ЦИФРОВОЕ ПЯТИКАНАЛЬНОЕ РЕЛЕ С ФУНКЦИЕЙ САМОДИАГНОСТИКИ
DIGITAL FIVE-CHANNEL RELAY WITH SELF-DIAGNOSTIC FUNCTION

Изобретение относится к средствам автоматизации и может быть использовано в частности в системах управления электроагрегатов генераторных с приводом от двигателя внутреннего сгорания.
Известны аналоговые реле различного типа, содержащие измерительный преобразователь и выходной каскад, использующие различные способы измерения контролируемой физической величины /1, 2/.
Их недостатками являются ограниченные функциональные возможности в частности достоверность выходной информации и точность настройки.
Известен цифровой измеритель скорости вращения, содержащий импульсный датчик, генератор эталонной частоты, счетчик импульсов, элемент задержки и электронные ключи /3/. Он обеспечивает удовлетворительную точность.
Его недостатком являются невысокие функциональные возможности, заключающиеся в наличии лишь одного выходного канала и невысокая достоверность выходной информации.
Известно реле частоты вращения с трехканальным выходом по числу уставок, содержащее формирователь коротких импульсов, преобразователь частоты в постоянное напряжение, три пороговых устройства с задатчиками уставок, шесть индикаторов состояния и выходное устройство с тремя каскадами /4/. Наличие трех выходных каналов расширяет возможности РЧВ.
Однако возможные сбои в измерительной части и в выходных каналах при отсутствии самодиагностики отражаются на достоверности выходной информации РЧВ и могут привести к сбою в работе системы автоматического управления.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является цифровое реле частоты вращения с функцией реконструктивной диагностики, содержащее формирователь коротких импульсов, первый, второй и третий числовые компараторы, к разрядам первых входов которых подключены соответствующие разряды выходов соответственно первого, второго и третьего задающего регистра, выходное устройство с тремя выходными каскадами, три индикатора и элемент задержки, выход которого подключен к сбросовым входам первого и второго счетчика и входу записи исходного числа реверсивного счетчика, а вход соединен с выходом формирователя коротких импульсов, к которому так же подключены: вход распределителя импульсов, вход записи первого регистра памяти, единичный вход второго RS-триггера и первые входы пятого и десятого логического элемента И, вторые входы которых подключены соответственно к первому и второму выходу четвертого числового компаратора, разряды первого входа которого соединены с соответствующими разрядами выхода четвертого задающего регистра, разряды второго входа - с соответствующими разрядами выхода реверсивного счетчика, суммирующий вход которого подключен к выходу четвертого логического элемента И, вычитающий вход - к выходу третьего логического элемента И, а выход заема - к сбросовому входу второго RS-триггера прямой и инверсный выходы которого соответственно соединены со вторыми входами третьего и четвертого логических элементов И, первые входы которых подключены к выходу генератора импульсов стабильной частоты, к которому так же подключены первые входы первого и второго логических элементов И, ко вторым входам которых подключены соответственно прямой и инверсный выходы первого RS-триггера, а к выходам - счетные входы соответственно первого и второго счетчика, разряды выходов которых соответственно через первый и второй электронные ключи подключены к соответствующим разрядам входа первого регистра памяти, причем управляющий вход первого электронного ключа связан со вторым выходом распределителя импульсов и сбросовым входом первого RS-триггера, а управляющий вход второго электронного ключа - с первым выходом распределителя импульсов и единичным входом первого RS-триггера, кроме того соответствующие разряды выхода первого регистра памяти подключены к соответствующим разрядам входа исходного числа реверсивного счетчика и вторых входов первого, второго и третьего числовых компараторов выходы БОЛЬШЕ которых подключены соответственно к первому, второму и третьему разрядам входа дешифратора нулевой выход которого подключен к сбросовому входу третьего RS-триггера инверсный выход которого соединен с первым входом восьмого логического элемента И, прямой выход - с первым входом девятого логического элемента И, а единичный вход - с третьим выходом дешифратора, второй выход которого подключен к вторым входам восьмого и девятого логического элемента И, четвертый выход - к входу третьего индикатора входу первого логического элемента НЕ, выход которого подключен ко второму входу шестого логического элемента И, соединенного первым входом с выходом третьего числового компаратора, а выходом - с третьим разрядом входа второго регистра памяти, первый, второй и третий разряды выхода которого подключены соответственно к входам первого, второго и третьего выходного каскада, второй разряд входа - к выходу третьего логического элемента ИЛИ, а первый разряд входа - к выходу первого логического элемента ИЛИ, первый вход которого связан с выходом первого числового компаратора, второй вход - с вторым входом второго логического элемента ИЛИ и шестым выходом дешифратора, пятый выход которого соединен со вторым входом третьего логического элемента ИЛИ и первым входом четвертого логического элемента ИЛИ, выход которого подключен к входу второго индикатора, а второй вход - к выходу восьмого логического элемента И, связанного с входом второго логического элемента НЕ, выход которого соединен со вторым входом седьмого логического элемента И, подключенного выходом к первому входу третьего логического элемента ИЛИ, а первым входом - к выходу второго числового компаратора, кроме того выход девятого логического элемента И связан с третьим входом первого логического элемента ИЛИ и первым входом второго логического элемента ИЛИ, связанного выходом со входом первого индикатора, а выход десятого логического элемента И соединен с единичным входом четвертого RS-триггера, сбросовый вход которого подключен к шине сброс, а выход пятого логического элемента И - к входу записи второго регистра памяти /5/. Три задающих регистра и три числовых компаратора по существу представляют три приемных реле. Самоконтроль обеспечивает достоверность выходной информации.
Однако это реле имеет возможность контроля лишь трех каналов информации.
Цель изобретения - расширение функциональных возможностей путем увеличения числа контролируемых каналов выходной информации.
Цель изобретения достигается тем, что цифровое пятиканальное реле с функцией самодиагностики, содержащее три приемных реле, первый формирователь коротких импульсов, элемент задержки, первый, второй и третий логические элементы ИЛИ, логический элемент И, к первому входу которого подключен выход генератора импульсов, а к второму - прямой выход первого RS-триггера, второй RS-триггер, первый и второй логический элемент НЕ, регистр памяти, индикатор состояния, счетчик импульсов, к счетному входу которого подключен выход логического элемента И, числовой компаратор, снабжено четвертым и пятым приемным реле, со второго по двенадцатый формирователями коротких импульсов, с третьего по пятый логическими элементами НЕ, диодом, шиной ПУСК и блоком памяти, к разрядам входа адреса которого подключены соответствующие разряды выхода счетчика импульсов, а разряды выхода - к соответствующим разрядам второго входа числового компаратора, разряды первого входа которого связаны с соответствующими разрядами входа регистра памяти, с выходами соответствующих приемных реле, с входами соответственно с первого по пятый логических элементов НЕ и входами соответственно с первого по пятый формирователей коротких импульсов, выходы которых подключены к соответствующим с первого по пятый входам второго логического элемента ИЛИ, к другим с шестого по десятый входам которого соответственно подключены выходы с шестого по десятый формирователей коротких импульсов, кроме того входы с шестого по десятый формирователей коротких импульсов подключены соответственно к выходам с первого по пятый логических элементов НЕ, а выход второго логического элемента ИЛИ соединен с первым входом третьего логического элемента ИЛИ, связанного вторым входом с шиной ПУСК, а выходом - с входом элемента задержки, нулевым входом второго RS-триггера и третьим входом первого логического элемента ИЛИ, выход которого подключен к сбросовому входу счетчика импульсов, выход переполнения которого соединен с единичным входом второго RS-триггера, прямой выход которого связан с входом индикатора и входом двенадцатого формирователя коротких импульсов, выход которого подключен к первому входу первого логического элемента ИЛИ и к нулевому входу первого RS-триггера, единичный вход которого подключен к выходу элемента задержки, причем выход РАВНО числового компаратора соединен с входом одиннадцатого формирователя коротких импульсов, связанного через диод с нулевым входом первого RS-триггера и непосредственно - с входом записи регистра памяти и вторым входом первого логического элемента ИЛИ, а выход регистра памяти является выходом устройства.
Четвертый и пятый приемные реле увеличивают числи информационных каналов. С третьего по пятый логические элементы НЕ и со второго по десятый формирователи коротких импульсов и их связи обеспечивают контроль изменения сигналов на выходах приемных реле и выбор момента проверки их состояния. По адресам блока памяти записана естественная последовательность кодов, возникающая на выходе информационного блока, когда все приемные реле исправны, и которая необходима для выявления сбоя.
На фиг. 1 представлена схема цифрового пятиканального реле с функцией самодиагностики, на фиг. 2 - эпюры сигналов на элементах устройства.
27
2
2
2
2
2
2
i
Реле (фиг. 1) включает первый 1, второй 2, третий 3, четвертый 4 и пятый 5 приемные датчики соответствующих уставок (приемные реле), первый 6, второй 7, третий 8, четвертый 9 и пятый 10 логические элементы НЕ, первый 11, второй 12, третий 13, четвертый 14, пятый 15, шестой 16, седьмой 17, восьмой 18, девятый 19, десятый 20 и одиннадцатый 21 формирователи коротких импульсов, первый 22 и второй 23 логические элементы ИЛИ, генератор импульсов 24, логический элемент И 25, счетчик импульсов 26, блок памяти 27, числовой компаратор 28, первый 29 и второй 30 RS-триггер, регистр памяти 31, индикатор состояния (сбоя) 32, шину ПУСК 33, третий логический элемент ИЛИ 34, элемент задержки 35, двенадцатый формирователь коротких импульсов 36 и диод 37. В блоке памяти 27 по адресам записаны двоичные коды К чисел равных 2-1, где i - номер адреса i=0…5 (00000, 00001, 00011, 00111, 01111 и 11111).
1
2
3
4
5
5
4
3
2
1
0
1
и
27
и
САУ
и
2
Реле работает следующим образом. Датчики 1…5 настроены на параметры срабатывания соответственно U, U, U, U и U, причем U>U>U>U>U (фиг. 2). При включении системы автоматического управления (САУ) подается сигнал на шину ПУСК 33 и появляется сигнал на выходе элемента ИЛИ 34. При этом через элемент ИЛИ 22 проходит сигнал, обнуляющий счетчик 26, триггер 30 переводится в нулевое состояние, а триггер 29 переводится в единичное состояние с задержкой за счет элемента задержки 35. Пусть в исходный момент времени t (фиг. 2) контролируемая величина u(t) меньше первой уставки U, тогда на выходах датчиков 1…5 сигналы отсутствуют и на первый вход компаратора 28 подается нулевой код К. На второй вход компаратора 28 подается нулевой код К с выхода блока памяти 27 так, как с выхода счетчика 26 установлен нулевой адрес. Появляется сигнал на выходе РАВНО компаратора 28. По фронту этого сигнала формирователь 21 вырабатывает импульс, который производит запись нулевого кода К с выходов датчиков 1…5 в регистр 31. С выхода регистра 31 код К=К=00000 поступает в САУ. Одновременно сигналом с выхода формирователя 21 триггер 29 переводится в нулевое состояние, предотвращая изменение кода на выходе счетчика 26.
и
2
10
27
САУ
и
2
По мере возрастания контролируемой величины u(t) в момент времени U (фиг. 2) срабатывает датчик 1 и на его выходе появляется сигнал X1. На первый вход компаратора 28 поступает код К=00001=1. Одновременно сигнал X1 с выхода датчика 1 поступает на формирователь 11. Импульс с его выхода через элементы ИЛИ 23, 34 и элемент задержки 35 переводит триггер 29 в единичное состояние и подготавливает элемент И 25 по второму входу. С выхода генератора импульсов 24 через элемент И 25 проходит импульс на вход счетчика 26, и код на его выходе возрастает на единицу. С выхода блока памяти 27 на второй вход компаратора 28 поступает код К равный коду на его первом входе. По фронту сигнала с выхода компаратора 28 формирователем 21 вырабатывается импульс, записывающий в регистр 31 новый код К=К=00001. Вместе с тем импульс с выхода формирователя 21 переводит триггер 29 в нулевое состояние, предотвращая прохождение импульсов на вход счетчика 26, и через элемент ИЛИ 22 поступает на сбросовый вход счетчика 26, обнуляя его.
2
и
2
10
27
САУ
и
2
В момент времени t (фиг. 2) срабатывает датчик 2 и на его выходе появляется сигнал Х2. На первом входе компаратора 28 устанавливается код К=00011=3. По фронту сигнала Х2 формирователь 12 вырабатывает короткий импульс, который через элементы ИЛИ 23, 34 и элемент задержки 35 переводит триггер 29 в единичное состояние, открывая элемент И 25. На вход счетчика 26 начинают поступать импульсы с выхода генератора 24. Одновременно с изменением кода на выходе счетчика 26, поступающего на вход адреса блока памяти 27, меняется код К на его выходе, который поступает на второй вход компаратора 28. При наступлении равенства кодов на входах компаратора 28 появляется сигнал на его выходе, и в регистр 31 записывается новый код К=К=00011, поступающий в САУ. Сигналом с выхода формирователя 21 схема, как и в предыдущем случае приводится в исходное состояние.
3
и
2
10
САУ
и
2
По мере возрастания контролируемой величины в момент времени t (фиг. 2) появляется сигнал Х3 на выходе датчика 3. На первый вход компаратора 28 подается код К=00111=7. Формирователь 13 по фронту сигнала Х3 выдает импульс, который, как в предыдущих случаях, обеспечивает перебор адресов блока памяти 27. При совпадении кодов на входах компаратора 28 в регистр 31 записывается очередной код К=К=00111, который подается в САУ.
4
и
2
10
САУ
и
2
При дальнейшем возрастании контролируемой величины u(t) в момент времени t (фиг. 2) срабатывает датчик 4 и на его выходе появляется сигнал Х4. На первый вход компаратора 28 поступает код К=01111=15. Импульсом с выхода формирователя 14 инициируется запись в регистр 31 нового кода К=К=01111 для САУ.
5
САУ
и
2
В момент времени t (фиг. 2) срабатывает датчик 5 и на его выходе появляется сигнал Х5. Импульсом с выхода формирователя 15 инициируется запись в регистр 31 кода К=К=11111, который поступает в САУ.
САУ
2
2
2
2
2
2
В результате при монотонном возрастании контролируемой величины и исправном состоянии информационных каналов в САУ подается естественная последовательность кодов К: 00000, 00001, 00011, 00111, 01111 и 11111, которая записана по адресам блока памяти 27.
6
и
2
10
27
САУ
и
2
При уменьшении контролируемой величины u(t) в момент времени t (фиг. 2) исчезает сигнал Х5 на выходе датчик 5 и на первый вход компаратора 28 поступает код К=01111=15. Одновременно исчезает сигнал на входе элемента НЕ10, а на его выходе появляется сигнал, который поступает на вход формирователя 20. Импульс с выхода формирователя 20 через элементы ИЛИ 23, 34 и элемент задержки 35 поступает на единичный вход триггера 29. Сигнал с прямого выхода триггера 29 открывает элемент И 25, через который начинают проходить импульсы генератора 24 на вход счетчика 26. Возрастающий код на выходе счетчика 26 производит перебор адресов блока памяти 27. При совпадении кода К на выходе блока памяти 27 и кода на первом входе компаратора 28 на выходе компаратора 28 появляется сигнал и формирователь 21 выдает импульс на запись нового кода К=К=01111 в регистр 31 для подачи в САУ.
Аналогично происходит перезапись кода в регистр 31 при последующем уменьшении контролируемой величины.
7
САУ
и
2
В момент времени t (фиг. 2), когда исчезает сигнал Х4 на выходе датчика 4, появляется импульс на выходе формирователя 19, и в регистр 31 записывается код К=К=00111.
8
САУ
и
2
В момент времени t (фиг. 2) при исчезновении сигнала Х3 на выходе датчика 3 и появлении импульса на выходе формирователя 18 в регистр 31 заносится код К=К=00011.
9
САУ
и
2
В момент времени t (фиг. 2) с исчезновением сигнала Х2 на выходе датчика 2 и появлением импульса на выходе формирователя 17 в регистр 31 заносится код К=К=00001.
10
САУ
и
2
В момент времени t (фиг. 2) пропадает сигнал X1 на выходе датчика 1. Появляется импульс на выходе формирования 16, и в регистр 31 заносится код К=К=00000.
САУ
2
2
2
2
2
В результате при монотонном уменьшении контролируемой величины и исправности измерительных каналов в САУ поступают коды из указанной выше естественное последовательности кодов К: 00000, 00001, 00011, 00111, 01111.
Таким образом, при любом поведении контролируемой величины и исправности измерительных каналов в САУ поступают коды, входящие в естественную последовательность кодов, а появление сбойного кода, не принадлежащего этой последовательности, является признаком неисправности измерительного канала. Поступление сбойного кода предотвращается устройством следующим образом.
САУ
2
Пусть в исходном состоянии на выходах всех датчиков 1…5 присутствует сигналы и в регистр 31 записан код К=11111 подаваемый в САУ.
и
2
27
Если возникает сбой, например, датчика 3 и сигнал Х3 на его выходе пропадает, на первый вход компаратора 28 поступает сбойный код К=11011, не принадлежащий к числу кодов из естественной последовательности, записанных в блок памяти 27. Одновременно исчезает сигнал на входе логического элемента НЕ 8, а на его выходе сигнал появляется. По фронту этого сигнала формирователь 18 вырабатывает импульс, который проходит через логические элементы ИЛИ 23, 34 и 22 и поступает на сбросовый вход счетчика 26, обнуляя его. В то же время импульс с выхода формирователя 18 через логические элементы ИЛИ 23, 34 и элемент задержки 35 подается на единичный вход триггера 29, который с выдержкой времени подготавливает логический элемент И 25 по второму входу. Импульсы с выхода генератора 24 через элемент И 25 начинают поступать на вход счетчика 26. С ростом кода на выходе счетчика 26 происходит перебор кодов К, записанных в блоке памяти 27, которые поступают на второй вход компаратора 28. Поскольку в блоке памяти 27 отсутствуют сбойные коды, то равенства кодов на входах компаратора 28 не наступает и сигнал на его выходе не появляется и перезапись кода в регистр 31 не производится. При этом в САУ подается прежний код, а сбойный код локализуется. Счетчик 26 не сбрасывается и код на его выходе продолжает возрастать, В момент переполнения счетчика 26 появляется сигнал его выходе переполнения, который переводит триггер 30 в единичное состояние. Сигнал с прямого выхода триггера 30 включает индикатор состояния (сбоя 32), указывающий, что САУ работает в режиме ограниченной функциональности. Одновременно по фронту сигнала с прямого выхода триггера 30 формирователь 36 вырабатывает импульс, который переводит устройство в исходное состояние. Этот импульс, проходя через элемент ИЛИ 22, обнуляет счетчик 26 и переводит триггер 29 в нулевое состояние, предотвращая поступление на вход счетчика 26 импульсов.
При возникновении других сбойных кодов работа устройства осуществляется как описано выше.
Таким образом, реле имеет расширенные функциональные возможности, заключающиеся в повышении достоверности выходной информации путем предотвращения поступления в САУ информации по пяти каналам при их сбое, что на две трети больше, чем у прототипа.
Источники информации
1. Сугаков В.Г. Основы автоматизации военных передвижных источников электрической энергии: учеб. пособие. - Кстово: НФВИУ, 2003. 168 с.
2. Дудченко В.Н., Аверкиев А.Н. Измерение неэлектрических величин: конспект лекций. - Кстово: НВВИКУ, 1997. 54 с.
3. Цифровой измеритель скорости вращения. Описание изобретения к авторскому свидетельству RU 1075167, 1984.
4. Комплекс средств контроля дизеля КСКД 17.5. Техническое описание и инструкция по эксплуатации ЗУ2.008.006 ТО. 1994. С. 35-37.
5. Патент на изобретение №2618495 по заявке 2016112100 от 30.03.2016, кл. G01P 3/54