УСТРОЙСТВО КОММУТАЦИИ С КОНТРОЛЕМ СОСТОЯНИЯ И СПОСОБ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ УСТРОЙСТВА КОММУТАЦИИ
SWITCHING DEVICE WITH CONTROL OVER ITS STATE AND METHOD OF SWITCHING DEVICE STATE CONTROL

Предлагаемые способ и техническое решение относятся к области электронной техники и могут быть использованы в переключающих устройствах различного назначения. В частности - для управления однофазными, трехфазными электродвигателями.
Широко известно применение механических реле в качестве ключей для управления электродвигателями. Малый ресурс работы реле определяет низкую надежность таких устройств («Ограждающие устройства на железнодорожных переездах», стр. 44, Леушин В.Б., Самарская государственная академия путей сообщения)
В качестве ближайшего аналога к предлагаемым изобретениям рассмотрим способ и устройство контроля состояния электронного ключа (патент на изобретение №2509403, опубл. 10.03.2014, ООО "ЖелДорПрограмм", г. Москва) из двух каскадов коммутации, последовательно подключенных между силовым входом и силовым выходом устройства.
Каскады выполнены на полевых транзисторах и управляются через сигнальный вход устройства. Устройство содержит первую и вторую цепи проверки замкнутости каскадов, подключенные к их силовым входу и выходу для определения состояния замкнутости/разомкнутости ключа. Каждая из цепей содержит диодный мост, трансформатор и ограничительный резистор. Обе цепи подключены к общему генератору. Состояние ключа определяют по току потребления и форме сигнала в первичной цепи трансформатора (контакты 21, 22) путем подачи на сток-исток каждого из каскадов сигнала переменного тока через диодный мост со вторичной обмотки трансформатора. Способ по данному патенту заключается в том, что на каждый из двух упомянутых каскадов коммутации подают команды замыкания или размыкания от устройства управления и контролируют лишь состояние замкнутости/разомкнутости каждого каскада. Таким образом, состояние неисправности ключа, как и каждого из каскадов, устройством контроля не определяется. Кроме того, при выходе из строя одного транзистора второй может пропускать одну полуволну напряжения через встроенный диод, в результате чего на выходе ключа может присутствовать напряжение, достаточное для запуска управляемых ключом устройств даже при разомкнутом ключе. Техническое решение не решает проблему безопасного использования устройств, управляемых ключом (например, электродвигателей), и требует дополнительных затрат на обслуживание при их удаленном размещении.
Задачей технического решения ставится разработка устройства коммутации с контролем состояния (УК) и способа контроля состояния устройства коммутации, позволяющих кроме состояния разомкнутости/замкнутости определять состояние исправности/неисправности устройства коммутации и предотвращать появление напряжения на его выходе при неисправности хотя бы одного из каскадов устройства. Это позволит значительно повысить безопасность функционирования устройств, управляемых такими УК, при значительном снижении затрат на обслуживание УК.
Для решения задачи служит способ контроля состояния устройства коммутации, содержащего два каскада коммутации, последовательно соединенных между силовыми входом и выходом устройства. Способ контроля состояния устройства коммутации заключается в том, что при установке на сигнальном входе устройства команды замкнутости или разомкнутости устройства контролируют состояние замкнутости/разомкнутости обоих каскадов коммутации, а также дополнительно осуществляют контроль исправности каждого из каскадов. При этом пока, спустя заданный промежуток времени t после подачи команды, совпадают заданная команда (состояние замкнутости/разомкнутости устройства, установленное на сигнальном входе устройства) и сигнал о действительном состоянии замкнутости/разомкнутости обоих каскадов, считают, что устройство коммутации находится в состоянии исправности и разрешают выполнение установленной команды на обоих каскадах. В случае несовпадения установленной команды и сигнала о действительном состоянии замкнутости/разомкнутости хотя бы одного из каскадов спустя заданное время t после подачи команды считают, что устройство коммутации находится в состоянии неисправности, блокируют замыкание соседнего каскада и устанавливают сигнал о состоянии неисправности этого каскада на соответствующем ему сигнальном выходе устройства.
То есть если спустя заданное время t после поступления команды от УУ состояние замкнутости или разомкнутости каскада совпадает с ожидаемым при данной команде, то данный каскад считают исправным. Устройство каммутации в целом считают исправным только при исправности обоих каскадов. Если спустя заданное время t после поступления команды от УУ состояние замкнутости или разомкнутости хотя бы одного каскада не совпадает с ожидаемым от данной командой, то этот каскад и устройство коммутации в целом считают неисправным.
Предпочтительно, чтобы контроль состояния замкнутости/разомкнутости каждого каскада осуществляли по току, протекающему через каскад, либо по падению напряжения на его силовых входе и выходе.
Поставленная задача решается также в устройстве коммутации с контролем состояния (УК), реализовывающем вышеописанный способ и содержащем последовательно установленные первый (К1) и второй (К2) каскады коммутации, соединяющие силовой вход и силовой выход устройства и управляемые через сигнальный вход УК, а также первую и вторую цепи проверки замкнутости (ПЗ1 и ПЗ2). Первый и второй силовые контакты ПЗ1 подключены соответственно к силовым входу и выходу К1, первый и второй силовые контакты ПЗ2 подключены соответственно к силовым входу и выходу К2. При этом УК дополнительно содержит первый и второй блоки разрешения включения (БР1 и БР2), первый и второй блоки формирования сигнала исправности (БСИ1 и БСИ2), первые входы которых подключены к сигнальному входу УК, и первый и второй селекторы временного импульса (СВИ1 и СВИ2). Выход БР1 подключен к сигнальному входу К1, сигнальный контакт ПЗ1 - к второму входу БСИ1, выход которого через СВИ1 подключен к второму входу БР2 и первому сигнальному выходу УК. Выход БР2 подключен к сигнальному входу К2, сигнальный контакт ПЗ2 - ко второму входу БСИ2, выход которого через СВИ1 подключен к второму входу БР1 и второму сигнальному выходу УК.
Предпочтительно, чтобы в УК каждая из упомянутых цепей проверки замкнутости содержала преобразователь переменного напряжения в переменное (Пер/Пер), первый и второй силовые контакты которого соединены с первым и вторым силовыми контактами цепи проверки замкнутости, а третий соединен с первым контактом преобразователя ток-напряжение (ПТН), второй контакт которого соединен с генератором (G), а третий - через инвертор (Инв) с сигнальным контактом цепи.
Предпочтительно, чтобы в УК каждая из упомянутых цепей проверки замкнутости содержала преобразователь переменного напряжения в постоянное, первый и второй контакты которого являются соответственно первым и вторым силовыми контактами цепи, а третий контакт подключен к сигнальному контакту цепи через преобразователь уровней.
Схемы построения блоков разрешения ("Логическое И"), блока сигнала исправности («Исключающее ИЛИ») в цепях формирования сигнала исправности каскада коммутации широко известны, не являются предметом заявки, поэтому подробно не описаны. Например, блок разрешения может быть реализован на оптопарах, в качестве блока сигнала исправности могут быть использованы любые известные микросхемы либо диодный мост, в качестве селектора временного импульса - RC-фильтр, в качестве электронных каскадов коммутации - электронные коммутаторы (симисторы, полевые транзисторы). Схемы цепей проверки замкнутости каскада коммутации могут быть выполнены любыми из известных способов с использованием различных известных преобразователей переменного напряжения в постоянное, преобразователей переменного напряжения в переменное, преобразователей тока в напряжение и других составляющих и т.д.
Далее способ контроля состояния устройства коммутации будет описан на примере работы устройства коммутации с контролем состояния в предпочтительном варианте.
Фиг. 1 - функциональная схема устройства коммутации с контролем состояния.
Фиг. 2 - функциональная схема цепи проверки замкнутости каскада коммутации в одном из предпочтительных вариантов исполнения (по току, протекающему через каскад).
Фиг. 3 - функциональная схема цепи проверки замкнутости каскада коммутации в другом варианте исполнения (по напряжению на силовых входе и выходе каскада).
Устройство коммутации с контролем состояния (разомкнутость/замкнутость каждого из каскадов и исправность/несправность ключа) (далее по тексту УК, ключ), представленное на фиг. 1, содержит первый и второй электронные каскады коммутации 1 (К1 и К2), первый и второй блоки разрешения включения 2 (БР1 и БР2) каскада коммутации, первую и вторую цепи проверки замкнутости 3 (ПЗ1 и ПЗ2) каскада коммутации, первую и вторую цепи формирования сигнала исправности 4 (ФСИ1 и ФСИ2) каскада коммутации. Каждая из ФСИ1 и ФСИ2 в данной реализации предполагаемого изобретения содержит блок сигнала исправности 5 (БСИ1 и БСИ2) и селектор временного импульса 6 (СВИ1 и СВИ2).
Сил
Сил
Сигн
При этом силовой вход (Вх) УК соединен с его силовым выходом (Вых) через последовательно соединенные К1 и К2. Сигнальный вход (Вх) УК подключен к первым входам БР1, БР2, ФСИ1, ФСИ2 для передачи сигналов управления (закрытие/открытие) УК от устройства управления (УУ).
Выход БР1 подключен к сигнальному входу К1. Первый и второй силовые контакты ПЗ1 подключены соответственно к силовым входу и выходу К1, а сигнальный контакт ПЗ1 - к второму входу ФСИ1. Аналогично выход БР2 подключен к сигнальному входу К2, первый и второй силовые контакты ПЗ2 подключены соответственно к силовым входу и выходу К2, а сигнальный контакт ПЗ2 - к второму входу ФСИ2.
Сигн
Сигн2
Сигн
Сигн
Сигн
Сигн
Сигн
Выход ФСИ1 подключен к второму входу БР2 и первому сигнальному выходу (Вых1) УК. Выход ФСИ2 подключен к второму входу БР1 и второму сигнальному выходу (Вых) УК. Вых1 и Вых2 служат для передачи информации об исправности/неисправности соответствующего каскада на УУ. При поступлении сигнала о неисправности хотя бы одного из каскадов (на Вых1 или на Вых2) УК считают неисправным, в УУ формируют сигнал на размыкание УК для передачи на Вх и сигнал аварии - пользователю для принятия решения (обесточивание либо перевод устройства, управляемого посредством УК, на ручное управление).
Каждый из К1 и К2 может быть либо замкнутым, либо разомкнутым. При подаче на сигнальный вход каскада сигнала на замыкание (лог.1) каскад переходит в состояние с низким сопротивлением (каскад замкнут), а при подаче сигнала на размыкание (лог.0) - в состояние с высоким сопротивлением (каскад разомкнут). Разница между высоким и низким сопротивлениями известна и определена схемой.
В каждом из БР1 и БР2 выполняют функцию "Логическое И", разрешая включение соответственно К1 и К2 подачей команды на замыкание каскада (лог.1) на сигнальный вход каскада только при наличии на первом входе команды на замыкание ключа (лог.1) от УУ, а на втором входе - сигнала об исправности (лог.1) соседнего каскада (К2 и К1 соответственно) с выхода ФСИ2 и ФСИ1 соответственно. В остальных случаях (при команде замыкания ключа от УУ и неисправности соседнего каскада, либо команде размыкания ключа от УУ и исправности соседнего каскада, либо команде размыкания ключа от УУ и неисправности соседнего каскада) с выхода БР1 и БР2 на соответствующий каскад подают лог.0 - сигнал на размыкание каскада.
В каждой из ПЗ1 и ПЗ2 по контролируемым параметрам (току или напряжению) на первом и втором силовых контактах (входе и выходе каскада) определяют, в каком положении находится соответствующий каскад коммутации, формируют сигнал разомкнутости каскада - лог.1 или замкнутости каскада - лог.0, который устанавливают на сигнальном контакте цепи.
Сигн
В каждой из ФСИ1 и ФСИ2 первый и второй входы БСИ1 (БСИ2) 5, выполняющего функцию "Исключающее ИЛИ", являются соответственно первым и вторым входами этой цепи, а выход подключен к входу СВИ1 (СВИ2) 6, выход которого является выходом цепи. На выход цепи передают сигнал исправности каскада в виде лог.1 при наличии сигналов разного уровня на ее входах : лог.0 на первом входе (команда на размыкание ключа с Вх) и лог.1 (каскад разомкнут) на втором входе (от соответствующего ПЗ1 и ПЗ2), либо при наличии лог.1 на первом входе (команда на замыкание ключа) и лог.0 (каскад замкнут) на втором входе. Сигнал неисправности каскада (лог.0) устанавливают на выходе при наличии одноименных сигналов на входах: лог.0 на первом входе (команда на размыкание от УУ) и лог.0 на втором входе (каскад замкнут), или при наличии лог.1 на первом входе и лог.1 на втором входе. При этом СВИ1 (СВИ2) 6 цепи не пропускает короткие импульсы. Сигнал на выходе цепи формируют только при устойчивом сигнале на выходе БСИ1 (БСИ2) 5 (то есть на обоих входах цепи).
Длительность устойчивого сигнала - не менее заданного СВИ1 (СВИ2) 6 заданного промежутка времени t, достаточного для изменения положения каскада и формирования сигнала о его положении в соответствующей ПЗ1 (ПЗ2) 3.
Описание работы
Сил
Сигн
Сигн
Сигн
Сил
Сигн
Сигн
Сигн
УК начинает работу при подключении Вх к нагрузке, Вх, Вых1 Вых2 - к устройству управления (УУ), подаче необходимого напряжения питания на Вх, а также на все элементы схемы, требующие питания. Вх служит для подачи команд выключения/включения УК (относительно общего провода питания элементов схемы - на фиг. 1 не показан) с учетом его исправности/неисправности, определяемой по сигналам исправности/неисправности каждого из К1 и К2 - с Вых1 и Вых2.
Сигн
В исходном состоянии ключ разомкнут (разомкнуты К1 и К2), на Вх установлена команда выключения ключа (напряжение низкого уровня, лог.0), которая одновременно поступает на первые входы БР1, ФСИ1, БР2, ФСИ2.
Дополнительный контроль исправности каждого из каскадов проводят, пока, спустя заданный промежуток времени t после подачи команды, совпадают заданная команда (состояние замкнутости/разомкнутости устройства, установленное на сигнальном входе устройства) и сигнал о действительном состоянии замкнутости/разомкнутости обоих каскадов, считают, что устройство коммутации находится в состоянии исправности и разрешают выполнение установленной команды на обоих каскадах. Выполняют это следующим образом.
Сигн
Сигн
От ПЗ1, контролирующего состояние каскада К1, на второй вход ФСИ1 поступает сигнал действительного на этот момент времени состояния замкнутости/разомкнутости (положения) этого каскада. Изначально при исправных каскадах - сигнал разомкнутости, лог.0. При совпадении в течение времени t, достаточном для переключения каскада и формирования сигнала о его положении, команды от УУ и действительного положения каскада (разомкнут в данном случае) от ФСИ1 на Вых1 УК и второй вход БР2 поступает сигнал исправности К1. Только после этого команда выключения ключа достигает соседнего каскада (лог.0 от БР2 поступает на сигнальный вход К2). В свою очередь в ПЗ2 проверяют состояние К2, передавая результат на ФСИ2. При совпадении команды УУ и исправности соседнего (К1) каскада сигнал об исправности К2 поступает на второй вход БР1 и Вых2 УК. Поэтому команда выключения УК (лог.0) от УУ поступает на К1 лишь после сигнала исправности К2 (на данном этапе К2 разомкнут, лог.0) от ФСИ2. В БР1 и БР2 вырабатывают напряжение низкого уровня, которое подают на сигнальные входы К1 и К2, удерживая их в разомкнутом состоянии. Напряжения на силовом выходе ключа нет.
Сигн
Сигн
Команду включения УК на Вх подают от УУ только при наличии внешнего сигнала исправности обоих каскадов (лог.1 на обоих сигнальных выходах УК), сформированных в результате наличия внутреннего сигнала исправности (лог.1) каждой из цепей 4. Лог.1 устанавливают на первых входах БР1, ФСИ1, БР2, ФСИ2. Для замыкания каждого каскада внешний сигнал исправности подтверждают внутренним сигналом исправности УК (лог.1), имеющимся на этот момент времени на втором входе соответствующего блока регистрации. При поступлении лог.1 на сигнальный вход каскада он переводится в замкнутое положение. При переключении каскада в заданное на Вх положение, появлении сигнала об этом на выходе цепи 3 за установленное время t (первый вход цепи 4) и при условии подтверждения перехода соседнего каскада в заданное положение за этот же промежуток времени (второй вход цепи 4) на выходе соответствующей цепи 4 устанавливают лог1.
Таким образом, при высоком уровне напряжения на сигнальном входе и исправных К1 и К2 в БР1 и БР2 вырабатывают напряжение высокого уровня, которое подают на сигнальные входы К1 и К2, переводя их в замкнутое состояние. На силовом выходе УК появляется напряжение. При эксплуатации УК команды включения или выключения от УУ достигают каждого каскада только при исправности обоих каскадов.
В случае несовпадения установленной команды и сигнала о действительном состоянии замкнутости/разомкнутости хотя бы одного из каскадов спустя заданное время t после подачи команды считают, что устройство коммутации находится в состоянии неисправности, блокируют замыкание соседнего каскада и устанавливают сигнал о состоянии неисправности этого каскада на соответствующем ему сигнальном выходе устройства. Выполняют это следующим образом.
Сигн
Сигн
Если хотя бы один каскад (К1 или К2) не сработал в течение времени t, то есть при команде замыкания (лог.1 первом входе цепи 4) остался открытым (лог.1 на втором входе цепи 4), его считают неисправным, то на выходе соответствующей цепи 4 (ФСИ1 или ФСИ2) устанавливают лог.0. Этим внутренний сигнал о неисправности данного каскада устанавливают на соответствующем сигнальном выходе УК (Вых1 или Вых2) и на втором входе блока разрешения соседнего каскада (БР2 или БР1), чем блокируют подачу команды от УУ и не дают подать напряжение высокого уровня на сигнальный вход этого каскада (К2 или К1), удерживая его в разомкнутом состоянии. Напряжения на силовом выходе ключа нет. Осуществляется автоматическое размыкание УК при выходе из строя одного из каскадов за счет самоблокировки внутренней командой на размыкание соседнего каскада.
Сигн
На силовом выходе УК напряжение отсутствует. Одновременно в УУ по лог.0 хотя бы на одном из выходов УК вырабатывают и внешний сигнал на размыкание УК и подают его на Вх. Кроме того, передают пользователю аварийный сигнал.
Переход из замкнутого положения в открытое производят аналогично. При неудачной попытке перевести замкнутый каскад в разомкнутый (напряжение низкого уровня на первом входе соответствующей цепи 4, напряжение высокого уровня на втором входе этой цепи 4 спустя время t) сигнал о неисправности каскада (лог.0 на выходе цепи 4) передают в УУ для принятия решения о размыкании УК в целом (другого каскада), а также на блок разрешения 2 соседнего каскада для его автоматического размыкания. На силовом выходе УК напряжение отсутствует.
При малейшей неустойчивости работы каскада (даже при незначительном превышении t) внутренний сигнал о неисправности хотя бы одного из каскадов достигает соседнего каскада и УУ.
Сигн
Если при подаче команды на замыкание УК оба каскада остались открытыми более времени t (на силовом выходе УК напряжение также отсутствует), УК считают неисправным, подают команду размыкания УК, формируют аварийный сигнал. В худшем случае, когда при подаче на размыкание УК оба каскада остались открытыми более времени t, УК считают неисправным, формируют аварийный сигнал, устанавливают лог.0 на Вх.
Представленный на фиг. 2 вариант цепи проверки замкнутости 3 каскада коммутации содержит преобразователь переменного напряжения в переменное 11 (Пер/Пер), первый и второй силовые контакты которого соединены с первым и вторым силовыми контактами цепи проверки замкнутости (для соединения с силовыми входом и выходом соответствующего К1 или К2), а третий соединен с первым контактом преобразователя ток-напряжение 12 (ПТН), второй контакт которого соединен с генератором 13 (G), а третий - через инвертор 14 (Инв) с сигнальным контактом цепи. Наличие генератора в каждой из ПЗ1 и ПЗ2 позволяет определять состояние каскада независимо от питания на силовом входе УК.
Состояние замкнутости/разомкнутости каскада определяют по силе тока, протекающего через каскад, следующим образом. Когда каскад разомкнут, его сопротивление велико, следовательно, сила тока, потребляемого Пер/Пер от генератора, мала. Уровень напряжения на выходе (третьем контакте) ПТН мал, соответственно на выходе инвертора (на сигнальном контакте цепи) устанавливается лог.1 - каскад разомкнут. В случае, если каскад замкнут, его сопротивление мало и ток, потребляемый Пер/Пер от генератора, велик. Уровень напряжения на третьем контакте ПТН велик, соответственно на выходе инвертора устанавливается лог 0 - каскад замкнут. В частном случае, когда в качестве Пер/Пер используют трансформатор, он при разомкнутом каскаде потребляет «малый» ток, равный току холостого хода его первичной обмотки. При замкнутом каскаде «большим» током считают рабочий ток, превышающий «малый» хотя бы в два-три раза. Превышение зависит от выбранных элементов для цепи и для конкретной реализации схемы устройства.
Представленный на фиг. 3 вариант цепи проверки замкнутости 3 каскада коммутации по напряжению содержит преобразователь переменного напряжения в постоянное 15 (Пер/Пост), первый и второй контакты которого являются соответственно первым и вторым силовыми контактами цепи, а третий контакт подключен к сигнальному контакту цепи через преобразователь уровней 16 (ПУ).
Положение замкнутости/разомкнутости каскада определяют по падению напряжения на силовых входе и выходе каскада. Когда каскад разомкнут, его сопротивление велико, следовательно, ток через него мал и падение напряжения на нем будет равно примерно половине напряжения, приложенного к силовому входу каскада. Напряжение на выходе преобразователя переменного напряжения в постоянное будет велико и на выходе преобразователя уровней будет лог.1. В случае, если каскад замкнут, его сопротивление мало, следовательно, падение напряжения на нем мало. Напряжение на выходе преобразователя переменного напряжения в постоянное будет мало и на выходе преобразователя уровней будет лог.0.
Несмотря на то что предлагаемые изобретения показаны и описаны со ссылкой на его конкретные варианты осуществления, специалистам в данной области техники следует понимать, что различные изменения по форме и содержанию могут быть сделаны без отступления от их сущности и объема, определенных прилагаемой формулой.
Таким образом, предлагаемая схема устройства коммутации с контролем состояния и способ контроля состояния устройства коммутации позволяют вести самодиагностику состояния исправности/неисправности каждого из каскадов. В случае выхода из строя одного из каскадов внутренний сигнал неисправности этого каскада размыкает соседний, что исключает присутствия напряжения на силовом выходе УК при любых сбоях в работе одного из каскадов. Кроме того, по сигналу неисправности любого из каскадов формируют внешнюю команду размыкания ключа и подают аварийный сигнал пользователю, экономия средства на обслуживание УК.