Модуль вывода дискретных сигналов для программируемых контроллеров

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ а

Ь!хос длака салоЮих

АРрг, (л) (л 00

О (ф

rgего

/УЩО C

pL7dd v (21) 4730174/24 (22) 14,08.89 (46) 23.05.92. Бюл. ¹ 19 (71) Производственное обьединение "Киевский радиозавод" (72) С.И.Майстренко и С.П.Кабзюк (53) 682.341.401(088,8) (56) Заявка ¹ 57-27216, (Япония), кл, Н 03 К 17/08, 1982.

Кузнецов М.Н. и др. Распределенная система управления технологическим оборудованием и гибкими автоматизированными линиями. — Микропроцессорные средства и системы, 1987, ¹ 2, с.24 — 30. (54) МОДУЛЬ ВЫВОДАДИСКРЕТНЫХ СИГНАЛОВ ДЛЯ ПРОГРАММИРУЕМЫХ КОНТРОЛЛЕРОВ

БЫ 1735808 А1 (я)з G 05 В 19/02, Н 03 К 17/08 (57) Изобретение относится к управлению и регулированию и может быть использовано в программируемых контроллерах технологического оборудования. Цель изобретения — повышение надежности и снижение аппаратурных затрат. Сущность изобретения: устройство содержит: 1 блок связи с ЭВМ (1). 1 регистр данных (2), 1 блок элементов И (3), 1 формирователь управляющих сигналов (4), 1 блок силовых ключей (5), 1 аналоговый коммутатор (6), 1 элемент И {7), 1 источник опорного напряжения (8), 1 интегратор (9), 1 регистр защиты {10), 1 схему сравнения (11). Указанная цель достигается за счет защиты силовых транзисторов от короткого замыкания.

1-2-3-5-6-9-11-7-10-1. 1-4-7-1. 10-3, 8-11.

1-10, 4-10, 4-6. 9 ил.

1735808

30

40

55

Изобретение относится к управлению и регулированию и может быть использовано в программируемых контроллерах технологического оборудования.

Известно устройство, содержащее триггер, транзисторный ключ с токоизмерительным резистором и датчик тока нагрузки.

Недостаток этого устройства состоит в том, что при реализации на его базе многоканального блока транзисторных ключей с защитой по току при повышенных уровнях помех требуется применение дополнительных элементов и в целом такой блок будет иметь большие аппаратурные затраты. Кроме того, на токоизмерительном резисторе должно падать достаточно большое напряжение для срабатывания датчика тока, что приводит к паразитному выделению тепловой мощности, Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является модуль МВД-1, содержащий интерфейсный блок, регистр данных, оптронные и транзисторные ключи с индивидуальной триггерной защитой от перегрузки по току, регистр перегрузки по току.

Существенные признаки этого устройства: интерфейсный блок, регистр данных, оптронные и транзисторные ключи, регистр перегрузки потоку, совпадают с признаками и редлагаемого устройства, Недостатком известного устройства является наличие устройства защиты от перегрузки по току в каждом из транзисторных ключей, В модуле МВД-1 имеется 16 каналов, таким образом, средства защиты ключей от перегрузки по току занимают основную часть схемы, Большое количество элементов приводит к снижению надежности устройства в целом.

Цель изобретения — уменьшение аппаратурных затрат, повышение надежности устройства.

Цель достигается тем, что в устройство, состоящее из блока связи с ЭВМ, регистра данных, регистра защиты блока силовых ключей, отличающееся тем. что. с целью уменьшения аппаратурных затрат и увеличения надежности, в него введены аналоговый коммутатор, интегратор, схема сравнения, источник опорного напряжения, формирователь управляющих сигналов, элемент И и блок элементов И, причем входы аналогового коммутатора соединены с выходом блока силовых ключей, информационный вход интегратора подключен к выходу аналогового коммутатора, первый вход схемы сравнения подключен к выходу интегратора, выход источника опорного напряжения подключен к второму входу схемы сравнения, вход формирователя управляющих сигналов подключен к выходу

"Сброс" блока связи с ЭВМ, адресный выход формирователя управляющих сигналов подключен к входу адреса аналогового коммутатора, выход ".Сброс" — к входу "Сброс" интегратора, первый вход элемента И подключен к выходу "Строб" формирователя управляющих сигналов, второй вход подключен к выходу схемы сравнения, а выход к входу "Запись" регистра защиты и к входу "Запись" блока связи с ЭВМ, первый вход блока элементов И подключен к выходу регистра данных, второй вход подключен к выходу регистра защиты, а выход блока элементов И подключен к входу блока силовых ключей, вход "Адрес " регистра защиты подключен к адресному выходу формирователя управляющих сигналов, первый вход

"Сброс" регистра защиты подключен к выходу "Сброс защиты" блока связи с ЭВМ, второй вход "Сброс" регистра защиты подключен к выходу "Сброс" блока связи с Э ВМ и ко входу "Сброс" регистра данных, информационный выход которого подключен к выходу данных блока связи с ЭВМ, выходы блока силовых ключей являются выходом модуля вывода дискретных сигналов.

В предлагаемом изобретении аналоговый коммутатор, интегратор, источник опорного напряжения, схема сравнения, формирователь управляющих сигналов, элемент И, блок элементов И и регистр защиты в совокупности с указанными связями предназначены для организации поочередного опроса каналов блока силовых ключей, выявления канала, находящегося под перегрузкой по току и перевод этого канала в отключенное состояние, т.е, осуществляется защита силовых ключей от короткого замыкания в нагрузке. Так как для этой цели используются общие для всех каналов элементы, то уменьшаются аппаратурные затраты на реализацию модуля выхода дискретных сигналов для программируемых контроллеров.

Применение интегратора позволяет реагировать на интегральную перегрузку ключа, исключая ложное срабатывание защиты при помехах по питающему нагрузку напряжению.

В предложенном устройстве имеется специальная схема сравнения, позволяющая применять меньший по сравнению с аналогом номинал токоизмерительного резистора, что приводит к снижению выделения тепловой мощности на этих резисторах.

Отличительные признаки предлагаемого устройства: аналоговый коммутатор, интегратор, схема сравнения, источник

1735808

30

55 опорного напряжения, формирователь управляющих сигналов, элемент И и блок элементов И, причем входы аналогового коммутатора соединены с выходом блока силовых ключей, информационный вход интегратора подключен к выходу аналогового коммутатора, первый входсхемы сравнения подключен к выходу интегратора, выход источника опорного напряжения подключен к второму входу схемы сравнения, вход формирователя управляющих сигналов подключен к выходу "Сброс" блока связи с ЭВМ, адресный выход формирователя управляющих сигналов подключен к входу адреса аналогового коммутатора, а выход "Сброс" — к входу "Сброс" интегратора, первый вход элемента И подключен к выходу "Строб" формирователя управляющих сигналов, второй вход подключен к выходу схемы сравнения, а выход — к входу "Запись" регистра защиты и к входу "Запись" блока связи с ЭВМ, первый вход блока элементов И подключен к выходу регистра данных, второй вход подключен к выходу регистра защиты, а выход блока элементов И подключен к входу блока силовых ключей, вход "Адрес " регистра защиты подключен к адресному выходу формирователя управляющих сигналов, первый вход "Сброс" регистра защиты подключен к выходу "Сброс защиты" блока связи с ЭВМ, второй вход

"Сброс" регистра защиты подключен к выходу "Сброс" блока связи с ЭВМ и к входу

"Сброс" регистра данных, информационный вход которого подключен к выходу данных блока связи с ЭВМ, выходы блока силовых ключей являются выходом модуля вывода дискретных сигналов.

В результате анализа известных.аналогичных решений установлено, что отличительные признаки в аналогах отсутствуют, а их наличие в предлагаемом устройстве в совокупности обеспечивает достижение нового технического свойства, выражающегося в повышении надежности устройства и уменьшении аппаратурных затрат íà его реализацию, На фиг, 1 представлена функциональная схема модуля вывода дискретных сигналов для программируемых контроллеров; на фиг. 2 — эпюры сигналов; на фиг. 3 — 9 — пример конкретной реализации, Устройство содержит блок 1 связи с

ЭВМ, регистр 2 данных, блок 3 элементов И, формирователь 4 управляющих сигналов, блок 5 силовых ключей, аналоговый коммутатор 6, элемент И 7, источник 8 опорного напряжения, интегратор 9, регистр 10 защиты, схему 11 сравнения, Устройство работает следующим образом, Первоначально из управляющих сигналов ЭВМ в блоке связи с ЭВМ вырабатывается сигнал "Сброс", который приводит в исходное состояние элементы устройства.

При этом регистр данных устанавливается в нуль, регистр защиты устанавливается в единичное состояние, формирователь управляющих сигналов начинает разворачивать временную диаграмму с адреса первого канала, устанавливает активный сигнал "Сброс интегратора" и пассивный сигнал "Строб". Активным считается сигнал высокого уровня (логическая "1"). Пассивным принят сигнал низкого уровня (логический "0").

После снятия сигнала "Сброс" и "Строб" формирователь управляющих сигналов начинает разворачивать временную диаграмму с определенным периодом повторения.

Временная диаграмма выходных сигналов формирователя управляющих сигналов представлена на фиг. 2.

Сигнал "Сброс интегратора" необходим для периодического обнуления интегрирующей емкости интегратора. В периоде между воздействием этого сигнала выходное напряжение интегратора изменяется от нуля до значения, определяемого величиной входного сигнала

Сигнал "Строб" формируется непосредственно перед сигналом "Сброс интегратора", По заднему фронту изменяется состояние сигналов, определяющих адрес проверенного канала, Число адресных шин в коде равно числу каналов блока силовых ключей.

Последовательно циклически происходит перебор всех адресов.

Адрес канала поступает на вход аналогового коммутатора и последовательно подключает токоизмерительные резисторы блока силовых ключей к входу интегратора, Кроме того, адрес канала поступает на адресный выход регистра защиты.

В определенный момент времени через интерфейс блока связи с ЭВМ в регистр данных записывается информация о включении некоторого числа каналов блока силовых ключей, Регистр данных содержит информацию о включении того или иного канала блока силовых ключей, Если в первый разряд регистра данных записать логическую "1", то при наличии логической "1" на втором входе второй схемы И результирующий сигнал с выхода второй схемы И включит первый канал блока силовых ключей, Аналогично, если записать логическую "1" во второй разряд регистра данных, то вклю1735808 чится второй канал блока силовых ключей, При записи логического "0" в первый разряд регистра данных, выключится первый канал блока силовых ключей. Аналогично выключается второй канал. Таким образом, можно включать/выключать любой канал блока силовых ключей. Информация о включении некоторого числа каналов блока силовых ключей представляет собой многоразрядное двоичное слово, которое поступает из канала ЭВМ через блок связи с ЭВМ на вход регистра данных. Первый разряд этого слова проходит и записывается в первый разряд регистра данных, и в зависимости от содержания этого разряда (логическая "1" или логический "0") включает или выключает первый канал блока силовых ключей, Второй разряд информационного слова включает или выключает второй канал блока силовых ключей. Аналогично N-й разряд включает или выключает N-й канал блока силовых ключей, Для выключения всех каналов все разряды информационного слова должны содержать единицы. Для выключения все разряды должны быть установлены в нуль. В общем случае можно включать каналы блока силовых ключей в любом сочетании друг с другом, Информация с выхода регистра данных проходит через блок элементов И на вход блока силовых ключей, Так как на второй вход этого же блока элементов И поступает единичный сигнал с выхода регистра защиты, на токоизмерительных резисторах включенных каналов начинает падать напряжение, пропорциональное току нагрузки соответствующего канала.

Аналоговый коммутатор в зависимости от поступающего на него адреса последовательно подключает токоизмерительные резисторы каждого из каналов на вход интегратора. После снятия сигнала "Сброс интегратора", поступающего из формирователя управляющих сигналов, выходное напряжение интегратора начинает изменяться от нуля пропорционально входному сигналу. Период повторения сигнала "Сброс интегратора", величина токоизмерительного резистора и постоянная времени интегратора рассчитаны таким образом, что в допустимом диапазоне токовой нагрузки ключа в конце периода интегрирования на выходе интегратора формируется напряжение меньше, чем выходное напряжение источника опорного напряжения, В случае перегрузки ключа это напряжение превысит опорное.

Если на одном из каналов произошла перегрузка по току, то в определенный момент времени токоизмерительный резистор

5Р

55 этого канала подключен через аналоговый коммутатор на вход интегратора. За период интегрирования на выходе интегратора сформируется напряжение, превышающее напряжение источника опорного сигнала, Этот факт выявится схемой сравнения — на ее выходе появится логическая "1", С выхода схемы сравнения логическая "1" поступает на второй вход. элемента И, На первом входе элемента И периодически появляется импульсный сигнал "Строб". При совпадении во времени входных сигналов элемента

И на ее входе формируется единый сигнал

"Запись". Этот сигнал перебрасывает разряд регистра защиты, номер которого соответствует установленному в данный момент адресу канала в нулевое состояние, Нуль с выхода регистра защиты поступает на второй вход соответствующего канала блока элементов И, Таким образом, на входе соответствующего канала блока элементов И появится логический нуль, что вызывает выключение силового ключа соответствующего канала. Аналогично работает защита по любому другому каналу модуля вывода дискретных сигналов.

При выявлении фактов перегрузки по тому или иному каналу сигнал "Запись" поступает на вход блока связи с ЭВМ. Это вызывает появление на канале ЭВМ требования прерывания работы ЭВМ, Данный сигнал указывает ЭВМ на то, что произошла перегрузка по току в одном из каналов модуля вывода дискретных сигналов, Для выявления отказавшего канала ЭВМ должна прочитать через блок связи с ЭВМ состояния выходов регистра защиты, Наличие логического нуля на том или ином выходе регистра защиты указывает на соответствующий номер канала модуля вывода дискретных сигналов, который имел перегрузку по току.

После принятия решения о возобновлении работы выключившегося канала ЭВМ программным образом через блок связи с

ЭВМ формирует сигнал "Сброс защиты".

Этот сигнал устанавливает регистр защиты в исходное единичное состояние, Период повторения (Т) сигналов "Сброс интегратора", "Строб", t соответствует времени измерения гротекающего тока нагрузки одного канала.

Период измерения протекающего тока нагрузки каждого канала Т зависит от числа каналов N

Т-= йт.

Выбор периода Т выбирается в соответствии со следующими требованиями: силовой ключ должен находиться минимальное время под перегрузкой (большой протекаю1735808

10

20

25 тока

Ux tp, 2RC

35

Ix Rx R»1

Ти

U» .— — ——

40

1/16 Т = tcv = tcxp, 45

14/16 Т = ти = 7/8 Т:

7 х х R»1 ти и»вЂ”

55 щий ток короткого замыкания в нагрузке); время интегрирования должно быть достаточно большим, чтобы уменьшить влияния помех.

Исходя из реально используемого транзистора в силовом ключе и уровня помех, практически выбраны: N = 16, Т = 4,8 мс, t =

=210 мкс.

Ниже проводится анализ работы интегратора со сбросом в конкретной схеме включения, приведенной на фиг, 3.

Обозначим: R» — токоизмерител ьный резистор;

R»l и В»2 — последовательная и параллельная составляющие входного сопротивления коммутатора относительно одного отдельно взятого канала;

Iх — контролируемый ток, Полученное напряжение Ux на практике поступает на вход интегратора, построенного по схеме, приведенной на фиг. 4.

При номинальном токе короткого замыкания Ix напряжение на выходе интегратора

0» изменяется от нуля до напряжения, равного напряжению источника опорного напряжения Uc>. Напряжения Uc и U» поступают на вход схемы сравнения.

Для данной схемы

Ux = IxPx + (2) и»1 + »2

Подставив (2) в (1), получаем

С целью минимизации аппаратных затрат один период Т делится на 16 частей где tc — длительность сигнала "Сброс интегратора", tnp — длительность сигнала "Строб".

Задавшись конкретными типами операционного усилителя, коммутатора, компаратора, максимальным током нагрузки и номиналом токоизмерительного резистора, можно рассчитать R и С.

Токоизмерительный резистор выбирается эмпирически минимально возможным, исходя из ограничений: уровень помех, параметры коммутатора, величина коммутируемого тока.

Модуль вывода дискретных сигналов реализован на базе стандартных элементов.

Блок связан с ЭВМ построен по рекомендациям, приводимым в описании на используемую ЭВМ (например, ЭВМ Электроника-60). Для регистра данных и блока элементов И использован универсальный коммутатор К588ВАЗ, Этот элемент позволяет сократить аппаратурные затраты по сравнению с вариантом применения отдельных элементов И.

Реализация остальных элементов схемы приведена на фиг, 3 — 8.

Достоинством предлагаемого устройства является то, что при использовании двуполярного источника опорного напряжения и двуполярной системы сравнения, его можно применять для защиты от перегрузки при коммутации нагрузки в цепях переменного

При коммутации нагрузки в цепях переменного тока используется симистор, B качестве нагрузки может использоваться лампа накаливания, реле и т.п.

Пример ключа переменного тока приведен на фиг, 8.

При коммутации нагрузки в цепях переменного тока устройство работает аналогично тому, как описано выше. Различие состоит в другой принципиальной схеме силовых ключей, источника опорного напряжения и схемы сравнения. Вариант источника опорного напряжения и схемы сравнения приведены на фиг, 9, Период опроса выбран, исходя из надежности обнаружения короткого замыкания в нагрузке, Если предположить, что опрос одного канала производится за 1 период питающего напряжения, то при условии отсутствия синхронизации частоты опроса канала и частоты питающей сети обязательно возникает ситуация, когда опрос произведен в момент перехода тока по цепи нагрузки через нуль или около него (под опросом понимается время интегрирования). В этом случае перегрузка может быть и не обнаружена в течение нескольких периодов, вплоть до того момента, когда опрос выпадет на максимум тока. протекающего по цепи, В предлагаемом устройстве принят трехкратный опрос за 1 полупериод, В этом случае по крайней мере один из трех опросов зафиксирован и передан в схему.что,и

1735808

12! — — 1 ! L г г,;рг 1лггг.лрлтг ра

I

II

I !

Лдрлс Хлнлгв

СтроС - r "г

".v.ã.в

R R

3А(4 обеспечивает достаточно высокую достоверность фиксирования момента перегрузки в течение одного полупериода.

Дальнейшее увеличение достоверности выявления перегрузки путем увеличения количества опросов за полупериод происходит за счет сокращения постоянной интегрирования, что приводит к ухудшению помехоустойчивости при определении момента перегрузки, приводящему к ложным отказам защищаемых цепей.

Формула изобретения

Модуль вывода дискретных сигналов для программируемых контроллеров, содержащий блок связи с ЭВМ, регистр данных, блок силовых ключей, о т л и ч а ю щ ий с я тем, что, с целью уменьшения аппаратурных затрат и увеличения надежности, в него введены аналоговый коммутатор, интегратор, схема сравнения, источник опорного напряжения, формирователь управляющих сигналов, первый и второй элементы И, причем входы аналогового коммутатора соединены с выходом блока силовых ключей, информационный вход интегратора подключен к выходу аналогового коммутатора, первый вход схемы сравнения подключен к выходу интегратора, выход источника опорного напряжения подклю1

Г ,-1 чен к второму входу схемы сравнения, вход формирователя управляющих сигналов подключен к выходу "Сброс" блока связи с

ЭВМ, адресный выход формирователя уп5 равляющих сигналов подключен к входу адреса аналогового коммутатора, а выход

"Сброс" к входу "Сброс" интегратора, первый вход элемента И подключен к выходу

"Строб" формирователя управляющих сиг10 налов, второй вход подключен к выходу схемы сравнения, а выход — к входу "Запись" регистра защиты и к входу "Запись" связи с

ЭВМ блока, первый вход блока элементов И подключен к выходу регистра данных, вто15 рой вход подключен к выходу регистра защиты, а выход блока элементов И подключен к входу блока силовых ключей, вход адреса регистра защиты подключен к адресному выходу формирователя управля20 ющих сигналов, первый вход "Сброс" регистра защиты подключен к выходу "Сброс защиты" интерфейсного блока, второй вход

"Сброс" регистра защиты подключен к выходу "Сброс" блока связи с ЗВМ и к входу

25 "Сброс" регистра данных, информационный вход которого подключен к выходу данных блока связи с ЭВМ. силовой выход блока силовых ключей является выходом модуля вывода дискретных сигналов.

1735808

V. и .o ьхо„-у о Я

-c--- — — - - — — {

3. лл ог..:;а..оо Ъ

С .:СС («С4 У1г а ;1А. ю . Я

3 ? . - -":- = 30

Э 3 Г оо:. з11 йиг. 5 л л р;. л -. н0

1.

Г

C;: 00! С i (--- СС! „

1;с 3с

3А -.г. 7 — — к нагрузке

YQ .... / к Бах олтан пе: алого

К : XO о;ока .—,=1,::= .л "е И

GOl

Q.

) 1 1

Г

I ! .у !

1 гавел —.ее=-ого =-;.емента "И" к,=..- .1..1: о г -., B c vy

Г »

-.-. -.: à-. ору

1735808

Я

+ п

DDT

35

50

Составитель С.Кабзюк

Техред M.Ìoðãåíòàë

Корректор Н.Ревская

Редактор Г.Гербер

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 1814 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5