Порядок модернизации интерфейса 1-wire для большого количества датчиков (<1000) и сложной структуры сети (звезда-шина)

Для элеватора с.Баган, НСО

Адрес:	http://90.189.213.191:4422/doc_sh/bagan_2022/doc_modernizma_v1bagn/doc_modernizma_v1bagn.doc инд: 1-55-2-1
Программa:	http://90.189.213.191:4422/doc_sh/toguchin_2020n/test/
Плата:

Cодержание:

• Существующая система термометрии элеватора по данным обследования 2022-3-18;
• Обоснование модернизации;
• Технические решения для модернизации;
• Программное решение модернизации;
• Порядок выполнения, сроки и этапы работ, примерная стоимость затрат;
• Выводы;
• Литература;

Существующая система термометрии элеватора по данным обследования 2022-3-18

• На элеваторе в наличии система термометрии на аналоговых датчиках - термосопротивлениях. Ниже на фото фрагменты, установленных в шкафы, аналого-цифровых блоков.

Блоки используют устаревшую отечественную элементную базу, которая в настоящий момент не выпускается. Что и вызвало решение на установку цифровых термоподвесок.

• Проведена установка и монтаж цифровых подвесок на датчиках ds18b20. Пуско-наладка не закончена. Т.е. система не работает. Ниже на фото фрагменты установленных блоков.

Топология цифровой и аналоговой системы – шинно-радиальная. В шинной структуре используется интерфейс rs-485 на преобразователях RealLab. Фото установленного преобразователя ниже.

Замечания по монтажу и установленной цифровой системе:

• Монтаж линий 1wire от контроллера к датчикам выполнен «жестким» одножильным проводом, что значительно снижает ремонто-пригодность и надежность в эксплуатации.
• Ниже на фото показаны зажимы-клеммники в «головах» подвесок в которые подключены эти одножильные провода.
• На фото справа показана печатная плата в коробке, к которой подходит линия от подвесок.
• Провода вводятся под пружинный зажим. Следовательно, затруднительно при таком плотном монтаже с креплением под пружинный зажим обеспечить отключение подвески от контроллера для ее проверки.

• Пружинные зажимы установлены на плате с микроконтроллером, что создает ситуацию плохой ремонто-пригодности и не возможности проверить сам микроконтроллер без значительных монтажных работ.

Вывод:

• Рекомендуется вызвать специалистов поставщиков этого оборудования, и с ними решать пуско-наладочные работы.
• Необходимо знать стоимостную раскладку оборудования и ее возможную замену в случае неисправности:

1. Стоимость микроконтроллера и платы с 5-тю колодками; (производство фирмы «Грейн»)

2. Стоимость цифровой подвески ;

3. Стоимость оборудования USB-RS485 преобразователей

Альтернативное решение - создать систему ремонто-пригодной и на заменяемой элементной базе. Далее приводится описание такой реализованной системы. В ней используются цифровые подвески той-же фирмы «Грейн» но без специализированных контроллеров и специального программного обеспечения. Кроме того, можно использовать цифровые подвески на основе датчиков ds18b20 и других производителей.

• Предлагаемое решение программного обеспечения, кроме того позволяет получаемые данные размещать в интернете для мобильного доступа без затрат на специальные программы. Требуется только фиксированный IP адрес для сайта элеватора. На настоящее время это составляет как услуга с оплатой 50 руб в месяц. Используется существующая организация «гипертекста» для html файлов, что позволяет отображать данные в любом браузере.

• Описание системы модернизации выполнено для старой системы с пайкой и монтажом линий. В данном случае это системы нет, а есть шкафы с контроллерами фирмы «грейн», что однако не меняет сути и задачи ремонто-пригодности.

• Необходимо отметить различную и доступную элементную базу в предлагаемой системе термометрии. Ключевые элементы – это ds2409 т.н. ветвители линии 1wire. Это достаточно редкая микросхема и поэтому относительно дорогая. В предлагаемой системе, кроме уже существующих коммутаторов, подготовлена замена на широко распространенные микроконтроллеры 12f629 в корпусе dip8. Это позволяет их менять в случае выхода из строя, не трогая печатную плату. Описание замены приведено в статье журнала «Современная электроника» 2021г  N8-c22..26

Обоснование модернизации.

Эксплуатация интерфейса 1-wire с большим количеством датчиков (<1000) и сложной структурой сети (звезда-шина) на элеваторе более 8 лет выявила определенный технические «узкие места», которые приведены ниже:

• Проблема диагностики и поиска неисправного датчика или «термоподвески» при шинной структуре подключения.
• Проблема программно-аппаратного обеспечения. В случае выхода из строя одного датчика, вся система «виснет», хотя неисправен только один датчик.
• Монтаж датчиков и «термоподвесок» выполнен с применением пайки, что в зимнее время и при минусовых температурах сильно затрудняет демонтаж и поиск неисправности.
• Требуется знание программного обеспечения и навыки работы с тестами для поиска и устранения неисправности, а также не менее двух специалистов. Один находится у компьютера, а другой занимается подключением-отключением на линии.

Технические решения для модернизации:

• Датчики DS1820 включены по группам «в параллель», т.е. используется шинная организация связи. В случае выхода из строя по обрыву, датчик диагностируется программой как отсутствующий в измерении.
• В случае короткого замыкания группы «термоподвесок» по шине 1-wire или на +5 В. питания используется светодиодная индикация данной группы.
• Для решения задачи диагностики при замыкании предлагается используемый ветвитель МL-09[2] заменить на модернизированную схему, приведенную на рисунке 1.
• Схема содержит узел переключения на микросхеме U1(DS2409), используемый в ветвителе МL-09, что позволяет сохранить совместимость программного обеспечения и применить все ранее созданные программы.
• Добавлена схема регенерации сигнала и схема сигнализации замыкания.
• На транзисторах Q3, Q2, сопротивлениях R3,R4,R8 и конденсаторе С3 собран блок регенерации и восстановления сигналов [1]. Это позволяет получить устойчивый опрос датчиков при используемом типе кабеля и заданной длине линии. Необходимо напомнить, что без регенератора при пуске объекта опрашивались только ближние датчики. И только установка одного регенератора в центре позволила получить опрос всех датчиков.
• Схема регенератора не содержит дорогих и специальных микросхем и предлагается для использования на каждом ветвителе. Это позволяет иметь запас устойчивости и подключать «термоподвески» с большим количеством датчиков.
• Схема компараторов формирует сигнализацию на микросхемах U2,3 (LM393). Сопротивлениями R2,R9 формируется напряжение включения (3 В.) сигнальных светодиодов. Если на плюсовых входах напряжение будет меньше 3 В., то светодиоды включаться. Компараторы имеют большое входное сопротивление и тем самым не влияют на шину данных 1-wire.
• Сигнализация питания выполняется по аналогичному методу. Питание +5 В. поступает на шину через контрольные сопротивления R10,11 в 75 Ом. Рабочий потребляемый ток датчиков составляет 1..5 миллиампер, падение напряжения на сопротивлениях маленькое и контрольные светодиоды не включаются. Если создается короткое замыкание по питанию +5 В., то ток возрастает до 20..40 миллиампер и напряжение на плюсовых входах компараторов снижается менее 3 В.. Это вызывает включение сигнальных светодиодов. Рабочий ток для стабилизатора схемы допускается до 100 миллиампер и короткое замыкание не создает запредельных режимов. После устранения замыкания режим сигнализации снова готов к работе.

Рисунок 1. Схема ветвителя DS2409 c регенератором линии и сигнализацией замыкания по шине 1w и +5 В.

• Схема ветвителя и все компоненты собраны на печатной плате и предназначены для монтажа под «винт». На рисунке 2 представлена 3d модель платы и сверху показан используемый винтовой разъем для соединения всех линий.

Рисунок 2. Печатная плата ветвителя с выходной монтажной колодкой на 12 выводов (вверху).

• Разъем «закрепляется» сверху и дальнейший монтаж выполняется под винт.
• Предусмотрен переход ветвителей в исполнении ML-09 с использованием новой схемы. В этом случае не устанавливается на плату DS2409, а проводиться подключение через винтовые зажимы и разъемы RJ12. Ниже на рисунке 3 показан текущий «висячий» монтаж МL-09. «Висячий» монтаж в процессе модернизации переводится на плату, на которой есть система контроля и схема регенератора.

Рисунок 3. Существующий «висячий» монтаж ML-09(справа) и место установки платы ветвителя.

• Диагностика короткого замыкания выполняется по индикации светодиодов. В случае замыкания они постоянно светятся. При работе кратковременно вспыхивают.
• Допускается проверка исправности сигнализации путем замыкания выходной шины +5 В. и +1-wire на 0 В., что так же ускоряет и упрощает проверку. Внимание! +12 В. замыкать на 0 В. нельзя! В этом случае включится защита общего блока питания для всей системы и так же ничего страшного не произойдет.

МЕТОДИКА ДИАГНОСТИКИ.

1. Проверить напряжение +12 В. вольтметром на разъеме In-1w;

2. Проверить БЕЗ ВКЛЮЧЕННОГО ПРОГРАММНОГО обеспечения свечение контрольных светодиодов

· Там где светится, там короткое замыкание в данном шлейфе «термоподвесок» и датчиков. Отключая поочередно на разъемах AUX MAIN соединения, определить неисправную линию ветви. В этом случае светодиод погаснет.

3. При ВКЛЮЧЕННОМ ПРОГРАММНОМ обеспечении, светодиоды M-1w A-1w будут кратковременно загораться при обращении в данной ветви к датчикам.

4. Свечение светодиодов по шине питания +5 В. для AUX MAIN возможно только при КОРОТКОМ ЗАМЫКАНИИ этих шин. Предусмотрена проверка контроля индикации путем формирования короткого замыкания и в этом случае должны загораться соответствующие светодиоды контроля. Внимание! Замыкание не может повредить схему ветвителя, т.к. в данной схеме предусмотрен именно такой режим работы - по замыканию. Рабочее напряжение на шине + 5 В. допускается не ниже 4.5 В.

• Полная коммутация линий шкафа приводится в разделе порядок выполнения работ. Необходимо обратить внимание что количество линий к подвескам различно в разных корпусах. При выполнении работ это отражается в исполнительной документации.

Особенности выпускаемых «термоподвесок».

• На настоящее время выпуск термодвесок с цифровыми датчиками выполняется по смешанной схеме и с переходом от интерфейса датчиков к различным другим интерфейсам (RS485 RS232) и даже сразу на радиоканал.
• Кроме того, некоторые производители «термоподвесок» [3] предлагают установку датчиков с интервалом в 1 метр, что позволяет определять и уровень заполнения силосов;

Ниже на рисунке 4 фото «термоподвески» в сборе (слева) и справа «голова» в установленном виде в «колодце» силоса.

Рисунок 4. Фото «термоподвески» в сборе (слева) и установленного (справа).

• Необходимо обратить внимание, что производители подвесок [3] используют специальную плату для перехода с интерфейса 1wire на RS485. На рисунке 5. показана конструкция подключения и видна плата перехода и спрва дан чертеж входной схемы коммутации.

Рисунок 5. Фото «лишнего» блока преобразования интерфейса для данного объекта.

• Существуют варианты термоизмерений в силосах, где интерфейс перехода выполнен в отдельном корпусе.
• Внимание! Любой переход на другой интерфейс ТРЕБУЕТ ДРУГОГО ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ и не позволяет использовать непосредственно программ производителя для датчиков DS1820.
• Кроме того, для подключения дополнительной платы перехода интерфейса требуется и дополнительное питание.
• На данном объекте переход на другой интерфейс не рентабелен и не выгоден, т.к. уже существует кабельная 3х-проводная сеть к «термоподвескам».
• Это означает, заказ «термоподвесок» БЕЗ ПЛАТ сопряжения и позволяет требовать снижение цены за одну «термоподвеску». Аргумент в том, что деталей стало меньше!

Структурная схема измерений.

• Структурная схема измерений осталась без изменений, имеет такую же радиально-шинную топологию и представлена на рисунке 6

Рисунок 6. Структурная схема измерений

• На схеме цифрами указано количество проводов в линии. До ветвителей (ВТВ) 4 провода - 0 В., 1-wire, +5 В., +12 В.
• После ветвителя с выхода А-aux и М-main выходит 3 провода - 0 В., 1-wire, +5 В. с ЗАЩИТОЙ И ИНДИКАЦИЕЙ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ.
• При использовании модернизированных ветвителей поиск неисправности осуществляется по индикации замыкания и не требует специальных приборов.

Программное решение в модернизации;

• Для работы с модернизированными ветвителями, остается прежнее программное обеспечение. А так же тесты, поставляемые производителем датчиков. Допускается любое другое программное обеспечение, поддерживающее протокол 1-wire.

Порядок выполнения, сроки и этапы работ, примерная стоимость затрат

• Работы выполняются с использованием инструментов без пайки (отвертка, кусачки, изоляционные материалы т.п.)
• На рисунке 6 пример схемы монтажа на шесть силосов в MAIN и AUX. На разных корпусах количество силосов может быть разным.

Рисунок 7. Монтажная схема шкафа коммутации

• Следует обратить внимание на «оконцовку» соединений и использовать =обжимные= инструменты и гибкий монтажный провод.
• Выполненная модернизация представлена на рисунке 8
• Необходимо иметь место и учитывать возможность отключения неисправных подвесок и их дальнейшего подключения.

Рисунок 8. Выполненная модернизация в шкафу коммутации и справа подготовленные ветвители на din-рейках.

Порядок выполнения:

• удалить старые «висячий монтаж» и на свободном месте закрепить монтажные колодки, например саморезами.
• Выполнить «оконцовку» и «обжимку» монтажных линий и соединить внутренние шины с платой ветвителя.
• Провести маркировку линий идущих к силосам, уточнить их условный номер и план расположения на схеме расстановки силосов в корпусе. Ниже на рисунке 9 план расположения силосов в 3-м корпусе (пример)

Рисунок 9. План расположения силосов в корпусе 3

• Заполнить файл инициализации с номерами датчиков, ветвителей, выходов aux main и названием измеряемого силосом.

Пример фрагмента файла инициализации на 6 датчиков представлен на рисунке 10. Файл имеет текстовый формат и редактируется текстовым редактором, например Блокнотом.

• Пример номеров:

DAN_DAF= F400080159772E10 1 0 27 30 1 0 6F00000004C7571F 1 B400000004C5D11F 0

Где:

• DAN_DAF= опция назначения номеров датчиков и ветвителей, это команда для программы;
• F400080159772E10 - номер датчика ds1820, который измеряет температуру в подвеске;
• Ряд цифр …1 0 27 30 1 0 - настройки измерения по датчику, сигнализация;
• 6F00000004C7571F 1 - номер первого ветвителя с подключением на AUX (=1)
• B400000004C5D11F 0 - номер второго (оконечного) ветвителя с подключением на MAIN (=0), этот ветвитель расположен в шкафу и от него шина переходит на датчик

Необходимо обратить внимание на правильную запись в HEX виде, т.е. используется 16-я система счисления и латиница в строчном виде (большие знаки 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F). Номера датчиков и ветвителей пишется БЕЗ ПРОБЕЛОВ, т.е. одной группой. Между группами и отдельными цифрами в строке опций можно устанавливать любое количество пробелов. Длина строки опции до 4096 символов.

NAME_SILOS= сил_111a

DAN_DAF= F400080159772E10 1 0 27 30 1 0 6F00000004C7571F 1 B400000004C5D11F 0

DAN_DAF= 050008015996C410 1 0 27 30 1 0 6F00000004C7571F 1 B400000004C5D11F 0

DAN_DAF= 5300080159972210 1 0 27 30 1 0 6F00000004C7571F 1 B400000004C5D11F 0

DAN_DAF= 99000801597D4010 1 0 27 30 1 0 6F00000004C7571F 1 B400000004C5D11F 0

DAN_DAF= 1E0008015992E210 1 0 27 30 1 0 6F00000004C7571F 1 B400000004C5D11F 0

DAN_DAF= 7600080159959A10 1 0 27 30 1 0 6F00000004C7571F 1 B400000004C5D11F 0

Рисунок 10. Фрагмент файла инициализации

• Файл инициализации поставляется вместе с программой [4] и при изменении расположения силосов и используемых датчиков должна соответственно меняться.

Рисунок 11. Фрагмент тестирования штатной программой [7]

• Если получены новые подвески, то они имеют и новые номера датчиков. Эти номера надо определить и вписать в соответствующие силоса, где устанавливаются подвески.
• Данный формат предусматривается программой тестирования производителя. Используя буфер обмена можно записывать данные в файл инициализации.
• На рисунке 11 показан скан чтения данных тестовой программой [7] . Подключен один датчик через два ветвителя.
• Допускается использование любых программа для стандарта 1-wire
• Файл инициализации указывает датчики и ветвители и должен соответствовать измеряемым подвескам.
• Время выполнения модернизации и монтажа одного шкафа для одного человека примерно - 6-8 часов рабочего времени для квалификации 3-го разряда электромонтера (0.4кв)
• Стоимость печатной платы на дин-рейке ( длинна 42см) шинами подключения, смонтированным ветвителем и схемой контроля индикации 5000 руб. на 3-2022.
• Всего на объекте установлено 7 штук ML-09 без регенератора и контроля состояния линий в цепочной структурной последовательности.

Внимание! Стоимость цифровых подвесок определяется поставщиками и не входит в расчет модернизации!

Выводы.

Для выполнения работ составляется договор и план-график с заинтересованными лицами и руководством. Предполагается выполнение в режиме шеф-монтажа и обучением работников объекта.

Литература и электронные источники.

1. Схема регенерации сигнала 1-wire http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/6645.html

2. Сайт производителей ветвителей 1wire МL-09 (производство прекращено) https://elin.ru/

3. Сайт производителя цифровых термоподвесок http://grein.ru/

4. Программа контроля температуры элеватораI http://90.189.213.191:4422/doc_sh/toguchin_2020n/test/

5. Пример объекта с модернизированными ветвителями 1wire http://90.189.213.191:4422/temp/lukanin_upravlenie_v1/

6. Сайт производителя термподвесок вариант 2 https://nvsb.ruskransnab.ru/termopodveski

7. Программа тестирования датчиков от производителя https://yadi.sk/d/3ZnZRODa490-P

---------------------------

Подготовил Шабронов А.А, тс +7-913-905-8839 shabronov@ngs.ru

2022-3-20

Успехов и здоровья!