ПРИНЦИП РАБОТЫ УПРАВЛЯЮЩЕЙ ПРОГРАММЫ ДЛЯ ИСКРОБЕЗОПАСНОГО ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ.

Управляющая программа написана для искробезопасного источника питания написана с применением сетевого протокола Modbus RTU. На сегодняшний день сетевой протокол передачи данных Modbus является распространённым в мире среди протоколов. Даже не взирая на свой возраст протокол не только не устарел, но и демонстрирует существенно увеличение числа ориентированных на него разработок и увеличивающийся объём организационной поддержки протокола.

Сегодня основным преимуществом сетевого протокола Modbus является отсутствие необходимости в интерфейсных микроконтроллерах, также к преимуществам следует отнести простоту программной реализации и изящество принципов функционирования. В странах СНГ протокол Modbus сильно конкурирует только с протоколом Profibus. Известность протокола в настоящее время объясняется возможностью совместимости с большим количеством оборудования, которое поддерживает протокол Modbus. Помимо этого, сетевой протокол Modbus имеет большую достоверность передачи данных, которая вызвана применением надёжного метода контроля ошибок [1].

Syberia-Ex искробезопасный источник питания с повышенной мощностью, который предназначен для применения в подземных выработках и местах опасных по газу, пыли и внезапным выбросам. Syberia-Ex позволит ограничить ток на выходе электрической цепи при начале образования в ней искры. Время отключения должно быть достаточно малым, чтобы энергия искры не достигла порога воспламенения взрывоопасной среды. К тому же в зависимости от требований по комплектации прибора, его можно будет оснастить дополнительными функциями и параметрами контроля и связи с сервером для удаленного управления и получения различной информации. Данное устройство предотвращает возникновение искры, которая может возникнуть из-за резкого изменения силы тока в защищаемом контуре, то есть в данном случае ИП отключит электрическую цепь, что обеспечит безопасность в эксплуатации оборудования во взрывоопасной среде. Говоря более простым языком данное решение позволит ограничить ток на выходе электрической цепи при начале образования в ней искры. Время отключения должно быть достаточно малым, чтобы энергия искры не достигла порога воспламенения взрывоопасной среды. К тому же в зависимости от требований по комплектации прибора, его можно будет оснастить дополнительными функциями и параметрами контроля и связи с сервером для удаленного управления и получения различной информации.

Применение данной технологии позволит увеличить мощность в электрических цепях во взрывоопасной зоне без применения более громоздких и дорогостоящих способов обеспечения взрывозащиты [2].

Такой источник питания позволит обеспечить искробезопасным напряжением питания постоянного тока элементов шахтных измерительных, управляющих и информационных систем, систем шахтной автоматизации, сигнализации и связи, размещаемых в подземных выработках шахт и рудников, в том числе опасных по газу, пыли, внезапным выбросам.

Перед началом разработки управляющей программы для источника питания, необходимо было разработать общую структурную схему взаимодействия всех элементов, необходимых для исправной работы устройства (Рис. 1).

Рисунок 1. Структурная схема взаимодействия OPC сервера, SCADA системы и ИП

В качестве верхнего уровня взаимодействия с искробезопасным источником питания будет использоваться SCADA система, которая в режиме реального времени обеспечит работу систем сбора, обработки, отображения и архивирования информации с источника питания, а также позволит управлять им.  Данное программное обеспечение устанавливается на компьютеры и, для связи с объектом, будет использован OPC – сервер, взаимодействующий со SCADA системой по средствам сетевого протокола Modbus. Далее, связь источника питания, датчиков и других исполняющих устройств с OPC – сервером будет проходить через интерфейс RS-485, мощность сигнала передатчика которого в 10 раз превосходит мощность сигнала передатчика RS-232, что позволяет подключать к одному передатчику RS-485 до 32 приёмников (а в нашем случае источников питания) и таким образом вести широковещательную передачу данных, именно поэтому используется интерфейс.

На начальном этапе работы программы происходит инициализация портов ввода вывода, начальных значений, прерываний, АЦП и устанавливаются адреса значений серийного номера устройства, статуса и его ID. Затем программно запускается разрешение приема данных c UART порта и задается начальная скорость (частота) передачи данных.

Далее происходит обращение к flash-памяти для инициализации данных о источнике питания, либо о других исполняющих устройствах. Для того, чтобы правильно настроить обработчик UART для определенной частоты передачи данных, с помощью оператора «Switch» производится сравнение переменной Variables[N_UART_Speed] с заданными частотами, и в случае совпадения значения переменной с одной из этих частот задаются специальные настройки для обработчика. Если ни одно из заявленных значений не совпало со значением переменной, то оператор присвоит переменной Variables[N_UART_Speed] значение по умолчанию равное 9600 бод и выйдет из оператора.

При первом запуске источника питания выполняется вход в режим работы от аккумуляторной батареи и инициализирует какие значения находятся на его канале, а затем, если все работает исправно, то ИП может переключиться на работу от другого канала, то есть после работы от аккумуляторной батареи источник переходит в активный режим работы.

После инициализации начальных переменных, портов и установки частоты передачи данных по UART программа переходит в основной цикл. В основном цикле производится проверка перезаписи flash-памяти. Если в функцию проверки токов и напряжений пришли новые значения, то необходимо внести эти значения во flash-память. 

Для этого происходит настройка регистров тактирования и задание новой частоты передачи данных, если это необходимо. Если условие UART_Speed != Variables[N_UART_Speed] соблюдается, программа запускает цикл настройки обработчика UART, задача которого установить оптимальные настройки при текущей скорости передачи данных. Задается новое значение частоты передачи данных. Данное значение становится текущим и перезаписывается в виде массива данных во flash-память.  После чего происходит сброс флага записи в нулевое значение, чтобы программы снова не зашла в этот цикл.

В случае если условие не соблюдается, то программа запускает сканирование всех каналов АЦП, для получения новых данных от источника питания. После того как данные с АЦП получены, запускается процедура CheckStatus, обновляющая старые значения токов и напряжения на новые, только что полученные от АЦП. Обновив значения, система активирует функцию Status_select, позволяющую выбрать необходимый режим работы источника питания по новым значениям токов и напряжений [3].

Функция Status_select позволяет переключить источник питания в несколько режимов:

• STOP – полное отключение питания и подача сигнала управляющей системе о возникновении проблемы.
• Sleep – переход источника питания в режим ожидания.
• AB – запуск работы устройства от аккумуляторной батареи.
• TestAB – включение режима тестирования источника питания.
• Error – режим ошибки.

При получении пакета данных по UART происходит рассортировка по прерыванию от таймера счетчика. Затем происходит проверка на корректность пришедших данных. Для этого используется контрольная сумма пакета, которая в свою очередь преобразуется в HEX-функцию, обрабатывается и сравнивается с CRC - таблицей. В случае если HEX-функция и данные в CRC - таблице совпали, пакет передается на обработку. Если произошло несовпадение, то система отправит повторный запрос на устройство. 

Далее следует заполнение адреса и кода команды в массив на отправку данных по Modbus.

При получении кода команды «1» (чтение), необходимо сформировать пакет данных для передачи SCADA – системе. На данном этапе происходит формирование массива с принятых ячеек с данными, запись количества передаваемых байт, а в конце CRC – функция формирует контрольную сумму для корректной передачи и готовит его к передаче с помощью функции «Modbus_Count_Transbyte».

При получении кода команды «2» (запись). При получении такого кода, помимо формирования пакета данных для обратной отправки, следует обработать входные данные. Активируется функция перезаписи входящих данных в локальную переменную «Variables», обработка и подсчет количества полученных байт. Здесь же происходит проверка дискретных входов и выходов. Далее следует проверка изменения в адресах устройства и при выполнении заданного условия выполняется установка флага записи данных во Flash. Затем выполняется расчет CRC для отправки данных, к массиву добавляется контрольная сумма на отправку и происходит отправка сформированного пакета по UART.

Список литературы:

1. Модуль интерфейсный RS-485. Протокол информационного обмена. Часть 2. МЭК 60870-5-101. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://alektogroup.com/assets/images/resources/396/rs485-9006-iec.pdf (дата обращения 20.08.2018).
2. Modbus Protocol Reference Guide. MODICON, Inc., Industrial Automation Systems. [Электронный ресурс].  – Режим доступа: http://modbus.org /docs/PI_MBUS_300.pdf  (дата обращения 20.05.2018).
3. Протокол Modbus. Основные понятия и структуры данных. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://contactless.ru/wiki/index.php/%D0%9F%D1%80%D0%BE %D1%82%D0%BE%D0%BA%D0%BE%D0%BB_Modbus (дата обращения 20.05.2018).