Структурная схема лабораторного макета
Структурная схема лабораторного макета представлена на рисунке 1.1.
Рис.1.1. Структурная схема лабораторного макета на основе контроллера КРОСС
Макет состоит из ПЭВМ типа IBM PC c MS WINDOWS XP и установленными драйверами контроллера КРОСС и SCADA системы IsaGRAF версии 3.5. Контроллер КРОСС с модулями ввода-вывода, блоками питания и терминальными блоками установлен на специальной панели с DIN рейками. Панель заземлена 3-им проводом сетевого кабеля.
Контроллер КРОСС в учебно-лабораторной конфигурации состоит из ХОСТ-контроллера (центрального процессорного модуля), модуля вывода дискретного сигнала DO1-16, двух блоков питания DC-24/5, блока питания 220/24 DRA60-24, блока питания 220/24 БПН-24 и терминального блока подключения нагрузок T1-DO.
ПЭВМ и контроллер имеют следующие варианты взаимного подключения (соединения): RS232-Хост, RS232-мудуль вывода DO1-16 и TCP/IP-Хост. Подключение контроллера к ПЭВМ на программном уровне производится в конфигураторе КРОСС и устанавливаются соответствующие параметры соединения.
Каждый модуль подключается к источнику постоянного тока напряжением 5В. Модуль центрального процессора подключается к отдельному блоку питания, для предотвращения влияния электрических помех, возникающих при коммутации цепей модуля вывода. Модуль центрального процессора является мастером шины SPI и предназначен для управления работой контроллера, организации обмена с внешними устройствами, а также взаимодействия пользователя с контроллером через компьютер и SCADA-систему.
Модуль вывода подключен к модулю центрального процессора соединителем SPI. Соединитель SPI представляет собой ленточный кабель с установленными самим потребителем на нем «на прокол» разъемами IDC−10. Соединитель может иметь от двух до десяти разъемов: первый подсоединяется к модулю ИСК1, последующие - к модулям вывода (до восьми модулей), последний - к модулю вывода или к модулю питания DС-24/5. Модуль питания DС-24/5 предназначен для питания модулей УСО на одной шине SPI. Выходная мощность модуля 10 Вт. Устанавливается на шине SPI. Общая потребляемая мощность модулей на одном соединителе должна быть не более 10Вт.
Эмулятор светофора подключается к модулю вывода DO1-16 через терминальный блок подключения нагрузок T1-DO параллельно с блоком питания БПН-24 с которого и запитывается.
Описание аппаратуры контроллера
Структурная схема контролера приведена на рисунке 1.2, где показаны модули и связи между ними. Блок процессора SM2-CPU-1,5 состоит из центрального процессора и сетевого контроллера. Модули УСО также содержат процессор. Обмен между процессорами выполняется по шинам SPI через модуль ИСК1.
К каждой шине SPI можно подсоединять до 8 модулей УСО. В зависимости от их количества модулей ИСК1 может быть от 1 до 2 шт. Внешние связи могут подключаться к модулям УСО или через терминальные блоки, которые содержат клеммные колодки, или через разъемы «INOUT».
Конструктивно контроллер в общем случае состоит из центрального блока ЦБ1, блока питания и модулей питания, модулей УСО, соединителей SPI, соединителей гибких и терминальных блоков.
Центральный блок ЦБ1 состоит из базового монтажного блока SMАRТ2-BASE и установленных на него модулей. Для установки модулей монтажный блок имеет три посадочных места – слоты «Slot А », «Slot B » и «Slot С », каждое из которых связаны с блоками винтовых зажимов SM2-SCR7 по одной паре на место. Через блоки винтовых зажимов выполняются соединения модулей с внешними цепями.
В «Slot A » всегда устанавливается модуль процессора SM2-CPU-1.5 (центрального процессора), в «Slot С » - модуль ИСК1. В «Slot B » в зависимости от заказа может быть установлен или второй модуль ИСК1, или модуль питанияКР-DС24V1, или панель-заглушкаSM DUMMY-FP (при отсутствии модулей).
Для связи с внешними приборами по локальной сети Ethernet на модуль процессора может устанавливаться субмодульETHERNET SM2-ETH (далее- субмодуль SM2-ETH). Подключение субмодуля с платой центрального процессора осуществляется через два разъема.
Субмодуль и плата центрального процессора имеют общую лицевую панель и занимают в ЦБ1 одно посадочное место.
Если локальная сеть не используется, то нет необходимости в субмодуле. В этом случае модуль процессора комплектуется панелью SM2 - CPU-FP.
Модуль процессора имеет два порта RS-232, один из которых выведен на его лицевую панель, второй - на винтовые зажимы SM2-SCR7, установленные на «Slot А » базового монтажного блока SMАRТ2-BASE.
Модуль питанияКР-DС24V1 предназначен для питания ЦБ1 и модулей УСО при потребляемой мощности не более 10В·A. Он представляет собой преобразователь напряжения постоянного тока 24/5В с гальванической развязкой. Устанавливается в «Slot B » SMАRТ2-BASE и непосредственно (без перемычек) питает ЦБ1 напряжением 5В. Блок питания предназначен для подключения к питающей сети 220 В и преобразования переменного напряжения в постоянное напряжение 24 В. Выходная мощность модуля 50 Вт. Поставляется по заказу.
Рисунок 1.2 Структурная схема контроллера
Модуль питания DС-24/5 предназначен для питания модулей УСО на одной шине SPI. Выходная мощность модуля 10 Вт. Устанавливается на шине SPI.
Модуль состоит из двух функциональных частей:
- преобразователя напряжения постоянного тока 24/5В с гальванической развязкой;
- схемы защиты от выбросов напряжения на шине SPI.
Соединитель SPI представляет собой ленточный кабель с установленными самим потребителем на нем «на прокол» разъемами IDC-10. Соединитель может иметь от двух до десяти разъемов: первый подсоединяется к модулю ИСК1, последующие - к модулям УСО (до восьми модулей), последний - к модулю УСО или к модулю питания DС-24/5.
Общая потребляемая мощность модулей УСО на одном соединителе должна быть не более 10Вт. Значение мощности на соединителе определяется как сумма потребляемых мощностей модулей.
Блоки терминальные Т1-AI, Т1-AIО, Т1-D, Т1-TC, Т1-TR позволяют подключать к контроллеру кабели различных сечений, приходящие от объекта управления - от датчиков и исполнительных органов.
На лицевой панели модулей УСО имеются индикатор «ERROR», свечение которого сообщает об отказах модуля, и три разъема: интерфейсные «RS232», «SPI» и разъем ввода/вывода «INOUT».
Питание контроллера производится от сети переменного тока 220 В (в этом случае должен быть заказан блок питания) или от сети постоянного тока (24±6) В. Для повышения надежности работы контроллера возможен вариант питания в соответствии с рисунком 1.3.
Рисунок 1.3 Раздельное питание ЦБ1 и модулей УСО
Перемычка S1 в модуле ИСК1 не устанавливается, так как питание на ЦБ1 подается от модуля питания KP-DC24V1.
В контроллере применена интеллектуальная подсистема ввода/ вывода, где каждый модуль УСО имеет встроенный бортовой микропроцессор, выполняющий независимо от центрального процессора функции по обработке сигналов и самодиагностике. Модули выполнены как самостоятельные изделия, информационный обмен с которыми осуществляется соединителями SPI.
При проверке модуля в составе контроллера он подключается к разъему «SPI-1» модуля ИСК1 с помощью гибкого соединителя СГ3 из состава ЗИП. К разъему «RS232» центрального процессора подключается компьютер, имеющий программы ISaGRAF и «CrossTest».
Функциональная схема модуля DO1-16 приведена на рисунке 1.4.
Модули дискретных сигналов построены на микроконтроллере (МК) AT90S8515 фирмы « ATMEL». С центральным процессором контроллера модули связываются по внутриконтроллерному последовательному интерфейсу SPI через разъем «SPI» модуля, который одновременно служит и для подачи питания на модуль. Для развязки сигналов между соединителями SPI и МК в модуле установлен буфер.
Для ограничения скачков напряжения на соединителе SPI, которые могут привести к сбою и перезапуску МК, введен коммутатор питания, что делает допустимой «горячую» замену модуля без выключения питания.
Супервизор питания осуществляет генерацию сигнала RESET при включении и отключении питания и имеет в своем составе сторожевой таймер, который так же формирует сигнал RESET при отказе микроконтроллера. Сторожевой таймер периодически сбрасывается программно-управляемым сигналом WD. При обнаружении ошибок выходы модуля устанавливаются в состояние, предварительно заданное пользователем.
К разъему «INOUT» подсоединены ячейки вывода DN1 - DN8 и ячейки ввода DN9 - DN16 дискретных сигналов. Транзисторные оптопары в ячейках обеспечивают гальваническую развязку вводов/выводов. В ячейке ввода со стороны внешних цепей установлены диод для защиты оптопары от обратной полярности входного напряжения и резистор, определяющий входной ток. В ячейке вывода со стороны внешней цепи установлен транзисторный ключ, управляемый оптопарой, и самовосстанавливающийся предохранитель для защиты выхода от коротких замыканий.
Транзисторный ключ имеет защиту от напряжения обратной полярности и от перенапряжения.
При частоте кварцевого резонатора, равной 8 МГц, скорость приема и передачи по RS-232 установлена постоянной и равной 19200 бод.
Конструктивно модули состоят из одной печатной платы.
На лицевой панели модуля имеется индикатор «ERROR», который светится при возникновении ошибок в работе модуля.
Дискретные входы или выходы, связанные в группы по 8 каналов, имеют гальваническую развязку между группами, выполненную с помощью оптронов. Входы или выходы в одной группе имеют одну общую шину.
Питание дискретных входов/выходов выполняется от внешнего источника питания напряжением (24±6) В постоянного тока. Подключение источника может выполняться по двум вариантам, как показано на рисунке 1.5. Источник подключается к колодке «24 В» или колодке ввода/вывода вместе с входными сигналами или нагрузкой в зависимости от варианта подключения.
Рисунок 1.5 Эквивалентная схема дискретного входа
На терминальном блоке Т1-D расположены две колодки «24 В», имеющие по два контакта под зажим «+», «-», две клеммные колодки ввода/вывода по 16 контактов под зажим и две группы перемычек по 8 шт. с положениями – 1-2 и 2-3.