УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ И ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛОВ БЕЗОПАСНОГО УПРАВЛЕНИЯ
DEVICE FOR GENERATING AND TRANSMITTING SAFE CONTROL SIGNALS

Изобретение относится к автоматике, импульсной технике и может быть использовано для формирования сигнала управления исполнительным механизмом в случаях, когда необходима максимально достижимая степень надежности передачи такого сигнала. Система управления может содержать один или несколько каналов для формирования и передачи сигнала безопасного управления.
Для всех современных систем управления характерна высокая сложность: в их состав входит большое количество блоков - от обработки сигналов, поступающих с датчиков, до реализации непосредственно алгоритмов управления и обеспечения функционирования исполнительных механизмов. Такая сложность и наличие большого количества связей, в свою очередь, приводят к увеличению вероятности сбоев и отказов, некоторые из которых могут иметь фатальные последствия. Встроенные системы диагностики несколько улучшают ситуацию. Но для больших систем они также сложны и, уменьшая вероятность критических ситуаций на несколько порядков, имеют собственные сбои, которые, в свою очередь, должны контролироваться и т.д. В такой ситуации для повышения уровня безопасности оптимально использование простых цепей и сигналов, единственной целью существования которых является обеспечение безопасности, т.е. препятствование возникновению так называемых «опасных отказов» в системе. Ниже рассмотрена практическая реализация подобного подхода.
Сигналы безопасного управления (далее - сигналы безопасности) используются в устройствах ответственного применения: на транспорте, например, для разрешения хода поезда; в системах энергетики - для разрешения/запрещения включения моторов, управления задвижками и др. Во всех случаях наличие сигналов безопасности предполагает нормальное функционирование системы, а их исчезновение (как результат правильной работы блока безопасности либо по причине неисправности в передающих или исполнительных цепях) немедленно переводит систему в безопасное состояние (для поезда обычно - торможение, для реактора - погружение стержней и т.п.).
Таким образом, можно сформулировать требования к этим сигналам на разных этапах: при их генерировании - это максимальная достоверность; при передаче (и целостности цепей) - максимальная помехоустойчивость, при разрыве цепей - невозможность подмены этих сигналов ввиду воздействия сильной помехи, замыкания линии на питающие шины и пр.
Известно устройство для передачи парафазного сигнала управления, содержащее первый и второй триггеры и первые и второй синхронизированные элементы задержки, информационные входы которых подключены соответственно к инверсным входам триггеров, установочные входы которых подключены к инверсным выходам второго и первого элементов задержки, входы синхронизации которых объединены, причем вход установки «1» первого и вход установки в «0» второго элементов задержки также объединены (см. патент РФ 2085027, Н03К 5/135, 20-07-1997). При рассогласовании парафазных входных сигналов выходной сигнал известного устройства изменяется с «1» на «0» до поступления повторного сигнала установки.
К недостаткам данного устройства следует отнести низкую помехоустойчивость ввиду малой амплитуды используемых для передачи информации логических сигналов. Используемые в известном устройстве логические цепи включают множество полупроводниковых элементов (транзисторов) и радиоэлементов (резисторов и конденсаторов), так что их результирующая надежность также не высока. И, наконец, известная схема не защищена от попадания высокого напряжения (напряжения питания) на выход.
Наиболее близким к предложенному устройству является устройство для формирования и передачи через линию радиосвязи сигналов управления, содержащее на передающей стороне генератор сигналов основных сообщений, разветвитель мощности, первый и второй амплитудные модуляторы, парафазный усилитель и передающую систему (патент РФ 2163053, Н04В 7/22, 2001-02-10). С целью снижения влияния сосредоточенных и импульсных помех в известное устройство введены синтезатор частоты, дешифратор, опорный генератор, генератор ПСП, синхронизатор и сумматор. На приемной стороне данное устройство содержит антенну, сумматор, вычитающее устройство, синхронный детектор, амплитудный ограничитель, демодулятор, узкополосный фильтр и блок поворота поляризации, опорный генератор, формирователь импульсов, синтезатор частот, делитель, регистр сдвига, кодопреобразователь, синхронизатор, n ключей, n полосовых фильтров, сумматор, смеситель частот, блок обработки и фильтр низких частот.
Однако в известном устройстве не решается задача обеспечения безопасности при обрыве цепей или замыкании на питающие шины. Кроме того, оно настолько сложно, что само имеет недостаточную надежность.
Техническим результатом, ожидаемым от использования изобретения, является повышение надежности и помехоустойчивости устройства передачи сигналов безопасного управления за счет увеличения отношения сигнал/шум, создания схемы с минимальным количеством элементов, но защищенной от обрыва цепей или попадания на них потенциала с шин питания.
Используемая для повышения уровня безопасности система должна отличаться низким уровнем сложности входящих в нее элементов и цепей, что предполагает высокий аппаратный уровень надежности. В то же время к надежности самих сигналов высоких требований не предъявляют в связи с тем, что их пропадание однозначно переводит систему в безопасное состояние.
Указанный результат достигается тем, что в устройстве для формирования и передачи сигналов безопасного управления, содержащем передающую и приемную стороны, последняя из которых содержит последовательно соединенные полосовой фильтр и детектор, передающая сторона выполнена в виде формирователя парафазного сигнала, а приемная сторона дополнительно снабжена последовательно соединенными низкочастотным фильтром постоянного напряжения и пороговым блоком, при этом выход детектора подключен к входу низкочастотного фильтра постоянного напряжения.
На фиг.1 показан сигнал, поступающий на передающую сторону, на фиг.2 приведена блок-схема предлагаемого устройства, на фиг.3 - пример реализации.
В устройстве используется парафазный сигнал, генерируемый двумя выходами процессорного блока безопасности синусоидальный или другой, например, в форме меандра (фиг.1) максимально возможной (с целью достижения высокой помехоустойчивости) амплитуды для данной системы. При генерировании сигнала каждый из выходов блока безопасности (на фиг.2 не показан) управляется независимо своим фрагментом программы, таким образом, любая рассинхронизация должна вызвать взаимное смещение фаз сигналов по двум выходам (т.е. они перестают быть в противофазе и появляется сдвиг Δt).
Частота сигналов выбирается исходя из наиболее низкого уровня помех в системе в данной области спектра и не должна совпадать с основными или производными частотами имеющихся в системе генераторов, импульсных преобразователей, шин передачи данных, силовой электроники (тиристорных преобразователей, например), электромоторов, гармоник питающей сети и др. и может находиться, например, в диапазоне 10-50 кГц, если это удовлетворяет перечисленным условиям.
В примере, показанном на фиг.2, передающая сторона устройства образована двумя гальванически развязанными выходами процессора безопасности (условно показанными как трансформаторы 1, 2), ограничителем напряжения 3 (диоды D1, D2 и стабилитроны D3, D4 соответствующей мощности) и высокоомной привязкой к земляной шине (резисторы R1, R2).
В качестве линии передачи может использоваться витая пара 5 в экране. Приемная сторона (фиг.2) представляет собой последовательную цепь из разделительных емкостей 6 (С1) и 7 (С2), полосового фильтра 8 низкой добротности (включающего фильтр подавления радиочастотных помех) общего или индивидуального по каждому входу, низкочастотного детектора 9 (с невозможностью паразитного детектирования высокочастотной помехи - например, за счет емкостей перехода или внешних емкостей), низкочастотного фильтра 10 постоянного напряжения, определяющего постоянную времени τ устройства и порогового блока (ПУ) 11 определения уровня выпрямленного сигнала. Полученное постоянное напряжение (ток) поступает на исполнительное устройство, например оптронный ключ 12 или другие элементы блокировки/запуска оконечных устройств.
Таким образом, исчезновение или изменение амплитуды любого из сигналов либо сдвиг фазы между ними выше определенного уровня уменьшает выпрямленный сигнал на входе порогового блока 11, он становится ниже установленного порогового значения, и оптронный ключ 12, например, закрывается. Наличие ограничителя напряжения 3 (диоды D1, D2 и стабилитроны D3, D4) защищает устройство в ситуации попадания переменного напряжения высокого уровня на любую из линий. При этом обрыв любой из линий и замыкание с любым питающим напряжением не приводит к ложному срабатыванию схемы на «разрешение».
Пример практической реализации приемной части такой схемы представлен на фиг.3, при этом в роли порогового блока 11 используются последовательно включенные диоды D6, D7 выходных транзисторных оптронных ключей 12 (благодаря достаточной крутизне характеристики по току в начальной области), приемная сторона запитывается парафазным сигналом, поступающим по витой паре 5, а наличие дополнительных емкостей 13 (С5), 14 (С6), 15 (С7) и 16 (С8) параллельно диодам D1-D4 детектора 9 наряду с гальваническим разделением земель препятствует детектированию высокочастотных помех. Емкости 17, 18 (С3 и С4 на фиг.3) образуют полосовой фильтр 8, а низкочастотный фильтр 10 выполнен на базе емкости 19 (С9).
-13
Подобное устройство отличается простотой и при этом достаточно эффективно. С его использованием могут создаваться системы с чрезвычайно высокой безопасностью, где вероятность опасного отказа 10 и менее.
Список литературы
1. Clayton R. Paul Introduction to Electromagnetic Comparibility: John Wiley&Sons, Inc., 1992. - p.765.
2. Analog Circuit Design: Art, Science, and Personalities. - Edited by Jim Williams: Butterworth-Heinemann, 1991. - р.389.
3. Томпсон Дж.М.Т. Неустойчивости и катастрофы в науке и технике: Пер.с англ. - М.: МИР, 1985. - 254 с.
4. ГОСТ Р ИСО 13849-1-2003.