Устройства связи МПС с объектом контроля и управления

 

Для выполнения задач контроля, обработки данных и управления техническими объектами микроконтроллеры и микропроцессорные системы должны получать информацию от объекта и передавать управляющие воздействия на исполнительные органы. Однако в объектах электроэнергетики рабочие напряжения и токи могут значительно превышать предельно допустимые для микроконтроллеров уровни. Поэтому при построении МПС для ввода и вывода данных необходимо использовать специальные согласующие устройства и преобразователи, называемые в теории управления устройствами связи с объектом (УСО). Рассмотрим некоторые характерные для современных микропроцессорных систем внешние (с точки зрения архитектуры МК) устройства ввода и вывода.

 

Устройства ввода данных

 

Современные устройства ввода данных кроме основных функций – передачи информации и согласования уровней сигналов – выполняют функцию защиты МК путем гальванической развязки между входом и выходом и позволяют значительно снизить энергопотребление по информационным каналам за счет использования электронных устройств.

Для получения от объекта информации о положении коммутационной аппаратуры, о достижении предельно допустимых значений некоторых контролируемых параметров в целях сигнализации (например, токов, напряжений, температур, давлений и т.д.) в МПС вводят данные в дискретной форме. Для этого используются маломощные реле (герконы) и оптопары диод-диод, диод-транзистор (рис. 25).

Для получения от объекта информации о конкретных текущих значениях напряжений и токов для регулирования или индикации в МПС вводят данные в аналоговой форме. При этом используются измерительные трансформаторы, высокочастотные трансформаторные электронные преобразователи (модемы) и оптические гальваноразвязывающие измерительные преобразователи. На рис. 26 приведена схема входного канала для ввода в МПС аналогового сигнала, пропорционального значению тока через шунт (R _ш), с использованием входного измерительного преобразователя HCPL7800 и операционного усилителя.

Схема обеспечивает минимальное потребление электроэнергии от источника информации и гальваническую развязку между ним и аппаратурой обработки данных. Для питания входных цепей измерительного преобразователя необходим независимый источник питания (гальванически не связанный с цепями питания остальной части схемы). Усилитель на выходе преобразователя необходим для согласования диапазона изменения выходного сигнала с диапазоном сигнала на аналоговых входах микроконтроллера, а также для смещения среднего уровня. При необходимости измерений напряжений достаточно заменить шунт на резистивный делитель напряжения.

Устройства вывода

 

Для передачи управляющих воздействий на объекты управления также используются сигналы дискретной и аналоговой форм.

Сигналы в дискретной форме используются для вывода информации в телекоммуникационные системы контроля, индикации, оповещения и сигнализации. При этом применяют электромеханические и/или полупроводниковые (твердотельные) реле.

Применение электромеханических реле, как правило, требует наличия в системе буферов с мощными выходными каскадами. Из-за индуктивности катушек реле необходимо применять защитные диоды, как это показано на рис. 27.

Применение твердотельных реле более предпочтительно из-за того, что в них отсутствуют механические детали, а также снижено энергопотребление по входным цепям. Как показано на рис. 28, оптоэлектронные твердотельные реле представляют собой оптрон, дополненный схемой выходного усилительного каскада, и могут иметь варианты исполнения для использования в цепях постоянного и переменного тока.

Твердотельные реле по схеме эквивалентны электромагнитным реле с нормально разомкнутыми контактами.

Для обеспечения надежной гальванической развязки между входной и выходной цепями используется оптопара: светоизлучающий диод – светочувствительный диод. В качестве входного элемента реле служит светодиод, а в качестве выходного – тиристор, симистор или полевой транзистор. Ток утечки выходного устройства в выключенном состоянии не превышает 1 мА (типовое значение менее 100 мкА). Напряжение изоляции между входом и выходом устройства, а также между выходом и тепловодом составляет 1500 или 3750 В, в зависимости от модификации прибора. Реле выпускаются в пластмассовых корпусах, предназначенных для вертикального и горизонтального монтажа на печатных платах и панелях.

Подробно с устройством, принципом действия и особенностями применения оптоэлектронных реле можно ознакомиться в технической литературе [8] или по справочным материалам предприятий-изготовителей, например акционерного общества «Протон», фирмы «International Rectifier».

В зависимости от типа выходного устройства оптоэлектронные реле предназначаются для использования либо только в цепях переменного тока, либо в цепях постоянного и переменного тока, либо только в цепях постоянного тока.

Как показано на рис. 29, во всех твердотельных реле переменного тока в качестве выходного устройства используются симисторы или тиристоры, включенные встречно-параллельно. Для снижения уровня электромагнитных помех и уменьшения импульсных токов, возникающих при включении, некоторые типы реле снабжены дополнительными цепями, обеспечивающими подключение нагрузки к сети переменного тока в момент времени, близкий к переходу фазы питающего напряжения через нуль. Это достигается введением в состав реле вспомогательного оптрона, обеспечивающего блокировку цепей управления при выходном напряжении, превышающем пороговое значение напряжения начального включения.

Для коммутации нагрузки в трехфазных цепях переменного тока выпускаются трехфазные реле, объединяющие в одном корпусе 3 реле переменного тока с общими цепями управления. Все выпускаемые трехфазные реле также содержат схему контроля перехода фазы питающего напряжения через нуль.

В твердотельных оптоэлектронных реле постоянного тока в качестве выходного устройства используется полевой транзистор. Это требует соблюдения полярности подключения выхода к нагрузке с учетом выходного напряжения.

Показанный на рис. 30. диод, включенный параллельно сопротивлению нагрузки, необходим только при индуктивной нагрузке. Пунктиром в схеме показаны элементы, позволяющие повысить быстродействие реле, но при этом возникает необходимость в дополнительном источнике питания, что усложняет общую схему МПС.

В качестве выходного элемента двуполярных оптоэлектронных реле используются 2 встречно включенных полевых транзистора. Такая конструкция позволяет применять реле для коммутации как постоянного, так и переменного тока. При этом схемы подключения нагрузки для постоянного и переменного тока различаются использованием соответствующих выводов.