Многоканальная система управления

МНОГОКАНАЛЬНАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ

Ускорение научно-технического прогресса во всех областях народного хозяйства требует интенсивного развития таких направлений науки и техники, как автоматизация, роботизация, микроэлектроника, вычислительная техника, освоения прогрессивных технологий и новых материалов. Импульсная техника, начальные этапы развития которой были связаны со становлением промышленной электроники, остаётся одной из интенсивно развивающихся областей радиоэлектроники. Сфера использования импульсных устройств в настоящее время продолжает расширяться. В частности, импульсные устройства составили основу элементной базы узлов и блоков электронно-вычислительных машин, автоматических систем управления и обработки информации.

В основных направлениях внедрения на период до 2020 года отмечено, что в настоящее время перед страной поставлена задача «ускоренно развивать выпуск средств автоматизации управленческого и инженерного труда, малых электронно-вычислительных машин высокой производительности, персональных ЭВМ, систем числового программного управления для многофункциональных станков и гибких производственных модулей, программируемых командоаппаратов для различных видов оборудования».

За последние 30 лет произошло активное обновление технических средств цифровой электроники. Появилась интегральная схемотехника, созданы средние и большие интегральные схемы. В последнее время трудно найти какую-либо отрасль науки и техники, развитие которой не было бы связано с вопросами эффективного применения современных средств интегральной схемотехники. В связи с этим цифровая техника – самое перспективное направление в современной электронике, в народном хозяйстве. Без неё немыслимы дальнейший научно-технический прогресс, эффективность учёбы в средних и высших учебных заведениях.

Научно-технический прогресс непосредственно затронул все отрасли народного хозяйства. Возникла необходимость в создании комплексов для управления технологическими процессами – многоканальных устройств. С их помощью можно одновременно или последовательно управлять множеством технологических циклов или устройств.

Это связано с появлением цифровых интегральных схем, позволивших существенно уменьшить габаритные размеры, потребляемую мощность и повысить надёжность разрабатываемой аппаратуры. Особенно перспективно использование цифровой техники в творчестве студентов, так как логические основы цифровой техники достаточно просты и вполне доступны. Цифровые устройства практически не требуют настройки, что особенно важно при работе радиолюбителей.

Многоканальная система управления (МСУ) создавалась как действующая макетная установка для дистанционного управления силовыми цепями или нагрузочными элементами. Особенность этой конструкции состоит в том, что она способна выборочно коммутировать одну из шести нагрузок. Оператор при этом находится на удалении и управляет устройством с помощью пульта.

Пульт связан с МСУ слаботочной линией связи из двухжильного провода. Таким образом, данное устройство позволяет, находясь на удалении дистанционно управлять одной из шести нагрузок. При этом оператор находится вне зоны действия силовых устройств (цехов вредного воздействия, средой агрессивного влияния и т. д.). Достоинство МСУ заключается в том, что для управления силовыми цепями используется линия передачи от пульта управления, состоящая всего из двух тонких проводов (при этом экономятся цветные металлы, монтаж и установку способен производить электромеханик средней квалификации и количество промежуточных коммутационных элементов сокращено до минимума благодаря использованию комплекта цифровых интегральных схем (ИС) средней степени интеграции).

Многоканальная система управления состоит из пульта управления и модуля управления (рисунок 1).

Рисунок 1 – Структурная схема многоканальной системы управления

Модуль управления содержит:

1 – плата блока питания;

2 – плата коммутационных устройств (промежуточные реле);

3 – плата, содержащая двоичный счётчик, регистр сдвига и десятичный дешифратор, установленные на печатной плате ИС серии КМОП (микромощные) и буферных электронных ключей на транзисторах средней мощности.

Пульт управления состоит из платы небольшого размера, содержащей всего две ИС серии КМОП. Питание пульта производится от отдельного гальванического источника питания, состоящего из четырёх элементов АА. На пульте также имеется разъём для подключения внешнего источника питания 6В.

Питание модуля МСУ производится от сети однофазного переменного тока напряжением 220 В.

МСУ представляет собой модульную конструкцию, состоящую из большой материнской платы. На ней установлены: модуль питания, электронно-логический блок (ЭЛБ) МСУ, модуль электронных ключей и модуль переключающих устройств (реле).

На материнской плате ЭЛБ представляет собой печатную плату, выполненную из текстолита и смонтированной на ней электронной схемы. Схема построена на шести интегральных схемах серии К561 (КМОП). Принцип работы ЭЛБ заключается в подсчёте входных импульсов с выхода пульта управления. Выходной сигнал с ПУ представляет собой пачки импульсов. Одновременно ЭЛБ подсчитывает количество импульсов в пачке, представляет это в виде двоичного числа. Далее двоичный сигнал поступает на дешифратор, который преобразует двоичный сигнал в десятичный и даёт разрешение на включение электронного ключа, который управляет коммутирующим реле. В свою очередь реле замыкает силовую электрическую цепь нагрузки.

ЭЛБ производит обработку последовательного числового сигнала. Буфером входа является микросхема DD1.1 К561ЛП2. Она же служит для инверсии входного сигнала. Дальнейшая цифровая обработка входного сигнала происходит следующим образом. Нормированный цифровой сигнал подаётся на параллельный регистр сдвига (три четырёхразрядных регистра сдвига) и на детектор паузы. Сигнал, поступающий на вход элемента DD1.2, он является детектором паузы, служит для выработки сигнала сброса и обнуления показаний двоичного счётчика DD2 К561ИЕ10. Трёхканальный параллельный регистр сдвига – DD3.1, DD3.2, DD4 2×К561ИР2. Истинность двоичного числа с регистра сдвига проверяет мажоритарный клапан DD5 К561ЛП13. После сравнения истинности сигналов в двоичной системе данные поступают на вход десятичного дешифратора, где происходит преобразование двоичного числа в десятичное DD6 К561ИД1. После преобразования сигнал логической 1 поступает на один из выходов ИС, а далее – на буферные элементы микросхем DD1.3, DD1.4 и DD7. Здесь происходит выборочная селекция нужного канала, и сигнал разрешения поступает на плату электронных ключей.

ЭЛБ работает с помощью управления от выносного пульта, с помощью которого при нажатии оператором необходимой клавиши происходит выработка пачек импульсов, служащих для передачи информации о включении нужной силовой нагрузки. Номер клавиши управления соответствует номеру управляемого канала, в зависимости от нажатой кнопки происходит формирование пачек импульсов с определённым количеством импульсов. Сформированный сигнал управления с пульта (ПУ) по линии связи подаётся на вход ЭЛБ. Таким образом происходит управление силовыми электрическими цепями с помощью установки МСУ. Структурная схема электронно-логического блока приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Структурная схема электронно-логического блока

Плата электронных ключей представляет собой текстолитовую пластину с расположенными на ней шести электронными элементами, выполненными на транзисторах КТ972Б. Транзисторы играют роль усилителей низковольтных сигналов с ИС ЭЛБ. Коллектор транзисторных ключей нагружен коммутирующим реле РП21-003. Далее реле коммутирует силовую цепь объекта управления.

Вся установка МСУ получает питание от сети однофазного переменного тока 220 В. На вторичной обмотке входного трансформатора питающее напряжение понижается до величины 20 В. Далее это напряжение через диодный мост преобразуется в пульсирующее постоянное напряжение. Оно служит источником как пульсирующего напряжения для цифровых ИС, так и для получения стабилизированного напряжения величиной +5 В, с помощью стабилизатора напряжения – ИС К142ЕН5А. Выпрямленное нестабилизированное напряжение величиной +12 В служит для питания промежуточных реле.

Выносной пульт управления имеет собственный источник питания, состоящий из четырёх гальванических элементов АА.

Перечень элементов, входящих в МСУ:

DD1, DD7 – четыре двухвходовых элемента «Исключающие ИЛИ»;

DD2 – два раздельных четырёхразрядных двоичных счётчика;

DD3, DD4 – два независимых четырёхразрядных регистра сдвига;

DD5 – «мажоритарный клапан» – три трёхвходовых элемента;

DD6 – десятичный дешифратор;

Эл. кл. – электронный ключ (мощный составной транзистор КТ972Б);

Эл. ком. – электрический коммутатор (реле РП21-003-УХЛ4Б);

УО – управляемый объект (мощные электропотребители);

БП – блок питания.

Описываемая здесь многоканальная система управления обладает повышенной помехоустойчивостью, что достигнуто многократной передачей команд. При этом производится двойное инвертирование входного сигнала с ПУ. Вторым фактором защиты от помех является то, что дешифратор выдаёт сигнал о приёме соответствующей команды лишь в том случае, когда по крайней мере в двух из трёх подряд принятых сигналов содержится одна и та же информация.

Принципиальная электрическая схема пульта управления (ПУ) МСУ приведена на рисунке 3.

Рисунок 3 – Принципиальная электрическая схема пульта управления (ПУ) МСУ

Для передачи команд используется числоимпульсный код. Шифратор пульта управления построен на двух цифровых ИС КМОП-микросхемах серии К561 (DD1, DD2). На элементах DD1.1 и DD1.2 собран генератор прямоугольных импульсов, работающий на частоте около 200 Гц. В связи с тем, что порог переключения КМОП-элементов не соответствует точно половине напряжения питания, для симметрирования импульсов в традиционную схему генератора добавлены элементы R2 и VD1.

Импульсы генератора подаются на счётчик с дешифратором (микросхема DD2), нормально имеющий коэффициент пересчёта 10. В те моменты, когда счётчик находится в состоянии 0 или 1, на выходах 0 или 1 (выводы 3 или 2 соответственно) присутствует логическая 1, которая запрещает прохождение импульсов генератора через элемент DD1.3 на ключевой транзистор VT1 (эмиттерный повторитель). При остальных состояниях счётчика импульсы в положительной полярности проходят на базу VT1. В результате, если не нажата ни одна из кнопок SB1…SB7, на базу VT1 проходят пачки из восьми импульсов, разделённые интервалом, равным 2,5 периода импульсов (первые 4 временные диаграммы на рисунке 4). Передаче таких пачек соответствует отсутствие команды.

Рисунок 4 – Временные диаграммы работы формирователя команд ПУ

Осциллограмма выходных импульсов при нажатии кнопок SB1…SB7 приведены на рисунке 5.

Рассмотрим, как происходит формирование команд на примере команды, содержащей пять импульсов. Если нажать кнопку SB5, счётчик, как и ранее, запрещает прохождение на модулятор первых двух импульсов. Затем на VT1 проходит 5 импульсов, после чего счётчик устанавливается в состояние 7 и на его выходе 7 (вывод 6 DD2) устанавливается логическая 1. Этот сигнал через замкнутые контакты кнопки SB5 поступает на вход R счётчика DD2 и сбрасывает его в 0. В результате на выводе 10 элемента DD1.3 формируются пачки из пяти импульсов, разделённые интервалами такой же длительности, что и при отсутствии передачи команды.

Рисунок 5  – Осциллограмма выходных импульсов при нажатии кнопок SB1…SB7:

1, 2 – выходной сигнал вывода 10 DD1.3 – ПУ включен, не нажата ни одна кнопка; 3…9 – выходной сигнал вывода 10 DD1.3 – ПУ включен, нажата одна из кнопок

При нажатии на любую другую кнопку генерируются пачки с соответствующим номеру кнопки числом импульсов – от 1 до 7, разделённые таким же интервалом.

Схема дешифратора команд приведена на рисунке 6. Пачки входных импульсов отрицательной полярности поступают на формирователь, собранный на элементах R1, C1, DD1.1. Такой формирователь обладает свойствами интегрирующей цепочки и триггера Шмитта. На его выходе импульсы имеют крутые фронты независимо от крутизны фронтов на входе. Кроме того, он подавляет импульсные помехи малой длительности.

Рисунок 6 – Схема дешифратора команд

С выхода элемента DD1.1 импульсы поступают на детектор паузы. Он собран на элементах R2, C2, VD1, DD1.2. Так же, как и DD1.1, элемент «исключающее ИЛИ» DD1.2 работает как усилитель – повторитель сигнала, поскольку один из его входов соединён с общим проводом.

Детектор паузы работает следующим образом. Первый отрицательный импульс пачки, проходя через диод VD1 на вход элемента DD1.2, переключает его в состояние 0. В паузе между соседними импульсами происходит постепенный заряд конденсатора C2 током, текущим через резистор R2, напряжение на входе DD1.2 при этом не доходит до порога переключения этого элемента. Каждый последующий импульс через диод VD1 быстро разряжает конденсатор C2, поэтому во время действия пачки на выходе DD1.2 будет логический 0. В паузе между пачками напряжение на входе 9 DD1.2 достигает порога переключения, этот элемент переключается лавинообразно за счёт положительной обратной связи через конденсатор C2 в состояние 1. В результате в паузе между пачками на выходе 10 элемента DD1.2 формируется положительный импульс (четвёртая диаграмма DD1:10 на рис. 9), сбрасывающий счётчик на микросхеме DD2 в 0.

Импульсы с выхода формирователя DD1.1 поступают также на счётный вход CN счётчика DD2, в результате чего после окончания пачки счётчик устанавливается в состояние, соответствующее числу импульсов в пачке. В качестве примера на рисунке 7 проиллюстрирована работа счётчика в случае приёма пачек из пяти импульсов. К моменту окончания пачки на выходах 1 и 4 счётчика появляются логическая 1, на выходе 2 – логический 0 (диаграммы 3 – 5 DD2:3, DD2:4, DD2:5 на рис. 8). Фронтом импульса с детектора паузы DD1.2 происходит перепись состояния счётчика в сдвигающие регистры DD3.3, DD4, DD3.2, в результате чего на их выходах 1 появляется соответственно логическая 1, логический 0, логическая 1.

Рисунок 7 – Осциллограмма выходных сигналов выводов ИС дешифратора команд

После окончания второй пачки из пяти импульсов, импульс с выхода детектора паузы DD1.2 сдвигает ранее записанную информацию из разрядов 1 сдвигающих регистров в разряды 2, а в разряды 1 записывает результат числа импульсов очередной пачки и т. д. В результате при непрерывном приёме пачек из пяти импульсов на всех выходах сдвигающих регистров DD3.1 и DD3.2 будут логические 1, на всех выходах DD4 – логические 0. Эти сигналы поступают на входы мажоритарных клапанов микросхемы DD5, на их выходах появляются сигналы, соответствующие входным, они поступают на входы дешифратора DD6. На выходе 5 дешифратора появляется логическая 1, которая и является признаком приёма команды с числом импульсов, равным пяти.

Так происходит приём сигналов при отсутствии помех. Если же уровень помех силён, число импульсов в пачке может отличаться от необходимого. В этом случае сигналы на выходах каждого из сдвигающих регистров будут отличаться от правильных. Предположим, что при приёме одной из пачек вместо пяти счётчик насчитает шесть импульсов. После приёма двух пачек из пяти импульсов и одной из шести – состояния выходов регистров DD3.1, DD4 и DD3.2 будут соответственно следующими: 011, 100, 111. На входы элемента DD5.1 поступят две логические 1 и один логический 0.

Поскольку выходной сигнал мажоритарного клапана соответствует большинству сигналов на его входах, он выдаст на вход 1 дешифратора DD6 – логическую 1. Аналогично элемент DD5.2 выдаст логический 0, элемент DD5.3 – логическую 1. На выходе 5 дешифратора будет логическая 1, так же как и в случае приёма сигналов без помех.

Таким образом, если в последовательности пачек импульсов, поступающих на вход дешифратора команд, в любых трёх подряд идущих пачках две имеют правильное число импульсов, на нужном выходе микросхемы DD6 будет постоянно поддерживаться логическая 1.

Если не нажата ни одна из кнопок передатчика, на выходах 1 – 2 – 4 счётчика DD2 после окончания пачки из восьми импульсов будет логический 0 и на всех используемых выходах дешифратора DD6 также логический 0.

В заключении проиллюстрируем трансформацию числовых импульсов от пульта управления до импульсов дешифратора, управляющих электронными ключами (таблица 1).

Таблица 1 – Соответствие выходных сигналов