УСТРОЙСТВО ЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО КОНТРОЛЯ Российский патент 1999 года по МПК H04B3/46 G05B23/02 

Предложение относится к области специализированной измерительной техники и может быть использовано для контроля многоканальных приемных трактов, антенн, систем связи, систем транспортировки энергоносителей в процессе их эксплуатации.

Известны устройства контроля (см., например, книгу М.П.Цапенко "Измерительные информационные системы", М., "Энергия", 1974, стр. 103, а.с. СССР N 1485162 по кл. G 01 R 31/28, патенты США N 4851985 по кл. 364-184, Великобритании N 2209075 по кл. G 3 N, U1S, ФРГ N 3743076 по кл. G 05 B 23/02, Франции N 2633071 по кл. G 05 B 23/02, B 61 L 1/20, Японии N 2-31404 по кл. G 05 B 23/02). Устройство, известное, например, из книги М.П.Цапенко, содержит в каждом канале последовательно соответственно соединенные датчик канала (параметра), схему сравнения и схему индикации, а также блок (меру) эталонного (номинального) значения, соединенный с эталонным входом схемы сравнения. При отклонении выходного сигнала датчика канала от эталонного значения сверх заданного допустимого уровня схема сравнения срабатывает и выдает на схему индикации управляющий сигнал превышения порогового уровня сигналом в канале датчика.

Недостатком таких устройств является потребность в применении блоков эталонных значений в количестве, равном числу контролируемых каналов (параметров). Например, согласно данным статьи А.М.Лесовой и В.М. Хрумало "Особенности метода определения и контроля метрологических характеристик многоканальных ИВК" (см. "Измерительная техника", 1987, N 12, стр. 13) число каналов контроля может достигать N = 5000. Приобретение и техническое обслуживание (проверка, ремонт и пр.) такого количества эталонов достаточно обременительно.

Известны более совершенные устройства централизованного контроля. Наиболее близким к заявляемому устройству по технической сущности (прототипом) является "Устройство централизованного контроля", известное из а.с. СССР N 1164738 по кл. G 06 F 15/46, которое содержит последовательно соответственно соединенные датчики контролируемых каналов (параметров), многоканальный блок нормализации и многоканальный блок сравнения и индикации, а также блок-эталон (задатчик номинальных значений), выходы которого подключены к эталонным входам соответствующих каналов блока сравнения и индикации
Многоканальный блок нормализации является конструктивным объединением функционально независимых элементарных (канальных) блоков нормализации (унификации) сигналов в каналах.

В многоканальный блок сравнения и индикации объединены канальные узлы сравнения информационных и эталонных сигналов, узлы индикации состояния каналов (параметров) и узлы индикационного управления. С информационными входами блока (и соответственно с выходами каналов блока нормализации) соединены информационные входы первых вычитателей каналов и информационные входы узлов индикации отклонений каналов. С эталонными входами блока сравнения и индикации (и соответственно с выходами каналов блока-эталона) соединены вторые, эталонные входы первых вычитателей. Выход каждого вычитателя соединен с информационным входом второго канального вычитателя, на эталонный вход которого идет связь с выхода задатчика допускаемых отклонений. Выход второго вычитателя через вспомогательные цепи соединен с единичным входом триггера канала. Прямые (единичные) выходы триггеров соединены с соответствующими управляющими входами табло индикации состояния каналов (параметров) и ключей, информационные входы которых соединены с соответствующими информационными входами блока сравнения и индикации, а выходы - с соответствующими информационными входами индикатора отклонений.

При работе устройства-прототипа контролируемые сигналы каналов (параметров) объекта контроля снимаются с помощью соответствующих датчиков и подаются на входы соответствующих элементарных блоков нормализации каналов, где унифицируются по форме и уровню. Унифицированные сигналы поступают на соответствующие информационные входы блока сравнения и индикации, где из них с помощью первых вычитателей вычитаются эталонные (номинальные) значения, постоянно поступающие с выходов блока-эталона. Из полученных на выходах первого вычитателя первых разностей, в свою очередь, в соответствующих вторых вычитателях вычитаются значения допускаемых отклонений. Вторые разности с выходов вторых вычитателей каналов подаются на единичные входы соответствующих канальных триггеров. При превышении второй разностью порогового уровня триггер срабатывает и на соответствующий управляющий вход табло и ключа подается управляющий сигнал. На табло индицируется неисправность соответствующего канала, а через ключ на вход индикатора отклонений проходит сигнал с выхода соответствующего канала блока нормализации, где и отображается.

При надлежащем выборе проектных параметров элементарных блоков нормализации номинальные значения их выходных сигналов могут быть сделаны одинаковыми и можно обойтись применением одного эталона. Но в нем потребность остается, что является недостатком прототипа.

Целью настоящего предложения является устранение потребности в применении аппаратного эталона в устройстве.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство централизованного контроля, содержащее последовательно соответственно соединенные датчики каналов (параметров), многоканальный блок нормализации и многоканальный блок сравнения и индикации, введен виртуальный эталон, входы которого соединены соответственно с выходами блока нормализации, а выход - с вторыми, эталонными входами блока сравнения и индикации.

Наименование блока "виртуальный эталон" введено по аналогии (и в развитие) термина "виртуальное устройство" (см., например, книгу В.И.Першикова, В. М. Савинкова "Толковый словарь по информатике", М. , 1991, стр. 416) - функциональный эквивалент устройства, предоставляемый пользователю виртуальной машиной независимо от того, имеется ли данное устройство в системе или нет (в свою очередь там же виртуальная машины - функциональный эквивалент некоторой воображаемой ЭВМ). Виртуальный эталон должен проявлять технические свойства аппаратного эталона в устройстве контроля в период контроля и не обязан - вне контроля, то есть это блок, обеспечивающий наличие на своем выходе эталонных значений в моменты контроля каналов (параметров) работающего объекта контроля и не выдающий таковых в нерабочем режиме объекта контроля и устройства контроля (когда наличие эталона несущественно).

В частном случае исполнения устройства централизованного контроля виртуальный эталон может быть выполнен в виде многовходового весового сумматора, входы которого соединены соответственно с входами виртуального эталона, а выход - с выходом виртуального эталона.

В другом частном случае исполнения устройства виртуальный эталон может быть выполнен в виде последовательно соединенных генератора тактовых импульсов, коммутатора и накапливающего сумматора, информационные входы коммутатора соединены соответственно с входами виртуального эталона, а выход сумматора - с выходом виртуального эталона.

Сравнение с устройством-прототипом указывает два новых существенных признака: введение виртуального эталона и соединение его с соответствующими выходами блока нормализации и эталонными входами блока сравнения и индикации. Таким образом, предложение соответствует критерию "новизна".

Совокупность новых и имеющихся признаков создает у технического решения новое техническое свойство - способность выдавать информацию об эталонном (номинальном) значении любого из каналов (параметров) независимо от технического состояния последнего. Виртуальный эталон работает по алгоритму

где y - выходное эталонное значение; n - число каналов (параметров); i - порядковый номер канала X_i - значение выходного сигнала i-го канала (параметра) блока нормализации.

Сумматор обладает тем техническим свойством, что выдает результат, зависящий от наличия вклада всех без исключения слагаемых. При пропадании любого из слагаемых сумма уже не имеет отношения к каналу поступления этого слагаемого. В виртуальном эталоне при неисправности любого j-го канала (параметра) объекта контроля, как будет показано ниже, и в этом предельном случае результат y сохраняет нужное техническое свойство - продолжает характеризовать эталонное значение и для j - го канала (параметра), и для всех других. Это достигается благодаря совокупности признака "сумматор" с признаком "соединение с выходами каналов блока нормализации".

Сохранение выдачи информации о параметре исправного канала при неисправности этого канала - неожиданное техническое свойство, неизвестное для этих признаков из просмотренных источников. То есть предложение имеет изобретательский уровень.

На чертеже фиг. 1 приведена блок-схема предлагаемого устройства централизованного контроля, а на чертежах фиг. 2 и фиг. 3 приведены блок-схемы частных случаев реализации блока виртуального эталона. Несущественные для достижения поставленной цели, но обычно включаемые в устройства контроля блоки могут быть введены по мере необходимости. Например, могут быть введены усилители, фильтры, каналы связи, преобразователи аналог-код и код-аналог, те или иные источники питания и пр.

На чертежах обозначены блоки:
1 - датчики каналов (параметров),
2 - многоканальный блок нормализации,
3 - многоканальный блок сравнения и индикации,
4 - виртуальный эталон,
5 - многовходовой весовой сумматор,
6 - генератор тактовых импульсов,
7 - коммутатор,
8 - накапливающий сумматор.

Устройство, показанное на фиг. 1, содержит последовательно соответственно соединенные датчики 1 каналов (параметров), многоканальный блок 2 нормализации и многоканальный блок 3 сравнения и индикации, а также виртуальный эталон 4, подключенный входами к соответствующим выходам блока 2 нормализации, а выходом - ко всем вторым (эталонным) входами каналов блока 3 сравнения и индикации.

На фиг. 2 показан частный случай исполнения виртуального эталона 4 с помощью многовходового весового сумматора 5, входы которого являются входами виртуального эталона 4, а выход - выходом виртуального эталона 4.

На фиг. 3 показан частый случай исполнения виртуального эталона 4 с помощью последовательно соединенных генератора 6 тактовых импульсов, коммутатора 7 и накапливающего сумматора 8. Информационные входы коммутатора 7 соединены с входами виртуального эталона 4, а выход накапливающего сумматора 8 соединен с выходом виртуального эталона 4.

Каждый блок предлагаемого устройства известен в технике или состоит из известных узлов. Блоки 1, 2, 3 и их узлы известны, например, из устройства-прототипа или вышеупомянутой книги М.П.Цапенко. Виртуальный эталон 4 может быть выполнен, например, с помощью ЭВМ, выполняющей вышеупомянутый алгоритм

Многовходовой весовой сумматор 5 может быть выполнен, например, по схеме весового сумматора-операционного усилителя (см., например, книгу "Аналоговые интегральные схемы", под ред. Дж. Коннели, М., "Мир", 1982, стр. 170-171).

Генератор 6 тактовых импульсов может быть выполнен, например, на основе микросхемы 564ГГ1. Коммутатор 7 в простейшем случае может быть выполнен, например, с помощью шаговых искателей типа ШИВ с соответствующим количеством задействованных положений контактных цепей. Накапливающий сумматор 8 известен, например, из а.с. СССР N 1013947, N 1043638 по кл. G 06 F 7/50.

При работе предлагаемого устройства с эксплуатируемого объекта контроля с помощью датчиков 1 снимаются сигналы каналов (параметров) объекта. Полученные сигналы нормализуются (унифицируются) по форме и уровню в соответствующих каналах блока 2 нормализации к напряжению X_i постоянного тока с единым для всех каналов (параметров) номинальным напряжением X_o исправного канала (точного значения параметра). Выходные сигналы блока 2 нормализации X_i подаются на соответствующие информационные входы каналов блока 3 сравнения и индикации и соответствующие входы виртуального эталона 4. Выходное напряжение виртуального эталона 4 при наличии номинальных значений X_i=X_o на выходах блока 2 нормализации равно требуемому для правильного выполнения контроля эталонному значению

При отклонениях каналов (параметров) в ходе эксплуатации получаем сигналы X_i≠ X_o и соответственно y ≠ y_o.
Полагая объект контроля высоконадежным, то есть событие отказа даже одного канала (ухода параметра от номинала) достаточно редким событием, рассмотрим предельный случай полного отказа одного j - го канала (параметра) до 100% номинала. Тогда X_j= O при поддержании X_i=X_o для других каналов и выходной сигнал виртуального эталона 4

Относительная погрешность поддержания эталона в этом случае равна

Согласно, например, данным работы Г.И. Извекова, Л.А.Копыловой, Т.С. Оспановой "Повышение точности измерительных каналов в АСУ ТП" (см., журнал "Измерительная техника", 1987, N 12, стр. 12) погрешность (уход) канала (параметра) может равняться 0,6 - 2% от номинального значения. Чтобы правильно реагировать (замечать) такой уход параметра, необходимо в соответствии с правилом измерительной техники "3б" иметь погрешность (стабильность) используемого при таких уходах эталона не хуже 0,2 - 0,66%.

При вышеупомянутом числе каналов N = 5000 относительная погрешность виртуального эталона будет не более

что на порядок лучше требуемого качества эталона (0,2%).

Следовательно, предложенный виртуальный эталон в смысле точности (стабильности) функционирует не хуже обычного аппаратного эталона как по сохранившим исправность каналам (параметрам), так и по неисправному. Но никаких метрологических эксплуатационных проблем (с поверкой, техобслуживанием и пр.) уже нет.

При работе блока фиг. 2 алгоритм формирования величины реализуется непосредственно при поступлении унифицированных сигналов X_i с блока 2 на входы сумматора 5.

При работе блока фиг. 3 отсчеты унифицированных сигналов с блока 2 нормализации через коммутатор 7 поочередно поступают на накапливающий сумматор 8, где суммируются с весами. Коммутатор 7 управляется тактовыми прямоугольными импульсами генератора 6. При надлежащем (с учетом теоремы Котельникова) проектном выборе частот генератора 6 информация о значении X_i на выходе блока 2 сохраняется.

Таким образом, поставленная задача решена с помощью предложенного устройства.

Предлагаемое устройство централизованного контроля может быть использовано для контроля многоканальных приемных трактов, многоканальных систем связи, транспортировки энергоносителей и других объектов. В состав устройства входят датчики каналов (параметров) объекта контроля, многоканальный блок нормализации (унификации) сигналов датчиков, многоканальный блок сравнения и индикации, а также новый блок - виртуальный эталон. Включение нового блока позволяет обойтись без применения аппаратного эталона, исключить потребность в техническом обслуживании (поверке и ремонте) последнего, что является техническим результатом. 3 ил.

Устройство централизованного контроля, содержащее последовательно соответственно соединенные датчики контролируемых каналов (параметров), многоканальный блок нормализации и многоканальный блок сравнения и индикации, отличающееся тем, что в него введен виртуальный эталон, входы которого соединены соответственно с выходами блока нормализации, а выход - с эталонными входами многоканального блока сравнения и индикации, причем виртуальный эталон выполнен в виде многовходового весового сумматора, входы которого являются входами виртуального эталона, а выход - его выходом.