПЛІС для кожного із закладених алгоритмів існують свої окремі технічні засоби, тоді як в мікроконтролері (мікропроцесорі) всі алгоритми повинні послідовно пройти через один і той же апаратний засіб. Наявність двох вузлів гальванічної приймання-передачі дозволяє виділити діагностичну інформацію в окремий пакет і виконувати передачу усієї інформації двома пакетами: пакети оцифрованих вхідних сигналів в логічний пристрій і пакети діагностичних повідомлень в пристрій діагностики. Наявність елементів безперервного контролю вхідних ланцюгів і вхідних ключів, а також самодіагностики внутрішніх ланцюгів пристрою гальванічно розв'язаних від функціональних елементів, діагностики функціональних елементів дозволяє в будь-який момент часу контролювати і визначати стан функціональних елементів пристрою та своєчасно усунути будь які недоліки. Використання швидкодіючих але низьковольтних і малої потужності шин LVDS дозволяє збільшити швидкість приймання-передачі інформації в інші пристрої і одночасно знизити затрати енергії. Використання індивідуальних ліній зв'язку «передавач-приймач» без використання розподіленого оптичного середовища дозволяє вирішити проблему загального доступу, підвищує швидкодію, забезпечує максимально можливу швидкість. Структура каналів зв'язку значно підвищує стійкість та надійність зв'язку. Наявність двох незалежних взаємно резервованих вводів електроживлення дозволяє забезпечити безперервне живлення пристрою. Наявність множини вузлів вводу дискретних сигналів, кожен з яких містять два індивідуальні джерела струму, швидкодіючий мультиплексом, пристрій дискретного вводу, гальванічного розділення і передачі цифрових сигналів в ПЛІС дозволяє виконувати паралельний прийом вхідних сигналів по декількох вхідних незалежних гальванічно розділених лініях та паралельне перетворення вхідних сигналів у цифровий код. На фігурі 1 зображено структурну схему пристрою вводу дискретних сигналів. Пристрій вводу дискретних сигналів містить множину вузлів 1 вводу дискретних сигналів, програмовану логічну інтегральну схему 2 (ПЛІС), в якій реалізовані вузол 3 логіки, вузол 4 комунікації, вузол 5 діагностики і вузол 6 індикації, елемент 7 безперервної роботи ПЛІС 2, два вузли 8, 9 гальванічної приймання-передачі, інтерфейс 10 зв'язку LVDS, інтерфейс мережі 11, вузол 12 електричного живлення, який містить два незалежних взаємно резервованих вводи. Вузол 6 індикації містить цифрові індикатори 6.1, пристрій 6.2 внутрішнього стану пристрою і кодів помилок, пристрій 6.3 керування параметрами відображення від кнопок на лицьовій панелі пристрою. Кожний із вузлів 1 вводу дискретних сигналів містить два індивідуальних джерела струму 1.1, швидкодіючий мультиплексор 1.2, пристрій 1.3 дискретного вводу, гальванічного розділення і передачі цифрових сигналів в вузол 3 логіки ПЛІС 2. Пристрій вводу дискретних сигналів виконує наступні функції: паралельний прийом вхідних дискретних сигналів типу «сухий контакт» по декількох вхідних незалежних, гальванічно розділених лініях; - паралельне перетворення вхідних дискретних сигналів в цифровий код з частотою до 1000 разів в секунду; 2 UA 101547 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 - первинне формування облікового запису пристрою для ідентифікації в системі конфігурації; - безперервна діагностика технічних засобів пристрою по внутрішніх алгоритмах контролю збоїв; - безперервний розрахунок контрольної суми внутрішньої програми модуля для верифікації цілісності пристрою; - розрахунок контрольної суми електронного проекту ПЛІС в момент включення для верифікації цілісності; - формування загального цифрового пакета з описом стану пристрою; - передача діагностичних цифрових пакетів по гальванічно розв'язаній лінії LVDS в пристрій діагностики з частотою 1000 разів у секунду; - відображення результатів діагностики на світлодіодних індикаторах «Робота», «Помилка»; - відображення стану пристрою на 4х-розрядному світлодіодному табло (в тому числі по запиту оператора); - забезпечення елементів пристрою стабілізованим живленням від двох гальванічно розв'язаних перетворювачів живлення = 24В/3,3В, кожний із яких на рівні шафи може живитись енергією від двох різних джерел первинного живлення. Пристрій вводу дискретних сигналів працює наступним чином. По ланцюгу кожного вхідного сигналу пропускається струм від незалежного гальванічно розв'язаного внутрішнього джерела струму кожного вузла 1 вводу дискретних сигналів. Наявність струму, який контролюється пристроєм дискретного вводу 1.3, свідчить про замкнутий стан джерела сигналу. Перед кожним циклом вводу мультиплексор 1.2 виконує перевірку працездатності ключів внутрішнього мультиплексора від другого незалежного джерела струму 1.1. Наявність двох індивідуальних джерел струму дозволяє здійснювати безперервний незалежний контроль стану справності мультиплексора. Інформація про стан вхідних дискретних сигналів в цифровому вигляді по внутрішній шині надходить в вузол 3 логіки, який реалізований в ПЛІС 2. Вузол 3 логіки упаковує дані, які отримані від усіх вузлів 1 вводу дискретних сигналів в стандартні пакети для подальшої передачі в пристрій логічної обробки. Упаковані дані надходять в вузол 4 комунікації, який забезпечує цілісність та гарантовану доставку в пристрій логічної обробки через вузол 8 гальванічного приймання-передачі інтерфейсу зв'язку 10 LVDS. Діагностична інформація про стан всіх внутрішніх елементів блока надходить в вузол 5 діагностики, який реалізований в ПЛІС 2. Вузол 5 діагностики упаковує дані, які отримані від усіх вбудованих в пристрій елементів діагностики, в стандартні пакети для подальшої передачі в пристрій діагностики. Упаковані дані передаються в пристрій діагностики через індивідуальний гальванічно розв'язаний вузол 9 приймання-передачі інтерфейсу зв'язку 10 LVDS. В процесі роботи пристрою на цифрових індикаторах 6.1, вбудованих в його лицьову панель, безперервно відображається внутрішній стан пристрою (справність) або код помилки, яка виникла в разі несправності. Кнопками керування відображенням на індикатори можна викликати більш детальну інформацію, яка дозволить встановити несправність без запобігання до послуг розширеної діагностики робочої станції платформи. Додатково два світлодіодних індикатора 6.3 відображають стан «Робота» або «Несправність». Цикл роботи пристрою встановлюється на стадії робочого проектування в межах від 1 до 10 мс, що гарантує швидкодію пристрою від 100 до 1000 дискретних звітів за секунду. 45 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 50 55 60 1. Пристрій вводу дискретних сигналів, який містить множину вузлів вводу дискретних сигналів, вузол логіки, вузол комунікації, вузол прийому-передачі дискретних сигналів, інтерфейс зв'язку, інтерфейс мережі, вузол електричного живлення, який відрізняється тим, що додатково містить програмовану логічну інтегральну схему ПЛІС, елемент безперервної роботи програмованої логічної інтегральної схеми, вузол діагностики, вузол індикації, другий вузол прийому-передачі дискретних сигналів, при цьому вузли вводу дискретних сигналів з'єднані з вузлом логіки, перший вузол прийому-передачі дискретних сигналів з'єднаний з вузлом комунікації, другий вузол прийому-передачі дискретних сигналів з'єднаний з вузлом діагностики, елемент безперервної роботи програмованої логічної інтегральної схеми з'єднаний з ПЛІС. 2. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що вузол логіки, вузол діагностики, вузол комунікації і вузол індикації, реалізовані в програмованій логічній інтегральній схемі, при цьому вузол логіки з'єднаний з вузлом комунікації і вузлом діагностики, вузол комунікації з'єднаний з вузлом діагностики, вузол діагностики з'єднаний з вузлом індикації. 3 UA 101547 C2 5 3. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що як інтерфейс зв'язку використано швидкодіючі шини LVDS, інтерфейс мережі-індивідуальні лінії ″передавач-приймач″. 4. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що електричне живлення пристрою забезпечується по двох незалежних вводах. 5. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що кожний із вузлів вводу дискретних сигналів містить два індивідуальних джерела струму, швидкодіючий мультиплексор, пристрій дискретного вводу гальванічного розділення і передачі цифрових сигналів. Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4