Способ сравнения контрольных сигналов и устройство для его реализации

Изобретение относится к системам управления ответственными технологическими процессами, в частности к системам управления движением поездов на железнодорожном транспорте. Технический результат – изобретение обеспечивает обнаружение константных состояний устройства каждого из дублирующих каналов путем проверки динамического характера контрольных сигналов, поступающих на устройство сравнения, за счет чего повышается безопасность функционирования устройства, упрощается структура его построения. Способ и устройство для его реализации могут быть использованы в любых управляющих устройствах, независимо от их назначения и области применения. Управляющие устройства могут быть построены на основе средств вычислительной техники, микропроцессоров, цифровых или аналоговых элементов. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к системам управления ответственными технологическими процессами, в частности, к элементам систем управления движением поездов на железнодорожном транспорте. Сравнение контрольных сигналов необходимо в микроэлектронных или микропроцессорных системах управления движением поездов, имеющих дублированную структуру построения для обеспечения их безопасного функционирования.

Известен способ сравнения контрольных сигналов, основанный на применении элементов, реализующих функцию «равнозначность» (см. например, учебное пособие: Шалягин Д.В. Теоретические основы автоматики и телемеханики на железнодорожном транспорте: Дискретные автоматы. М.: МИИТ, 2010. - 161 с., или любой учебник по дискретным устройствам). Недостатком этого способа является невозможность его использования в безопасной системе управления движением поездов, так как появление в его элементах отказа приводит к не обнаружению неправильной работы одного или обоих комплектов дублированного устройства.

Известно также устройство, в котором реализован способ сравнения контрольных сигналов (патент РФ №2286279, Двухканальная система для регулирования движения железнодорожных транспортных средств, авторы В.Г. Гуменников, А.Ю. Крылов и Д.В. Шалягин.). Этот способ заключается в том, что для контроля работы системы, т.е. сравнения контрольных сигналов каждого из каналов, используется двухкаскадная схема сравнения, входы и выходы которой имеют гальваническую развязку на оптронах для формирования соответствующего сигнала. Первый каскад схемы сравнения, подключенный к контрольным выходам первого и второго канала, включает в себя два оптронных формирователя сигналов, элемент сравнения на диодном мостике, динамический триггер и выходной элемент первого каскада, выход которого образует цепь обратной связи динамического триггера, к которой также подключен элемент запуска первого каскада. Второй каскад состоит из динамического триггера, цепь обратной связи которого включает в себя выходной элемент схемы сравнения, а также элемент запуска второго каскада.

Наиболее близким к заявляемому способу по максимальному количеству сходных признаков является способ контроля работы двухканальной системы для регулирования движения железнодорожных транспортных средств (патент РФ №2286279, МПК B61L 27/04, G06F 11/00), который выбран в качестве прототипа. Способ заключается в том, что в процессе работы двухканальной микропроцессорной системы сигналы на одноименных контрольных точках устройств каждого из двух каналов сравниваются между собой, при положительном результате этого сравнения выдается выходной сигнал на объект управления, причем используется задержка времени выдачи этого сигнала, величина которой превышает длительность одного цикла контроля каналов.

Недостатком этого способа является то, что при его применении возможна ситуация, при которой устройство одного из каналов может перейти в константное состояние. Это состояние характерно тем, что сигнал на контрольном выходе канала принимает постоянное значение, не распознаваемое следующим элементом как логические значения ноль или единица. При этом возникает возможность появления его неконтролируемого состояния, которое может быть опасным для управляемого системой процесса. Выявление таких состояний требует применения внешних контролирующих средств, что снижает эффективность системы, ее быстродействие, повышает стоимость ее проектирования и внедрения.

В основу предлагаемого изобретения положена определенная последовательность действий при сравнении контрольных сигналов устройства управления ответственными объектами, позволяющая осуществлять контроль состояний этого устройства, как при наличии управляющих воздействий, так и при их отсутствии, в том числе обнаруживать константные состояния устройства каждого канала.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе сравнения контрольных сигналов в двухканальной системе управления для каждого из каналов проверяется динамический характер его контрольных сигналов, которые поступают на устройство сравнения. Благодаря этому повышается безопасность функционирования устройства, упрощается структура его построения, расширяется область применения. Заявляемый способ может быть использован в любых управляющих устройствах, независимо от их назначения, области применения и используемой элементной базы. Так, управляющие устройства могут быть построены на основе средств вычислительной техники, микропроцессоров, цифровых или аналоговых элементов.

На фиг. 1 показана общая структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ сравнения, где приведены следующие элементы.

1, 2 - соответственно первый и второй идентичные каналы управляющего устройства;

3, 4 - формирователи контрольных сигналов с гальванической развязкой выходов на оптронах;

5 - элемент сравнения;

6, 7 - элементы контроля динамического изменения сигналов первого и второго каналов;

8 - элемент блока пуска устройства при включении питания или его перезапуска при сбое в работе каналов управляющего устройства или устройства сравнения;

9 - генератор тактовых импульсов;

10 - формирователь частоты сигнала контроля;

11.1, 11.2, 11.3 - ключи управления сигналом контроля;

12 - динамический триггер первого каскада;

13, 14 - выходные ключи диагностики первого каскада;

15 - ключ обратной связи динамического триггера первого каскада;

16 - преобразователь полярности сигнала динамического триггера первого каскада;

17 - логический элемент ИЛИ динамического триггера первого каскада;

18 - элемент запуска первого каскада;

19 - динамический триггер второго каскада;

20, 21 - выходные ключи диагностики второго каскада;

22 - выходной ключ второго каскада;

23 - преобразователь полярности сигнала динамического триггера второго каскада;

24 - логический элемент ИЛИ динамического триггера второго каскада;

25 - элемент запуска второго каскада;

26 - элемент выдержки времени.

Способ осуществляется следующим образом.

При включении питания устройства блоком пуска устройства (на фиг. 1 не показан) запускаются первый 1 и второй 2 идентичные управляющие каналы, работающие от общего генератора тактовых импульсов 9. При этом блоком пуска устройства при включении питания производится первоначальная синхронизация каналов 1 и 2 (на фиг. 1 не показана). Одновременно с этим от элемента 8 блока пуска устройства при включении питания подаются кратковременные импульсы питания на ключи управления сигналом контроля 11.1 и 11.2 параллельно выходам элементов 6 и 7 контроля динамического изменения сигналов первого и второго каналов. Длительность этих импульсов выбрана таким образом, чтобы за это время сработали формирователи 3 и 4 контрольных сигналов с гальванической развязкой на оптронах и динамические сигналы контроля через элемент сравнения 5 поступили на питание элементов 6 и 7, а также сработал триггер 12 и ключ управления сигналом контроля 11.3. Далее осуществляется следующая последовательность действий:

1 - формирователи 3 и 4 преобразуют контрольные сигналы, поступающие от каналов 1 и 2, во взаимно инверсные импульсные сигналы;

2 - эти сигналы с взаимно инверсными, но синхронными, значениями поступают в элемент сравнения 5, где производится их сравнение по значению (взаимной инверсии) и длительности;

3 - сигналы с выходов элемента сравнения 5 поступают на элементы 6 и 7 контроля динамического изменения сигналов первого и второго каналов соответственно, которые преобразуют эти динамические сигналы в напряжение отрицательной полярности;

4 - с выходов элементов 6 и 7 отрицательное напряжение подается в цепи питания последовательно включенных ключей управления сигналом контроля 11.1 и 11.2, эти напряжения отрицательной полярности поддерживают эти ключи в рабочем состоянии при условии динамического изменения сравниваемых в элементе сравнения 5 контрольных сигналов от формирователей 3 и 4;

5 - блок пуска устройства при включении питания (на фиг. 1 цепь не показана) включает элемент запуска первого каскада 18 устройства сравнения, который вырабатывает кратковременный импульс, поступающий через логический элемент ИЛИ первого каскада 17 на питание ключа управления сигналом контроля 11.3; с выхода этого ключа подается напряжение сигнала контроля на элемент динамического триггера 12, причем цепь обратной связи этого триггера содержит выходной ключ динамического триггера первого каскада 15, преобразователь полярности сигнала первого каскада 16, логический элемент ИЛИ первого каскада 17 и ключ управления сигналом контроля 11.3; ключи управления сигналом контроля 11.1, 11.2 и 11.3 включены для сигнала контроля между собой последовательно, чем выполняется логическая функция И;

6 - сигнал от выходного ключа 15 динамического триггера первого каскада поступает на вход элемента динамического триггера второго каскада 19;

7 - от кратковременного импульса, выработанного элементом запуска первого каскада 18, включается элемент выдержки времени 26, после завершения этой выдержки времени кратковременно включается элемент запуска второго каскада 25;

8 - выходной импульс элемента запуска второго каскада 25 через логический элемент ИЛИ второго каскада 24 поступает на питание элемента динамического триггера второго каскада 19, цепь обратной связи которого состоит из преобразователя полярности сигнала второго каскада 23 и логического элемента ИЛИ второго каскада 24;

9 - с выхода выходного ключа второго каскада 22 контрольный сигнал поступает в выходные каскады устройства управления ответственными технологическими процессами, разрешая им воздействовать на объекты управления;

10 - выходные ключи диагностики первого каскада 13 и 14 и выходные ключи диагностики второго каскада 20 и 21 вырабатывают диагностические сигналы о фактическом состоянии элементов соответственно первого и второго каскадов устройства; при этом выходные сигналы ключей диагностики 13 и 20 поступают на входы первого канала управляющего устройства 1, а выходные сигналы ключей диагностики 14 и 21 - на входы второго канала управляющего устройства 2 (на фиг. 1 цепи не показаны);

11 - по состоянию диагностических сигналов ключей диагностики первого 13 и 14 и второго 20 и 21 каскадов устройства 1 и 2 определяют состояния схемы сравнения; далее, при значении диагностических сигналов, не соответствующем правильной работе устройства, происходит срабатывание (перезапуск) устройства 8 формирования сигнала пуска и синхронизации управляющих устройств 1 и 2 и элементов контроля динамического изменения сигналов первого 6 и второго 7 каналов, а также запуск первого и второго каскадов элементами 18 и 25.

При появлении неисправности в устройствах каналов 1 или 2, а также в случае отказа в элементах схемы сравнения 3, …, 22 (кроме элементов 13, 14, 20 и 21) на выходе элемента 22 контрольный сигнал выключается, чем исключается какое-либо воздействие выходных каскадов устройства на объекты управления ответственными технологическими процессами. Для этого в предлагаемом устройстве выполняются следующие операции:

а) на элементе сравнения 5 проверяется взаимная синхронность и инверсность сигналов контроля каналов 1 и 2;

б) элементами 6 и 7 определяется наличие динамического изменения этих контрольных сигналов;

в) с помощью логического элемента 11.1, 11.2, 11.3 и динамического триггера первого каскада с элементом 12 проверяется правильность срабатывания элементов схемы контроля;

г) элементом выдержки времени 26 происходит задержка запуска второго каскада элементом 25, причем за это время задержки должен пройти полный тест проверки работы устройств 1 и 2 с положительным результатом.

При нарушении синхронности сигналов контроля каналов 1 и 2 выключаются элемент сравнения 5, элемент динамический триггер 12 первого каскада и ключ управления сигналом контроля 11.3, чем исключается прохождение контрольного сигнала на выход устройства. Аналогичный результат происходит при нарушении динамического характера сигналов контроля: в этом случае элементами 6 или 7 снимается питание с ключей управления сигналом контроля 11.1 или 11.2, чем выключается динамический триггер 12 и исключается прохождение контрольного сигнала на выход устройства. Выбор элемента 6 или 7, а также соответствующего ключа 11.1 или 11.2 определяется в элементе сравнения 5 по значению контрольного сигнала, поступающего от формирователей контрольных сигналов 3 или 4.

При появлении сбоя в работе одного из каналов выключаются выходные ключи управления и благодаря сигналам диагностики от ключей 13, 14 и 20, 21 каналы 1 и 2 перезапускаются элементом 8 и включают элементы запуска первого и второго каскадов 18 и 25 (с выдержкой времени 26) соответственно. При этом работа устройства восстанавливается. В случае устойчивого отказа в одном из каналов 1 или 2 происходит полное выключение устройства, так как число перезапусков ограничено в элементах 18 и 25 специальными счетчиками перезапусков.

Работа устройства поясняется схемами, на которых показаны:

фиг. 2 - функциональная схема устройства сравнения контрольных сигналов и динамического триггера первого каскада;

фиг. 3 - функциональная схема динамического триггера второго каскада.

Схема сравнения 5 (см. фиг. 2) представляет собой диодный мостик, в котором в качестве двух из четырех диодов использованы светодиоды оптронов, причем с выходов этих оптронов снимаются динамические сигналы, поступающие от формирователей 3 и 4 соответственно. Эти динамические сигналы поступают в преобразователи 6 и 7 в напряжение отрицательной полярности. Цепь тока светодиодов обоих оптронов схемы сравнения 5 проходит через последовательно включенные светодиоды оптронов выходных ключей диагностики первого каскада 13 и 14, светодиод оптрона ключа 15 обратной связи динамического триггера первого каскада, фототранзистор оптрона элемента динамического триггера первого каскада 12 и диоды схемы сравнения 5. Она может образоваться только при взаимно инверсных значениях контрольных сигналов на выходах формирователей 3 и 4, а также при рабочем состоянии последовательно включенных ключей 11.1, 11.2 и 11.3. До образования этой цепи питание ключей 11.1, 11.2 и ключа 11.3 осуществляется от элементов 8 и 18 соответственно.

Преобразователи 6 и 7, а также преобразователи 16 и 23 (см. фиг. 3) представляют собой диодно-конденсаторный дешифратор импульсного сигнала, выходное напряжение которого имеет отрицательное значение. Одновременно эти преобразователи обладают свойством зависимости их выходного напряжения от частоты входного сигнала, чем обеспечивается дополнительный контроль значения тактовой частоты, вырабатываемой генератором тактовых импульсов 9 и исправность формирователя частоты сигнала контроля 10.

Отрицательное напряжение от преобразователей 6 и 7 поступает в цепи питания ключей управления сигналом контроля 11.1 и 11.2. Эти ключи предварительно получают кратковременное питание от элемента пуска 8, причем его длительность определяется емкостями конденсаторов, установленных в элементе 8, в котором также установлены последовательно включенные между собой усилитель и по выходам два оптрона.

При условии правильного функционирования управляющих устройств 1 и 2 и формирователей 3 и 4, на выходе диодного мостика схемы сравнения 5 появляется постоянное напряжение. От этого напряжения питается следующая последовательная цепь: транзистор оптрона элемента динамического триггера первого каскада 12, светодиод ключа обратной связи динамического триггера первого каскада 15 и светодиоды выходных ключей диагностики первого каскада 13 и 14. Кроме этого, на светодиод элемента динамического триггера первого каскада 12 подается частота контроля от ключа управления сигналом контроля 11.3. Питание этого ключа осуществляется первоначально кратковременно от элемента запуска первого каскада 18 через конденсатор в элементе ИЛИ 17 первого каскада, а затем, после срабатывания триггера 12, - от цепи обратной связи этого триггера, включающей модули 15, 16 и 17.

На выходе элемента 15, являющегося выходом первого каскада устройства сравнения, контрольный сигнал будет присутствовать все время, пока правильно функционируют оба канала управляющего устройства 1 и 2 и отсутствуют сбои или отказы в элементах самого первого каскада устройства сравнения. В противном случае этот сигнал выключается, динамический триггер первого каскада 12 сбрасывается, а восстановление его работы возможно только путем нового перезапуска устройства элементами 8 и 18.

Контрольный сигнал от выхода первого каскада устройства сравнения (от оптрона 15) поступает на вход второго каскада (фиг. 3), в котором последовательно включены усилитель и динамический триггер второго каскада 19. Цепь обратной связи триггера образуется следующими элементами: оптрон, усилитель контрольного сигнала, преобразователь 23 в напряжение отрицательной полярности, элемент ИЛИ второго каскада. Для включения триггера 19 необходимо, чтобы от пускового импульса элемента 18 после выдержки времени, задаваемой элементом 26, сработал элемент запуска второго каскада 25, который выдает кратковременный импульс питания на входной элемент триггера 19. После срабатывания этого триггера выходные сигналы контрольной частоты поступают на выходные ключи диагностики второго каскада оптроны 20 и 21 и выходной ключ второго каскада 22.

Таким образом, в предлагаемом устройстве осуществляется способ сравнения контрольных сигналов управляющих устройств 1 и 2, проверки их динамического изменения, формирование диагностических сигналов о работе устройства сравнения и выходного сигнала управления, чем достигается цель изобретения.

1. Способ сравнения контрольных сигналов, заключающийся в том, что для контроля работы двухканальной системы управления при включении ее питания производится синхронизация каналов; одновременно с этим подаются кратковременные импульсы питания на ключи управления сигналом контроля, длительность которых достаточна для того, чтобы сработал триггер первого каскада; далее контрольные сигналы преобразуются во взаимно инверсные, но синхронные, импульсные сигналы, поступающие в элемент сравнения, где сравниваются по значению и длительности; с выхода ключа управления сигналом контроля подается напряжение контроля на динамический триггер и выходной ключ первого каскада, сигнал от которого поступает на вход элемента динамического триггера второго каскада, причем от кратковременного импульса, выработанного элементом запуска первого каскада, включается элемент выдержки времени для проведения тестирования устройства, после завершения этого времени кратковременно включается элемент запуска второго каскада, импульс с выхода которого поступает на питание элемента динамического триггера второго каскада, с выхода выходного ключа второго каскада контрольный сигнал поступает в выходные каскады устройства управления ответственными технологическими процессами, разрешая им воздействовать на объекты управления; кроме того, выходные ключи диагностики первого и второго каскадов выдают диагностические сигналы о фактическом состоянии элементов первого и второго каскадов устройства, которые поступают на входы первого и второго канала управляющего устройства; по сигналам ключей диагностики определяются состояния устройства сравнения; при значении этих сигналов, не соответствующем правильной работе устройства, включается перезапуск устройства, отличающийся тем, что с целью повышения безопасности функционирования устройства и достоверности его контроля сигналы с выходов элемента сравнения поступают на элементы контроля динамического изменения сигналов первого и второго каналов, которые преобразуют эти сигналы в напряжения отрицательной полярности для питания последовательно включенных ключей управления сигналом контроля, поддерживающие эти ключи в рабочем состоянии при условии динамического изменения сравниваемых контрольных сигналов.

2. Устройство сравнения контрольных сигналов для реализации способа по п. 1, содержащее два идентичных канала устройства управления, работающих синхронно от общего тактового генератора, к контрольным выходам которых подключены формирователи синхронных взаимно инверсных контрольных сигналов, подключенных к входам схемы сравнения, выходы этой схемы сравнения подключены к цепи питания динамического триггера первого каскада, вход которого подключен к выходу ключа управления сигналом контроля, а выход - к выходным ключам диагностики и выходному ключу динамического триггера первого каскада, выход которого соединен через преобразователь выходного сигнала с цепью питания ключа управления сигналом динамического триггера первого каскада, к которому также подключен элемент запуска первого каскада, кроме того, к выходному ключу динамического триггера первого каскада подключен вход динамического триггера второго каскада, цепь обратной связи которого образует преобразователь выходного сигнала второго каскада, соединенный с цепью питания динамического триггера второго каскада, к выходу этого триггера подключены выходные ключи диагностики и сигнала управления объектами, а к входу - элемент запуска второго каскада, соединенный через элемент выдержки времени с элементом запуска первого каскада, отличающееся тем, что с целью повышения безопасности функционирования устройства и достоверности его контроля в него добавлены два элемента контроля динамических сигналов первого и второго каналов, соединенных с цепями питания последовательно включенных дополнительных первого и второго ключей управления контрольным сигналом, вход которых соединен с делителем тактовой частоты устройства, а выход - с входом ключа управления контрольным сигналом динамического триггера первого каскада.

3. Устройство по п. 2, в котором схема сравнения выполнена на основе диодного мостика, содержащего две пары диодов, в которых диоды первой пары соединены между собой анодами, образуя первый выход схемы сравнения, диоды второй пары соединены между собой катодами, образуя второй выход схемы сравнения, причем сравниваемые сигналы подаются в точки соединения анодов и катодов диодов разных пар, результирующий сигнал сравнения снимается с точек соединения анодов первой пары диодов и катодов второй пары диодов, отличающееся тем, что в качестве диодов второй пары используются светодиоды оптронов, выходы которых через диодно-конденсаторные дешифраторы импульсной работы подключены к цепям питания первого и второго ключа управления сигналом контроля соответственно, а диодно-конденсаторные дешифраторы импульсной работы содержат последовательно включенный первым выводом с входом конденсатор, второй вывод которого соединен с анодом первого диода и катодом второго диода, причем катод первого диода соединен с общим проводом устройства, анод второго диода - с выходом данного дешифратора, а через конденсатор - с общим проводом устройства.

4. Устройство по п. 2, в котором динамический триггер первого каскада выполнен на основе двух оптронов, в которых светодиод первого оптрона подключен к выходу ключа управления сигналом контроля, эмиттер первого оптрона соединен с первым выходом схемы сравнения, а его коллектор - с катодом светодиода второго оптрона, анод которого соединен с вторым выходом схемы сравнения; к выходу транзистора второго оптрона, который также является выходом динамического триггера первого каскада, подключен диодно-конденсаторный дешифратор, выход которого соединен с цепью питания ключа управления сигналом контроля, с которой также соединен через конденсатор выход элемента запуска первого каскада, отличающееся тем, что в устройстве применены три ключа управления сигналом контроля, включенные между собой последовательно, образуя логическую схему И, в которой на вход первого ключа управления сигналом контроля подключен выход делителя тактовой частоты, питание первого и второго ключей управления сигналом контроля производится от выходов первого и второго диодно-конденсаторных дешифраторов схемы сравнения, а питание третьего ключа управления сигналом контроля - от выхода диодно-конденсаторного дешифратора динамического триггера первого каскада, кроме того, в цепь с вето диода второго оптрона дополнительно включены светодиоды двух оптронов, выходы транзисторов которых соединены с диагностическими выходами устройств первого и второго каналов.

5. Устройство по п. 2, в котором динамический триггер второго каскада выполнен на основе двух оптронов, причем вход светодиода первого оптрона соединен с выходом динамического триггера первого каскада, выход его транзистора - с светодиодом второго оптрона, выход транзистора которого через усилитель связан с входом диодно-конденсаторного дешифратора, выход которого подключен к цепи питания эмиттера транзистора первого оптрона, к которой также подключен через конденсатор выход элемента запуска второго каскада, отличающееся тем, что вход элемента запуска второго каскада соединен с выходом элемента запуска первого каскада через схему выдержки времени на полное тестирование всего устройства, кроме того, выход динамического триггера второго каскада образуется цепью из светодиода выходного оптрона и светодиодов двух дополнительно включенных оптронов, выходы транзисторов которых соединены с диагностическими выходами устройств первого и второго каналов, а эта цепь подключена через усилитель к выходу диодно-конденсаторного дешифратора.