Модуль безопасного сопряжения
SAFE INTERFACE MODULE

Изобретение относится к области железнодорожной автоматики и телемеханики и может быть использовано в критичных системах управления железнодорожным транспортом.
К системам железнодорожной автоматики предъявляют высокие требования безопасности и надежности. Обычно безопасность функционирования обеспечивается за счет аппаратной и программной избыточности.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является дублированное микропроцессорное устройство для систем управления движение поездов (патент RU41693 U1, дата публикации 10.11.2004). Известное устройство содержит первый и второй микроконтроллеры, схему запуска, схему контроля, цифровой и аналоговый и интерфейсы, генератор тактовых импульсов.
Недостатком известного устройства является то, что для обеспечения надежности используется только дублирование микроконтроллеров, и отсутствуют дублирующие схемы остальных устройств.
Задача изобретения: создание микропроцессорного модуля безопасного сопряжения (МБС), обеспечивающего связку систем управления с релейной аппаратурой железнодорожной автоматики и телемеханики по контролю и управлению.
В основу изобретения поставлена задача создания микропроцессорного модуля, состоящего из двух независимых микропроцессорных вычислителей, обеспечивающего контроль и управление реле железнодорожной автоматики и телемеханики, за счет использования схем безопасного ввода-вывода.
Модуль безопасного сопряжения содержит два независимых микропроцессорных вычислителя (МПВ_А и МПВ_Б), восемь каналов телесигнализации первых групп контактов реле; восемь каналов телесигнализации вторых групп контактов реле; транзисторные ключи сигналов 20 и 40 Гц; два модуля CAN сети МПВ_А; два модуля CAN сети МПВ_Б; генератор тактовых импульсов; счетчик тактовых импульсов; управляющие ключи питания выходов телеуправления; четыре транзисторных ключа каналов управления МПВ_А; четыре транзисторных ключа каналов управления МПВ_Б; четыре трансформатора; два диодных моста; четыре устройства гальванической развязки, обеспечивающие контроль каналов управления микропроцессорными вычислителями.
Технический результат изобретения заключается в повышении уровня безопасности и достоверности получения информации о положении контактов реле, а также в повышении уровня безопасности при выдаче управляющих воздействий на реле, применяемых в системах железнодорожной автоматики и телемеханики, что в целом повышает уровень безопасности систем управления железнодорожным транспортом.
Схема безопасного ввода выполнена с использованием сигналов с частотами 20 и 40 Гц, которые поступают на одноименные входы телесигнализации (ТС) модуля безопасного сопряжения (МБС). Считывание положения контактов реле происходит только при поступлении на одноименные входы ТС сигналов различной частоты. При поступлении на одноименные входы ТС сигналов одной частоты, смеси частот или отсутствии одного из сигналов формируется сообщение об ошибке. Схема безопасного вывода выполнена с использованием трансформаторной развязки, исключающей ложное появление напряжения на выходе телеуправления (ТУ) при отсутствии команд от микропроцессорных вычислителей. Выдача напряжения на выход ТУ обеспечивается одновременной синхронной противофазной работой микропроцессорных вычислителей, которые, управляя транзисторными ключами, создают на первичной обмотке трансформатора переменное напряжение.
На фигуре представлена структурная схема микропроцессорного модуля безопасного сопряжения.
9
12
1
3
2
4
5
6
7
8
13
14
11
10
21
22
15
16
19
20
23
24
25
26
17
18
Устройство содержит: два независимых микропроцессорных вычислителя (МПВ_А, МПВ_Б)  и , восемь каналов телесигнализации первых групп контактов реле (ТС1.1 – ТС1.8)  и ; восемь каналов телесигнализации (ТС2.1 – ТС2.8)  и  вторых групп контактов реле; транзисторные ключи  и  сигналов 20 и 40 Гц (ТК20, ТК40); два модуля CAN сети МПВ_А  и ; два модуля CAN сети МПВ_Б  и ; генератор тактовых импульсов (Г) ; счетчик тактовых импульсов (СТ) ; управляющие ключи питания выходов телеуправления  и ; транзисторные ключи каналов управления МПВ_А (ТК1.1-ТК4.1)  и ; транзисторные ключи каналов управления МПВ_Б (ТК1.2-ТК4.2)  и ; трансформаторы (ТР1-ТР4)  и ; диодные мосты (ДМ1-ДМ4)  и ; устройства гальванической развязки (УГР1-УГР4)  и , обеспечивающие контроль каналов управления микропроцессорными вычислителями.
11
9
12
10
Выходы генератора  тактовых импульсов подключены к тактовым входам микропроцессорных вычислителей (МПВ_А, МПВ_Б)  и  и ко входу счетчика тактовых импульсов (СТ) .
10
9
12
5
6
Выходы счетчика тактовых импульсов (СТ)  подключены к первым входам микропроцессорных вычислителей (МПВ_А, МПВ_Б)  и  и ко входам транзисторных ключей  и .
5
1
4
6
1
4
Выход транзисторного ключа  подключен к первым входам первых и вторых групп контактов реле (ТС1.1 – ТС1.8, ТС2.1 – ТС2.8) -. Выход транзисторного ключа  подключен ко вторым входам первых и вторых групп контактов реле (ТС1.1 – ТС1.8, ТС2.1 – ТС2.8) -.
1
4
9
12
Выходы первых и вторых групп контактов реле (ТС1.1 – ТС1.8, ТС2.1 – ТС2.8) - через информационную шину подключены к первым входам микропроцессорных вычислителей (МПВ_А, МПВ_Б)  и .
7
8
9
13
14
12
Информационные входы/выходы модулей CAN сети МПВ_А  и  соединены с информационными входами/выходами микропроцессорного вычислителя (МПВ_А) . Информационные входы/выходы модулей CAN сети МПВ_Б  и  соединены с информационными входами/выходами микропроцессорного вычислителя (МПВ_Б) .
9
15
16
12
19
20
Выход микропроцессорного вычислителя (МПВ_А)  соединенсо входами транзисторных ключей  и . Выход микропроцессорного вычислителя (МПВ_Б)  соединен со входами транзисторных ключей  и .
15
16
23
24
19
20
23
24
23
24
21
22
Выходы соответствующих транзисторных ключей  и  подключены к первым входам соответствующих трансформаторов  и . Выходы соответствующих транзисторных ключей  и  подключены ко вторым входам соответствующих трансформаторов  и . На третьи входы трансформаторов  и  через управляющие ключи питания выходов телеуправления  и  поступает импульсное напряжение 24В.
23
24
25
26
25
26
9
12
17
18
Выходы трансформаторов  и  подключены ко входам соответствующих диодных мостов  и . Выходы соответствующих диодных мостов  и  подключены ко вторым входам микропроцессорных вычислителей (МПВ_А И МПВ_Б)  и  через соответствующие устройства гальванической развязки  и  и являются выходами МБС.
Модуль безопасного сопряжения работает следующим образом.
11
9
12
1
4
10
5
6
1
4
7
8
13
14
Генератор  обеспечивает тактирование микропроцессорных вычислителей  и . Каналы телесигнализации - получают питание токами с частотой 20 и 40 Гц от счетчика тактов  через транзисторные ключи  и . Микропроцессорные вычислители, в соответствии с заданной им тактовой частотой, производят опрос каналов телесигнализации -. Комбинация, при которой на одноименных входах ТС присутствуют сигналы различных частот, является разрешенной. Комбинация, при которой на одноименных входах ТС присутствуют сигналы одинаковой частоты, смесь частот или сигналы отсутствуют, является запрещенной. При приеме запрещенной комбинации формируется сообщение об ошибке. Результаты опроса входов ТС микропроцессорными вычислителями передаются в сети CAN1 и CAN2 , , , .
23
24
25
26
Модуль безопасного сопряжения характеризуется применением в своем составе схемы безопасного вывода, которая построена на основе трансформаторной развязки ,  и двухполупериодной схемы выпрямления  и , что полностью исключает ложную выдачу напряжения на выходе телеуправления (ТУ) модуля при любых отказах транзисторов и других элементов, входящих в схему канала.
21
22
15
16
19
20
10
23
(24)
25
(26)
17
18
При получении команды управления по CAN2 микропроцессорные вычислители открывают соответствующие команде ключи управления питанием ,  и транзисторные ключи , , , . Очерёдность открытия транзисторных ключей обеспечивается синхронно и противофазно работающими микропроцессорными вычислителями А и Б, выходы телеуправления которых тактируются сигналом 40 кГц от счетчика тактов . В результате чего на первичную обмотку трансформатора  поступает парафазное импульсное напряжение 24В. Появление напряжения на вторичной обмотке трансформатора возможно только при одновременной синхронной противофазной работе микропроцессорных вычислителей А и Б. Прекращение выдачи управляющего сигнала 40 кГц одним из микропроцессорных вычислителей приводит к прекращению генерации напряжения на вторичной обмотке трансформатора. К вторичной обмотке трансформатора подключен диодный мост , формирующий напряжение 24В постоянного тока для питания обмоток реле. Наличие напряжения на обмотке реле контролируется микропроцессорными вычислителями через устройства гальванической развязки  и .
21
22
23
24
Микропроцессорные вычислители осуществляют непрерывный контроль функционирования каналов управления через устройства гальванической развязки, подключенные к выходам каналов, что позволяет при возникновении неисправности в одном из микропроцессорных вычислителей выключать ключ управления питанием ,  соответствующего канала и прекращать генерацию меандров 40 кГц, в результате чего генерация напряжения на вторичной обмотке трансформатора ,  прекращается.
1
2
3
4
10
5
6
Схема безопасного ввода посылает через группы контактов реле , , ,  импульсные сигналы напряжением 24В и частотами 20 и 40 Гц на соответствующий вход из двух входов, вырабатываемые счетчиком тактов , через транзисторные ключи  и , в зависимости от положения контактных групп. Комбинация этих сигналов определяет состояние контактов, при этом наличие на входах канала сигналов одинаковой частоты, смеси частот или отсутствие сигнала воспринимается как аварийная ситуация.