Модуль вывода унифицированных аналоговых сигналов ТПТС55.1663

Назначение
Модуль вывода унифицированных аналоговых сигналов ТПТС55.1663 (далее модуль) предназначен для работы в составе комплекса средств автоматизации ТПТС-НТ.
Модуль осуществляет воспроизведение унифицированных сигналов тока или напряжения по значениям, передаваемым от процессора автоматизации (ПА).
Модуль выполняет следующие функции:
воспроизведение до 14 унифицированных сигналов тока в диапазонах от 0 до
20 мА и от 4 до 20 мА;
воспроизведение до 14 унифицированных сигналов напряжения в диапазонах от 0 до 10 В и от 2 до 10 В.
Модуль допускает работу в резервированном режиме.

Структурная схема модуля

В состав модуля входят:
-14-ти разрядный цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) с интерфейсом SPI, предназначенный для преобразования кодов аппаратно воспроизводимых значений, передаваемых по интерфейсу SPI от микроконтроллера, в сигнал напряжения;
-выходной мультиплексор, предназначенный для подключения выхода
ЦАП к одному из 14 каналов вывода или к одному из двух вспомогательных устройств выборки-хранения (УВХ);
вспомогательные УВХ:
- DAC_TEST (используется для контроля исправности ЦАП);
- OFFSET (используется для смещения выходных сигналов каналов);
14 каналов вывода унифицированных сигналов тока или напряжения, каждый из которых включает:
- устройство выборки-хранения, реализованное на конденсаторе и буферном операционном усилителе (ОУ). Устройство обеспечивает хранение значения выходного сигнала канала пока выход ЦАП с помощью мультиплексора подключен к другому каналу вывода;
- выходной каскад с ограничением величины выходного тока (VT1, VT2, R1, R2);
- резистор R3, предназначенный для реализации обратной связи по току при воспроизведении сигнала тока;
- делитель напряжения (R4, R5), предназначенный для реализации обратной связи по напряжению при воспроизведении сигнала напряжения;
- диод VD1, предназначенный для предотвращения втекания в выход резервного модуля выходного тока основного модуля;
- усилитель обратной связи, предназначенный для формирования сигнала, используемого для контроля и автоматического поддержания величины выходного сигнала канала;
- блок перемычек, предназначенный для аппаратной настройки выходного каскада на воспроизведение сигнала тока или напряжения;
- полупроводниковое устройство подавление импульсных помех (VD2);
входной мультиплексор, предназначенный для подключения ко входу АЦП микроконтроллера выходов усилителей обратной связи каналов и выходов устройств выборки-хранения DAC_TEST и OFFSET;

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 встроенным программным обеспечением (ВПО);
схема гальванической развязки и формирователи сигналов шин ввода/вывода;
устройство сброса выходных сигналов, реализующее спад до нулевого значения выходных сигналов всех каналов при прекращении обновления информации на устройствах выборки-хранения (при неисправности МК или сбое ВПО);
источник питания, вырабатывающий все необходимые для работы модуля напряжения;
схема-арбитр, используемая для организации работы модуля в резервированной конфигурации;
электронный ключ, предназначенный для отключения питания (1P24V) выходных каскадов резервного модуля;
светодиодные индикаторы состояния модуля.
В основе воспроизведения лежит цифро-аналоговое преобразование принимаемых от ПА воспроизводимых значений в аналоговый сигнал напряжения. Полученный на выходе ЦАП сигнал напряжения преобразуется выходным усилителем в унифицированный аналоговый сигнал тока или напряжения.
Цепь цифро-аналогового преобразования, общая для всех каналов, последовательно подключается через выходной мультиплексор к выходному усилителю каждого канала. За время цикла модуля однократно обновляются выходные сигналы всех каналов.
Для поддержания значения выходного сигнала канала в течение времени, когда выход ЦАП задействован для воспроизведения сигналов в других каналах, используется устройство выборки-хранения.
Устройство выборки-хранения представляет собой конденсатор, подключенный к высокоомному входу выходного усилителя.

Выходной усилитель выполнен на операционном усилителе, охваченном отрицательной обратной связью, в которую включен инструментальный усилитель с постоянным коэффициентом усиления.
В режиме воспроизведения напряжения входным сигналом усилителя обратной связи является падение напряжения на сопротивлении R4 делителя выходного напряжения (R4, R5), в режиме воспроизведения тока – падение напряжения на сопротивлении R3. Режим воспроизведения определяется положением кодирующих гнезд на вилках XPa, XPb блока перемычек канала.
Сигнал с выхода усилителя обратной связи используется также для обратного чтения и контроля выходного сигнала канала. При обратном чтении цепь обратной связи выходного усилителя через мультиплексор и буферный усилитель подключается к
12-разрядному АЦП микроконтроллера. АЦП преобразует аналоговый сигнал обратной связи в код, а ВПО модуля осуществляет преобразование полученного кода в контрольное значение выхода.
На вход REF усилителя обратной связи с устройства выборки-хранения OFFSET подаётся напряжение смещения нуля ЦАП, необходимое для исключения использования нелинейной зоны ЦАП. Наличие смещения позволяет удерживать выходы неактивных каналов в отключенном состоянии. В резервном модуле и модуле, выведенном из работы, с помощью напряжения смещения в отключенном состоянии удерживаются все выходы модуля.

При возникновении критической неисправности модуля, работающего в нерезервированном режиме, или в обоих модулях резервированной пары осуществляется программный сброс выходных сигналов в нулевое значение со скоростями, заданными при параметрировании модуля. При неисправности МК или сбое ВПО модуля, приводящих к прекращению обновления информации на УВХ каналов, сброс выходных сигналов осуществляется аппаратно с помощью устройства сброса выходных сигналов. При этом скорость спада выходных сигналов составляет
~ 0,5 В/с или ~ 1мА/с в зависимости от типа выходного сигнала. Устройство сброса реализовано на базе одновибратора, выход которого управляет схемой заряда конденсатора УВХ OFFSET.
В режиме воспроизведения напряжения выходное напряжение снимается с выводов AO[i] и REF[i] соединителя Х2. При этом вывод REF[i] должен быть дополнительно соединен с цепью M.
В режиме воспроизведения тока выходной ток снимается с вывода AO[i] соединителя Х2. Вывод REF[i] должен быть оставлен неподключенным.
Каждый выходной каскад содержит цепь ограничения выходного тока, обеспечивающую защиту выходного усилителя при замыкании выхода AO[i] на цепь M.
Для резервного модуля резервированной пары производится отключение питания выходных каскадов (1P24V) с помощью электронного ключа К1. Диод VD1 в выходной цепи предотвращает втекание в выход резервного модуля выходного тока основного модуля.

Алгоритм воспроизведения унифицированных аналоговых сигналов
Алгоритм воспроизведения унифицированных аналоговых сигналов выполняет следующие функции:
1 Линейное преобразование воспроизводимого значения (аналогового значения из пользовательского диапазона, полученного от ПА) в аппаратно воспроизводимое значение (значение аналогового сигнала из унифицированного диапазона тока/напряжения);
2 Цифро-аналоговое преобразование аппаратно воспроизводимого значения в выходной сигнал тока/напряжения;
3 Контроль значения выходного сигнала;
4 Имитация выходного сигнала;
5 Сигнализация неисправностей.
Воспроизведение по каждому каналу осуществляется независимо. Настройка каналов производится также независимо. Настройка производится путем пересылки в модуль двоичных и аналоговых настроечных параметров алгоритма воспроизведения из ПА.

Воспроизведение по каждому каналу осуществляется независимо. Настройка каналов производится также независимо.
Настройка производится путем пересылки в модуль двоичных и аналоговых настроечных параметров алгоритма воспроизведения из ПА.

Нормализация
На вход алгоритма воспроизведения из ПА поступает сигнал «Воспроизводимое значение» XQi. Диапазон [XA; XE] сигнала XQi определяется пользовательской структурой ПА, поэтому при воспроизведении выполняется нормализация – приведение воспроизводимого значения к унифицированному диапазону аналогового сигнала.
Нормализация представляет собой линейное преобразование воспроизводимого значения (XQi) в аппаратно воспроизводимое значение (XQAi)
XQAi = Ki*XQi + Bi (1)
Сигнал «Аппаратно воспроизводимое значение» XQAi формируется в единицах
тока (мА) или напряжения (В) в зависимости от того, как алгоритм воспроизведения канала настроен с помощью параметра «Тип выхода».
При параметрировании ВПО модуля осуществляет расчет коэффициентов Ki и Bi для параметрируемых каналов по формулам
Ki = (WEi – WAi) / (XEi – XAi), (2)
Bi = WAi – Ki * XAi, (3)
где XAi ‒ параметр «Нижняя граница диапазона воспроизведения», задающий значение воспроизводимого сигнала, при котором на аппаратном выходе модуля формируется нижнее граничное значение WAi диапазона, определенного параметром «Тип выхода» (таблица 1.2);
XEi ‒ параметр «Верхняя граница диапазона воспроизведения», задающий значение воспроизводимого сигнала, при котором на аппаратном выходе модуля формируется верхнее граничное значение WEi диапазона, определенного параметром «Тип выхода» (таблица 1.2).

Ограничение кода ЦАП
По аппаратно воспроизводимому значению XQAi производится расчет кода ЦАП Xi. В алгоритме воспроизведения не предусмотрено ограничение воспроизводимого значения XQi или аппаратно воспроизводимого значения XQAi при выходе за диапазоны [XAi; XEi] и [WAi; WEi], соответственно, но осуществляется ограничение кода ЦАП при выходе за диапазон допустимых для кодов ЦАП значений.
Гарантируется воспроизведение аналоговых сигналов в диапазонах значений
[XQA_min; XQA_max], превышающих рабочие диапазоны [WA; WE].

Контроль значений выходных сигналов
В основе контроля лежит обратное чтение и сравнение значения выходного сигнала с заданным на воспроизведение значением (аппаратно воспроизводимым значением).
Если значение выходного сигнала превышает аппаратно воспроизводимое значение более чем на 1% от верхней границы диапазона воспроизведения, то формируется сигнал AAZHi – «Значение выходного сигнала больше заданного». Если значение выходного сигнала меньше аппаратно воспроизводимого значения более чем на 1% от верхней границы диапазона воспроизведения, то формируется сигнал AAZNi – «Значение выходного меньше заданного».
При формировании любого из сигналов неисправности AAZHi, AAZNi формируется сигнал канальной ошибки KFi.
Данный контроль позволяет осуществлять диагностику цепей подключения нагрузки. При этом сигнал AAZNi и, как следствие, сигнал KFi формируются в случаях:
отсутствие подключения выхода AO[i] в режиме воспроизведения тока;
замыкание выхода AO[i] на цепь L+ в режиме воспроизведения тока;
отсутствие подключения выхода REF[i] в режиме воспроизведения напряжения;
замыкание выхода AO[i] на цепь M в режиме воспроизведения напряжения;
замыкание выхода AO[i] на цепь L+ в режиме воспроизведения напряжения.
В последнем случае происходит формирование сигнала AAZNi вместо AAZHi вследствие срабатывания встроенной защиты микросхемы усилителя обратной связи от перенапряжения.

Аналоговые сигналы, передаваемые из ПА в модуль
Двоичные сигналы, передаваемые из ПА в модуль
Двоичные сигналы, передаваемые из модуля в ПА

Основные технические характеристики

Дополнительные технические характеристики

Установка кодирующих гнезд
Перед вводом модуля в эксплуатацию на вилки XP100 - XP127 должны быть установлены кодирующие гнезда, задающие тип выходного сигнала (сигнал тока или сигнал напряжения) для каждого из 14-ти каналов модуля.
Положение кодирующих гнезд на контактах вилок
Соответствие каналов и вилок

ВНИМАНИЕ: ДЛЯ НЕИСПОЛЬЗУЕМЫХ КАНАЛОВ КОДИРУЮЩИЕ ГНЕЗДА ДОЛЖНЫ БЫТЬ УСТАНОВЛЕНЫ В ПОЛОЖЕНИЕ ПО УМОЛЧАНИЮ

Схема подключения нагрузки при воспроизведении каналом модуля сигнала тока

Схема подключения нагрузки при воспроизведении каналом модуля сигнала напряжения

Объявление модуля
Для объявления модуля ТПТС55.1663 используется инструкция «YAA»
YAA <номер слота> <признак резервирования>
.
Для объявления канала воспроизведения модуля ТПТС55.1663 используется инструкция «AAU»
AAU <номер канала в ПА> <номер канала СПМ> <тип выхода>
<дополнительный параметр 1> <значение>
<дополнительный параметр 2> <значение>
…
<дополнительный параметр N> <значение>

Основные параметры инструкции «AAU»
Двоичные настроечные параметры