Модуль ввода унифицированных сигналов тока

Назначение
Модуль ввода унифицированных сигналов тока ТПТС55.1661 предназначен для работы в составе комплекса средств автоматизации ТПТС-НТ. Модуль осуществляет измерение унифицированных сигналов тока, преобразование результатов измерений в значения измеряемых аналоговых параметров, передачу полученных значений измеряемых аналоговых параметров в процессор автоматизации (ПА).
Модуль выполняет следующие функции:
• измерение до 14 унифицированных сигналов тока в диапазонах 0…20 мА и 4…20 мА;
• фильтрация измеренных сигналов тока;
• преобразование измеренных значений сигналов тока в значения измеряемых аналоговых параметров;
• питание датчиков.
Модуль допускает работу в резервированном режиме.

1 – ручки; 5 – светодиод«24V» (зеленый);
2 – держатель предохранителя; 6 – маркировка модуля;
3 – светодиод «ERR» (красный); 7 – соединитель Х1 (вилка, 32 контакта);
4 – светодиод «SIM» (желтый); 8 – соединитель Х2 (вилка, 48 контактов)
Конструкция модуля ТПТС55.1661

Структурная схема модуля

В состав модуля входят:
14 каналов приема унифицированных сигналов тока, включающие:
- прецизионный резистор для преобразования входного тока в напряжение (R = 12,1 Ом);
- схему защиты входа от перенапряжений, предназначенную для ограничения входного тока и защиты прецизионного резистора от выхода из строя при замыкании входа модуля на источник +24 В;
- фильтр нижних частот (с постоянной времени равной 2,2 мс) для подавления помех в измеряемом сигнале;
мультиплексоры, служащие для подключения одного из 14-ти каналов к цепи измерения;
дифференциальный усилитель, обеспечивающий смещение и усиление входного сигнала;
14-ти разрядный аналогово-цифровой преобразователь;
компаратор, осуществляющий контроль превышения допустимого значения синфазного напряжения на входе канала;
микроконтроллер (МК) со встроенными Flash-ПЗУ, ОЗУ, АЦП, портами ввода/вывода, тактовым генератором, последовательными приемо-передатчиками, контроллером SPI, выполняющий программное управление работой модуля в соответствии с записанным в него встроенным программным обеспечением (ВПО);
переключатель опорного напряжения встроенного АЦП микроконтроллера;
14 выходов питания датчиков, имеющих защиту от короткого замыкания на цепь M;
схемы контроля состояния выходов питания датчиков, в состав которых входят делители напряжения, фильтры и буферные регистры;
схема-арбитр, используемая для организации работы модуля в резервированной конфигурации;
схема гальванической развязки и формирователи сигналов шин ввода/вывода;
источник питания, вырабатывающий все необходимые для работы модуля напряжения;
светодиодные индикаторы состояния модуля.

В основе измерений лежит циклическое преобразование аналоговых входных сигналов тока в цифровой вид. Для измерения тока в 14-ти каналах используется мультиплексор. С помощью мультиплексора одна и та же измерительная цепь поочередно подключается к входным каскадам активных каналов на время, необходимое для проведения измерения в данном канале. При этом период измерения по всем каналам зависит от числа активных каналов.
Входные каскады содержат прецизионный измерительный резистор (R = 12,1 Ом), схему защиты входов и фильтр нижних частот с постоянной времени равной 2,2 мс.
Измерительная цепь состоит из дифференциального усилителя и 14-разрядного АЦП. Для возможности измерения отрицательного тока используется положительное смещение выходного напряжения дифференциального усилителя.
Значения кодов АЦП передаются в микроконтроллер по интерфейсу SPI. В микроконтроллере осуществляется преобразование кода АЦП в значение тока, контроль полученного значения, цифровая фильтрация, преобразование значения тока в значение измеряемого аналогового параметра.

В модуле предусмотрен контроль синфазной составляющей входного напряжения. Под синфазной составляющей входного напряжения понимается напряжение на входе AI- относительно цепи M. Контроль осуществляется с помощь компаратора, один из входов которого через мультиплексор циклически подключается к входам AI- модуля. На второй вход компаратора подается опорное напряжение, определяющее верхнюю границу допустимого значения синфазного напряжения. Сигнал логической «1» на выходе компаратора свидетельствует о превышении допустимого значения синфазной составляющей входного напряжения в текущем канале.
Для питания датчиков непосредственно от выходов модуля напряжение питание модуля L+ через ключи подается на выходы DO модуля. Ключ позволяет отключить подачу напряжения на выход DO[i] (индекс «i» – номер канала) при питании датчика от внешнего источника. Ключ также выполняет функцию аппаратной защиты выходов модуля от короткого замыкания на цепи L+ и M. Для продления срока службы ключей дополнительно используется программная защита выходов модуля от короткого замыкания на цепь M. В основе программной защиты лежит контроль напряжений на выходах питания с помощью циклического обратного чтения. При обнаружении короткого замыкания на цепь M ключ выхода размыкается, подача питания на данный выход прерывается. Восстановление напряжения питания на выходе питания датчика происходит не более чем через 30 с после устранения короткого замыкания на цепь M.

Прием и обработка унифицированных сигналов тока
Алгоритм приема и обработки унифицированного сигнала тока выполняет следующие функции:
- аналогово-цифровое преобразование сигнала тока, поступающего на аппаратный вход модуля;
- диагностика неисправностей датчика и цепей подключения датчика;
- фильтрация измеренного сигнала тока;
- имитация входного сигнала тока;
- линейное преобразование значения сигнала тока в значение измеряемого аналогового параметра;
- формирование признака недостоверности полученного значения измеряемого аналогового параметра;
- сигнализация неисправностей.
Прием по каждому каналу осуществляется независимо. Настройка каналов производится также независимо. Настройка осуществляется путем пересылки в модуль двоичных и аналоговых настроечных параметров алгоритма из процессора автоматизации.

ASIMWi – имитируемое значение входного сигнала, мА;
XQAi – значение входного сигнала, мА;
XQBi – прошедшее контроль значение входного сигнала, мА;
XQCi – фильтрованное значение входного сигнала, мА;
XQi – значение измеряемого аналогового параметра
Функциональная схема приема и обработки унифицированных сигналов тока

Диагностика неисправностей датчика и внешних цепей
Контроль синфазной составляющей входного напряжения
При приеме унифицированного сигнала тока в каждом канале производится контроль синфазной составляющей входного напряжения. Если значение синфазной составляющей входного напряжения превышает 10 В, то формируется сигнал превышения допустимого значения синфазного напряжения на входе канала – UCMi. Сигнал UCMi снимается, если значение синфазной составляющей входного напряжения уменьшится до уровня менее 10 В.
Поскольку превышение синфазной составляющей напряжения на входе канала допустимого значения 10 В приводит к невозможности проведения достоверных измерений в данном канале, то при формировании сигнала UCMi формируется также и сигнал канальной ошибки KFi.

Контроль входного сигнала на выход за диапазон
При обработке результата измерения в модуле производится контроль значения входного сигнала XQAi на выход за допустимый диапазон [WAi; WEi]. Значения границ контроля по умолчанию зависят от диапазона входного сигнала.
Значения границ контроля по умолчанию
Имеется возможность работы с пользовательскими значениями границ контроля.
Допустимые значения пользовательских границ контроля
Значение входного сигнала XQAi (или имитируемое значение входного сигнала ASIMWi) сравнивается со значениями границ контроля WAi, WEi. При выходе XQAi (ASIMWi) за указанные границы формируется один из двух сигналов неисправности: «Показание канала меньше допустимого» (сигнал KBUGi), «Показание канала больше допустимого» (сигнал KBOGi). Формирование любого из сигналов KBUGi, KBOGi приводит к формированию сигнала канальной ошибки KFi.
Имеется возможность отключения верхней границы контроля с помощью параметра SPUEi. Если параметр SPUEi сформирован равным логической «1», то логика формирования сигнала KBOGi блокируется.

Контроль перемежающейся неисправности канала
В основе контроля лежит подсчет количества формирований и уходов сигнала канальной ошибки KFi на последовательных промежутках времени, длительность которых задается в параметре «Время подавления перемежающейся неисправности» (SPZFUi).
Если число формирований и уходов сигнала канальной ошибки за время контроля превысит пороговое значение IPANZFUi («Допустимое количество изменений значения сигнала канальной ошибки»), то формируется сигнал FUAi. Сигнал FUAi снимается в конце очередного интервала контрольного времени при условии, что на данном интервале число изменений сигнала KFi не превысило значение IPANZFUi.
При формировании канального сигнала FUAi формируется общий на модуль сигнал перемежающейся неисправности FUAS.
Контроль позволяет осуществить подавление избыточной сигнализации при неисправности канала, имеющей неустойчивый характер (перемежающейся неисправности). Логика подавления заключается в использовании для сигнализации производного сигнала KFi’, являющегося логической суммой сигналов KFi и FUAi.

Контроль скорости изменения входного сигнала
Алгоритм приема и обработки аналогового сигнала обеспечивает возможность контроля скорости изменения входного сигнала тока.
Включение контроля в канале модуля осуществляется установкой значения двоичного параметра «Включение контроля скорости изменения» (параметр SCi) в логическую «1». По умолчанию контроль отключен (значение параметра равно «0»).
Скорость изменения входного сигнала тока определяется как отношение разности двух значений тока, измеренных через заданный интервал времени, к величине этого интервала.
Интервал времени, на котором вычисляется скорость изменения входного сигнала, задается значением аналогового параметра «Интервал времени для контроля скорости» (параметр TIME_GRi).
Предельное значение скорости задается значением аналогового параметра VEL_GRi. Если абсолютное значение рассчитанной скорости превосходит значение, заданное пользователем в параметре VEL_GRi, то формируется сигнал «Недопустимо быстрое изменение сигнала в канале» (KVOGi).

Фильтрация
Аналоговый сигнал XQBi, прошедший контроль неисправности канала, поступает на вход логики фильтрации, которая преобразует его в сигнал «Фильтрованное значение входного сигнала» (XQCi).
По умолчанию программная фильтрация отключена. Для включения фильтрации в канале при определении канала необходимо задать один из четырех возможных типов фильтров в параметре FILTER («Тип фильтрации») и значения параметров данного фильтра

Имитация
Алгоритм приема и обработки унифицированных сигналов тока обеспечивает возможность имитации значений токов, поступающих на аппаратные входы модуля.
Управление имитацией осуществляется с помощью входного сигнала ASIMi, формируемого в диагностической станции. Для включения имитации необходимо установить значение сигнала ASIMi в логическую «1», для отключения – в логический «0».
При имитации на вход алгоритма приема и обработки унифицированных сигналов вместо сигнала «Действующее на аппаратном входе значение» (XQAi) поступает сигнал «Имитируемое значение» (ASIMWi). Имитируемое значение ASIMWi задается с помощью ДС.
Включение имитации оказывает влияние на логику контроля неисправности датчика и внешних цепей. При включенной имитации сигнал «Канальная ошибка» (KFi) формируется, если сформирован хотя бы один из сигналов «Показание канала меньше допустимого» (KBUGi), «Показание канала больше допустимого» (KBOGi), «Свободный вход канальной ошибки» (FEKFi). Формирование канальной ошибки по сигналу «Синфазное напряжение превышено» (UCMi) блокируется.
При включении имитации первичный прием сигнала тока, поступающего на аппаратный вход модуля не прекращается. «Действующее на аппаратном входе значение» (сигнал XQAi) доступно для наблюдения средствами ДС.
При работе СПМ в резервированном режиме команды включения/отключения режима имитации и изменения имитируемого значения, поступающие от ДС, выполняются как основным, так и резервным СПМ.

Питание датчиков
Включение формирования питающего напряжения с аппаратного выхода модуля производится с помощью двоичного параметра «Питание датчика» (параметр LPGi). При установке значения этого параметра в логическую «1» на аппаратном выходе модуля будет сформировано питающее напряжение. Установка значения этого параметра в логический «0» отключает формирование питающего напряжения (это значение параметра является значением по умолчанию).
При работе модуля в резервированном режиме и питании датчиков от выходов модуля по умолчанию осуществляется параллельное питание. Это означает, что оба модуля резервированной пары формируют питающее напряжение, поступающее на питающий вход датчика параллельно.
Параллельное питание может быть отключено для каждого канала в отдельности. Для этого в модуле предусмотрен двоичный параметр «Отключение параллельного питания» (параметр PLPGi). При установке этого параметра в логическую «1» питающее напряжение формируется только на аппаратном выходе основного модуля, в то время как аппаратный выход резервного модуля находится в неактивном состоянии.
Активные выходы питания датчиков не отключаются при переводе модуля в режим «Блокировки выполнения функции» (остановке выполнения алгоритма приема и обработки сигналов тока с формированием сигнала BSP).

Диагностика неисправностей в цепях питания датчиков
При работе модуля в нерезервированном режиме осуществляется диагностика короткого замыкания выхода питания на цепь M и аппаратной неисправности выхода питания типа «обрыв ключа». При обнаружении неисправности формируется канальный сигнал «Падение питающего напряжения канала» (ABUSi).
В случае устойчивой неисправности выход питания датчика программно переводится в неактивное состояние для защиты внутренних цепей модуля. Каждая повторная попытка выдачи питающего напряжения (переключение выхода питания в активное состояние) для проверки восстановления исправного состояния внешней цепи происходит через 30 секунд после предыдущей. Ранее сформированный при обнаружении неисправности питания сигнал ABUSi сбрасывается, если после формирования на аппаратном выходе модуля питающего напряжения обратное чтение не выявило несоответствия. Таким образом, модуль автоматически определяет факт восстановления исправности цепей питания датчика.
При работе модуля в резервированном режиме с параллельным питанием датчиков диагностика позволяет обнаружить неисправность типа «замыкание на M». Функционирование модуля в данном случае такое же, как и при работе модуля в нерезервированном режиме.

Для диагностики ошибок монтажа, а также неисправности выходов питания датчиков резервного модуля типа «обрыв ключа» основной модуль каждые 30 минут переводит один из своих выходов в неактивное состояние на короткое, но достаточное для контроля, время. Падение напряжения питания на данном выходе во время контроля будет свидетельствовать о неисправности параллельного питания датчика: «обрыв ключа» у резервного модуля или ошибка монтажа. При этом в основном модуле формируется сигнал потери параллельного питания датчика в i-ом канале (LOPFi). Канальный сигнал LOPFi приводит к формированию суммарного сигнала потери параллельного питания датчика LOPF. В случае аппаратной неисправности резервного модуля типа «обрыв ключа» резервный модуль в результате контроля на короткое время сформирует сигнал ABUSi.
При работе модулей в резервированном режиме с отключенным параллельным питанием датчиков (питающее напряжение выдается только основным СПМ), диагностика выполняется так же, как и при работе модулей в нерезервированном режиме.

Самодиагностика модуля
В процессе работы модуля ВПО осуществляет непрерывный контроль работоспособности отдельных функциональных узлов модуля. При обнаружении неисправностей функциональных узлов формируются соответствующие сигналы неисправностей, приведенные в таблице
Сигналы неисправностей функциональных узлов являются общими для модуля. Неисправность части узлов влечет за собой невозможность функционирования СПМ. В этом случае в модуле формируется сигнал «Неработоспособность модуля» (BGA). Неисправность другой части узлов приводит к частичной потере работоспособности модуля с сохранением возможности выполнять основную функцию – измерение. В этом случае в модуле формируется сигнал «Неисправность модуля» (BGF).

Контроль связи с ПА
В процессе работы модуля ВПО осуществляет контроль наличия связи с ПА. Поскольку обмен данными с ПА осуществляется через ИМ, то потеря связи с ПА может быть зафиксирована на уровне ИМ. В этом случае значение признака FOK в телеграммах циклического чтения от ИМ будет установлено в логическую «1». Потеря связи также фиксируется в случае превышения времени тайм-аута при приеме очередной телеграммы от ИМ.
В обоих случаях в модуле формируется сигнал потери связи с ПА ‒ LOC. При возобновлении нормального обмена с ПА сигнал LOC сбрасывается.

Признак недостоверности
Каждое значение измеряемого аналогового параметра (XQi) на выходе алгоритма приема и обработки аналогового сигнала сопровождается признаком недостоверности (NVi) полученного измеренного значения. Если признак недостоверности сформирован равным логической «1», то измеренное значение считается недостоверным. Если признак недостоверности сформирован равным логическому «0», то измеренное значение считается достоверным.
Признак недостоверности NVi формируется (устанавливается в логическую «1»), когда сформирован хотя бы один из сигналов: «Неисправность канала» (сигнал M5i) или «Неработоспособность модуля» (сигнал BGA). При уходе сигнала, послужившего причиной формирования признака недостоверности, признак недостоверности снимается с задержкой на время, заданное параметром «Задержка снятия недостоверности измерения» (параметр NVTi). Параметр NVTi задается в секундах, его значение по умолчанию равно 30.
Недостоверное измеренное значение может не соответствовать значению сигнала тока на аппаратном входе модуля из-за неисправностей канала или модуля в целом. Недостоверное измеренное значение не должно использоваться пользовательскими алгоритмами в ПА для принятия решений.

Ламповая сигнализация СП-модуля

Обмен данными с процессором автоматизации
В процессе работы ПА циклически обменивается информацией с модулем. Период цикла обмена задается в ПА при параметрировании. Модуль принимает от ПА команды управления и входные сигналы. Модуль передает в ПА значения измеряемых аналоговых параметров и диагностическую информацию.

Аналоговые сигналы, передаваемые из модуля в ПА
Двоичные сигналы, передаваемые из ПА в модуль
обозначения:
i – номер канала модуля (в ПА передаются канальные сигналы всех активных каналов);
x – номер СВВ, в которой расположен модуль (от 1 до 16);
y – номер модуля в СВВ (от 1 до 16).

Общие на модуль двоичные сигналы, наблюдаемые
диагностической станцией

Аналоговые сигналы, наблюдаемые диагностической станцией
Диагностическая станция позволяет осуществлять имитацию значений входных сигналов тока. Для включения режима имитации в i-ом канале в модуль должны быть переданы сигнал включения имитации ASIMi = 1 и имитируемое значение ASIMWi.
Диагностическая станция позволяет считать из модуля текущие значения всех настроечных параметров модуля и каналов модуля (п. 3.3). С помощью ДС возможно изменение значений дополнительных параметров каналов модуля и восстановление проектных значений этих параметров после изменения.

Работа в резервированном режиме
При работе в резервированном режиме входы двух модулей подключаются последовательно, а выходы питания датчиков – параллельно.
В резервированном режиме работы один из модулей является основным, а второй – резервным. В любой момент времени только один из пары резервированных модулей является основным.
ИМО поддерживает связь с обоими резервированными модулями, но передает в ПА значения измерений только от основного модуля.
Назначение состояния модуля – основной или резервный – может выполняться двумя способами:
централизовано по команде от интерфейсного модуля;
автономно, без команды от ИМО при возникновении критической неисправности основного модуля.
В первом случае назначение состояний модулей осуществляется исходя из наличия и значимости неисправностей модулей. Если оба модуля исправны, то может происходить циклическое изменение состояний модулей с периодом ~24 часа, служащее для проверки исправности модулей.

Во втором случае смена мастерства происходит при следующих неисправностях основного модуля:
перегорание предохранителя;
формирование сигнала неработоспособности модуля (BGA);
потеря связи с ПА (сигнал LOC).
Информация о смене состояний модулей передается в ИМО с помощью диагностических сообщений.
Для синхронизации изменения состояний резервированных модулей и обеспечения наличия только одного основного модуля используются линия связи M/R между модулями и схема-арбитр в каждом из модулей.

Основные технические характеристики

Дополнительные технические характеристики

Подключение датчика
Возможны следующие два варианта подключения датчика к модулю:
а) датчик с питанием от модуля;
б) датчик с автономным питанием.
Схема подключения датчика при работе модуля
в одиночном режиме и автономном питании датчика

Схемы подключения датчика при работе модуля
в одиночном режиме и питании датчика от модуля

Схема подключения датчика при работе модуля
в резервированном режиме и автономном питании датчика

Схемы подключения датчика при работе модуля
в резервированном режиме и питании датчика от модуля

Параметрирование
Функции, выполняемые входами и выходами модуля, а также параметры этих функций определяются в прикладной программе на языке STEP-M(FM), исполняемой процессором автоматизации. Описание языка приведено в документе ТПТС55.1211 РП35 «Описание языка STEP-M(FM)».
Объявление модуля
Для объявления модуля ТПТС55.1661 используется инструкция «YAE»:
YAE <номер слота> <признак резервирования>
Параметры инструкции «YAE»
Объявление канала модуля
Для определения канала модуля ТПТС55.1661 используется инструкция «AEI»:
AEI <номер канала в ПА> <номер канала СПМ> <тип входа>
<дополнительный параметр 1> <значение>
<дополнительный параметр 2> <значение>
…
<дополнительный параметр N> <значение>

Основные параметры инструкции «AEI»
Дополнительные параметры являются необязательными. Если дополнительный параметр не определен при конфигурации, то его значение будет принято равным значению по умолчанию. В следующих таблицах приведены списки дополнительных настроечных параметров каналов модуля.
Процесс параметрирования носит ациклический характер и активизируется при запуске пользовательской структуры в процессоре автоматизации или подаче питания на СПМ.
Если параметры, переданные от ПА в СПМ, имеют некорректный состав или некорректные значения, стандартный алгоритм приема и обработки унифицированных сигналов тока будет иметь неактивное состояние, и сформируется сигнал «Блокировка выполнения функции» (BSP).
Символьные настроечные параметры

Двоичные настроечные параметры

Назначение контактов соединителя Х2

Продолжение

Продолжение