УСТРОЙСТВО ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ КАНАЛОВ ТРОИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

Полезная модель относится к автоматизированным системам управления технологическими процессами, в частности, наземными испытаниями жидкостных ракетных двигателей, двигательных установок космических аппаратов и блоков ракет-носителей.
Стенды для отработки сложных и дорогостоящих изделий ракетно-космической техники (РКТ) оснащаются высоконадежными резервированными трехканальными системами управления пожаро-взрывоопасными технологическими процессами подготовки и проведения их испытаний. Выбор такого способа резервирования во многом связан с использованием его также в штатных системах управления ракет-носителей и космических аппаратов, с приборами которых стендовой системе управления необходимо сопрягаться. Одновременно троирование в системах управления обеспечивает максимальное быстродействие системы управления за счет переключения каналов схемами с комбинационной логикой. Высокое быстродействие - одно из основных требований к системе управления испытаниями изделий РКТ.
В процессе нормального безотказного функционирования троированной системы управления программируемый логический контроллер каждого канала в течение одного повторяющегося цикла работы выполняет последовательно опрос дискретных входов, выравнивание их значений путем мажоритирования со значениями одноименных входов в двух других каналах, поступающих по шинам обмена информацией между каналами, обработку информации по заданным алгоритмам с формированием значений выходов, выравнивание значений последних и промежуточных переменных с помощью аналогичной, описанной выше операции и выдачу значений выводов через интерфейс ввода-вывода на выходные устройства, которые через схемы мажоритирования 2 из 3 формируют сигналы на электроприводы и электрические запалы исполнительных элементов.
Вместе с тем в системах управления описанного типа возникает задача парирования отказов наиболее сложных и уникальных элементов системы - программируемых логических контроллеров, с минимальной при этом потерей надежности.
Известно устройство переключения каналов троированной системы управления по заявке на изобретение №2011150952/08 (076538) от 14.12.2011 г. (решение о выдаче патента на изобретение от 15.07.2012 г.) МПК G05В 9/00, содержащее в составе программируемых логических контроллеров трех каналов системы управления соответственно первый, второй и третий блоки анализа обменной информации, первый и второй входы-выходы первого из которых соединены соответственно со вторым входом-выходом третьего и первым входом-выходом второго из них, второй вход-выход которого соединен с первым входом-выходом третьего блока анализа обменной информации.
Сущность работы устройства заключается в том, что в результате взаимного обмена и анализа информации первым, вторым и третьим блоками анализа обменной информации на их выходах формируются сигналы, определяющие факт отказа одного из двух соседних. Далее логическая схема, построенная на схемах «И» и инверторах, обеспечивает такое управление шестью шинными формирователями, при котором в случае отказа одного из программируемых логических контроллеров на все три выхода устройства подключается шина ввода-вывода одного из двух оставшихся работоспособными программируемых логических контроллеров.
Недостатком данного технического решения является использование в нем многопроводной связи программируемых логических контроллеров с параллельной передачей информации в периферийные устройства и реализация логики работы микросхемами относительно не большой степени интеграции. Все это снижает надежность устройства из-за большого количества контактов и микросхем, а также из-за снижения помехозащищенности параллельной передачи информации при увеличении общего количества периферийных устройств и удлинения линий связи. Поэтому для согласования характеристик линий с целью улучшения формы сигнала в них требуются специальные многоканальные терминальные устройства.
Техническая задача, решаемая полезной моделью, заключается в повышении надежности функционирования резервированной системы управлении стендом испытаний ракетно-космической техники.
Это достигается тем, что в известное устройство переключения каналов троированной системы управления, содержащее в программируемых логических контроллерах трех каналов системы управления соответственно первый, второй и третий блоки анализа обменной информации, первый и второй входы-выходы первого из которых соединены соответственно со вторым входом-выходом третьего и первым входом-выходом второго из них, второй вход-выход которого с первым входом-выходом третьего блока анализа обменной информации, согласно полезной модели введены первая, вторая, третья, четвертая, пятая и шестая программируемые логические матрицы, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой шинные формирователи и первый, второй и третий выходные блоки с восемью приемо-передатчиками каждый, первые входы-выходы,первые входы и первые выходы первой, второй и третьей программируемых логических матриц соединены соответственно по интерфейсу SpaceWire с третьими входами-выходами первого, второго и третьего блоков анализа обменной информации, с выходами первого, второго и третьего шинных формирователей и с входами четвертого, пятого и шестого шинных формирователей, выходы которых соединены соответственно с первыми, вторыми и третьими входами четвертой, пятой и шестой программируемых логических матриц, с первого по восьмой выходы которых соединены с соответствующими приемо-передатчиками соответственно первого, второго и третьего выходных блоков, при этом первые выходы приемо-передатчиков первого, второго и третьего выходных блоков подключены к первым входам соответственно первого, второго и третьего шинных формирователей, причем каждый одноименный приемо-передатчик из каждого выходного блока первым входом-выходом подключен к соответствующему периферийному устройству системы управления, а девятые выходы четвертой, пятой и шестой программируемых логических матриц соединены соответственно со вторыми, третьими и четвертыми входами первого, второго и третьего шинных формирователей.
На чертеже изображена схема устройства переключения каналов троированной системы управления.
Устройство содержит в составе программируемых логических контроллеров трех каналов системы управления соответственно первый 1-1, второй 1-2 и третий 1-3 блоки анализа обменной информации, первый и второй входы-выходы первого 1-1 из которых соединены соответственно с вторым входом-выходом третьего 1-3 и первым входом-выходом второго 1-2 из них, второй вход-выход которого соединен с первым входом-выходом третьего 1-3 блока анализа обменной информации.
Третьи входы-выходы первого 1-1, второго 1-2 и третьего 1-3 блока анализа обменной информации соединены соответственно по интерфейсу SpaceWire с первыми входами-выходами первой 2-1, второй 2-2 и третьей 2-3 программируемой логической матрицы, первые входы которых соединены соответственно с выходами первого 3-1, второго 3-2 и третьего 3-3 шинных формирователей, а первые выходы - соответственно с входами четвертого 3-4, пятого 3-5 и шестого 3-6 шинных формирователей, выходы которых соединены соответственно с первыми, вторыми и третьими входами четвертой 2-4, пятой 2-5 и шестой 2-6 программируемых логических матриц.
К каждому с первого по восьмой выходам четвертой 2-4, пятой 2-5 и шестой 2-6 программируемых логических матриц подключено по одному приемо-передатчику соответственно первого 4-1, второго 4-2 и третьего 4-3 выходных блоков. Первые входы приемо-передатчиков 4-11…4-18 подключены к выходам 1…8 четвертой 2-4 программируемой логической матрицы, первые входы приемо-передатчиков 4-21…4-28 -к выходам 1…8 пятой 2-5 программируемой логической матрицы, первые входы приемопередатчиков 4-31…4-38 - к выходам 1…8 шестой 2-6 программируемой логической матрицы. Первый вход-выход приемо-передатчиков с номерами 4-11, 4-21 и 4-31 в выходных блоках 4-1,4-2 и 4-3 подключен к первому периферийному устройству системы управления. Соответственно первые входы-выходы приемо-передатчиков со следующими номерами подключены к периферийным устройствам системы управления с теми же номерами. Первые выходы всех приемо-передатчиков первого 4-1, второго 4-2 и третьего 4-3 выходных блоков подключаются соответственно к первым входам первого 3-1, второго 3-2 и третьего 3-3 шинных формирователей. Девятый выход четвертой 2-4 программируемой логической матрицы подключен к вторым входам первого 3-1, второго 3-2 и третьего 3-3 шинных формирователей. Девятый выход пятой 2-5 программируемой логической матрицы подключен к третьим входам первого 3-1, второго 3-2 и третьего 3-3 шинных формирователей. Девятый выход шестой 2-6 программируемой логической матрицы подключен к четвертым входам первого 3-1, второго 3-2 и третьего 3-3 шинных формирователей.
Устройство работает следующим образом. При исправности всех трех программируемых логических контроллеров информация об этом с каждого из них по интерфейсу SpaceWire на третьем входе-выходе каждого из блоков анализа обменной информации 1-1, 1-2 и 1-3 передается через программируемые логические матрицы 2-1, 2-2 и 2-3 и шинные формирователи 3-4, 3-5 и 3-6 в программируемые логические матрицы 2-4, 2-5 и 2-6, которые выбирают и передают управляющую информацию первого канала системы управления в приемо-передатчики 4-11…4-18 первого 4-1 выходного блока, второго канала - в приемо-передатчики 4-21…4-28 второго 4-2 выходного блока, а третьего канала - в приемо-передатчики 4-31...4-38 третьего 4-3 выходного блока.
При этом первая 2-1, вторая 2-2 и третья 2-3 программируемые логические матрицы преобразуют высокоскоростной интерфейс в полевую последовательную шину (например, типа RS-485) для более надежной трансляции информации в удаленные более чем на 10 метров периферийные устройства. Интерфейс SpaceWire обеспечивает наращивание числа таких устройств при высокой общей скорости обмена (до 400 мбит/с) при расстоянии до устройств не более 10 метров.
При отказе, скажем, первого программируемого логического контроллера блоки анализа обменной информации 1-2 и 1-3 двух других программируемых логических контроллеров передают информацию об этом по интерфейсу SpaceWire соответственно во вторую 2-2 и третью 2-3 программируемые логические матрицы и соответственно на пятый 3-5 и шестой 3-6 шинные формирователи, и с их выходов на вторые и третьи входы четвертой 2-4, пятой 2-5 и шестой 2-6 программируемых логических матриц. Логика переключения, «зашитая» в последних, аналогична описанной в известном устройстве. Эта логика обеспечивает подключение всех периферийных устройств к программируемому логическому контроллеру второго канала, т.е. следующему по кольцевой схеме соединения кбнтроллеров. После завершения переключения логика, «зашитая» в программируемых логических матрицах 2-4, 2-5 и 2-6, обеспечивает формирование на девятом выходе пятой 2-5 программируемой логической матрицы единичного сигнала, подтверждающего, что второй канал стал ведущим. Этот сигнал поступает на входы первого 3-1, второго 3-2 и третьего 3-3 шинных формирователей и затем с их выходов через первую 2-1, вторую 2-2 и третью 2-3 программируемые логические матрицы в программируемые логические контроллеры каждого канала системы управления для регистрации этого факта и прекращения, например, ставшего не нужным взаимного обмена информацией. Информация от периферийных устройств в соответствии с протоколом интерфейса RS-485 с первого выхода приемо-передатчиков 4-11…4-18 первого 4-1 выходного блока, 4-21...4-28 второго 4-2 выходного блока и 4-31…4-38 третьего выходного блока передается через первые входы соответственно первого 3-1, второго 3-2 и третьего 3-3 шинных формирователей и затем соответственно на первые входы первой 2-1, второй 2-2 и третьей 2-3 программируемых логических матриц и соответственно через их первые входы-выходы в программируемые логические контроллеры первого, второго и третьего каналов системы управления.
Повышение надежности работы троированной системы управления обеспечивается переходом от параллельной к последовательной передаче информации к периферийным устройствам и использованием высокопроизводительного интерфейса, требуемого для обмена с высокой скоростью с внешними устройствами, например, подсистемы аварийной защиты в сочетании с надежной полевой шиной (например, типа RS-485) для обмена с внешними устройствами, для которых скорость обмена может быть на порядок меньше.
Переход на последовательную передачу позволяет повысить надежность этой передачи упрощением коммутации, применением микросхем большей степени интеграции, улучшенными характеристиками электромагнитной совместимости, упрощением терминальных устройств. - Одновременно появляются возможности более широкого варьирования пространственного расположения оборудования системы управления.