УСТРОЙСТВО ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ КАНАЛОВ ТРОИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
DEVICE FOR SWITCHING CHANNELS OF TRIPLEX CONTROL SYSTEM

Изобретение 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- и 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.
Наиболее близким по назначению известным техническим решением указанной задачи является схема переключения каналов в автоматизированной резервированной системе управления заправкой криогенного разгонного блока (см. патент Российской Федерации №2084011, МПК G05B 9/03, 1995 г.), содержащая 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 соединен с первым входом-выходом третьего блока анализа обменной информации.
В этой системе в исправном состоянии информация от контроллеров передается на следующий уровень по локальной сети первого канала, при неисправности первого канала - по локальной сети второго канала и т.д.
Недостатком данного технического решения является усложненная логика работы периферийных устройств, подключенных к выходным локальным сетям каналов, так как в каждом из них необходимо предусматривать схемотехнику переключения на исправный канал. Конечным итогом усложнения схем является безусловно снижение общей надежности системы управления.
Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в повышении надежности функционирования резервированной системы управления 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 соединен с первым входом-выходом третьего блока анализа обменной информации, согласно изобретению в него введены первая, вторая, третья, четвертая, пятая и шестая схемы «И», первые три из которых имеют инверсные выходы, первый, второй и третий инверторы, а также первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой шинные формирователи, третий, четвертый, пятый и шестой выходы первого блока анализа обменной информации соединены соответственно с третьим входом третьего блока анализа обменной информации, четвертым входом второго блока анализа обменной информации, первым входом третьей схемы «И» и вторым входом первой схемы «И», третий, четвертый, пятый и шестой выходы второго блока анализа обменной информации соединены соответственно с третьим входом первого блока анализа обменной информации, четвертым входом третьего блока анализа обменной информации, первым входом первой схемы «И» и вторым входом второй схемы «И», третий, четвертый, пятый и шестой выходы третьего блока анализа обменной информации соединены соответственно с третьим входом второго блока анализа обменной информации, четвертым входом первого блока анализа обменной информации, первым входом второй схемы «И» и вторым входом третьей схемы «И», выход первой схемы «И» соединен с третьим входом второй схемы «И», со вторым входом четвертой схемы «И» и с первым входом пятой схемы «И», выход второй схемы «И» соединен с третьим входом третьей схемы «И», со вторым входом пятой схемы «И» и с первым входом шестой схемы «И», выход третьей схемы «И» соединен с третьим входом первой схемы «И», со вторым входом шестой схемы «И» и с первым входом четвертой схемы «И», выход которой соединен с управляющим входом четвертого шинного формирователя и входом второго инвертора, выход которого подключен к управляющему входу второго шинного формирователя, информационный вход которого подключен к интерфейсной шине ввода-вывода программируемого логического контроллера второго канала системы управления, а информационный выход - к информационному входу пятого шинного формирователя, информационному выходу четвертого шинного формирователя и к шине второго канала связи с периферийными устройствами, выход пятой схемы «И» соединен с управляющим входом пятого шинного формирователя и входом третьего инвертора, выход которого подключен к управляющему входу третьего шинного формирователя, информационный вход которого подключен к интерфейсной шине ввода-вывода программируемого логического контроллера третьего канала системы управления, а информационный выход - к информационному входу шестого шинного формирователя, информационному выходу пятого шинного формирователя и шине третьего канала связи с периферийными устройствами, выход шестой схемы «И» соединен с управляющим входом шестого шинного формирователя и входом первого инвертора, выход которого подключен к управляющему входу первого шинного формирователя, информационный вход которого подключен к интерфейсной шине ввода-вывода программируемого логического контроллера первого канала системы управления, а информационный выход - к информационному входу четвертого шинного формирователя, информационному выходу шестого шинного формирователя и к шине первого канала связи с периферийными устройствами.
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 блока анализа обменной информации 1-1 связаны соответственно со вторым входом-выходом третьего 1-3 и с первым входом-выходом второго 1-2 из них, второй вход-выход которого соединен с первым входом-выходом третьего 1-3 блока сигнала обменной информации.
Третий, четвертый, пятый и шестой выходы первого 1-2 блока анализа обменной информации соединены соответственно с третьим входом третьего 1-3 блока анализа обменной информации, четвертым входом второго 1-2 блока анализа обменной информации, первым входом третьей 2-3 схемы «И» и вторым входом первой 2-1 схемы «И».
Третий четвертый, пятый и шестой выходы второго 1-2 блока анализа обменной информации соединены соответственно с третьим входом первого 1-1 блока анализа обменной информации, четвертым входом третьего 1-3 блока анализа обменной информации, первым входом первой 2-1 схемы «И» и вторым входом второй 2-2 схемы «И».
Третий, четвертый, пятый и шестой выходы третьего 1-3 блока анализа обменной информации соединены соответственно с третьим входом второго 1-2 блока анализа обменной информации, четвертым входом первого 1-1 блока анализа обменной информации, первым входом второй 2-2 схемы «И» и вторым входом третьей 2-3 схемы «И».
Выход первой 2-1 схемы «И» соединен с третьим входом второй 2-2 схемы «И», вторым входом четвертой 2-4 схемы «И» и первым входом пятой 2-5 схемы «И». Выход второй 2-2 схемы «И» соединен с третьим входом третьей 2-3 схемы «И», вторым входом пятой 2-5 схемы «И» и первым входом шестой 2-6 схемы «И». Выход третьей 2-3 схемы «И» соединен с третьим входом первой 2-1 схемы «И», вторым входом шестой 2-6 схемы «И» и первым входом четвертой 2-4 схемы «И».
Выход четвертой 2-4 схемы «И» соединен с управляющим входом четвертого 4-4 шинного формирователя и входом второго 3-2 инвертора, выход которого соединен с управляющим входом второго 4-2 шинного формирователя.
Выход пятой 2-5 схемы «И» соединен с управляющим входом пятого 4-5 шинного формирователя и входом третьего 3-3 инвертора, выход которого соединен с управляющим входом третьего 4-3 шинного формирователя.
Выход шестой 2-6 схемы «И» соединен с управляющим входом шестого 4-6 шинного формирователя и входом первого 3-1 инвертора, выход которого соединен с управляющим входом первого 4-1 шинного формирователя.
Информационные входы первого 4-1, второго 4-2 и третьего 4-3 шинных формирователей подключены соответственно к интерфейсным шинам ввода-вывода программируемых логических контроллеров первого, второго и третьего каналов системы управления.
Информационный выход первого шинного формирователя 4-1 соединен с шиной первого канала связи с периферийными устройствами системы управления, информационным входом четвертого шинного формирователя 4-4 и информационным выходом шестого шинного формирователя 4-6. Информационный выход второго шинного формирователя 4-2 соединен с шиной второго канала связи с периферийными устройствами, информационным входом пятого шинного формирователя 4-5 и информационным выходом четвертого шинного формирователя 4-4. Информационный выход третьего шинного формирователя 4-3 соединен с шиной третьего канала связи с периферийными устройствами, информационным входом шестого шинного формирователя 4-6 и информационным выходом пятого шинного формирователя 4-5.
Устройство работает следующим образом.
При исправности всех трех программируемых логических контроллеров на пятых и шестых выходах блоков анализа обменной информацией 1-2, 1-2 и 1-3 формируются сигналы нулевого логического уровня, соответственно на используемых в устройстве инверсных выходах схем «И» 2-1, 2-2 и 2-3 и прямых выходах схем «И» 2-4, 2-5 и 2-6 - сигналы единичного логического уровня, которые соответственно через инверторы 3-1, 3-2 и 3-3 обеспечивают подключение логическими сигналами нулевого уровня, подаваемыми на управляющие входы соответственно шинных формирователей 4-1, 4-2 и 4-3, шин ввода-вывода программируемых логических контроллеров на одноименные шины связи с периферийными устройствами с выходов шинных формирователей 4-1, 4-2 и 4-3. Одновременно выходы схем «И» 2-4, 2-5 и 2-6 задают на управляющих входах шинных формирователей 4-4, 4-5 и 4-6 сигналы, отключающие их выходы.
Парирование последствий отказа одного из программируемых логических контроллеров в данном устройстве заключается в переходе на работу от одного из оставшихся двух работоспособных. Это связано с тем, что надежность одновременно работающих контроллеров с периферией, организованной по мажоритарной логике, в два раза ниже, чем у одного контроллера. Переходить на другую процедуру синхронизации и переключения каналов при испытаниях ракетной техники просто нет необходимого резерва времени.
Схема устройства является симметричной по отношению к каналам, поэтому достаточно рассмотреть работу устройства при отказе одного из программируемых логических контроллеров. Факт отказа обнаруживается в процессе реализации описанной выше процедуры синхронизации работы каналов системы управления путем выравнивания в каждом цикле меняющейся информации в памяти программируемых логических контроллеров при ее обмене между последними через первый и второй входы-выходы блоков анализа обменной информации 1-1, 1-2 и 1-3. Признаком нормальной работы соседних программируемых логических контроллеров может быть, например, сравнение длины принятого файла с заданным значением.
В случае отказа программируемого логического контроллера, например в третьем канале системы управления, блок анализа обменной информации 1-1 формирует сигнал на своем третьем выходе, информирующий блок анализа обменной информации 1-2 через третий вход о принятом решении об отказе третьего канала системы управления. Аналогично функционирующий блок анализа обменной информации 1-2 формирует сигнал об отказе третьего канала на четвертом выходе, который передается на третий вход блока анализа обменной информацией 1-1. В результате на шестом выходе блока анализа обменной информации 1-1 и на пятом выходе блока анализа обменной информации 1-2 формируются единичные логические сигналы.
Нулевые уровни сигналов на пятом выходе первого 1-1 и на шестом выходе второго 1-2 блоков анализа обменной информации определяют единичные значения на выходах (инверсных) второй 2-2 и третьей 2-3 схем «И». В свою очередь единичные выходы последней схемы «И» шестого выхода первого 1-1 блока анализа обменной информации и пятого выхода второго 1-2 блока анализа обменной информации определяют нулевой уровень сигнала на выходе (инверсном) первой 2-1 схемы «И».
Указанные значения выходов схем «И» 2-1, 2-2 и 2-3 определяют в свою очередь на выходах схем «И» 2-4, 2-5 и 2-6 логические сигналы «нуль», «нуль» и «единица» соответственно.
Единичный сигнал на выходе схемы «И» 2-6 через инвертор 3-1 определяет нулевой сигнал на управляющем входе шинного формирователя 4-1, через который сигналы с интерфейсной шины ввода-вывода программируемого логического контроллера первого канала системы управления передаются на шину первого канала связи с периферийными устройствами и на вход шинного формирователя 4-4, который также включен, так как на его управляющий вход подан нулевой сигнал с выхода схемы «И» 2-4. Через открытый шинный формирователь 4-4 сигналы интерфейсной шины ввода-вывода программируемого логического контроллера первого канала поступают также на шину второго канала связи с периферийными устройствами и на вход шинного формирователя 4-5, который также открыт нулевым сигналом на его управляющем входе, поступающим с выхода схемы «И» 2-5, что обеспечивает также передачу сигналов ввода-вывода программируемого логического контроллера первого канала на шину третьего канала связи с периферийными устройствами. Единичные сигналы на выходе схемы «И» 2-6 обеспечивает закрытое состояние шинного формирователя 4-6, а единичные значения сигналов на выходах инверторов 3-2 и 3-3 обеспечивают закрытое состояние шинных формирователей 4-2 и 4-3, которые таким образом не нарушают работу устройства при описываемом случае неисправности в системе управления.
При отказе второго канала устройство подключает на выходы сигналы третьего канала, а при отказе первого - сигналы второго канала.
Повышение надежности работы троированной системы управления обеспечивается описанным техническим решением благодаря тому, что в схемотехнике периферийных устройств не требуется учитывать описанные варианты отказов системы управления, что упрощает и соответственно повышает их надежность. Периферийные устройства в совокупности составляют наибольшую часть электроники резервированной системы управления стендом испытаний ракетно-космической техники, поэтому выигрыш в надежности будет существенный.