1. Автономные модули ввода/вывода.

           

Автономные модули ввода/вывода (АМВВы) представляют собой модификацию модулей ввода/вывода предназначенную для размещения в непосредственной близости от источников информации (первичных датчиков). При разработке АМВВы преследовалась та же цель: дать пользователю надежное вычислительное устройство, позволяющее строить на его базе отказоустойчивые системы управления, оставаясь при этом в коммерческом диапазоне цен.

При выносе МВВы за пределы вычислительного блока (рис.2.1) на платформе ВБ в соответствующую позицию устанавливается Периферийный вычислительный узел.  Имеющий несколько последовательных каналов связи.

Все АМВВы выполнены в виде опытных образцов.

 

 

1.1 Одноканальный автономный модуль ввода/вывода.

 

На рис.2.6 представлен упрощенный вариант АМВВЫ общего применения, подключаемого по каналу ИРПСМ. Он  выполнен в пластмассовом корпусе размером 72*44*28, имеет 1 канал для связи с модулями верхнего уровня и предназначен для эксплуатации в условиях промышленного диапазона температур, но без жестких механических воздействий.

 

 

 

Рис. 2.6

 

АМВВы, как и все узлы СИРИУС, имеет блочно-модульное исполнение (рис.2.7). Он состоит из базовой платформы и набора сменных модулей цифрового и аналогового ввода/вывода. Такая компоновка позволяет, по согласованию с заказчиком, поставлять широкую номенклатуру УИМ, построенную на основе ограниченного количества базовых платформ и набора сменных модулей ввода/вывода, что делает его ремонтопригодным и модифицируемым, дает существенную экономию при формировании ЗИПа, и облегчает обслуживание (Этот фактор становится особо значимым при большом количестве точек съема информации). Кроме того, при такой конструкции, обеспечивается модернизируемость модулей и существенно сокращаются затраты на разработку новых вариантов АМВВы.

На базовой платформе, в зависимости от исполнения, может быть расположен:

- блок цифрового ввода имеющий 8 логических входов типа «сухой контакт» с оптронной развязкой.

- блок цифрового вывода имеющий 4 логических выхода типа «сухой контакт» с оптронной развязкой.

- блок аналогового ввода имеющий 4 дифференциальных входа для приема потенциальных или токовых сигналов.

Любой базовый модуль может быть дополнен модулем цифрового или аналогового ввода/вывода.

В данном конструктиве может быть выполнен любой специализированный модуль по согласованию с заказчиком, причем затраты на проектирование будут минимальные.

 

 

Рис.2.7

 

Все элементы базовой платформы выбраны исходя из минимума энергопотребления. Общее потребление УМВВы зависит от конфигурации подключенных модулей ввода/вывода, но не превышает 20мА (по цепи питания +24В).

По согласованию с заказчиком в короткие сроки (3-4 месяца) могут быть разработаны новые типы модулей ввода/вывода.

АМВВы выполнены в соответствии с требованиями условий промышленной эксплуатации: Рабочая температура от -40 до +85С;

 

1.2 Двухканальный автономный модуль ввода/вывода.

 

На рис.2.8 представлен вариант АМВВЫ общего применения, подключаемого по каналу ИРПСМ. Он  выполнен в пластмассовом корпусе размером 80*56*35. и имеет 2 канала для связи с модулями верхнего уровня.

 

 

Рис. 2.8

 

АМВВы, как и все узлы СИРИУС, имеет блочно-модульное исполнение (рис.2.7). Как и в предыдущем случае, он состоит из базовой платформы и набора сменных модулей цифрового и аналогового ввода/вывода.

 

Рис.2.9

 

На базовой платформе расположены: контроллер, блок питания и базовый набор микросхем ввода/вывода. Питание осуществляется от напряжения  +24в через любой из канальных разъемов.

Каждый АМВВы может быть подключен к двум независимым ПВУ, расположенным в различных шкафах управления, максимальное расстояние между которыми может достигать 1000м.

Все элементы базовой платформы выбраны исходя из минимума энергопотребления. Ток потребления микропроцессорного блока базовой платформы по цепи +24В не превышает 20мА.

            Предусмотрена диагностика состояния линий. При пропадании питания в любом из каналов или при отсутствии обмена в течение времени, превышающего заданное, передается соответствующее сообщение по исправному каналу связи.

 

1.3 Автономный модуль ввода/вывода повышенной надежности.

 

 

Рис.2.11

 

На рис.1 Представлен вариант конструкции АМВВы, предназначенный для сложных условий эксплуатации. Он  выполнен в алюминиевом корпусе размером 114*90*55. Корпус обеспечивает степень защиты IP65. На стенках корпуса установлены разъемы типа РМ для подключения каналов связи и первичных датчиков.

Для каналов связи АМВВы выполняет и функцию распределительной коробки. Каждый канал имеет по два разъема: входной и выходной. Входной канальный разъем следующего УМВВы может быть подключен к выходному разъему предыдущего. 

 

 

Рис.2.12

 

Как показано на рис.2.12, к каждому модулю опроса, расположенному в шкафу управления верхнего уровня, может быть подключено 2 независимых сегмента по 7 АМВВы в каждом. Каждый УИМ может быть подключен к двум независимым модулям опроса, расположенным в различных шкафах управления, максимальное расстояние между которыми может достигать 1000м.

На одной платформе  может быть смонтировано до 8 модулей опроса, что позволяет подключить к одному вычислительному блоку (шкафу управления) до 16 сегментов или до 112 АМВВы. Общая длина каждого из сегментов – до 1000 метров.

Как и в предыдущих случаях, АМВВы  имеет блочно-модульное исполнение (рис.2.13). Он состоит из базовой платформы и набора сменных модулей цифрового и аналогового ввода/вывода. Такая компоновка позволяет, по согласованию с заказчиком, поставлять широкую номенклатуру АМВВы, построенную на основе единой базовой платформы и набора сменных модулей ввода/вывода, что делает его ремонтопригодным, дает существенную экономию при формировании ЗИПа, и облегчает обслуживание. Кроме того, при такой конструкции обеспечивается модернизируемость модулей и существенно сокращаются затраты на разработку новых вариантов АМВВы.

 

 

Рис.2.13

 

На рис.2.14 представлена структурная схема базовой платформы АМВВы. На базовой платформе расположены: контроллер, блок питания, базовый набор микросхем ввода/вывода и дополнительная память. Питание осуществляется от напряжения  +24в через любой из канальных разъемов.

 

 

Рис 2.14

 

Имеется дополнительная внешняя EEPROM память объемом 65536 байт обеспечивающая возможность записи и хранения до 15000 отсчетов аналоговых и цифровых сигналов.

К УИМ, через специальный технологический разъем, без остановки работы, может быть подключен тестер, с помощью которого можно индицировать текущие значения измеряемых параметров и изменять настройки. Такая функция очень удобна при пуско-наладочных работах и регламентных проверках оборудования. 

 АМВВы может комплектоваться одним из следующих модулей ввода/вывода.

Модуль аналогового ввода обеспечивает прием 8 аналоговых сигналов.

Входные напряжения:  +- 312мв, +- 625мв, +-1.25в, +-2.5в, +-5в, +- 10в; Входной ток: 0-20ма.

Модуль может быть дополнен платой «цифровых» выходов типа «сухой контакт». Каждый из выходов может быть логически (на программном уровне) связан с аналоговым входом. Для каждого из входов может быть задана уставка, при превышении которой происходит замыкание соответствующего выхода. Время срабатывания не более 0.1 с.

 По каждому из входов предусмотрена защита от выбросов напряжения, превышения входным напряжением верхнего и нижнего пороговых значений и воздействия статических разрядов до 2Кв. В совокупности с использованием дифференциальных входов и программной фильтрацией входных сигналов такое построение входной части обеспечивает очень высокую степень защищенности и помехоустойчивости даже без использования схем полной опторазвязки (которые, как правило, ухудшают линейность и температурную стабильность измерения, а так же значительно повышают стоимость изделия). Действие внешних сигналов на внутренние цепи контроллера практически исключено, так как переходное сопротивление составляет около 1Мом. В блоке реализована двойная программная фильтрация сигналов. Сумма 8 последовательных измерений, деленная на 8, по каждому из каналов, и плавающий фильтр на 8 значений с частотой среза около 10Гц. Это позволяет получить стабильное значение входного параметра, даже в условиях значительных помех, что особенно важно при реализации в блоке схем пороговой защиты или регуляторов.

Модуль цифрового ввода обеспечивает прием 16 сигналов от активных или пассивных (типа «сухой контакт») пороговых датчиков. Входные схемы оптронной развязки построены на элементах с повышенной чувствительностью, что обеспечивает устойчивое срабатывание датчиков типа «сухой контакт» при токе не превышающем 1ма. Если конструкция датчика допускает использование таких токов, то общее потребление АМВВы не превысит 20ма, даже при условии одновременного срабатывания всех датчиков. По каждому из входов предусмотрена защита от выбросов напряжения, превышения входным напряжением верхнего и нижнего пороговых значений и воздействия статических разрядов до 2Кв.

Модуль цифрового вывода имеет 16 «цифровых» выходов типа «сухой контакт». Время срабатывания не более 0.1 с.

Все модули ввода/вывода имеют внутреннюю память EEPROM в которой хранятся тип модуля и параметры настройки. При включении питания контроллер платформы считывает информацию из памяти модуля ввода/вывода и автоматически настраивается на работу с заданным типом модуля и установленными параметрами входов и выходов.

По согласованию с заказчиком в короткие сроки (3-4 месяца) могут быть разработаны новые типы модулей ввода/вывода УИМ.

УИМ выполнен в соответствии с требованиями условий промышленной эксплуатации: Рабочая температура от -40 до +85С; Степень защиты и устойчивость к механическим воздействиям по «Мороз-6».

 

2. Вычислительный блок на платформе КалашА.

 

 

Аппаратные средства серии КалашА предназначены для реализации вычислительных блоков (ВБ)  верхнего и нижних уровней. При их разработке ставилась задача создать набор технических средств с минимальной стоимостью при высоких технических возможностях и малых массогабаритных показателях. Все модули выполнены на платах размером 80*38 мм. В состав серии входят:

Платформа;

Центральный и периферийный вычислительные узлы;

Набор модулей цифрового и аналогового ввода/вывода.

Все модули выполнены в соответствии с требованиями промышленного стандарта по температуре (-40 - +85С).

 

3.1. Платформа выполнена в виде печатной платы шириной 72мм, предназначенной для установки в типовой конструктив для монтажа на DIN-рейку или прямо на монтажную плату шкафа управления.

 

 

Рис.3.2

В верхней части платы расположены (в зависимости от модификации) от 5 до 9 разъемов с шагом 12,5 мм для установки центрального ВУ (крайний левый разъем), осуществляющего связь с верхним уровнем, и до 8 модулей ввода/вывода и периферийных ВУ (ПВУ). Длина платы зависит от модификации, и в максимальном варианте (1 ЦВУ и 8 модулей) составляет 130мм. Номер МВВы или ПВУ определяется номером разъема, в который он вставляется (нумерация от 0 до 7 слева направо).

Предусматривается, что платформа имеет внешний источник питания +24В (подается на левый верхний разъем платформы) или получает питание по каналам связи от ВУ верхнего уровня (через ЦВУ, установленный в крайний левый разъем платформы).  Собственный блок питания платформы использует эти 24В для формирования напряжения +5В и +-15В, питающих ЦВУ, ПВУ и МВВы.

Внутренний интерфейс платформы, связывающий центральный ВУ с МВВы и ПВУ, реализован на базе интерфейса SPI. Он имеет скорость обмена около 2Мбод, что обеспечивает передачу байта приблизительно за 5 мксек. Общее время опроса модулей ввода/вывода при стандартной конфигурации ВБ  не превышает 1 млс.

            Данная платформа может выполнять роль, как ВБ верхнего уровня, связанного каналом USB c ПЭВМ, так и удаленного модуля ввода/вывода с общим для всех модулей ввода/вывода блоком связи с верхним уровнем(рис.3.4).

 

 

Рис.3.4

 

Важной особенностью данной платформы является низкое энергопотребление. Все ВУ и МВВы имеют ток потребления не более 20-30 мА, при этом общее потребление платформы в полной комплектации не более 200мА (по цепи питания +24В). Это позволяет подавать питание на платформу от центрального шкафа управления по информационному кабелю (ИРПСМ).

 

3.2 Центральный ВУ представляет собой одноплатную микроЭВМ, имеющую в своем составе контроллер С8051F340, работающий на частоте 48Мгц.

ЦВУ имеет 2 последовательных линии (UARTа) для связи с ВУ верхнего уровня, с электрическим интерфейсом ИРПСМ. Кроме того, имеется разъем для подключения канала USB, что позволяет подключать платформу непосредственно к ПЭВМ, рассматривая ее как ВБ верхнего уровня.  

 

3.3 Периферийный ВУ. Реализует электрические интерфейсы двух каналов ИРПСМ (скорость обмена 57600-691200Бод при длине кабеля от 100 до 1000м). Это позволяет подключить к каждому ПВУ до 14 других ВБ или удаленных МВВы, что позволяет создавать распределенные системы типа "связанного дерева" любого размера (рис3.5). Общее количество каналов ИРПСМ для одной платформы – до 16. Общее количество подключаемых ВБ и АМВВы нижнего уровня – до 112.

.

 

Рис.3.5

 

3.4 Модули цифрового ввода предназначены для подключения к контроллеру датчиков типа “сухой контакт” или 20ма токовая петля. Все входы имеют оптоэлектронную развязку. Использование специального аппартно-программного алгоритма сканирования входов позволяет реализовать модуль с общим потреблением не более 10ма, даже в случае, когда все контакты находятся в замкнутом состоянии. Количество входов- 8. Общее число цифровых входов для одной платформы - до 64. Любой цифровой вход может быть использован как счетчик импульсов (частота до 1000Гц), что позволяет подключить к нему любой счетчик с импульсным выходом.

 

3.5 Аналоговый модуль ввода/вывода имеет 4 дифференциальных аналоговых входа (входное напряжение +-10в, 0-20ма). Использование специальных входных усилителей обеспечивает защиту от синфазных и дифференциальных напряжений до 500В. Общее число аналоговых входов для одной платформы может достигать 32.

Каждый аналоговый вход имеет набор программных фильтров, позволяющих получить высокую точность измерения и малый разброс параметров даже в условиях значительных входных шумов.

 

3.7. Предварительные цены. Предварительный расчет стоимости отдельных модулей приведен в таблице 1.

 

Таблица 1.

Наименование блока или модуля	Цена в у.е.
Центральный вычислительный узел	75
Модуль цифрового ввода	55
Модуль аналогового ввода	80
Периферийный вычислительный узел	75
Платформа с блоком питания	95

 

 

 

3. Вычислительные блоки серии «Profi»

 

 

Платформа «Profi» предназначена для реализации вычислительных узлов для тяжелых и ответственных условий эксплуатации. Она выполнена с максимальным использованием элементов конструктива «Евромеханика». Все модули выполнены в типоразмере 4U c размером платы 144,5*100мм. В качестве соединителя используется  стандартный 96контактный разъем, устанавливаемый на широкой стороне платы.

Выбранный типоразмер позволяет выполнить все требования «спецприемок» в части механических воздействий, оставаясь, насколько это возможно, в рамках использования стандартных элементов конструктива. Кроме того, малая глубина платы позволяет монтировать блок в настенных шкафах. ВУ могут монтироваться в 19” стойке или в настенных шкафах, начиная с типоразмера 300*400*200.

Разъемы связи с периферийным оборудованием вынесены на переднюю панель, на расположенной сзади кросс-плате оставлены только внутренняя шина и питание.

Это, в свою очередь, позволило:

- продублировать все информационные контакты разъемов кросс-платы, что значительно повысило надежность и упростило конструкцию блока;

- использовать, для стыковки с периферийным оборудованием, надежные (с дополнительной фиксацией) и простые в монтаже разъемы.

В целом, создан блок с малой глубиной, простой в изготовлении и обслуживании.

Как показала практика эксплуатации блоков, имеющих в своем составе  микропроцессоры, их надежность напрямую и обратно пропорционально связана с количеством  дополнительных внешних электронных компонентов. Наиболее надежными, особенно в условиях высокого уровня внешних электромагнитных воздействий,  оказываются те технические решения, в которых вся логика работы убрана внутрь кристаллов, соединенных между собой простыми помехоустойчивыми каналами связи.

В соответствии с этим, все модули блока сопряжения имеют собственные высокопроизводительные контроллеры с внутренними высокостабильными кварцевыми генераторами. Количество внешних электронных компонентов сведено к минимуму. Все взаимодействие между модулями, по возможности, вынесено на программный уровень. Такие решения дают значительное повышение помехоустойчивости и надежности.

Программная реализация протокола обмена по внутренней шине с гибкой временной диаграммой позволила значительно упростить алгоритмы обмена и создать надежное программное обеспечение для работы в жестком реальном времени.

Для обеспечения отказоустойчивости предусмотрена возможность использования в одном блоке двух центральных вычислительных узлов , работающих в режиме временного разделения доступа к общей шине данных.

В данной платформе реализована байтовая параллельная шина данных. Максимальная скорость обмена составляет около 2Мбайт/сек. К шине может быть подключено до 8 периферийных ВУ и (или) цифровых и аналоговых модулей ввода/вывода.

 

3.2 Центральный ВУ представляет собой одноплатную микроЭВМ, имеющую в своем составе контроллер С8051F123, работающий на частоте 100Мгц.

ЦВУ имеет 2 последовательных линии (UARTа) для связи с ВУ верхнего уровня, с электрическими интерфейсами RS-232C и ИРПСМ.

ЦВУ производит опрос ПВУ и модулей ввода вывода, подключенных к параллельной шине ввода/вывода, а также реализует общий для ВБ алгоритм управления. Скорость обмена по параллельной шине составляет около 2 Мб/сек. Время опроса для 8 МВВы не превышает 1млсек.

 

Модуль цифрового ввода

 

 

МЦВ имеет 16 независимых входов с оптронной развязкой. Каждый входной сигнал обрабатывается микропроцессором модуля ввода, при этом с ним связывается набор «входных параметров», таких как: «время срабатывания», «время отпускания», «задержка срабатывания» и пр. Поэтому на любой цифровой вход можно, в принципе, подавать напряжение как постоянного, так и переменного тока. В последнем случае цифровой вход, в течение каждого периода переменного тока, будет пребывать, как в активном (включенном), так и в неактивном  (выключенном)  состояниях. Если для данного входа установить время срабатывания меньше, чем время пребывания в активном состоянии, а время отпускания - больше, чем время пребывания в пассивном состоянии, то он будет адекватно фиксировать текущее состояние входа, даже в случае питания схемы напряжением переменного тока. На такой вход можно подавать, через развязывающий трансформатор, сетевое напряжение, фиксируя его наличие или отсутствие. На программном уровне возможно и измерение частоты сети.

3.3 Периферийный ВУ. Реализует электрические интерфейсы двух каналов ИРПСМ (скорость обмена 57600-691200Бод при длине кабеля от 100 до 1000м). Это позволяет подключить к каждому ПВУ до 14 других ВБ или удаленных МВВы, что позволяет создавать распределенные системы типа "связанного дерева" любого размера (рис3.5). Общее количество каналов ИРПСМ для одной платформы – до 16. Общее количество подключаемых ВБ и АМВВы нижнего уровня – до 112.

 

 

Модуль аналогового ввода имеет 12 дифференциальных входов. По каждому из входов предусмотрена защита от выбросов напряжения, превышения входным напряжением верхнего и нижнего пороговых значений и воздействия статических разрядов до 2Кв. В совокупности с использованием дифференциальных входов и программной фильтрацией входных сигналов такое построение входной части обеспечивает очень высокую степень защищенности и помехоустойчивости даже без использования схем полной опторазвязки (которые, как правило, ухудшают линейность и температурную стабильность измерения, а так же значительно повышают стоимость изделия). Действие внешних сигналов на внутренние цепи контроллера практически исключено, так как переходное сопротивление составляет около 1Мом.

По каждому из 24 каналов предусмотрен прием сигналов напряжения до +-5в и токовых 0-20ма. Каждый вход имеет переключаемый коэффициент усиления (0.5, 1, 2, 4, 8, 16).

Управляющий процессор производит циклический опрос всех каналов. Высокая частота преобразования (100Кгц) позволяет реализовать для каждого из каналов двойную фильтрацию входных сигналов. Сумма 8 последовательных измерений, деленная на 8, , плюс - плавающий фильтр на 8 значений.

По каждому из каналов может быть установлено до 8 пороговых уровней, при превышении которых устанавливается соответствующий бит в байте состояния канала. Для нескольких (до 4) каналов может быть задана таблица линеаризации показаний датчика.

Приложение 1. Матрица. Пример реализации высоконадежной системы сбора данных и управления на базе технических средств СИРИУС.

 

 

 

Рис.1

 

На Рис.1 приведен пример построения высоконадежной системы контроля и управления на базе АМВВы повышенной надежости и вычислительных блоков «Profi», иллюстрирующий возможности аппаратных средств СИРИУС.

Система позволяет контролировать до 4 аналоговых или до 16 цифровых (пороговые датчики) параметров, в каждом из 64 узлов сбора информации. Таким образом, общее количество контролируемых значений может составлять: до 256 аналоговых или до 1024 цифровых параметров.

Каждый параметр фиксируется двумя независимыми датчиками (см рис.2), каждый из которых подключен одновременно к двум независимым УИМ (такую возможность представляют, например датчики типа АИР-20).

 

 

Рис.2

Все АМВВЫ получают питание по каналу связи от контроллеров сбора данных. Датчик будет сохранять работоспособность при наличии хотя бы одного из четырех первичных блоков питания.  

В состав системы входит 4 вычислительных блока «Profi», смонтированных в четырех шкафах управления. Максимальное расстояние между шкафами может достигать 1000м. Таким образом, УИМ могут быть размещены на площади 1000*1000м. На каждой платформе смонировано по два ЦВУ и по 8 ПВУ. Каждый ПВУ имеет два канала ИРПСМ для связи с АМВВы. Эти каналы соединены с аналогичными каналами МСД другого контроллера. Все каналы работают в режиме разделения времени. Каждый блок сохраняет полную работоспособность при одиночном выходе из строя любого из ЦВУ.

Система гарантированно сохраняет работоспособность при одиночном отказе: любого из первичных датчиков, любого из АМВВы, любого из каналов связи, любого из контроллеров сбора данных.

Система может сохранять полную или частичную работоспособность при работоспособности хотя бы одного из четырех контроллеров верхнего уровня, хотя бы одного из четырех каналов связи, хотя бы одного из четырех первичных блоков питания, хотя бы одного АМВВы и одного первичного датчика в каждом из узлов.

Обеспечивается полная самодиагностика всех элементов системы, начиная от выходного разъема первичного датчика. Легкость замены отдельных блоков и их сравнительно невысокая стоимость позволяют иметь достаточное количество резервных блоков и оперативно заменять любой отказавший элемент в короткие сроки, что практически исключает отказы.

Технические характеристики системы:

Котроллеры верхнего уровня монтируются в шкафах КН1-304015 (300*400*200) морского исполнения, выпускаемых АО «Новая Эра» (степень защиты IP65);

Питание УИМ осуществляется от внутренних блоков контроллеров верхнего уровня;

Мощность, потребляемая каждым из шкафов управления (контроллеров верхнего уровня) - не более 60вт.

Гарантированное время работы от внутренних источников бесперебойного питания не менее 2.5 часов. 

Общая стоимость такой системы (4шкафа управления + 128ИД) не более 100.000 у.е.