Входные/выходные дискретные сигналы в электроэнергетике: принципы, модули и микросхемы

23 апреля

автоматизацияMaxim IntegratedTexas InstrumentsInfineonстатьяинтегральные микросхемысредства разработки и материалыАСУТП

Микропроцессорные устройства релейной защиты, автоматики или АСУ ТП электрических станций невозможно реализовать без модулей дискретных входов и выходов, от которых напрямую зависит взаимодействие оборудования и надежность всей системы в целом. Интегральные решения для этой цели предлагают Infineon, Maxim Integrated и Texas Instruments.

Подписаться на получение уведомлений о публикации новых статей на тему ПЛК

Область применения дискретных входов и выходов

Микропроцессорные устройства релейной защиты и автоматики давно не являются экзотикой и активно внедряются при строительстве или реконструкции объектов энергетики. Архитектура таких устройств в точности повторяет архитектуру программируемых логических контроллеров (ПЛК), коими они, по сути, и являются.

Ни один микропроцессорный терминал не может выполнять возложенные на него функции без развитой системы ввода и вывода данных. Сегодня речь пойдет о входных и выходных дискретных сигналах.

На физическом уровне ввод/вывод дискретных сигналов осуществляется с помощью одного (digital I/O) или двух (digital input, digital output) независимых модулей, каждый из которых объединяет некоторое количество входных или выходных ячеек. Одна ячейка – это один дискретный сигнал, то есть сигнал, который может принимать только одно из нескольких определенных заранее значений. Для организации системы релейной защиты и автоматики электрической станции или подстанции используются только дискретные логические сигналы. Они могут иметь лишь два значения: логический ноль или логическую единицу. Значение входного дискретного сигнала определяется уровнем напряжения на клеммах ячейки, а выходного – состоянием реле или ключа.

Давайте разберемся, какие данные передаются с помощью дискретных сигналов. Условно эти данные можно разделить на три группы:

  • входы для получения информации о состоянии силового электрического оборудования и выходные реле для управления первичными коммутационными аппаратами;
  • входы/выходы для организации взаимодействия между различными микропроцессорными устройствами релейной защиты и автоматики;
  • входы устройств АСУ ТП электрических станций и подстанций для сбора информации о текущем режиме работы электроустановок и входы устройств АСУ ТП для передачи команд терминалом релейной защиты и автоматики.

Силовая, или технологическая, сторона энергетики объединяет оборудование, участвующее в производстве электричества и его транспортировке в места потребления. Сюда относятся генераторы, трансформаторы, распределительные устройства, линии электропередач и многое другое. Любой из элементов этой энергосистемы должен быть защищен от повреждения. Необходимо, чтобы аварийное оборудование отключалось как можно скорее. Идентификация повреждения может осуществляться по электрическим параметрам – значениям тока и напряжения в различных точках системы. Но существуют и другие детекторы аварий – различные технологические защиты. Это неэлектрические реле, срабатывающие под действием каких-либо иных физических факторов. Например, газовая защита трансформатора замыкает контакты тогда, когда в баке трансформатора начинается бурное образование газов, которое свидетельствует о наличии короткого замыкания внутри него; дуговая защита замыкает свои контакты под действием ярких вспышек света, характерных для искровых или дуговых разрядов на сборных шинах; реле минимального давления элегаза (гексафторид серы – SF6) изменяет свое состояние при утечке элегаза и, как следствие, снижении качества изоляции оборудования. Существует огромное количество технологических защит, каждая из которых, срабатывая, замыкает свои контакты и тем самым посылает терминалам релейной защиты сигнал об аварийном или опасном режиме работы того или иного оборудования.

Для того чтобы создать надежную и эффективную электрическую сеть, приходится круглосуточно следить за режимом работы всех ее компонентов и, при необходимости, отключать ненужные участки или подключать дополнительные. Все эти переключения выполняются с помощью так называемых коммутационных аппаратов: силовых выключателей и разъединителей. Выключатель отличается от разъединителя тем, что первый может отключать участок, по которому протекает электрический ток, а второй – нет. Выключатели используются, в том числе, и для отключения огромных сверхтоков во время аварийных коротких замыканий. Для того чтобы включить или отключить выключатель, необходимо подать напряжение на его электромагнит включения или отключения. Через электромагнит потечет ток и создаст магнитный поток, под действием которого разблокируется механизм пружинного привода и произойдет резкое включение или отключение.

Микропроцессорные устройства, выполняющие функцию управления силовыми выключателями, воздействуют на электромагниты включения и отключения, которые представляют собой довольно большую индуктивную нагрузку. Выходные реле таких устройств могут воздействовать на электромагниты выключателей напрямую или через установленные отдельно промежуточные реле. В первом случае выходные реле должны иметь соответствующие коммутационные характеристики, которые зависят от типа коммутационного аппарата и марки его привода. Ориентировочно такие контакты должны иметь возможность пропускать ток до 30 А в течении 0,2 с, а также должны быть способны разорвать индуктивную нагрузку мощностью до 25 Вт с постоянной времени затухания 0,04 с.

Важно обладать информацией о том, включен или отключен тот или иной выключатель или разъединитель в данный момент. Конструкцией любого современного коммутационного аппарата предусмотрено наличие так называемых блок-контактов. Это контакты, предназначенные для использования в системах релейной защиты и автоматики, которые дублируют положение главных контактов. Другими словами, они замкнуты, когда выключатель или разъединитель включен, и разомкнуты в ином случае.

Система АСУ ТП электрической станции или подстанции объединяет мощные промышленные компьютеры для обработки большого количества входящей информации, средства визуализации (экраны, мониторы, мнемосхемы), а также оборудование для сбора данных, неотъемлемой частью которого являются модули дискретных входов и выходов.

Обмен информацией между различными устройствами релейной защиты и автоматики, а также передача данных в устройства АСУ ТП с помощью дискретных входов/выходов включает в себя данные о состоянии самих микропроцессорных устройств, данные о состоянии защищаемых электроустановок, а также различные управляющие логические сигналы, такие как блокировка работы, запуск защиты, запуск записи осциллограммы аварийного процесса, команда на управление коммутационными аппаратами и так далее. Источниками сигналов в данном случае выступают дискретные выходы одних микропроцессорных терминалов, а приемником сигналов – дискретные входы других микропроцессорных терминалов или устройств АСУ ТП. Передача команд от устройств АСУ ТП к терминалам релейной защиты осуществляется через дополнительные промежуточные реле.

Питание ячеек дискретных входов/выходов

Во всех описанных выше случаях контакты технологических реле, блок-контакты коммутационных аппаратов, дискретные выходы терминалов релейной защиты и автоматики и контакты промежуточных реле работают в режиме сухого контакта, а в качестве источника питания используют аккумуляторные батареи и выпрямительные блоки питания цепей АСУ ТП.

Аккумуляторные батареи совместно с выпрямительным зарядно-подзарядным устройством являются источником постоянного оперативного тока напряжением, как правило, 220 В. Такой уровень напряжения обусловлен необходимостью передачи сигналов на относительно большое расстояние для связи с силовым оборудованием, а также тяжелыми, с точки зрения электромагнитных помех, условиями работы передающих кабелей. Переменный или выпрямленный оперативный ток сегодня используется редко, ввиду того что его параметры тесно связаны с режимом основного тока электроустановки и могут серьезно ухудшаться в наиболее ответственных – аварийных – ситуациях.

Блоки питания цепей АСУ ТП представляют собой отдельностоящие выпрямители в шкафах АСУ ТП. Такие блоки питания выдают выпрямленное напряжение 24 В, позволяющее сделать модули дискретных входов/выходов более компактными и разместить на них большее количество ячеек (рисунок 1). Источники сигналов – устройства релейной защиты и автоматики – располагаются достаточно близко к оборудованию АСУ ТП, как правило – в одном помещении, поэтому отпадает необходимость использовать высокие уровни напряжения источника питания.

Рис. 1. Использование дискретных входов и выходов в электроэнергетике

Рис. 1. Использование дискретных входов и выходов в электроэнергетике

Таким образом, на объектах электроэнергетики актуальными являются логические дискретные входы и выходы двух уровней напряжения постоянного тока: 220 и 24 В. Основная характеристика логических дискретных входов – это уровни логического нуля и логической единицы. Для напряжения 220 В они, как правило, составляют 0…50 В и 132…275 В, соответственно, а для напряжения 24 В – 0…5 В и 13…30 В. Наличие достаточно широкого интервала между уровнями нуля и единицы, – так называемого гистерезиса, – является неотъемлемым условием корректной работы логического входа. Гистерезис необходим для предотвращения влияния дребезга контактов – многократного появления и пропадания сигнала в течение некоторого времени после изменения состояния, а также различных кондуктивных помех и повреждений передающих кабелей. 

Требования к дискретным входам и выходам

Сегодня предприятия России производят огромное количество микропроцессорных устройств для энергетики, еще большее количество оборудования поставляется из-за рубежа. Производители используют разные технологии, компоненты и схемные решения для создания модулей дискретных входов/выходов. Однако существуют общие требования, выполнение которых обязательно для обеспечения надежной работы оборудования в условиях электроэнергетических систем. Нормативно эти требования оформлены в руководящем документе РД 34.35.310-97 «Общие технические требования к микропроцессорным устройствам защиты и автоматики энергосистем», разработанном РАО «ЕЭС России» в далеком 1997 году и действующем по сей день. Конечно, этот документ давно требует актуализации с учетом более глубоких знаний и накопившегося практического опыта эксплуатации микропроцессоров в энергетике. К тому же, большинство нормативных ссылок, которые используются в документе, уже давно устарело. Однако РД 34.35.310-97 позволяет понять, на что обязательно следует обращать внимание производителям и поставщикам устройств при выборе компонентов и схем для реализации модулей микропроцессорных устройств.

Давайте остановимся на некоторых из них и попытаемся привести более современные данные из актуальных источников.

Гальваническая развязка

Главной и первостепенной задачей дискретных входов/выходов является создание гальванической развязки между цепями ввода/вывода сигналов и электронной начинкой устройства. Модули ввода/вывода должны надежно отделять чувствительные блоки обработки информации от агрессивной промышленной среды электрических станций и подстанций, заполненной помехами, возмущениями, скачками и провалами токов и напряжений. Любая, даже самая агрессивная, атака не должна преодолевать барьеры модулей дискретных входов/выходов и повреждать именно эти модули, а не более сложные и дорогостоящие ЦАП, процессоры, модули памяти и прочее. Кроме того, вычислительные электронные компоненты микропроцессорных терминалов работают со своими уровнями напряжения, а напряжение модулей дискретных входов/выходов должно быть согласовано с параметрами оперативного тока, используемого на конкретном объекте.

Требования к электрической прочности изоляции

Показатели качества изоляции позволяют оценить надежность работы модулей, связанную с правильным взаимным расположением независимых ячеек входных или выходных сигналов, а также с соблюдением расстояния между ними. Качество изоляции оценивают по трем критериям:

  • измеренное значение сопротивления изоляции;
  • устойчивость к испытанию повышенным напряжением промышленной частоты;
  • устойчивость к испытанию повышенным импульсным напряжением.

Сопротивление изоляции измеряется для каждой независимой цепи по отношению к корпусу терминала и присоединенным к нему всем остальным независимым цепям, а также между разомкнутыми контактами механических выходных реле. Здесь независимой цепью считают каждую цепь, электрически не связанную с остальными, то есть, в общем случае, каждую ячейку дискретных входов/выходов для одиночных элементов или группу дискретных входов/выходов, имеющих общий контакт, для групповых элементов. Измерения производятся мегаомметром на напряжении 500 В. Измеренное значение не должно быть менее 100 МОм.

По таким же схемам выполняется испытание изоляции повышенным напряжением. Между каждой независимой цепью, работающей с оперативным напряжением более 60 В, и корпусом с присоединенными остальными независимыми цепями прикладывается напряжение 2 кВ частотой 50 Гц в течение 1 минуты; между каждой независимой цепью, работающей с оперативным напряжением менее 60 В, и корпусом с присоединенными остальными независимыми цепями – 0,5 кВ частотой 50 Гц в течение 1 минуты; между разомкнутыми контактами механических выходных реле – 1 кВ частотой 50 Гц в течение 1 минуты. При испытании полупроводниковых выходных реле со встроенными элементами защиты от перенапряжений испытательное напряжение прикладывается к контактам реле в запертом состоянии. Величина испытательного напряжения для полупроводниковых реле не должна превышать 1,5 номинального напряжения выхода.

При проведении испытаний импульсным напряжением изоляция каждой независимой цепи должна выдерживать по три положительных и три отрицательных импульса напряжения с амплитудой 5 кВ для цепей на номинальное напряжение выше 60 В и 1 кВ для цепей на номинальное напряжение ниже 60 В. Форма испытательного импульса – 1,2/50 мкс.

Требования к помехозащищенности

Модули входов/выходов – это первый и главный барьер на пути помех, распространяющихся по электрическим цепям электрических станций и подстанций. Грамотно выполненная защита от помех с использованием соответствующих защитных схем и компонентов нивелирует деятельность помех и делает ее незаметной для персонала, эксплуатирующего терминалы релейной защиты и автоматики. Общий алгоритм испытаний на помехоустойчивость заключается в том, что с помощью специального генератора создается помеха, которая вводится в определенную точку терминала, далее фиксируется реакция подвергаемого проверке оборудования, на помеху. По результатам наблюдений оборудованию присваивается класс помехоустойчивости. Оборудование релейной защиты, автоматики и АСУ ТП электрических станций и подстанций выполняет крайне ответственные функции, поскольку как защищает отдельное дорогостоящее силовое оборудование, так и отвечает за устойчивую работу всей энергетической системы. Ввиду этого микропроцессорные терминалы, используемые в энергетике, должны соответствовать классу А помехоустойчивости. Это значит, что воздействие помех не должно вызывать заметное ухудшение качества функционирования оборудования, то есть ложные срабатывания, несрабатывания, снижение точности измерений, потерю данных, нарушение индикации, обрывы связи и так далее.

При проверке помехоустойчивости порты дискретных входов/выходов подвергаются следующему виду воздействий:

  • затухающие колебательные помехи частотой 0,1…1,0 МГц с амплитудой 2,5 кВ при подключении генератора между каждой независимой цепью и корпусом терминала с подключенными к нему остальными независимыми цепями и с амплитудой 1 кВ при подключении генератора между вводами одной и той же цепи;
  • микросекундные импульсные помехи с формой импульса 1,2/50 и амплитудой 2 кВ при подключении генератора между каждой независимой цепью и корпусом терминала с подключенными к нему остальными независимыми цепями и с амплитудой 1 кВ при подключении генератора между вводами одной и той же цепи;
  • наносекундные импульсные помехи с амплитудой 4 кВ и частотой 5 кГц в пачках продолжительностью 15 мс с периодом следования пачек 300 мс и общей продолжительностью испытаний 1 мин для импульсов каждой полярности; генератор подключается между каждой независимой цепью и корпусом терминала с подключенными к нему остальными независимыми цепями;
  • электростатические разряды величиной 8 кВ положительной и отрицательной полярности на каждый порт входа/выхода через воздушный промежуток.

Требования к скорости срабатывания выходных реле

Допустимое время срабатывания выходных реле определяется назначением этих выходных реле. Так контакты, передающие в устройства АСУ ТП данные о состоянии своего микропроцессорного терминала, могут работать с задержкой до 1 с. Дискретные выходы, формирующие информацию о состоянии защищаемого объекта, должны срабатывать не позднее чем через 0,25 с. В аварийном режиме некоторые контакты передают на верхний уровень информацию, важную для работы регистраторов аварийных событий, они должны работать не медленнее чем 0,1 с. Контакты, которые фиксируют срабатывание защит или запускают регистраторы аварийных событий на других микропроцессорных устройствах, должны срабатывать в течение 3 мс.

Отдельное внимание уделяется быстродействию контактов, выполняющих включение и отключение силовых выключателей. Выбор оптимального значения времени срабатывания релейной защиты лежит на стыке быстродействия и селективности: необходимо отключить поврежденный участок как можно скорее и, при этом, не отключить ничего лишнего.

Почему же скорость отключения выключателей так важна? Во-первых, микропроцессорные терминалы релейной защиты, как правило, выдают сигнал на отключение для того чтобы прервать аварийный режим. В таком режиме через силовое оборудование электрических станций и подстанций протекают сверхтоки короткого замыкания, которые оказывают тепловое и динамическое механическое воздействие на оборудование и могут привести к серьезным поломкам. Во-вторых, аварийные режимы сопровождаются серьезной просадкой напряжения в узлах, близких к месту короткого замыкания. На предотвращение такой просадки напряжения в короткий срок может привести к выходу электрической системы из состояния устойчивости с последующим отключением генераторов электрических станций и нарушением электроснабжения большого количества потребителей.

Почему же важно быстро включать выключатели? Значительная часть повреждений в электрических сетях имеет неустойчивый характер и способна самоустраниться через некоторое время после отключения, например, повреждение из-за падения ветки дерева на линию электропередач. Системой автоматики электрических станций и подстанций может быть предусмотрена функция автоматического повторного включения (АПВ) отключенного ранее участка электрической сети. Успешное выполнение этой функции в кратчайшие сроки позволяет избежать ухудшения показателей надежности и устойчивости всей электрической системы. Кроме того, наличие АПВ позволяет сделать отключения более быстрыми, а селективность работы защиты обеспечить повторным включением неповрежденных элементов.

На основании изложенных выше тезисов производители микропроцессорных устройств релейной защиты и автоматики пришли к выводу, что необходимо разрабатывать модули выходных реле с минимальным временем срабатывания, которые можно замедлить для обеспечения селективности работы защиты с помощью дополнительных таймеров, создающих выдержку времени. Некоторые режимы работы электрических сетей могут потребовать гарантированного отключения поврежденного участка в течение 0,4 с. Этот промежуток должен включать в себя время работы выключателя (как правило, не более 0,05 с). Получается, что выходной контакт должен замкнуться не позднее, чем через 0,35 с после возникновения аварийного режима. На сегодняшний день выпускаются микропроцессорные терминалы релейной защиты, способные выдать сигнал на отключение или включение в течение 0,2 с.

Требования к износостойкости выходных реле

Выходные реле должны гарантированно выдерживать до 1000 коммутаций под нагрузкой – для контактов, выполняющих управление силовыми коммутационными аппаратами, до 10 000 коммутации под нагрузкой – для контактов, действующих на дискретные входы других микропроцессорных устройств или 100 000 операций без нагрузки – для всех типов контактов.

Конструктивные решения

Как отмечалось выше, дискретные входы/выходы располагаются на электронных модулях, каждый из которых включает в себя одну или несколько групп абсолютно идентичных каскадов – входных и выходных ячеек. Количество ячеек зависит от выполняемых терминалом функций, а их конструкция и характеристики элементов зависят от условия работы конкретных входов и выходов. Каждая ячейка дискретного входа или выхода либо может быть полностью изолирована от других, либо иметь с некоторыми из них общий вход отрицательной полярности.

Дискретные входы 

Гальваническая развязка

Основной элемент большинства ячеек дискретных входов – оптрон. Оптрон создает гальваническую развязку и надежно отделяет вычислительную схему микропроцессорного реле от внешней среды. Как правило, ячейки дискретных входов построены с использованием оптронов с транзисторным выходом. Известны примеры применения оптронов TCLT1002, IL252, SFH601 и других. Номинальный прямой ток светодиодов таких оптронов составляет порядка 10 мА. Для согласования номиналов оптрона с рабочими параметрами оперативного напряжения используют токоограничивающие резисторы, которые «гасят» большую часть подводимого напряжения или резисторные делители напряжения. Пример использования резисторного делителя напряжения показан на рисунке 2.

Рис. 2. Схема входной ячейки с делителем напряжения

Рис. 2. Схема входной ячейки с делителем напряжения

Номинальные сопротивления и мощности резисторов выбирают с учетом величины напряжения источника питания. Напряжение активации дискретного входа определяется выбранным сопротивлением токоограничивающего резистора, а также может регулироваться при использовании оптронов, имеющих вывод базы транзистора, таких как IL252 (рисунок 3). В первом случае напряжение зажигания определяется током, протекающим через светодиод, а во втором – предварительным потенциалом базы транзистора.

Рис. 3. Монтажная схема оптрона IL252

Рис. 3. Монтажная схема оптрона IL252

В последнее время для создания гальванической развязки в цепях 24 В на смену оптронам приходят цифровые изоляторы. Это интегральные микросхемы, в которых разделение полевой и вычислительной систем происходит с помощью индуктивной (на базе импульсных трансформаторов) или емкостной (на базе конденсаторов) связи.

Ввод напряжения и защита от помех

На электрических станциях и подстанциях дискретные входы активируются постоянным напряжением 24 или 220 В. Для того чтобы устранить зависимость работоспособности ячейки дискретного входа от полярности подводимого напряжения (читай – от ошибки в процессе монтажа) некоторые производители используют диодные мосты на входе, а также оптроны с двумя светодиодами, включенными встречно-параллельно. Рациональность таких решений вызывает обоснованные сомнения. Во-первых, увеличивается энергия, рассеиваемая внутри микропроцессорного устройства. Во-вторых, наносится удар по помехозащищенности модуля. Схема входной ячейки с диодным мостом показана на рисунке 4.

Рис. 4. Схема дискретного входа с диодным мостом

Рис. 4. Схема дискретного входа с диодным мостом

Дело в том, что агрессивная электромагнитная среда электроустановок богата всплесками напряжений различной величины как положительной, так и отрицательной полярности. «Минусовые» скачки напряжения, например, могут сопровождать популярные в электроэнергетике коммутации индуктивных нагрузок. Ввиду этого надежнее было бы не расширить область работы дискретного входа в сторону отрицательных напряжений, а наоборот, принять дополнительные меры для ее предотвращения в этом диапазоне. С этой целью в схему вводят дополнительные диоды, включенные параллельно входу в обратном направлении и/или последовательно входу в прямом направлении. Схема с использованием таких диодов представлена на рисунке 5.

Рис. 5. Схема дискретного входа с защитой от напряжения обратной полярности

Рис. 5. Схема дискретного входа с защитой от напряжения обратной полярности

Для поглощения энергии импульсов помех используют конденсаторы на номинальное напряжение, несколько большее, чем входное напряжение ячейки. При выборе емкости конденсатора необходимо соблюдать баланс между помехозащищенностью и быстродействием.

Защита входов от перенапряжений и электростатических разрядов выполняется с помощью TVS-диодов или варисторов. Как правило, первые применяются для защиты ячеек на напряжение 24 В, а вторые – на напряжение 220 В. Использование варистора и помехопоглощающего конденсатора показано на рисунке 6.

Рис. 6. Схема дискретного входа с защитой от помех

Рис. 6. Схема дискретного входа с защитой от помех

Гистерезис

Гистерезис дискретного входа – это особенность реагирования ячейки на подводимое напряжение, которая заключается в наличии некоторого диапазона между напряжениями логического нуля и логической единицы. При подаче на вход ячейки напряжения из этого диапазона состояние ячейки не изменяется. Наличие гистерезиса необходимо для решения вопросов отстройки от помех, от дребезга контактов механических реле, а также для предотвращения ложного срабатывания ячейки при повреждении сигнального кабеля.

Источник оперативного напряжения на объектах электроэнергетики представляет собой аккумуляторную батарею с заземленной средней точкой. Из этого следует, что при коротком замыкании одной из жил сигнального кабеля на землю на входе ячейки может оказаться половина напряжения источника питания как при замкнутых, так и при разомкнутых контактах реле – источника сигнала (рисунок 7). Реакция ячейки на такое изменение напряжения является ложным срабатыванием и не должна иметь места в надежных устройствах.

Рис. 7. Напряжение на дискретном входе при повреждении сигнального кабеля

Рис. 7. Напряжение на дискретном входе при повреждении сигнального кабеля

Гистерезис создается включением в схему компаратора с положительной обратной связью, триггера Шмитта, который управляет током, проходящим через входной светодиод оптрона (рисунок 8а) и подключен к его транзисторному выходу (рисунок 8б).

Рис. 8. Создание гистерезиса с помощью триггера Шмитта

Рис. 8. Создание гистерезиса с помощью триггера Шмитта

При необходимости может быть организован контроль целостности сигнальных проводов. Для этого выполняют сдвоенные входные ячейки с разными порогами активации: рабочей (на номинальное напряжение источника питания) и контрольной (на половину напряжения источника питания). Пример контроля целостности кабеля для оперативного напряжения 220 В представлен на рисунке 9.

Рис. 9. Дискретный вход с контролем целостности сигнального кабеля

Рис. 9. Дискретный вход с контролем целостности сигнального кабеля

Очистка контактов вводных клемм

Для дискретных входов с небольшим номинальным напряжением, в нашем случае это 24 В, и малым потребляемым током может быть актуальна проблема образования оксидной пленки на поверхности контактов входных клемм, которая делает ячейку нечувствительной к подводимому напряжению. Наиболее простым способом решения данной проблемы стало подключение внешней резистивной нагрузки, которая увеличивает ток, протекающий через контакт, тем самым очищая его, и при этом рассеивает энергию вне корпуса терминала.

Еще один способ борьбы с оксидной пленкой заключается в использовании нелинейных электронных компонентов, сопротивление которых значительно возрастает под действием приложенного напряжения, например, позисторов. Такие элементы увеличивают токовое потребление ячейки в первый момент после подачи входного напряжения, разрушая тем самым окислы. Под действием этого тока позистор нагревается и его сопротивление значительно возрастает, снижая общее потребление ячейки.

Для более высоких напряжений такая проблема теряет актуальность, потому что оксидная пленка не создает препятствий для напряжения 220 В.

Дискретные выходы

Коммутационный элемент

Конструкция ячеек дискретных выходов во многом определяется требованиями к их коммутационным характеристикам. Сегодня широко используются выходы с электромеханическими и твердотельными релейными элементами, а также встречаются комбинированные варианты.

Электромеханические реле способны пропускать большие токи и хорошо подходят для коммутации мощных индуктивных нагрузок, таких как соленоиды управления выключателями и катушки промежуточных реле. К недостаткам таких реле можно отнести механический износ и износ под воздействием электрической дуги, зажигание которой имеет место при каждой коммутации элемента. Качество работы электромеханических реле можно повысить, используя в схеме элементы с двойным разрывом или два включенных параллельно электромеханических реле с контактами разного типа. Одна пара контактов отличается увеличенным воздушным зазором и выполняется из более устойчивого к дуге материала, например, вольфрама. Вторая, серебряная, пара контактов обладает лучшими проводящими свойствами. В момент коммутации первыми замыкаются или последними размыкаются дугогасительные вольфрамовые контакты, однако большая часть тока нагрузки протекает через основные, серебряные, с наименьшим рассеянием мощности. Известно использование в терминалах релейной защиты и автоматики электромеханических реле типа ST, DS-P, JS, G6RN, V23061 и другие.

Полупроводниковые реле представляют собой ключи на базе MOSFET- или IGBT-транзисторов. Они не вызывают зажигание дуги во время коммутаций, но не способны длительное время пропускать большие токи без использования дополнительных радиаторов для охлаждения. Область применения таких реле, как правило, ограничивается активацией дискретных входов других устройств, однако развитие силовой электроники позволяет возлагать большие надежды на такие ключи. Так, некоторые из них уже сегодня используются для управления маломощными промежуточными реле. В качестве примеров используемых транзисторов можно привести 40E120 или IXYS05N100.

Интересным вариантом является совмещение преимуществ обоих типов реле в одной выходной ячейке. Так, полупроводниковые реле выполняют бездуговую коммутацию, а электромеханические – берут на себя основную токовую нагрузку. Схема выходной ячейки, представляющей собой комбинацию электромеханического и полупроводникового реле, показана на рисунке 10.

Рис. 10. Схема ячейки дискретного выхода комбинированного типа

Рис. 10. Схема ячейки дискретного выхода комбинированного типа

Драйверы

Управление как электромеханическими, так и полупроводниковыми реле осуществляется с использованием оптронов транзисторного типа. Выходное напряжение оптронов должно быть достаточным для срабатывания реле. Как правило, оно соответствует удобному для работы вычислительной системы напряжению величиной 5 В. Оптрон создает надежную гальваническую развязку, отделяя элементы ячейки дискретного выхода от начинки микропроцессорного терминала.

Защитные элементы

Защита от перенапряжений выполняется с помощью варисторов или TVS-диодов. Такая защита необходима для предотвращения перекрытия изоляционного промежутка между контактами электромеханических реле или пробоя полупроводниковых реле, которые могут не только повредить сам релейный выход, но и стать ложным сигналом перехода дискретного выхода в замкнутое состояние. Кроме того, срезание импульсов перенапряжений сокращает время гашения дуги во время коммутаций электромеханических реле.

Защита от подачи напряжения обратной полярности необходима в большей степени входам с использованием полупроводниковых ключей. Предпочтительным в данном случае является использование диодов, включенных последовательно, а не параллельно. Это объясняется тем, что диод, включенный в параллель, при подаче напряжения обратной полярности или под действием довольно мощной помехи обратной полярности ведет себя как ключ, который всегда открыт.

Пример использования варистора и включенного встречно-последовательно диода для защиты ячейки дискретного выходного сигнала показан на рисунке 11.

Рис. 11. Защита ячейки дискретного выхода

Рис. 11. Защита ячейки дискретного выхода

Дискретные входы/выходы от Infineon

Компания Infineon предлагает семейство интегральных схем ISOFACE. В линейке представлены 8-канальные модули дискретных входов, такие как ISO1I811T и ISO1I813T, а также выходов: ISO1H801G, ISO1H811G, ISO1H812G, ISO1H815G, ISO1H816G, ISO1H801G, ISO2H823V2.5.

Все модули входов и выходов ISOFACE обеспечивают надежную гальваническую развязку между вычислительными цепями микроконтроллера 2,5 В или 3,3/5 В и рабочим напряжением входных ячеек 24 В. Развязку создают цифровые изоляторы на базе импульсных трансформаторов. Такое решение, по сравнению с оптронами, позволяет:

  • снизить мощность рассеяния модуля в 2,5 раза;
  • увеличить частоту дискретизации до 500 кГц на канал;
  • уменьшить габариты модуля в 4 раза.

Микроконтроллер подключается к модулям с помощью последовательного SPI-интерфейса или параллельного 8-битного интерфейса. ISO1I813T, ISO1H812G, ISO1H816G поддерживают проверку SPI-интерфейса циклическим избыточным кодом.

Модули входов ISO1I81XT

Компоненты модулей дискретных входов имеют малый температурный дрифт и способны выполнять свои функции при температуре до 135°С.

Для защиты входов от электромагнитных помех используют регулируемые помехоподавляющие фильтры. Схемой ISO1I811T предусмотрено наличие джампера для выбора одного из четырех возможных вариантов фильтра. В ISO1I813T есть возможность программно настроить фильтр для каждого входного канала.

Модуль ISO1I813T позволяет настраивать синхронный захват сигналов нескольких его входов. Эта функция может быть полезной для организации защит или блокировок, для которых необходимо одновременно контролировать состояние нескольких входных дискретных параметров.

Производителями предусмотрена возможность диагностики обрыва проводов, подключенных ко входам модуля, а также контроль наличия напряжения питания. При диагностировании снижения напряжения питания ниже допустимого уровня значения входных сигналов считаются недействительными, и система переходит в аварийный режим работы или отключается.

Характеристики модулей дискретных входов семейства приведены в таблице 1. Блок-схема и типовой вариант подключения интегральной схемы ISO1I813T показаны на рисунке 12, а печатная плата с использованием ISO1I813T показана на рисунке 13.

Таблица 1. Характеристики модулей входных сигналов ISO1I81хT

Параметр ISO1I811T ISO1I813T
Входное напряжение, В 24 24
Напряжение микроконтроллера, В 3,3/5 3,3/5
Интерфейсы подключения микроконтроллера Последовательный, параллельный Последовательный, параллельный
Максимальная частота дискретизации, кГц 125 500
Настройка фильтра помех Механическая Программная
Допустимое напряжение гальванической развязки, В 5000 5000
Поддержка внешнего источника питания +
Контроль наличия напряжения питания +
Диагностика обрыва сигнального провода Поканальная Поканальная
Размеры модуля, мм 8×12,5 8×12,5

Рис. 12. Блок-схема и типовой вариант подключения ISO1I813T

Рис. 12. Блок-схема и типовой вариант подключения ISO1I813T

Рис. 13. Печатная плата с двумя ISO1I813T

Рис. 13. Печатная плата с двумя ISO1I813T

Модули выходов ISO1H8ххG и ISO2H823V2.5

Переключение выполняют ключи на базе MOSFET-транзисторов. В зависимости от типа модуля, его выходные ячейки способны выдерживать токовую нагрузку до 1,2 А.

Выходы модулей надежно защищены от короткого замыкания в сигнальных кабелях. При диагностировании перегрузки или перегрева переключающего транзистора происходит отключение аварийного выхода до его разрушения. Одновременно происходит контроль напряжения источника питания. При его снижении до уровня менее допустимого все выходы блокируются, и система переходит в аварийный режим работы или отключается.

Для защиты транзисторов от коммутационных перенапряжений используют TVS-диоды.

Характеристики модулей дискретных выходов семейства приведены в таблице 2. Блок-схема и типовой вариант подключения интегральной схемы ISO18ххG показаны на рисунке 14.

Таблица 2. Характеристики модулей выходных сигналов ISO18ххG

Параметр ISO1801G ISO1811G ISO1812G ISO1815G ISO1816G
Напряжение переключения, В 11…35 11…35 11…35 11…35 11…35
Допустимый ток, А 0,6 0,6 0,6 1,2 1,2
Напряжение микроконтроллера, В 5 3,3/5 3,3/5 3,3/5 3,3/5
Интерфейс подключения микроконтроллера Параллельный Параллельный Последовательный Параллельный Последовательный
Допустимое напряжение гальванической развязки, В 5000 5000 5000 5000 5000
Контроль наличия напряжения питания + + + +
Контроль перегрева транзистора + + + +
Размеры модуля, мм 16×14 16×14 16×14 16×14 16×14

Рис. 14. Блок-схема и типовой вариант подключения ISO18ххT

Рис. 14. Блок-схема и типовой вариант подключения ISO18ххT

Промышленные цифровые входы и выходы от Maxim Integrated

Компания Maxim Integrated предлагает интегральные схемы для организации дискретных входов и выходов без гальванической развязки. Сюда относятся модули входов MAX22190, MAX22191, выходов MAX14912 и универсальный модуль MAX14914. Такие схемы используются совместно с цифровыми изоляторами (например, MAX14483) или другими компонентами, обеспечивающими развязку полевой и вычислительной систем.

Все схемы обладают высокой помехозащищенностью. Защита от перенапряжений построена на TVS-диодах и надежно работает в диапазоне напряжений -60…+60 В (при рабочем напряжении 24 В).

Одноканальный цифровой вход MAX22191

MAX22191 преобразует входное напряжение 24 В в ток 2,4 мА, подходящий для управления некоторыми типами оптронов. Мощность, потребляемая оптроном, отбирается из входного сигнала. Скорость срабатывания входа не превышает 250 нс. Схема подключения MAX22191 показана на рисунке 15.

Рис. 15. Схема подключения MAX22191

Рис. 15. Схема подключения MAX22191

8-канальный цифровой вход MAX22190

Модуль MAX22190 служит для передачи сигналов 24 В в логику ПЛК 3,3/5 В по последовательной SPI-связи. MAX22190 предназначен для подключения к ПЛК с гальванической развязкой на входе. В противном случае необходимо использовать дополнительные цифровые изоляторы или модуль MAX22192. Этот модуль имеет аналогичную с MAX22190 схему и дополнен емкостными изоляторами на выходах для SPI-подключения.

Для защиты от помех схема оборудована программируемыми фильтрами. Параметры фильтров выбираются индивидуально для каждого канала. Скорость срабатывания входа зависит от установленных параметров фильтра.

Возможности системы диагностики включают в себя локализацию обрыва питающих проводов, контроль наличия напряжения питания, проверку циклическим избыточным кодом и многое другое. Схема подключения MAX22190 показана на рисунке 16.

Рис. 16. Схема MAX22190

Рис. 16. Схема MAX22190

8-канальные цифровые выходы MAX14912 и MAX14913

Интегральные схемы MAX14912 и MAX14913 представляют собой комплект MOSFET-транзисторов, которые работают в режиме ключей высокого уровня, а также могут быть настроены на работу в двухтактном режиме. Сопротивление каждого транзистора в открытом состоянии при токе нагрузки 0,5 А и температуре 125°С не превышает 230 мОм. Время переключения при работе в режиме ключа высокого уровня не превышает 0,1 мкс.

Для подключения ПЛК к MAX14912 используется параллельный или последовательный PSI-интерфейс. MAX14913 работает только с последовательным. Для подключения к микроконтроллерам необходимо использовать цифровые изоляторы.

Схемы MAX14912 и MAX14913 снабжены системами распознавания обрыва проводов нагрузки, детектирования слишком высокого или слишком малого напряжения на выходе, а также контролируют ток и температуру компонентов. Активные демпферы без потерь ускоряют отключение больших индуктивных нагрузок. Схема MAX14912 показана на рисунке 17.

Рис. 17. Схема MAX14912

Рис. 17. Схема MAX14912

Универсальный модуль MAX14914

MAX14914 – это одноканальная интегральная схема на базе MOSFET-транзисторов. MAX14914 может выполнять функцию как дискретного входа, так и дискретного выхода в режиме ключа высокого уровня или в двухтактном режиме. Модуль пригоден для работы с напряжением до 40 В. Максимальный допустимый сквозной ток транзисторов в режиме ключа высоко уровня – 1,3 А. Сопротивление в открытом состоянии не превышает 240 мОм при температуре 125°С. Схема MAX14914 показана на рисунке 18.

Рис. 18. Схема MAX14914

Рис. 18. Схема MAX14914

Интеллектуальные дискретные входы MAX14001 и MAX14002

Еще одно решение от Maxim Integrated для организации дискретных входов – это изолированные одноканальные АЦП MAX14001 и MAX14002. Эти АЦП непрерывно оцифровывают значения напряжения на входе модуля и передают их в вычислительную систему устройства. Далее полученные величины сравнивают с запрограммированными заранее пороговыми значениями и делают вывод о состоянии дискретного входа. Таким образом можно создать дискретный вход с напряжением питания до 500 В.

Гальваническая развязка, способная выдерживать напряжение до 3,75 кВ, организована на выходе компаратора, а также на встроенном DC/DC-преобразователе. Встроенный DC/DC-преобразователь может питать все схемы полевого уровня, что позволяет проводить их диагностику даже в момент отсутствия входного сигнала.

Конфигурирование и считывание оцифрованных значений осуществляется через последовательный SPI-интерфейс.

Схемы MAX14001 и MAX14002 имеют встроенный пусковой компаратор. Он управляет током через внешний транзистор и создает пусковой импульс для очистки контактов и ослабления кондуктивных помех. Значение и длительность пускового тока настраиваются в MAX14001 и являются фиксированными значениями в MAX14002.

Схема подключения MAX14001 и MAX14002 показана на рисунке 19.

Рис. 19. Схема подключения MAX14001 и MAX14002

Рис. 19. Схема подключения MAX14001 и MAX14002

Дискретные входы ISO1211 и ISO1212 от Texas Instruments

Одноканальные (ISO1211) и двухканальные (ISO1212) микросхемы предназначены для использования в качестве дискретных входов с напряжением питания 24 В. При использовании дополнительных внешних токоограничивающих резисторов диапазон входных напряжений может быть увеличен до 300 В. Изоляция вычислительного уровня от полевого происходит за счет емкостных цифровых изоляторов. Микросхемы включают в свой состав встроенные ограничители тока для уменьшения мощности рассеяния. ISO1211 и ISO1212 предназначены для работы с микроконтроллерами с 2,5/3,3/5-вольтовой логикой. Использование TVS-диодов на входе защищает компоненты от скачков напряжения ±60 В. Схема подключения ISO1211 показана на рисунке 20.

Рис. 20. Схема подключения ISO1211

Рис. 20. Схема подключения ISO1211

Заключение

Модули дискретных сигналов – важный элемент любого микропроцессорного устройства релейной защиты, автоматики или АСУ ТП электрических станций и подстанций. Условия, в которых приходится работать дискретным входам и выходам, предъявляют ряд специфических требований к набору, типам и параметрам применяемых компонентов. Производителям оборудования следует уделять пристальное внимание качеству своих входных и выходных каскадов, ведь именно они определяют, насколько надежно оборудование будет взаимодействовать между собой. Надежность работы каждого модуля определяет надежность работы всей системы релейной защиты и автоматики электроустановок.

Литература

  1. РД 34.35.310-97. Общие технические требования к микропроцессорным устройствам защиты и автоматики энергосистем. М., ОРГРЭС, 1997, 36 с.
  2. В. И. Гуревич. Уязвимости микропроцессорных реле защиты: проблемы и решения. Инфра-Инженерия, М., 2014
  3. В. И. Гуревич. Микропроцессорные реле защиты. Устройство, проблемы, перспективы. Инфра-Инженерия, М., 2011
  4. В. И. Гуревич. Прогресс в области конструирования микропроцессорных устройств релейной защиты. Электроматика Инфо.
  5. М. Арсеньев. Дискретные входы цифровых устройств центральной сигнализации.
•••

Наши информационные каналы

Товары
Наименование
ISO1I813TXUMA1 (INFIN)
ISO1I811TXUMA1 (INFIN)
ISO1H815GAUMA1 (INFIN)
ISO1H801GAUMA1 (INFIN)
ISO2H823V2.5 (INFIN)
MAX22190ATJ+ (MAX)
MAX22190PMB# (MAX)
MAX22191AUT+T (MAX)
MAX22191EVKIT# (MAX)
MAX14912AKN+T (MAX)
MAX14912EVKIT# (MAX)
MAX14914ATET (MAX)
MAX14914ATE (MAX)
MAX14483AAP+ (MAX)
MAX14483AAP+T (MAX)
MAX14913AKN (MAX)
MAX14913AKN+ (MAX)
MAX14001AAP+ (MAX)
MAX14001EVSYS# (MAX)
MAX14002AAP+ (MAX)