Устройство передачи сигналов по шине

 

Изобретение относится к системам измерения и контроля технологического оборудования, в которых каждый генератор сигналов соединен с соответствующим приемником сигналов через отдельный кабель. Техническим результатом является сокращение числа соединяющих кабелей. Результат достигается тем, что в заявленном устройстве предусмотрен один единственный кабель с четырьмя электрическими проводниками. Два проводника образуют линию шины для передачи сигналов, а два других проводника - линию энергоснабжения. В устройстве генератор сигналов и каждый приемник сигналов имеют устройство управления шиной, предпочтительно CAN-шиной, передача всех сигналов осуществляется по двухжильной линии шины, причем между передачей сигналов и состоянием покоя существует большое отношение сигнал/помеха. Чувствительность к электромагнитному внешнему излучению является также крайне незначительной. 4 з.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к устройству передачи сигналов между, по крайней мере, одним генератором сигналов и, по крайней мере, одним приемником сигналов, содержащему систему линий для передачи сигналов и снабжения электрической энергией генератора и приемника сигналов.

В системах измерения и контроля технологического оборудования, например, в котельных до сих пор измерительный преобразователь (генератор сигналов) соединялся с соответствующим блоком предварительной обработки сигналов (приемником сигналов) через отдельный кабель. Следствием большого числа генераторов сигналов, необходимых часто для контроля температуры, давления, безопасности минимального, максимального уровня жидкости, определения уровня жидкости в данный момент, является большое число кабелей. В частности, при значительных расстояниях между генераторами и приемниками сигналов, если последние установлены в удаленном центре контроля, прокладка кабельной сети представляет собой фактор крупных затрат.

В основе изобретения лежит задача создания устройства вышеназванного вида, затраты на кабельные соединения которого будут незначительными.

Эта задача решается тем, что: - каждый генератор сигналов (1, 2) и каждый приемник сигналов (3, 4) имеет устройство (8, 10) управления шиной; - система линий содержит четыре электрических проводника (16-19), из которых два проводника (18, 19) образуют линию шины для передачи сигналов (в дальнейшем - шина), а два других проводника (16, 17) - линию энергоснабжения; - каждый генератор сигналов (1, 2) и каждый приемник сигналов (3, 4) через устройство (8, 10) управления шиной подключен к линии (18, 19) шины; - каждый генератор сигналов (1, 2) и каждый приемник сигналов (3, 4) подключен к линии (16, 17) энергоснабжения; - на обоих концах системы линии между обоими проводниками (18, 19) линии шины установлен первый резистор (20), между одним проводником (18) линии шины и проводником (16) линии энергоснабжения - второй резистор (21) и между другим проводником (19) линии шины и другим проводником (17) линии энергоснабжения - третий резистор (22), а общее сопротивление резисторов (20-22) соответствует волновому сопротивлению линии (18, 19) шины.

Передача сигналов между генераторами и приемниками сигналов осуществляется по двухжильной линии шины. При этом устройства управления шиной генераторов и приемников сигналов осуществляют координацию передачи сигналов таким образом, что устраняются взаимные помехи или индукция сигналов. Передача сигналов осуществляется не всегда только между генератором и приемником сигналов. Сигнал генератора может быть принят и использован также несколькими приемниками сигналов. Устройства управления шиной позволяют выполнить здесь разнообразные комбинации. Кроме линии шины в системе линий проложена двухжильная линия передачи энергии, по которой передается напряжение питания, причем на обоих концах системы линий имеется оконечное устройство. Таким образом на обоих концах линии шины находится электрическое напряжение с одинаковым потенциалом, поэтому по линии шины не течет уравнительный ток, а потребление энергии незначительное.

В то же время между напряжением, господствующим в линии шины в процессе передачи сигналов, и напряжением, имеющимся в ней в состоянии покоя, имеется большая разность, возникает так называемое большое отношение сигнал/помеха. В результате отнесения к одному и тому же потенциалу подверженность воздействию электромагнитного излучения извне является особенно низкой. Соединение всех генераторов и приемников сигналов через общую линию передачи энергии предлагает разнообразные возможности энергоснабжения. При этом в каждом случае гарантируется, что ко всем подключенным генераторам и приемникам сигналов прикладывается не только одинаковое напряжение питания, но и то, что оно во всех случаях будет находиться на одном и том же потенциале.

Предметом зависимых пунктов формулы изобретения является преимущественное развитие изобретения.

Для применения измерительных преобразователей в качестве генераторов сигналов являются предпочтительными признаки пункта 2 формулы изобретения, особенно, если измерительные преобразователи расположены на установке "рассеянно", т. е. в пространственном отношении в самых различных точках. В случае возникновения дефекта в измерительных преобразователях, не имеющих собственного источника энергии, питание их энергией можно просто отключить через питающую линию из центральной станции. После повторного включения логические (вычислительные) модули измерительных преобразователей вновь выводятся из основного своего состояния, определенного программой; сигналы не искажаются.

Снабжение энергией измерительного(ых) преобразователя(ей) и приемника(ов) сигналов может осуществляться, например, через один единственный центральный сетевой блок питания, который передает необходимую энергию в питающую линию. Согласно пункту 3 формулы изобретения один сетевой блок питания может иметь один или несколько приемников сигналов и передавать необходимую энергию в линию. Питающая линия простым способом может быть согласована соответственно с потребностью приемника и генератора сигналов.

Предусмотренная согласно пункту 4 формулы изобретения CAN-шина отличается высокой помехозащищенностью, т.к. она работает с дифференциальными передаваемыми сигналами. Оба двоичных состояния в передаваемом сигнале изображаются положительным и отрицательным напряжением в линии шины, а для распознавания сигнала решающим является полярность напряжения. Колебания напряжения не создают значительных помех.

Признаки пункта 5 формулы изобретения обеспечивают крайне высокую нечувствительность шины к электромагнитному внешнему излучению.

На чертеже схематично изображен пример выполнения устройства передачи сигналов согласно изобретению.

Для контроля физических величин в промышленной установке, например, в котельной установке (не изображена) в качестве генераторов сигналов предусмотрены два измерительных преобразователя 1, 2, расположенных децентрализованно, а в качестве приемника сигналов - два блока 3, 4 предварительной обработки сигналов, расположенных централизовано.

Измерительные преобразователи 1, 2 имеют соответственно чувствительный элемент 5 для определения контролируемой физической величины (например, уровня наполнения, температуры, давления). Он подключен к согласующему устройству 6, которое соединено с логическим (вычислительным) модулем 7, который в свою очередь соединен с устройством 8 управления шиной. Преобразователь 9 напряжения предусмотрен для питания постоянным напряжением, необходимым для режима работы. Каждый блок 3, 4 предварительной обработки сигналов имеет устройство 10 управления шиной и соединенный с ним логический (вычислительный) модуль 11, управляющий выходным реле 12. Далее в каждом блоке 3, 4 предварительной обработки сигналов в качестве источника энергии предусмотрен сетевой блок 14 питания, соединенный с общей электрической сетью 13, и подключенный к нему преобразователь 15 напряжения для питания постоянным напряжением, необходимым для режима работы.

В качестве системы электрических линий служит кабель с четырьмя проводниками 16-19. Из них два проводника 16 и 17 образуют линию передачи энергии. Два других проводника 18 и 19 скручены друг с другом и образуют линию шины. К двум концам системы линий подключены соответственно три резистора 20-22 в зависимости от вида делителя напряжения. Один резистор 20 включен между концами двух проводников 18 и 19 линии шины. Второй резистор 21 подключен между концами одного проводника 18 линии шины и одного проводника 16 линии передачи энергии, а третий резистор 22 - между концами второго проводника 19 линии шины и второго проводника 17 линии передачи энергии. Общее сопротивление резисторов 20-22 соответствует волновому сопротивлению линии 18, 19 шины. Устройства 8, 10 управления шиной измерительных преобразователей 1, 2 и блоков 3, 4 предварительной обработки сигналов выполнены в виде CAN-шины (Controller-Z Area-Network, см. , например, международная организация по стандартизации 11898) и подключены к линиям 18, 19 шины. С помощью линии 16, 17 передачи энергии соединяются сетевые блоки 14 питания обеих блоков 3, 4 предварительной обработки сигналов, а также преобразователи 9 напряжения обеих измерительных преобразователей 1, 2.

В режиме работы переменное напряжение общей электрической сети 13, например, 230B передается в сетевые блоки 14 питания, которые затем генерируют постоянное напряжение питания, например, 24 В. В блоках 3, 4 предварительной обработки сигналов преобразователями 15 напряжения оно преобразуется в необходимое там рабочее напряжение, например, 5 В. Питающее напряжение передается сетевыми блоками 14 питания также в линию 16, 17 передачи энергии. Отсюда оно посылается в преобразователи 9 напряжения измерительных преобразователей 1, 2, которые преобразуют его в необходимое там рабочее напряжение.

Чувствительные элементы 5 измерительных преобразователей 1, 2 посылают электрический сигнал, соответствующий контролируемой физической величине, в согласующее устройство 6, которое путем усиления, ограничения тока, аналого-цифрового преобразования, образует из него сигнал, подходящий для логического модуля 7. Логический модуль 7 управляет соединением устройства 8 управления шиной с согласующим устройством 6 и преобразует входящий сигнал в формат данных, подходящий для передачи. В устройстве 8 управления шиной сигналы комбинируются в один сигнал CAN-шины, который отсюда посылается в линию 18, 19 шины. При этом устройства управления 8, 10 шиной координируют передачу сигнала по двухжильной линии 18, 19 шины таким образом, что несмотря на несколько подключенных измерительных преобразователей 1, 2 и блоков 3, 4 предварительной обработки не обнаруживаются взаимные помехи или модуляция в процессе передачи сигнала.

Устройство 10 управления шиной блока 3 или 4 предварительной обработки сигналов, который относится к соответствующему измерительному преобразователю 1 или 2, принимает имеющийся в линии 18, 19 шины сигнал CAN-шины и передает содержащиеся в нем данные в логический модуль 11, в котором осуществляется обработка, например, анализ фактических и заданных значений. Если затем станет необходимым, логический модуль 11 пошлет управляющий импульс в выходное реле 12, так что произойдет управление подключенных устройств, например, прибора предупредительной сигнализации, горелки, насоса, регулировочного клапана.

Общая линия 16, 17 передачи энергии и резисторы 20-22 на двух концах линии обеспечивают одинаковый потенциал напряжения питания в измерительных преобразователях 1, 2, а также в блоках 3, 4 предварительной обработки сигналов. Напряжение на концах линии 18, 19 шины находится также на одинаковом потенциале. Тем самым устраняются обусловленные разницей потенциалов уравнительные токи в линии 18, 19 шины, что позволяет сократить расход энергии. Кроме того, напряжение в линии 18, 19 шины в состоянии покоя, т.е. когда не осуществляется передача сигналов, находится на определенном потенциале. Между напряжением линии 18, 19 шины в состоянии покоя и напряжением, господствующим в процессе передачи сигналов, существует определенная большая разность, т. е. большое отношение сигнал/помеха. Устройства 8, 10 управления шиной посылают дифференциальный сигнал, т.е. в передаваемом сигнале одно двоичное состояние изображается положительным постоянным напряжением, а другое двоичное состояние - отрицательным постоянным напряжением. Мерилом сигнала является не величина соответствующего напряжения, а полярность. Все это ведет к однозначной и особенно помехозащищенной передаче сигналов. При этом нечувствительность к внешнему электромагнитному излучению остается высокой, т.к. проводники 18, 19 скручены.

Измерительные преобразователи 1, 2 устанавливаются часто очень далеко друг от друга, что обусловлено оборудованием, в то время как блоки 3, 4 предварительной обработки сигналов устанавливаются предпочтительно в одном центре контроля, например, в общем распределительном шкафе. Сетевые блоки 14 питания и источники энергии всех контрольных компонентов 1-4 находятся в блоках 3, 4 предварительной обработки сигналов и тем самым в центре контроля. Поэтому в случае необходимости из центра контроля можно отключить и включить подачу энергии в отдаленные измерительные преобразователи 1, 2. После включения их логические модули 7 и устройства 8 управления шиной выводятся из основного состояния, определенного их программой. За счет этого можно устранить нарушения или искажения сигналов.

Перечень позиций на чертеже: 1, 2 измерительные преобразователи 3, 4 блоки предварительной обработки сигналов 5 чувствительный элемент 6 согласующее устройство
7 логический модуль
8 устройство управления шиной для передачи сигналов
9 преобразователь напряжения
10 устройство управления шиной для передачи сигналов
11 логический модуль
12 выходное реле
13 электрическая цепь
14 сетевой блок питания
15 преобразователь напряжения
16-19 проводники
20-22 резисторы

Формула изобретения

1. Устройство передачи сигналов по крайней мере одним генератором сигналов и по крайней мере одним приемником сигналов, содержащее систему линий для передачи сигналов и снабжения электрической энергией генератора и приемника сигналов, отличающееся тем, что каждый генератор сигналов и каждый приемник сигналов имеют устройство управления шиной для передачи сигналов, система указанных линий содержит четыре электрических проводника, из которых два проводника образуют шину для передачи сигналов, а два других проводника - линию энергоснабжения, каждый генератор сигналов и каждый приемник посредством устройства управления шиной для передачи сигналов подключен к указанной шине и каждый генератор сигналов и каждый приемник сигналов подключен к указанной линии энергоснабжения, на обоих концах системы линий между обоими проводниками, образующими шину для передачи сигналов, установлен первый резистор, между одним проводником указанной шины и одним из проводников линии энергоснабжения установлен второй резистор, а между другим проводником указанной шины и другим проводником линии энергоснабжения - третий резистор, а общее сопротивление резисторов соответствует волновому сопротивлению линии указанной шины.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве генератора сигналов предусмотрен измерительный преобразователь, содержащий чувствительный элемент и логический модуль, предназначенный для преобразования сигнала в формат данных для передачи, который включен между чувствительным элементом и устройством управления шиной для передачи сигналов, причем линия энергоснабжения предназначена для передачи энергии в измерительный преобразователь.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что по крайней мере один приемник сигналов имеет источник энергии для питания энергией линии энергоснабжения.

4. Устройство по одному из пп.1 - 3, отличающееся тем, что устройство управления шиной для передачи сигналов является шиной, выполненной с возможностью работы с дифференциальными сигналами, двоичные состояния которых - положительное и отрицательное напряжения в указанной шине.

5. Устройство по одному из пп.1 - 4, отличающееся тем, что проводники шины для передачи сигналов скручены друг с другом.

РИСУНКИ

Рисунок 1