УСТРОЙСТВО СИГНАЛИЗАЦИИ ПРИ ДОПУСКОВОМ КОНТРОЛЕ

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к области релейной защиты и автоматики и может быть применена в системах многоканального контроля и сигнализации для различных технологических процессов.
Уровень техники
Известно устройство для сигнализации отклонений параметра при допусковом контроле, состоящее из датчиков, коммутатора, формирователей сигналов «Отклонение вверх» и «Отклонение вниз», генераторов импульсов, дешифраторов, счетчиков импульсов, элементов ИЛИ-НЕ, буферного каскада и элементов индикации (см. авторское свидетельство СССР №1357991, МПК G08B 23/00, опубл. 07.12.1987 в бюл. №45).
Недостатком указанного устройства является низкое быстродействие сигнализации при многоканальном контроле сигналов. Это обусловлено тем, что анализ каждого канала ведется до тех пор, пока не будет вынесено решение о наличии или отсутствии отклонений параметра сигнала от установленных допусков. Если такой сигнал находится в каналах с последними номерами, то он может быть обнаружен только после просмотра всех каналов, что требует значительных временных затрат и не всегда приемлемо в системах реального времени.
Известен комплекс сбора и анализа телеметрической информации для мониторинга безопасности объектов, описанный в патенте Российской Федерации №2337391, МПК G05D 19/02 (опубликован 21.03.2007, бюл. №30), содержащий набор датчиков, преобразователи, усилители, фильтры, два источник питания, аналого-цифровой преобразователь, блок входных данных, блок управления, запоминающее устройство, три задатчика уровня, блок анализа информации порогового уровня, три оперативных запоминающих устройства, счетчик количества циклов, блок формирования команды предельного уровня, блок выходных данных и регистратор.
Недостатком данного комплекса является низкое быстродействие обнаружения сигналов тревоги, приводящее к снижению безопасности самих объектов, вследствие отсутствия дифференциального учета степени важности информации о состоянии объектов мониторинга.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство сигнализации отклонений параметра при допусковом контроле, описанная в патенте РФ №68736, МПК G08B 23/00 (опубликовано 27.11.2007, бюл. №33), принятое за прототип. Данное устройство содержит кнопку «Пуск», RS-триггер, генератор счетной частоты, счетчик импульсов, дешифратор, коммутатор, датчики по числу контролируемых каналов, формирователь сигнала «Отклонение вверх», формирователь сигнала «Отклонение вниз», три элемента И, два генератора импульсов, блок реверсивных регистров, элемент ИЛИ, два формирователя единичного импульса, блок установки в исходное состояние, регистр сдвига, два блока элементов И, шифратор, блок памяти и блок индикации.
Недостатком устройства является низкое быстродействие поиска сигнала тревоги с фиксированной длительностью (по объему измерений) этапа предварительного контроля каналов в случае изменения погрешности измерения:
при увеличении погрешности измерения снижается доверительная вероятность нахождения результата измерения в заданном допусковом интервале, что обуславливает уменьшение вероятности присутствия сигнала тревоги в первом (после ранжировки) канале и, следовательно, увеличение длительности второго этапа;
при уменьшении погрешности измерения фиксированная длительность первого этапа является избыточной.
Раскрытие полезной модели
Технический результат - повышение быстродействия двухэтапного поиска сигнала тревоги в системе многоканального контроля с изменяющейся погрешностью измерений путем адаптивного изменения длительности предварительного просмотра каналов, т.е. числа измерений на первом этапе поиска сигнала тревоги.
Этот результат достигается тем, что в предложенное устройство сигнализации при допусковом контроле, содержащее последовательно соединенные генератор счетной частоты, первый счетчик импульсов, первый дешифратор и коммутатор, n датчиков, выходы которых соединены с соответствующими информационными входами коммутатора, формирователь сигнала «Отклонение вверх» и формирователь сигнала «Отклонение вниз», объединенные входы которых подключены к выходу коммутатора, два генератора импульсов, RS-триггер, два формирователя единичных импульсов, регистр сдвига, элемент ИЛИ, три элемента И, блок реверсивных регистров, блок установки в исходное состояние, два блока элемента И, шифратор, блок памяти, блок индикации и кнопку «Пуск», подключенную к первому входу элемента ИЛИ и S входу RS-триггера, прямой выход которого соединен с управляющим входом первого счетчика импульсов, второй выход которого подключен к второму входу первого генератора импульсов, входу второго генератора импульсов и входу второго формирователя единичного импульса, выход которого подключен к информационному входу регистра сдвига, второй выход которого подключен к R входу RS-триггера, инверсный выход которого соединен с вторым входом элемента ИЛИ, первым входом третьего элемента И, управляющим входом второго блока элементов И и вторым входом генератора счетной частоты, выход которого подключен к второму входу третьего элемента И, выход которого соединен с управляющим входом блока памяти, выход которого подключен к второму входу первого дешифратора, выход которого подключен к первому управляющему входу блока реверсивных регистров, суммирующий информационный вход которого соединен с выходом первого элемента И, управляющий вход которого подключен к выходу формирователя сигнала «Отклонение вверх», вычитающий информационный вход блока реверсивных регистров соединен с выходом второго элемента И, управляющий вход которого подключен к выходу формирователя сигнала «Отклонение вниз», а информационные входы первого и второго элементов И соединены с выходом первого генератора импульсов, первый вход которого вместе с входом блока установки в исходное состояние подключены к выходу первого формирователя единичного импульса, вход которого соединен с выходом элемента ИЛИ, а выход блока установки в исходное состояние подключен к второму управляющему входу блока реверсивных регистров, выход которого подключен к информационному входу первого блока элементов И и первому входу блока индикации, второй вход которого соединен с выходом второго блока элементов И, информационный вход которого подключен к выходу блока памяти, информационный вход которого соединен с выходом шифратора, вход которого подключен к выходу первого блока элементов И, управляющий вход которого соединен с первым выходом регистра сдвига, тактовый вход которого подключен к выходу второго генератора импульсов, дополнительно введены блок времязадающих элементов, управляющий вход которого подключен к прямому выходу RS-триггера, последовательно соединенные ключ, компаратор, второй счетчик импульсов и второй дешифратор, M выходов которого подключены к соответствующим информационным входам блока времязадающих элементов, выход которого подключен к первому входу генератора счетной частоты, информационный вход второго счетчика импульсов подключен к выходу третьего элемента И, управляющий вход ключа соединен с инверсным выходом RS-триггера, а информационный вход ключа соединен с выходом блока реверсивных регистров.
Краткое описание чертежа
На фиг. представлена структурная электрическая схема устройства сигнализации при допусковом контроле.
Осуществление полезной модели
1
n
Устройство содержит кнопку 1 «Пуск», RS-триггер 2, генератор 3 счетной частоты, первый счетчик 4 импульсов, первый дешифратор 5, коммутатор 6, датчики 7, …, 7 по числу контролируемых каналов, формирователь 8 сигнала «Отклонение вверх», формирователь 9 сигнала «Отклонение вниз», первый и второй элементы И 10 и 11, первый генератор 12 импульсов, блок 13 реверсивных регистров, элемент ИЛИ 14, первый формирователь 15 единичного импульса, блок 16 установки в исходное состояние, второй формирователь 17 единичного импульса, второй генератор 18 импульсов, регистр 19 сдвига, первый блок 20 элементов И, шифратор 21, блок 22 памяти, третий элемент И 23, блок 24 индикации, второй блок 25 элементов И, ключ 26, компаратор 27, второй счетчик 28 импульсов, второй дешифратор 29, блок 30 времязадающих элементов.
Ключ 26 обеспечивает прохождение информации о состоянии анализируемых каналов на втором этапе их контроля с регистров блока 13 на вход компаратора 27. Управляющий вход ключа 26 соединен с инверсным выходом RS-триггера 2, а информационный вход ключа 26 соединен с выходом блока 13 реверсивных регистров.
Компаратор 27 представляет собой схему сравнения результатов анализа каналов, записанных в соответствующие регистры блока 13 на втором этапе контроля, с некоторым пороговым уровнем, превышение которого свидетельствует о наличии сигнала тревоги. Вход компаратора 27 подключен к выходу ключа 26.
Второй счетчик 28 импульсов предназначен для подсчета количества каналов, анализируемых на втором этапе контроля до обнаружения канала с сигналом тревоги. Информационный вход счетчика 28 соединен с выходом третьего элемента И 23, а управляющий вход счетчика 28 соединен с выходом компаратора 27.
Второй дешифратор 29 выполнен по схеме двоичного дешифратора, реализующую функцию преобразования двоичного сигнала, поступающего на его вход с выхода счетчика 28, в код «1 из М» (см. Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника. - СПб.: СХВ-Петербург, 2004. - С. 46-47). В предлагаемом устройстве M - количество выходов дешифратора 29, подключенных к соответствующим информационным входам блока 30 времязадающих элементов.
Управляющий вход блока 30 времязадающих элементов подключен к прямому выходу RS-триггера 2, а выход блока 30 соединен с первым входом генератора 3 счетной частоты. В качестве времязадающих элементов в блоке 30 используются RC-цепи, которые образуют емкостную часть цепи обратной связи для генератора 3 (см. «Ламанов Г.И. Генератор импульсов с возможностью программной перестройки частоты. // Электронная техника, сер. 10. Микроэлектронные устройства, 1983, вып. 5(41), с. 27-28»). Выбор конденсатора в цепи осуществляется при помощи сигнала, поступающего на один из информационных входов блока 30 с соответствующего выхода второго дешифратора 29. Номинал выбранного конденсатора времязадающей RC-цепи определяет период следования счетных импульсов, формируемых генератором 3.
Устройство работает следующим образом.
При нажатии кнопки 1 «Пуск» на S вход RS-триггера 2 подается напряжение и RS-триггер 2 переводится в состояние логической единицы. Напряжение с прямого выхода RS-триггера 2 через блок 30 времязадающих элементов подается на первый вход генератора 3 счетной частоты и управляющий вход первого счетчика 4 импульсов для обеспечения его функционирования. С выхода генератора 3 счетной частоты на информационный вход первого счетчика 4 поступают импульсы с периодом τ, намного меньшим времени, необходимого для окончательного вынесения решения о наличии сигнала тревоги в анализируемом канале. Временная величина τ определяет продолжительность контроля канала на первом этапе.
1
n
X
B
H
Сигнал, соответствующий номеру поступающего импульса, с первого выхода первого счетчика 4 через первый дешифратор 5 подается на управляющий вход коммутатора 6 для поочередного подключения датчиков 7, …, 7 к формирователям 8 и 9 соответственно сигналов «Отклонение вверх» и «Отклонение вниз». Измеренный одним из датчиков 7 сигнал с уровнем U сравнивается с напряжением верхнего порогового уровня U в формирователе 8 сигнала «Отклонение вверх» и с напряжением нижнего порогового уровня U в формирователе 9 сигнала «Отклонение вниз».
X
B
X
H
H
X
B
В случае, если U>U, то с выхода формирователя 8 сигнал открывает первый элемент И 10 для импульсов, поступающих с выхода первого генератора 12 импульсов на суммирующий информационный вход одного из регистров блока 13 реверсивных регистров; при U<U сигнал с выхода формирователя 9 открывает второй элемент И 11 для обеспечения прохождения тактовых импульсов с генератора 12 на вычитающий информационный вход одного из реверсивных регистров блока 13; если U≤U≤U, то на выходах формирователей 8 и 9 сигналы отсутствуют. При этом к выходу элементов И 10 или 11 подключается тот регистр блока 13 реверсивных регистров, номер которого соответствует номеру анализируемого датчика 7. Это обеспечивается за счет подачи разрешающего сигнала на управляющий вход соответствующего из регистров блока 13 с выхода первого дешифратора 5.
И
1
1
И
Генератор 12 формирует импульсы с периодом следования t<<τ. Количество измерений k состояний канала на первом этапе контроля определяется отношением k=τ/τ, т.е. зависит от периода следования импульсов на выходе генератора 3 счетной частоты, а следовательно, от времязадающего элемента в составе блока 30.
Исходное состояние реверсивных регистров блока 13 обеспечивается при нажатии кнопки 1 «Пуск» и подаче напряжения через элемент ИЛИ 14 на вход первого формирователя 15 единичного импульса. Импульс с выхода формирователя 15 поступает на вход блока 16 установки в исходное состояние, который обеспечивает запись в реверсивные регистры блока 13 определенного количества логических единиц, начиная с первых триггеров данных регистров. Кроме того, импульс с формирователя 15, подаваемый на первый вход первого генератора 12 импульсов, обеспечивает его включение.
X
B
X
H
H
X
B
1
n
Если импульсы с генератора 12 поступают на суммирующий информационный вход (в случае U>U), то число логических единиц в соответствующем реверсивном регистре блока 13 увеличивается, если импульсы поступают на вычитающий информационный вход (при U<U), то число логических единиц в регистре блока 13 уменьшается, при соотношении U≤U≤U число логических единиц не изменяется (так как в этом случае оба элемента И 10 и 11 будут закрыты). Таким образом, к концу первого этапа контроля во всех реверсивных регистрах блока 13 будет записано количество логических единиц, пропорциональное уровням сигналов на выходе соответствующих датчиков 7, …, 7.
После подсчета n-го импульса первым счетчиком 4 с его второго выхода поступит сигнал на второй вход первого генератора 12 импульсов для его остановки, а также на входы второго формирователя 17 единичного импульса и второго генератора 18 импульсов. Выходной импульс формирователя 17 поступает на информационный вход регистра 19 сдвига в виде логической единицы, которая при подаче на тактовые входы данного регистра импульсов с выхода генератора 18 продвигается по триггерам регистра 19.
Опрашивающие импульсы с выхода триггеров регистра 19 сдвига последовательно поступают на управляющий вход первого блока 20 элементов И, информационный вход которого соединен с выходами триггеров соответствующих реверсивных регистров блока 13. Опрос регистров блока 13 начинается с анализа состояния последних триггеров одновременного для всех регистров блока 13, затем анализируются предпоследние триггеры регистров блока 13 и т.д. На шифратор 21 через блок 20 элементов И вначале поступит импульс с того реверсивного регистра блока 13, в триггерах которого наибольшее число логических единиц, что соответствует максимальному уровню сигнала из числа измеренных на первом этапе контроля.
С выхода шифратора 21 на вход блока 22 памяти вначале поступает и записывается в первую ячейку памяти информация о номере того датчика 7, который измерил сигнал с максимальным уровнем. Во вторую ячейку блока 22 памяти записывается номер датчика 7, измерившего сигнал с несколько меньшим уровнем сигнала, и т.д. Таким образом, первый этап контроля заканчивается ранжировкой номеров канальных датчиков 7 в блоке 22 памяти в зависимости от вероятности нахождения сигналов тревоги в контролируемых каналах.
При прохождении единичного импульса через все триггеры регистра 19 сдвига на втором его выходе появляется сигнал, который поступает на R вход RS-триггера 2 и перебрасывает данный триггер в состояние логического нуля. Первый счетчик 4 импульсов, подключенный к прямому выходу RS-триггера 2, выключается. Кроме того, напряжение с инверсного выхода RS-триггера 2, подаваемое через элемент ИЛИ 14 на первый формирователь 15, обеспечивает формирование единичного импульса, включающего первый генератор 12 импульсов и устанавливающего с помощью блока 16 реверсивные регистры блока 13 в исходное состояние.
Напряжение с инверсного выхода RS-триггера 2 подается также на второй вход генератора 3 счетной частоты. С выхода генератора 3 через открытый элемент И 23 на управляющий вход блока 22 памяти поступают импульсы, период следования Τ (Τ>>τ) которых равен времени, достаточному для полного анализа сигнала, измеряемого любым из датчиков 7. Данные импульсы обеспечивают последовательное подключение ячеек памяти блока 22 к второму входу дешифратора 5, обеспечивая при этом контроль состояния тех каналов, вероятность нахождения сигналов тревоги в которых максимальна.
По аналогии с первым этапом контроля коммутатор 6 осуществляет подключение датчиков 7 к формирователям сигналов 8 и 9. При этом в первую очередь подключается датчик 7, номер которого записан в первую ячейку памяти блока 22, так как в сигнале с его выхода наибольшая вероятность тревожной информации, затем к формирователям 8 и 9 подключается датчик 7, номер которого записан во второй ячейке блока 22 памяти, и т.д.
X
B
H
X
B
В формирователях 8 и 9 осуществляется сравнение уровней U измеренных сигналов с пороговыми уровнями: верхним U и нижним U. Если U>U, то с формирователя 8 сигнал «Отклонение вверх», подаваемый на управляющий вход элемента И 10, обеспечит прохождение тактовых импульсов с выхода генератора 12 на суммирующий информационный вход одного из реверсивных регистров блока 13. Число логических единиц при этом в регистре блока 13 будет увеличено на число поступивших тактовых импульсов. Выбор реверсивного регистра, соответствующего номеру анализируемого канала, обеспечивается за счет подачи сигнала на первый управляющий вход блока 13 реверсивных регистров с выхода дешифратора 5, на второй вход которого поступает информация с выхода блока 22 памяти.
X
H
При U<U сигнал «Отклонение вниз», подаваемый с формирователя 9 на управляющий вход элемента И 11, обеспечит уменьшение числа логических единиц в регистре блока 13 на число тактовых импульсов, поступающих с генератора 12 на вычитающий вход реверсивного регистра.
На втором этапе контроля в первую очередь анализируется состояние тех каналов, вероятность нахождения сигналов тревоги в которых максимальна (по результатам первого этапа контроля). Результат текущего контроля состояния каналов отражается в блоке 24 индикации, первый вход которого подключен к выходу блока 13 реверсивных регистров. Индикация номера контролируемых каналов (датчиков 7) обеспечивается за счет подачи информации на второй вход блока 24 с выхода второго блока 25 элементов И, информационный вход которого подключен к выходу блока 22 памяти, а управляющий вход - к инверсному выходу RS-триггера 2.
Количество каналов, анализируемых на втором этапе контроля, подсчитывает второй счетчик 28 импульсов, информационный вход которого подключен к выходу третьего элемента И 23.
Результаты анализа каналов на втором этапе их контроля поступают с выхода блока 13 реверсивных регистров через открытый ключ 26 на вход компаратора 27, где сравниваются с некоторым пороговым (идентификационным) уровнем. В случае превышения заданного порогового уровня сигнал тревоги идентифицируется компаратором 27, с выхода которого на управляющий вход счетчика 28 импульсов поступает сигнал для его остановки. Результат счета в виде с выхода второго счетчика 28 подается на вход второго дешифратора 29. Поступившая двоичная кодовая комбинация определяет номер выхода дешифратора 29, на котором появляется управляющий сигнал. Данный сигнал управляет выбором времязадающего элемента в блоке 30, а следовательно периодичностью сигнала на выходе генератора 3 счетных импульсов.
Чем большее количество каналов просмотрено на втором этапе контроля до обнаружения сигнала тревоги, тем больше погрешность первого этапа контроля. Большое значение двоичного сигнала на выходе счетчика 28, поступившего в дешифратор 29, позволяет выбрать такой времязадающий элемент блока 30, при котором увеличивается период следования импульсов с выхода генератора 3, а, следовательно, продолжительность анализа каналов на первом этапе контроля.
Количественный анализ достоинства предлагаемого устройства рассмотрим на следующем примере. Пусть для достоверного вынесения решения о наличии сигнала тревоги в канале требуется провести 50 измерения. В этом случае полный цикл одноэтапного контроля 100 каналов состоит из 5000 измерений. При равновероятном нахождении сигнала тревоги в анализируемых каналах среднее число измерений до обнаружения данного сигнала составляет 2500 измерений.
При проведении двухэтапного контроля с помощью предлагаемого устройства среднее число измерений до нахождения канала с сигналом тревоги определяется выражением:
1
И
2
2
И
где к] - количество измерений при анализе одного канала на первом этапе контроля (k=τ/t); k - количество измерений при анализе одного канала на втором этапе контроля (в данном примере k=T/t=50); n - общее число контролируемых каналов (в данном примере n=100); α - вероятность нахождения сигнала тревоги в первом канале из ранжированного «списка» (записанного в блоке 13 реверсивных регистров), анализируемом на втором этапе контроля.
Результаты численной оценки продолжительности двухэтапного контроля каналов (по суммарному числу измерений до обнаружения сигнала тревоги) представлены в таблице 1. Здесь значения доверительной вероятности α для различного числа измерений при обеспечении фиксированной погрешности измерения взяты из справочника: «Маркин Н.С. Основы теории обработки результатов измерений. - М.: Изд-во стандартов, 1991. - 176 с».
Число измерений на первом этапе, k<sub>1</sub>
Доверительная вероятность, α
Число каналов, анализируемых на втором этапе, (1-α)n/2
Суммарное число измерений при двухэтапном контроле, Θ
4
0,6
20
1400
8
0,8
10
1300
16
0,9
5
1850
1
Как видно из таблицы 1, существует оптимальная продолжительность (по числу измерений) первого этапа контроля каналов (в данном случае, k=8), при котором уменьшается продолжительность поиска сигнала тревоги в многоканальной системе.
Таким образом, предлагаемое устройство сигнализации при допусковом контроле, реализующее метод адаптивного изменения длительности предварительного просмотра каналов на первом этапе контроля по результатам подсчета числа каналов, анализируемых на втором этапе, позволяет повысить быстродействие двухэтапного поиска сигнала тревоги в системе многоканального контроля.