Содержание к диссертации
Введение
1. Основные тенденции развития схемотехнических решений безопасных устройств сопряжения с объектами 13
1.1. Особенности микропроцессорных систем железнодорожной автоматики. Роль микропроцессорных систем ЖАТ в обеспечении перевозочного процесса 13
1.2. Анализ основных направлений в разработке безопасных устройств сопряжения 19
Выводы и постановка задачи 33
2. Параметрическая безопасность аналоговых устройств .35
2.1. Основные показатели параметрической безопасности. Критерий безопасного функционирования аналоговых устройств 35
2.2. Принципы определения остаточных уровней сигналов и порогов надежной дезактивизации устройств сопряжения с объектами 45
Выводы 58
3. Определение показателей параметрической безопасности устройств сопряжения. методы обеспечения безопасности функциональных преобразователей в устройствах вывода информации 60
3.1. Практическая реализация безопасного сопряжения по управлению для микропроцессорных централизации 60
3.2. Определение остаточных уровней сигнала аппаратуры логического уровня 65
3.2.1. Основные функции логического уровня УСО. Практическая реализация логической обработки сигналов 65
3.2.2. Остаточные напряжения функциональных преобразователей с несимметричным отказом, возникающие при ухудшении качества электропитания устройств 68
3.2.3. Особенности определения остаточных напряжений при возникновении некоторых отказов во внутренней структуре безопасного логического устройства 88
3.3. Оценка параметрической безопасности аппаратуры силового уровня .89
3.3.1. Методы обеспечения безопасности при бесконтактном управлении напольными объектами. Практическая реализация силового уровня УСО 89
3.3.2. Влияние кабельных сетей станций на безопасность функционирования силового уровня УСО 98
Выводы 115
4. Особенности обеспечения безопасности устройств ввода информации. роль устройств телеизмерения в обеспечении безопасности функционирования УСО 118
4.1. Принципы обеспечения безопасности аналоговой части устройств ввода информации. Практическая реализация безопасного ввода информации с использованием функциональных преобразователей 118
4.2. Требования к алгоритмам обработки выходных сигналов функционального преобразователя устройства безопасного ввода 135
4.3. Контроль исправности источников вторичного электропитания безопасных устройств сопряжения. Практическая реализация аналоговой части устройств телеизмерения, используемых для контроля исправности источников вторичного электропитания 141
Выводы 154
5. Технико-экономическая эффективность внедрения микропроцессорных систем управления 157
5.1. Результаты внедрения аппаратуры безопасного сопряжения для микропроцессорных централизации 157
5.2. Ожидаемая экономическая эффективность внедрения микропроцессорных систем железнодорожной автоматики с бесконтактными устройствами сопряжения 161
Выводы 171
Заключение 173
Список использованных источников
- Анализ основных направлений в разработке безопасных устройств сопряжения
- Принципы определения остаточных уровней сигналов и порогов надежной дезактивизации устройств сопряжения с объектами
- Основные функции логического уровня УСО. Практическая реализация логической обработки сигналов
- Требования к алгоритмам обработки выходных сигналов функционального преобразователя устройства безопасного ввода
Введение к работе
Наметившаяся в настоящее время тенденция в развитии средств автоматизации на железнодорожном транспорте предполагает широкое внедрение микропроцессорных систем. Микропроцессорные средства, предполагающие решение целого ряда задач на уровне программного обеспечения, позволяют существенно расширить функциональные возможности систем автоматики. Значительное уменьшение количества электромагнитных реле, применение перспективной элементной базы позволяют существенно снизить затраты на строительство, повысить надежность функционирования новых систем. Оборудование, не требующее периодического обслуживания, а также развитые возможности самодиагностики обеспечивают значительное снижение затрат на обслуживания новых систем автоматики, построенных на основе микропроцессорной техники.
Существенный вклад в разработку микропроцессорных систем ЖАТ внесен трудами крупных ученых в области современных систем железнодорожной автоматики, таких как Сапожников Вл.В., Сапожников В.В., Дрейман O.K., Гавзов Д.В., Прокофьев А.А., Лисовский М.П., Христов Х.А. и многих других отечественных и зарубежных ученых.
Одной из важнейших проблем при построении микропроцессорных систем управления является организация сопряжения управляющего вычислительного комплекса (УВК) с исполнительными объектами.
Поиск технических решений, связанных с разработкой устройств сопряжения должен осуществляться с учетом современных достижений в области цифровой и аналоговой схемотехники. Диссертационная работа опирается на труды Воронина П.А., Семенова Б.Ю., Готтлиба И.М., Хоровица П., Хилла У., а также ряда других крупных ученых и специалистов в данной области.
Для ввода-вывода информации из УВК обычно используются стандартные интерфейсы. Как правило, электрические параметры этих интерфейсов не могут обеспечить возможность непосредственного воздействия УВК на исполнительные объекты. Поэтому, под сопряжением, прежде всего, подразумевается энергетическое согласование электронных схем, осуществляющих вывод сигналов управления из УВК с исполнительными объектами, используемыми в конкретной системе управления.
Кроме того, существует задача временного согласования, предусматривающая приведение временных параметров сигналов к форме, необходимой для взаимодействия с тем или иным функциональным узлом. В частности, для вывода информации из ЭВМ все чаще используются интерфейсы, подразумевающие последовательную передачу данных (например, широко распространенный интерфейс RS-485). В этом случае возникает необходимость преобразования последовательного потока данных в совокупность параллельных сигналов, действующих на отдельных физических цепях, индивидуальных для каждого исполнительного объекта. Соответственно, при реализации ввода информации в ЭВМ приходится решать обратную задачу (преобразование параллельного потока данных в последовательный).
Решаются эти проблемы сопряжения с объектами, как правило, путем использования специализированных функциональных блоков, не входящих конструктивно и схемотехнически в состав УВК - устройств сопряжения, обладающих адаптивными характеристиками обработки сигналов на входах и выходах. Современные устройства сопряжения можно представить в виде двух основных функциональных узлов: интерфейсной или логической части, осуществляющей взаимодействие УСО со стандартными интерфейсами УВК, и выходного преобразователя или силовой части, формирующей электрические сигналы, параметры которых позволяют осуществлять непосредственное взаимодействие УСО с объектом управления. В устройствах сопряжения, осуществляющих контроль состояния объектов, используется такой функциональный узел, как входной преобразователь, воспринимающий электрические сигналы, характеризующие состояние контролируемого объекта, и преобразующий их в форму, необходимую для передачи их в УВК.
Устройства сопряжения, позволяющие выполнять описанные выше функции, выпускаются промышленностью и на сегодняшний день достаточно широко распространены. Однако, в системах железнодорожной автоматики и телемеханики (СЖАТ) они имеют ограниченное применение. Такие УСО могут использоваться решения только тех задач, которые не связаны непосредственно с обеспечением безопасности движения поездов. В частности, такие УСО могут найти применение в диспетчерских централизациях, а также релейно-процессорных централизациях стрелок и сигналов, в которых большинство функций, связанных с обеспечением безопасности движения поездов, реализованы с помощью традиционной релейной схемотехники.
Микропроцессорные централизации (МПЦ), также как и релейно-процессорные, предназначены для управления объектами, правильное функционирование которых оказывает непосредственное влияние на безопасность движения поездов. При этом, в МПЦ все зависимости реализуются на уровне УВК, а количество релейных схем сведено к минимуму. Поэтому микропроцессорные централизации относятся к разряду ответственных дискретных систем, требующих особого подхода к построению как самого УВК, так и других, входящих в их состав электронных устройств.
Безопасность функционирования таких систем обеспечивается, чаще всего, за счет избыточности (резервирования) на аппаратном уровне, достигаемого путем использования нескольких каналов обработки информации. Обычно используется два или три канала, образующие дублированную или мажоритированную (троированную) систему. Активизация исполнительного объекта (перевод стрелки или включение разрешающего показания светофора) осуществляется лишь при совпадении соответствующей информации во всех или в большинстве каналов. Иными словами, наиболее часто используются принципы управления, которые принято называть «2 из 2» или «2 из 3». Такой подход к построению безопасных систем позволяет обеспечить требуемый уровень безопасности функционирования при минимальных затратах и может рассматриваться в качестве рекомендуемого к применению в системах железнодорожной автоматики.
Очевидно, что для достижения безопасности в таких системах управления, помимо резервирования, необходимо применять также и специализированные (безопасные) устройства сопряжения. Обобщенная структура системы управления, а также структура безопасной системы управления приведены на рисунке 1.
К безопасным устройствам сопряжения предъявляются три основных специфических требования.
Во-первых, безопасные УСО, осуществляющие управление объектами, обычно имеют два или три входа и на них возлагается задача реализации упомянутого принципа «2 из 2» или «2 из 3». Иначе говоря, сигнал
7 управления, активизирующий исполнительный объект, должен появляться на выходе УСО только при совпадении всех или большинства сигналов на его входах. Этим обусловлено наличие в составе безопасного УСО еще одного функционального узла- восстанавливающего органа (ВО), который и выполняет указанную задачу. По своему функциональному назначению ВО - это элемент, реализующий логическую функцию «И» (в двухканальных системах) или мажоритарную функцию (в трехканальных системах).
Во-вторых, схемные решения УСО не должны иметь опасных отказов, т. е. безопасные УСО, реализующие функцию управления, с достаточной вероятностью должны исключать ложное появление на выходе УСО сигнала, активизирующего исполнительный объект (сигнал или стрелочный привод) при возникновении неисправностей в собственной структуре.
Для тех УСО, которые предназначены для ввода информации о состоянии контролируемых объектов в УВК (устройств сопряжения по контролю) данное требование можно сформулировать так.
УСО, осуществляющие безопасный ввод информации должны исключать ложное появление на выходе сигнала, отражающего такое состояние контролируемого объекта, которое по алгоритму функционирования системы является необходимым условием для активизации исполнительных объектов. Указанное требование также должно выполняться при возникновении любых отказов в структуре устройства сопряжения.
Обычно учитываются отказы, выражающиеся в появлении следующих часто встречающихся на практике событий:
— обрыв любых элементов или соединений,
—увеличение переходного сопротивления в соединениях,
— пробой конденсаторов и полупроводниковых элементов,
— короткое замыкание между близко расположенными цепями (жилы в кабеле, обмотки трансформатора, расположенные в одной секции каркаса, соседние дорожки на печатной плате),
— самовозбуждение электронных схем,
— межвитковое замыкание намоточных узлов,
— изменение параметров элементов, имеющие место в реальных устройствах (увеличение сопротивления резисторов, уменьшение емкости электролитических конденсаторов, увеличение токов утечки в конденсаторах и полупроводниковых элементах, ухудшение передаточных характеристик трех- (и более) выводных полупроводниковых элементов).
— преобразование (трансформация) одних полупроводниковых приборов в другие.
В-третьих, такие УСО должны быть устойчивы к возникновению любых отказов источников вторичного электропитания, а также к воздействию электромагнитных помех и влияний (в установленных пределах). Под устойчивостью, в данном случае, понимается либо отсутствие реакции УСО на указанное событие, либо переход устройства сопряжения в защитное состояние, при котором исключается активизация исполнительных объектов (перевод стрелки, включение разрешающего показания светофора), или передача ложного сигнала контроля в УВК.
В качестве отказов источников вторичного электропитания следует рассматривать следующие события:
— исчезновение напряжения на выходе источника вторичного электропитания,
—уменьшение выходного напряжения источника вторичного электропитания,
—увеличение выходного напряжения источника вторичного электропитания вследствие нестабильности напряжения сетей электроснабжения или в результате отказа в схемах стабилизации выходного напряжения (если таковые имеются),
— появление значительной переменной составляющей (пульсаций) на выходе источников электропитания, формирующих постоянные напряжения,
— Увеличение уровня высших гармоник (выше установленных норм) на выходе источников переменного напряжения.
Как известно, отсутствие опасных отказов в схемах наиболее просто достигается при использовании элементов, обладающих несимметричным отказом. К таким элементам относятся, прежде всего, электромагнитные реле I класса надежности. Однако, очевидно, что применение реле в составе устройств сопряжения должно быть сведено к минимуму, так как, в противном случае, теряется смысл создания микропроцессорных централизации. Построение малогабаритных, технологичных и требующих минимального технического обслуживания устройств, предполагает широкое использование в качестве элементной базы полупроводниковых приборов и построенных на их основе микроэлектронных изделий. Полупроводниковые приборы являются элементами с симметричным отказом. Поэтому, выполнение указанного выше требования к отсутствию опасных отказов в схемах УСО, приводит к необходимости принятия специальных мер при построении всех нерезервированных функциональных узлов. К таким узлам относятся восстанавливающий орган, а также выходной и входной преобразователи. Естественно, что при разработке подобных устройств одной из основных проблем является оценка и доказательство достижения требуемого уровня безопасности.
Целью данного диссертационного исследования является разработка методов, позволяющих обеспечить наиболее полную оценку безопасности функционирования устройств сопряжения, представляющих собой сочетание цифровой и аналоговой схемотехники, а также предложение ряда технических решений, обеспечивающих безопасное функционирование бесконтактных устройств сопряжения, предназначенных для непосредственного управления напольными объектами.
Для достижения поставленных целей в работе решены следующие задачи:
1. Произведен анализ основных методов разработки безопасных устройств сопряжения.
2. Разработаны основные теоретические положения и обобщенные методики оценки параметрической безопасности аналоговых устройств в системах железнодорожной автоматики.
3. Предложены методы практической реализации безопасных У СО, построенных на основе функциональных преобразователей с несимметричным отказом.
4. Разработаны методики расчета для основных показателей параметрической безопасности различных схемотехнических решений функциональных преобразователей с несимметричным отказом.
5. Выработаны рекомендации по обеспечению безопасности УСО, предназначенных для ввода информации в УВК.
При решении поставленных задач в работе получены и защищаются следующие результаты и основные положения:
1. Обоснована необходимость рассмотрения функциональных преобразователей с несимметричным отказом, а также многих других электронных устройств, применяемые в системах железнодорожной автоматики, как многозвенных аналоговых устройств, требующих параметрического подхода к оценке безопасности функционирования.
2. Предложена обобщенная методика параметрической оценки безопасности функционирования аппаратуры при воздействии различных дестабилизирующих факторов.
3. Разработаны методы обеспечения безопасной работы различных схемотехнических решений функциональных преобразователей при возникновении отказов источников вторичного электропитания.
4. Обоснована целесообразность использования преобразовательной техники в подсистеме безопасного ввода информации, а также предложено конкретное схемотехническое решение устройства безопасного ввода.
5. Показано, что одним из методов повышения порога надежной дезактивизации электронных устройств может являться включение во входные цепи последних малогабаритных DC/DC-конвертеров в интегральном исполнении.
6. Доказано, что снятие динамических управляющих сигналов со всех ключевых элементов двухтактного преобразователя является необходимым условием для надежной дезактивизации исполнительного объекта.
7. Обоснована целесообразность использования разделительных трансформаторов на выходе функциональных преобразователей, работающих на кабельную линию.
Анализ основных направлений в разработке безопасных устройств сопряжения
По функциональному назначению устройства сопряжения можно разделить на два основных вида: устройства сопряжения по управлению и устройства сопряжения по контролю. Устройства сопряжения по управлению осуществляют формирование управляющих воздействий для исполнительных объектов в соответствии с сигналами, поступающими от УВК. Устройства сопряжения по контролю предназначены для ввода в УВК информации о состоянии объектов.
При всем разнообразии элементной базы, применяемой при построении устройств сопряжения для систем железнодорожной автоматики, можно выделить два основных направления в разработке УСО: релейные УСО или устройства включения исполнительных реле (УВИР) и бесконтактные УСО [40]. Первое направление - это создание устройств сопряжения с применением электромагнитных реле первого класса надежности [29, 37, 46, 48, 69]. В устройствах сопряжения по управлению, электромагнитные реле используются обычно для непосредственной коммутации цепей исполнительных объектов. В устройствах сопряжения по контролю контакты реле отображают состояние контролируемых объектов и используются для коммутации цепей, осуществляющих ввод информации в УВК. Такой подход является наиболее простым и достаточно исследованным. Он позволяет избежать многих проблем, возникающих при разработке безопасных УСО исключительно на полупроводниковых элементах. Недостаток данного подхода состоит в необходимости использования электромагнитного реле — дорогого нетехнологичного изделия, требующего периодического обслуживания.
Вторым направлением в разработке устройств сопряжения является создание бесконтактных УСО. В этом случае задача сопряжения с объектами реализуется путем применения исключительно полупроводниковой схемотехники [30]. Проблема безопасности при использовании таких устройств решается более сложными методами. Но, в то же время, бесконтактные устройства сопряжения лишены недостатков, характерных для релейных УСО. К тому же, благодаря использованию современной элементной базы, такие устройства сопряжения имеют лучшие массогабаритные показатели. Поэтому данное направление в разработке безопасных УСО является наиболее перспективным.
Полупроводниковые элементы, применяемые при построении, как релейных устройств сопряжения, так и бесконтактных УСО, являются элементами с симметричным отказом. Действительно, любой полупроводниковый ключ с равной вероятностью может оказаться, как пробит, так и оборван. Это означает, что если не принимать дополнительных мер, исполнительный объект (например, стрелочный электродвигатель или светофорная лампа), управляемый полупроводниковым ключом может быть ложно выключен, или ложно включен. Поэтому, чтобы избежать опасных ситуаций, необходимо строить системы управления таким образом, чтобы исправность ключевых элементов устройств сопряжения (их способность переключаться из одного состояния в другое) являлась необходимым условием для активизации исполнительных объектов. Добиться этого можно двумя основными способами.
Первый способ - это построение систем, в которых предусмотрена возможность гарантированного отключения питания от группы объектов при возникновении неисправности хотя бы одного ключа из числа задействованных для управления этими объектами. Очевидно, что в таких системах должно осуществляться тестирование ключевых элементов, осуществляющих управление напольными объектами. Информация о состоянии ключевого элемента поступает, как правило, в управляющий вычислительный комплекс, который и принимает решение о том, нужно ли отключать питание напольных объектов, или нет.
Второй способ состоит в использовании, так называемых, функциональных преобразователей с несимметричным отказом [19]. Главная особенность этого способа построения безопасных систем управления состоит в том, что напряжение, необходимое для активизации исполнительных объектов формируется в устройствах сопряжения индивидуально для каждого объекта путем использования преобразовательных схем. Преобразовательные схемы строятся таким образом, что необходимыми условиями формирования напряжений для исполнительных объектов являются наличие соответствующей команды от УВК и исправность ключевых элементов функционального преобразователя.
Соответственно, можно выделить два основных вида устройств сопряжения по управлению, отличающихся методом обеспечения безопасности: — УСО с периодическим тестированием ключевых элементов — УСО с применением преобразовательных схем (функциональных преобразователей с несимметричным отказом).
Следует отметить что, несмотря на различные принципы обеспечения безопасности, оба подхода имеют одну общую черту — наличие динамической работы ключевых элементов во всем тракте передачи сигнала от УВК до исполнительного объекта.
Аналогичная ситуация существует и в устройствах сопряжения по контролю. Чтобы обеспечить одностороннюю направленность отказов подсистемы контроля, построенной на полупроводниковых элементах, также необходимо использовать в тракте передачи информации динамические сигналы.
Принципы определения остаточных уровней сигналов и порогов надежной дезактивизации устройств сопряжения с объектами
Одним из способов, позволяющих определить уровень выходного сигнала для того или иного устройства, является метод эквивалентного генератора [13]. Согласно данному методу, устройство, для которого необходимо определить уровень выходного сигнала, необходимо заменить эквивалентной схемой, представляющей собой идеальный источник напряжения, и некоторое внутреннее сопротивление. Таким образом, образуется электрическая цепь, представляющая собой последовательное соединение идеального источника напряжения, внутреннего сопротивления и сопротивления нагрузки. Для определения напряжения (или тока) на выходе устройства при известных параметрах эквивалентной схемы, достаточно воспользоваться законом Ома. Выходное напряжение устройства не может превышать ЭДС идеального источника напряжения в эквивалентной схеме. Чем больше величина сопротивления нагрузки - тем больше выходное напряжение (при прочих равных ус ловиях). При бесконечно большом сопротивлении нагрузки выходное напряжение будет равно ЭДС источника.
Очевидно, что метод эквивалентного генератора вполне можно применить и для определения остаточного уровня сигнала на выходе конкретного звена многозвенной системы (рис. 2.2).
Разумеется, в инженерной практике данный метод в чистом виде не всегда является удобным для применения. Однако он позволяет наглядно проиллюстрировать некоторые важные моменты, которые следует учитывать при определении параметрических показателей безопасности устройств. В частности, из приведенной формулы видно, что не имеет смысла говорить об остаточном уровне сигнала конкретного устройства без указания характеристик нагрузки, на которую данное устройство работает. Иными словами, остаточный уровень сигнала для каждого звена системы должен рассчитываться с учетом входных характеристик последующего звеньев.
Проще всего обстоит дело с определением остаточного уровня сигнала при работе устройств на нагрузку, обладающую линейной вольт-амперной характеристикой (ВАХ). Примером такой нагрузки, в ряде случаев, может служить обмотка электромагнитного реле. Для того, чтобы охарактеризовать такую нагрузку, достаточно определить ее сопротивление (в данном примере - сопротивление обмотки для постоянного тока).
Однако, чаще всего, приходится иметь дело с нелинейными нагрузками (лампа накаливания, светодиод и т.п.). Входные цепи различных электронных устройств в ряде случаев, также следует рассматривать, как нелинейную нагрузку. Величина сопротивления таких нагрузок зависит от приложенного напряжения. Если в качестве нагрузки рассматривается входная цепь какого либо устройства, можно говорить о том, что входное сопротивление устройства зависит от напряжения сигнала. В этом случае имеет смысл говорить о статическом сопротивлении нагрузки (или статическом входном сопротивлении) при том или ином напряжении. Под статическим сопротивлением при заданном напряжении следует понимать отношение этого напряжения к соответствующему ему току, протекающему через нагрузку.
Наибольший интерес для оценки параметрической безопасности устройств представляют статические сопротивления в двух основных точках вольт-амперной характеристики нагрузки: при номинальном выходном напряжении предшествующего звена, находящегося в активном (включенном) состоянии RcT „ом, и при напряжении, на выходе предшествующего звена, соответствующем порогу надежной дезактивизации последующего звена RCT пор- По соотношению между этими входными сопротивлениями можно выделить три основных вида вольт-амперных характеристик нагрузки (рис 2.3):
В инженерной практике для определения выходных напряжений конкретных устройств (в частности, преобразовательных схем) часто используются расчетные соотношения, включающие в себя в качестве одного из аргументов сопротивление нагрузки (R„) или ток нагрузки (1„). При этом доказательство безопасности устройства должно осуществляться в совокупности с доказательством работоспособности (не имеет смысла доказывать безопасность неработоспособного устройства). В этом случае, для доказательства параметрической безопасности устройства, являющегося одним из звеньев системы, достаточно, как уже упоминалось, определить статическое сопротивление нагрузки данного устройства в двух основных точках ВАХ. Так, при проверке работоспособности звена п в нормальном режиме, в качестве входного сопротивления звена п + 1 рассматривается величина Rer ном. Если целью расчета является определение остаточного уровня сигнала звена п, в качестве входного сопротивления звена n + 1 следует использовать статическое сопротивление, соответствующее порогу надежной дезактивизации RCT „op звена п + 1 или ток нагрузки, соответствующий этой же точке характеристики.
Таким образом, в ходе доказательства безопасности к устройству предъявляются весьма противоречивые требования. С одной стороны, целью расчетов (или испытаний) будет являться обеспечение необходимого выход ного напряжения звена п, находящегося в активном состоянии и работающего на нагрузку (входные цепи звена n + і) с номинальным статическим сопротивлением. С другой стороны, необходимо обеспечить выполнение условий безопасности при сопротивлении нагрузки (входных цепей звена п+1), соответствующем порогу надежной дезактивизации звена n + 1. Иными словами, должны выполняться следующие условия:
Основные функции логического уровня УСО. Практическая реализация логической обработки сигналов
Как уже отмечалось выше, одной из функций дублированного безопасного контроллера, входящего в состав логического уровня устройств безопасного сопряжения, является контроль идентичности информации в каналах дублированной системы управления и гарантированное отключение устройств сопряжения при обнаружении несоответствия в передаваемой информации. Целесообразность контроля идентичности информации в каналах объясняется необходимостью предотвращения опасных ситуаций, способных иметь место при накоплении отказов в структуре управляющего вычислительного комплекса, приводящем к формированию некорректных сигналов управления в обоих каналах дублированной системы. На первый взгляд может показаться, что контроль идентичности информации с отключением УСО при обнаружении несоответствия полностью решает проблему реализации принципа управления «2 из 2» и каких либо дополнительных устройств, осуществляющих логическую обработку сигналов, применять не требуется. Однако, на самом деле подобное утверждение было бы неверно и объяснить это можно следующим образом. Процесс отключения аппаратуры при обнаружении некорректной работы многоканальной системы всегда обладает некоторой инерционностью. Во-первых, отключение аппаратуры всегда осуществляется с помощью какого-либо функционального преобразователя с несимметричным отказом, который сам по себе обладает некоторой инерционностью. Во-вторых, для принятия решения о несоответствии информации в каналах на программном уровне должен быть отведен определенный промежуток времени, учитывающий наличие некоторой асинхронности информации, что неизбежно при независимой работе каналов дублированного УВК. Более того, как было указано выше, для повышения надежности работы системы управления, этот промежуток времени искусственно увеличивается программными и аппаратными средствами вплоть до нескольких секунд. Таким образом, при возникновении отказов в системе, приводящих к нарушению идентичности информации, отключение УСО происходит через период времени, значительно превышающий время реакции исполнительных объектов и дублированный безопасный контроллер не может рассматриваться как восстанавливающий орган, реализующий конъюнкцию управляющих сигналов в дублированной системе. Поэтому реализация логической обработки управляющих сигналов по принципу «2 из 2» в данной аппаратуре возложена на отдельное устройство, представляющее собой безопасный логический элемент «И», в основе функционирования которого заложена идея невозможности появления сигнала на выходе при отсутствии соответствующего сигнала хотя бы на одном из его входов. Именно такую функцию и выполняет входящее в состав контроллеров безопасного , сопряжения безопасное логическое устройство (БЛУ).
Безопасное логическое устройство представляет собой 6 двухвходовых логических элементов «И» с несимметричным отказом, размещенных на одной плате. Логический элемент «И» в рассматриваемом устройстве состоит из трех функциональных преобразователей с несимметричным отказом и использует в своей работе принцип коньюнкции напряжений питания. Функциональная схема логического элемента представлена на рис. 3.2.
Входные преобразователи предназначены для контроля наличия динамического сигнала на входах БЛУ и представляют собой диодно-конденсаторные преобразователи полярности (рис. 3.3). Выходной преобразователь представляет собой классический однотактный преобразователь обратного хода, аналогичный представленному на рис. 3.6 (в). Управление ключевым транзистором преобразователя осуществляется от отдельного управляющего генератора, представляющего собой обычный релаксационный генератор, построенный на цифровой ИМС.
Один из входных преобразователей обеспечивает питанием управляющий генератор выходного преобразователя, другой - обеспечивает питанием (исходным напряжением для преобразования) выходной преобразователь. При отсутствии напряжения необходимой полярности на выходе хотя бы одного из входных преобразователей, выходной преобразователь либо не получит питание, либо не получит управляющий сигнал и его работа будет заблокирована. Таким образом, обеспечивается безопасная реализация конъюнкции сигналов, поступающих из каналов дублированной системы управления.
При определении основных показателей параметрической безопасности рассматриваемого логического устройства необходимо учитывать, что под остаточным напряжением двухвходового логического элемента «И» следует понимать не только напряжение ложно появляющееся на выходе устройства при полном отсутствии входных сигналов, но и напряжение, присутствующее на выходе при наличии сигнала на одном из входов устройства. В процессе функционирования на рассматриваемый в данной работе логический элемент могут воздействовать следующие дестабилизирующие факторы, приводящие к появлению остаточного напряжения на выходе: — Проникновение пульсаций напряжения питания в выходную цепь преобразователя А. — Проникновение пульсаций напряжения питания в выходную цепь преобразователя В. — Возникновение отказов выходного преобразователя, приводящих к непосредственной трансформации исходного напряжения преобразователя в выходные цепи устройства. — Возникновение отказов выходного преобразователя, приводящих к непосредственной трансформации сигнала управляющего генератора в выходные цепи устройства.
Все перечисленные дестабилизирующие факторы можно разделить на две группы: факторы, связанные с ухудшением качества электропитания (в данном случае под ухудшением качества электропитания понимается появление повышенного уровня напряжения пульсаций) и факторы, связанные с возникновением отказов во внутренней структуре устройства БЛУ.
Требования к алгоритмам обработки выходных сигналов функционального преобразователя устройства безопасного ввода
В рассматриваемой аппаратуре безопасного сопряжения использованы оба метода защиты (использование индивидуального предохранителя для каждого инвертора и разделительного трансформатора между инвертором и кабельной линией).
Следует учесть, что безопасность функционирования аппаратуры в случае применения указанных методов может быть очевидной лишь при использовании плавких предохранителей, изготовленных из калиброванного провода. Если для защиты от токов короткого замыкания предполагается использовать другие устройства (автоматические выключатели, электронные схемы защиты и т.д.), оценка безопасности устройств сопряжения должна производиться с учетом возможного возникновения отказов в самих устройствах защиты (заклинивание механизма автоматического выключателя, выход из строя элементов схем электронной защиты), что на практике весьма проблематично. Кроме того, важное значение имеет правильный выбор номинального тока предохранителей. Как показывает практика, величина номинального тока предохранителя должна быть не менее удвоенной величины потребляемого инвертором тока в нормальном режиме, что необходимо для исключения ложного сгорания предохранителя. Верхний предел для выбора номинального тока предохранителей должен определяться из условия надежного срабатывания последних под воздействием токов короткого замыкания, протекающих через кабельную линию (требуется, как минимум, двухкратное превышение номинального тока предохранителя). Таким образом, ток короткого замыкания должен быть, как минимум, в четыре раза больше, чем номинальный потребляемый ток инвертора. Указанные требования к выбору номиналов предохранителей осложняют применение данного метода защиты при использовании кабельных линий значительной длины. В этом случае необходимо применять разделительные трансформаторы. Очевидно, что доказательство безопасности функционального преобразователя, применительно к данной ситуации, должно опираться на качественный показатель, который можно выразить как факт сгорания предохранителя при пробое ключевых элементов инвертора. Для этого необходимо соотнести ток короткого замыкания, возникающий в рассматриваемой схеме функционального преобразователя, с номинальным током, потребляемым преобразователем от источника питания. Ток короткого замыкания для инвертора, работающего непосредственно на кабельную линию можно определить по формуле: срвыпр " UHac ,_ __ч Ікз = (3 32) (&каб Ікаб) + Кюбм где Ікз — ток короткого замыкания (среднее значение), UCp выпр - среднее значение выпрямленного напряжения вторичного источника электропитания при отсутствии сглаживающего фильтра, U„ac - напряжение насыщения открытого ключа, RKa6 _ сопротивление двухпроводной цепи, образованной кабельными жилами, постоянному току (Ом/км), ЬКаб - длина кабельной линии (км), RO6M — сопротивление постоянному току первичной обмотки трансформатора на конце кабельной линии (сигнального трансформатора). С учетом того. Что в большинстве случаев UHac : Ucp пт, получим: срвыпр /- - - \ 1КЗ= (3.33) (R-каб Ікаб) + Кобм
Приведенная формула удобна для применения в том случае, если в качестве силовых ключей инвертора использованы биполярные транзисторы. В случае использования в качестве ключевых элементов МОП-транзисторов, формула для вычисления тока короткого замыкания примет следующий вид: Чел RKJI, в данном случае, обозначает сопротивление канала открытого МОП-транзистора.
Проблема воздействия пульсаций питающего напряжения на драйверные схемы ключевых элементов становится особенно актуальной в связи с широким использованием в современных инверторах специализированных интегральных микросхем (так называемых, драйверных ИМС) [53], осуществляющих формирование импульсов с определенными электрическими параметрами, необходимыми для непосредственного управления силовыми ключами. Прогнозировать поведение данных ИМС при возникновении значительной переменной составляющей на выходе их источника питания достаточно сложно (особенно при возникновении отказов во внутренней структуре ИМС). Поэтому нельзя исключать возможность «несанкционированного» переключения силовых ключей инвертора при воздействии на драйверные ИМС пульсаций напряжения питания. Метод защиты - использование для питания драйверных ИМС энергии входного сигнала функционального преобразователя (в рассматриваемой аппаратуре это реализовано с помощью второго DC/DC-конвертера в силовом модуле СМ-С и СМ-СТ).
Как упоминалось выше, к дестабилизирующим факторам, непосредственно связанным с особенностями кабельных сетей, относится замыкание между жилами в кабельной линии. Данный дестабилизирующий фактор может представлять опасность для устройств сопряжения, управляющих светофорными лампами, если между инвертором и кабельной линией таких УСО отсутствует разделительный трансформатор. В этом случае возможен следующий вариант развития событий (рис 3.16).
