КОНТРОЛЛЕР Российский патент 2001 года по МПК G06F9/40 G08G1/09 

Изобретение относится к технике автономных автоматических и автоматизированных систем управления и может применяться для обеспечения бесперебойного действия автоматических управляющих устройств, в частности светофорных объектов, световой динамической рекламы, робототехнических комплексов.

Известен контроллер УК-2 (см. Техническое описание и инструкцию по эксплуатации ЗФ2.556.001 ТО, ЦТД ПО "СКЭМ", стр. 39, рис. 1. Схема электрическая функциональная), содержащий триггер, два ключа, релейный распределитель тактов, устройство зеленой волны, узел автозапуска распределителя, элемент ИЛИ, времязадающее устройство, логический блок, группу реле желтого мигания, элемент ИЛИ-НЕ, ключ тиристорный основной, лампы основных режимов с контактами управляющих реле (исполнительное устройство), ключ тиристорный зеленого мигания, схему включения ключа тиристорного зеленого мигания и лампы зеленого мигания с контактами управляющих реле. Недостатком данного устройства является низкая надежность функционирования, так как оно выполнено на ненадежных элементах (реле).

Кроме того, лампы светофорного объекта питаются переменным напряжением, что приводит к их быстрому перегоранию, и в схеме управления присутствуют обратные напряжения, резко увеличивающие вероятность выхода из строя полупроводниковых элементов. Контроллер обладает также низкими функциональными возможностями из-за ограниченного числа режимов работы (четыре режима).

Наиболее близким по технической сущности и получаемому результату является устройство для световой сигнализации, содержащее (см. А. С. SU N 1314364, М. Кл. 4 G 08 G 3/00, 1987 г., бюл. N 20) основной (исполнительное устройство) и резервный комплекты оборудования, каждый из которых выполнен из выключателя, генератора сигналов, усилителя, электропривода, блока смены ламп, источника света и фотодатчика, в каждом комплекте оборудования выход выключателя соединен с входом генератора сигналов, первый и второй выходы которого подключены соответственно к первому и второму входам усилителя, выход которого соединен с первым входом блока смены ламп, выход которого подключен к источнику света, выход которого соединен с входом фотодатчика, выход электропривода подключен к второму входу блока смены ламп, тактовый генератор (времязадающее устройство), вход которого объединен с входом первого формирователя импульсов, выход которого соединен с первым входом блока сброса (выносного пульта управления), выход которого подключен к первому входу распределителя импульсов, первый, второй, третий и четвертый выходы которого соединены с первыми входами соответственно первого, второго, третьего и четвертого элементов И, пятый выход распределителя импульсов подключен к второму входу блока сброса, выход тактового генератора соединен с вторым входом распределителя импульсов, переключатель (переключатель режимов работы), первый и второй выходы которого соединены с входами выключателей соответственно основного и резервного комплектов оборудования, элемент НЕ, выход которого подключен к второму входу первого элемента И, выход второго элемента И соединен с входами электропривода основного и дополнительного комплектов оборудования, второй вход третьего элемента И объединен с входом второго формирователя импульсов, выход которого соединен с третьим входом блока сброса, третий формирователь импульсов, выход которого подключен к четвертому входу блока сброса, модуль оповещения, пятый, шестой, седьмой, восьмой, девятый, десятый, одиннадцатый, двенадцатый, тринадцатый, четырнадцатый, пятнадцатый и шестнадцатый элементы И, десять элементов памяти, четвертый формирователь импульсов, два усилителя и семь элементов ИЛИ.

Пятый выход распределителя импульсов подключен к первому входу пятого элемента И, выходы выключателя основного и резервного комплектов оборудования соединены соответственно с первым и вторым входами первого элемента ИЛИ, выход которого подключен к входу тактового генератора и к первым входам шестого и седьмого элементов И, первые выходы генераторов сигналов основного и резервного комплектов оборудования соединены соответственно с первым и вторым входами первого элемента ИЛИ, выход которого подключен к входу элемента НЕ, вторые выходы генераторов сигналов основного и резервного комплектов оборудования соединены соответственно с первым и вторым входами третьего элемента ИЛИ, выход которого подключен к второму входу четвертого элемента И, выход которого соединен с первым входом четвертого элемента ИЛИ и с первыми входами восьмого и девятого элементов И, выходы усилителей основного и резервного комплектов оборудования подключены соответственно к первому и второму входам пятого элемента ИЛИ, выход которого соединен с вторым входом второго элемента И, выход которого подключен к первым входам десятого и одиннадцатого элементов И, выходы электроприводов основного и резервного комплектов оборудования соединены соответственно с первым и вторым входами шестого элемента ИЛИ, выход которого подключен к второму входу третьего элемента И, выход которого соединен с вторым входом четвертого элемента ИЛИ и с первыми входами двенадцатого и тринадцатого элементов И, выходы фотодатчиков основного и резервного комплектов оборудования подключены соответственно к первому и второму входам седьмого элемента ИЛИ, выход которого соединен с входом третьего формирователя импульсов.

Выход первого элемента И подключен к первым входам четырнадцатого и пятнадцатого элементов И и к третьему входу четвертого элемента ИЛИ, выход которого соединен с входом переключателя, первый выход которого через первый усилитель подключен к вторым входам пятого, шестого, восьмого, десятого, двенадцатого и четырнадцатого элементов И, второй выход переключателя через второй усилитель подключен к вторым входам седьмого, девятого, одиннадцатого, тринадцатого и пятнадцатого элементов И, к первому входу шестнадцатого элемента И и к входу четвертого формирователя импульсов, выход которого соединен с первыми входами первого, второго, третьего, четвертого, пятого, шестого, седьмого, восьмого, девятого и десятого элементов памяти, выходы которых соединены соответственно с первым, вторым, третьим, четвертым, пятым, шестым, седьмым, восьмым, девятым и десятым входами модуля оповещения, выходы шестого и седьмого элементов И подключены соответственно к одиннадцатому и двенадцатому входам модуля оповещения, пятый выход распределителя импульсов соединен с вторым входом шестнадцатого элемента И и с четвертым входом четвертого элемента ИЛИ, выходы пятого, восьмого, девятого, десятого, одиннадцатого, двенадцатого, тринадцатого, четырнадцатого, пятнадцатого и шестнадцатого элементов И подключены к вторым входам соответственно первого, второго, третьего, четвертого, пятого, шестого, седьмого, восьмого, девятого и десятого элементов памяти.

Недостатком этого устройства являются низкие функциональные возможности, так как оно не может использоваться для обслуживания светофорных объектов.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей и повышение надежности функционирования.

С этой целью в контроллер, содержащий времязадающее устройство, исполнительное устройство, выносной пульт управления, блок питания и переключатель режимов работы, дополнительно введены программное устройство, блок анализа нештатных ситуаций, приоритетный коммутатор, последовательно соединенные шинный формирователь и силовой переключатель, выходы которого соединены с первыми выводами исполнительного устройства, а также силовой выпрямитель, входы которого подключаются ко входам блока питания и сети источника электропитания, первый выход силового выпрямителя соединен со вторым выводом исполнительного устройства, второй выход силового выпрямителя соединен со входом питания элементов исполнительного устройства силового переключателя, выходы приоритетного коммутатора соединены с группой входов времязадающего устройства, первые входы приоритетного коммутатора соединены с переключателем режимов работы, четвертые входы приоритетного коммутатора соединены с выходами выносного пульта управления, вторые входы приоритетного коммутатора соединены с выходами программного устройства, третий выход которого соединен с первым входом времязадающего устройства, второй вход которого соединен с последним выходом шинного формирователя, выход исполнительного устройства соединен со входом блока анализа нештатных ситуаций, выход которого соединен с третьим входом приоритетного коммутатора, выходы времязадающего устройства соединены с входами шинного формирователя.

Кроме того, времязадающее устройство содержит последовательно соединенные счетчик и программное устройство, выходы программного устройства являются выходами времязадающего устройства, вторые входы времязадающего устройства являются группой входов программного устройства, первый вход счетчика является первым входом времязадающего устройства, а второй вход счетчика является вторым входом времязадающего устройства.

На чертеже приведена схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит блок 1 питания, силовой выпрямитель 2, времязадающее устройство 3, содержащее счетчик 4 и программное устройство 5, шинный формирователь 6, силовой переключатель 7, приоритетный коммутатор 8, блок 9 анализа нештатных ситуаций, программное устройство 10, переключатель 11 режимов работы, выносной пульт управления 12 и исполнительное устройство 13.

Блок 1 питания обеспечивает питание логических элементов и узлов контроллера.

Силовой выпрямитель 2 двухполупериодный. Он обеспечивает питание всех необходимых элементов исполнительного устройства, например ламп для любой фазы движения. Применение постоянного тока для питания элементов исполнительного устройств дает следующие преимущества:
- отсутствуют обратные токи в силовых переключателях, что значительно повышает их надежность;
- повышается долговечность элементов исполнительного устройства, например ламп светофоров, за счет их питания однонаправленным током;
- за счет протекания однонаправленного тока силовой переключатель может быть выполнен не на семисторах, а на тиристорах, что значительно повышает надежность устройства.

Разрядность двоичного счетчика 4 определяется числом функций конкретного исполнительного устройства, в частности светофорного объекта, на котором устанавливается контроллер.

Программное устройство (память режимов работы) 5 имеет многомодульную структуру. Каждый модуль памяти определяется кодовой комбинацией, поступающей на старшие разряды адреса с приоритетного коммутатора 8. Количество модулей определяется количеством режимов работы, реализуемых конкретным контроллером. В каждый модуль заносится программа работы конкретного режима, например, при использовании контроллера для управления светофорным объектом в первый модуль записывается программа реализации режима желтого мигания, во второй - режим "программа 1" и т.д., а в последний модуль записывается программа реализации аварийного режима, например, при перегорании ламп красного. Таким образом, количество режимов работы контроллера может быть неограниченным и определяться числом модулей памяти программного устройства. Например, при реализации программного устройства на микросхеме серии К 573 РФ 2 для реализации восьми режимов работы контроллера старшие разряды A₈ - A₁₀ разбивают адресное пространство на 8 объемов по 256 бит каждый, с помощью восьми младших разрядов A₀ - A₇ реализуется выборка программы из конкретного модуля.

Тогда счетчик 4 должен быть восьмиразрядным, так как коды, формируемые на его выходах, формируют адреса элементов памяти модулей.

При частоте тактовых импульсов 2 Гц, поступающих на вход счетчика 4 с выхода программного устройства 10, на его выходах через каждые 0,5 сек будет меняться код адреса, поступающий на младшие разряды программного устройства, т. е. при необходимости управления каким-либо элементом исполнительного устройства в течение N сек должно смениться 2N ячеек адреса. В этом случае, зная для каждого режима в каких направлениях и какое время должны срабатывать элементы исполнительного устройства, соответствующим образом программируется ППЗУ.

Длительность цикла в каждом конкретном случае определяется удвоенным числом нулей в направлении, предназначенном для сброса счетчика в исходное (нулевое) состояние, возвращающее данный режим в начало цикла.

Шинный формирователь 6 предназначен для обеспечения надежной работы управляющих элементов силового переключателя и может быть реализован на стандартных элементах, например, типа К 580 ВА 86.

Силовой переключатель 7 обеспечивает включение соответствующих элементов исполнительного устройства, в частности ламп, по управляющей информации, поступающей с шинных формирователей.

Приоритетный коммутатор 8 - устройство, имеющее возможность ранжирования управляющих сигналов, - представляет собой стандартный шифратор n на m и преобразует номер входа, оказавшегося активным, в двоичный код, однозначно определяющий нужный модуль памяти. Он может быть реализован на стандартных элементах, например с помощью приоритетного шифратора типа КМ 555 ИВ1 (см. Шило В. Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник. - М.: Металлургия, 1988. - 352 с. - Массовая радиобиблиотека. Вып. 1111, стр. 139).

Блок 9 анализа нештатных ситуаций решает задачу обнаружения сигнала аварии при перегорании ламп красного в одном направлении и преобразовании его уровня в сигнал с уровнем, необходимым для управления приоритетным коммутатором, который обеспечивает автоматическое отключение исполнительного устройства, в частности перевод светофорного объекта в режим желтого мигания или полное его отключение. Блок анализа 9 может быть реализован на операционном неинвертирующем усилителе с заданным коэффициентом усиления (см. Павлов В.П., Ногин В.Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств: Учебник для вузов. - М.: Радио и связь, 1997, рис. 11.5.6, стр. 204).

Программное устройство 10 представляет собой суточный программный механизм, с помощью которого в течение суток автоматически выбирается один из имеющихся программных режимов. Например, при необходимости смены режимов работы светофорного объекта в 7.00, 9.00 и в 17.00 программное устройство в указанные промежутки времени (за счет наличия в своем составе декретного часового механизма) выдает на один из своих выходов сигнал, который приоритетным коммутатором преобразуется в код, вызывающий соответствующий модуль из второго программного устройства 5.

С помощью переключателя 11 режимов работы реализуется возможность установки исполнительного устройства в один из имеющихся режимов путем замыкания соответствующего переключателя.

С помощью выносного пульта управления 12 так же, как и в прототипе, реализуется возможность ручного управления.

Устройство работает следующим образом.

При применении контроллера для управления светофорным объектом перед его установкой в программное устройство 10 записываются моменты смены режимов работы, а в программное устройство 5 - программы работы каждого из реализуемых на данном объекте режимов.

При включении контроллера блок 1 питания формирует и подает соответствующие напряжения на все элементы и блоки. С помощью подсоединяемого табло оператор устанавливает в декретном часовом механизме (на чертеже не показан) текущее время, а с помощью переключателя 11 режимов работы - нужный режим. Приоритетный коммутатор 8 на своих выходах формирует код того из сигналов, поступающих на его вход, который обладает наивысшим приоритетом. Приоритет входов на чертеже распределен сверху вниз, то есть самым низким приоритетом обладает сигнал, поступающий от переключателя 11 режимов работы, а наивысшим приоритетом - сигнал, поступающий из выносного пульта управления 12. Коммутатор 8 определяет приоритет режима и выдает соответствующий код на старшие разряды программного устройства 5. Кодовая комбинация, поступающая на старшие разряды программного устройства 5, однозначно определяет модуль памяти, в котором записана программа, реализующая соответствующий режим.

Программное устройство 10 с заданной частотой, например 2 Гц, выдает импульсы на первый вход счетчика 4, который, подсчитывая поступающие импульсы, на своих выходах формирует кодовые комбинации двоичного кода, однозначно соответствующие количеству поступивших на его вход импульсов. Эти кодовые комбинации, поступая на младшие разряды адресных линий программного устройства 5, последовательно извлекают информацию, записанную в его ячейках. Информационные шины программного устройства 5 соединены со входами шинного формирователя 6, задача которого - обеспечение надежной работы управляющих элементов силового переключателя 7. Поэтому сигналы, снимаемые с информационных шин программного устройства 5, поступая через шинный формирователь 6 на управляющие входы силового переключателя 7, обеспечивают включение соответствующих его элементов, чем достигается подача постоянного напряжения с выхода силового выпрямителя 2 на входы соответствующих элементов исполнительного устройства 13. Элементы выполняют возложенные на них функции в соответствии с программой, записанной в выбранном модуле. Как только вся программа работы в заданном режиме будет извлечена из ячеек памяти, на последнем выходе шинного формирователя 6 появится сигнал, обнуляющий счетчик 4. Это приведет к очередному подсчету импульсов счетчиком и новой реализации программы, записанной в выбранном модуле. Работа контроллера в таком режиме будет продолжаться до тех пор, пока на вход приоритетного коммутатора 8 не поступит сигнал от устройства с более высоким приоритетом. В этом случае на выходе приоритетного коммутатора 8 сформируется новая кодовая комбинация, которая поступит на старшие адресные разряды второго программного устройства 5, чем обеспечится выбор нового модуля с записанной в нем программой очередного режима работы исполнительного устройства. Далее работа элементов и узлов контроллера повторяется.

Так как в программное устройство 10 могут быть записаны любые моменты времени, а в программное устройство 5 - любая программа работы выбранного режима, то предлагаемое устройство может быть использовано не только для управления светофорным объектом, но и для любых других видов робототехнических систем, требующих реализации различных режимов работы в течение заданного времени.

Изобретение относится к технике автономных автоматических и автоматизированных систем управления и может быть использовано для обеспечения бесперебойного действия светофорных объектов, световой динамической рекламы, робототехнических комплексов. Техническим результатом является повышение надежности функционирования. Устройство содержит времязадающее устройство, исполнительное устройство, выносной пульт управления, блок питания, переключатель режимов работы, программное устройство, блок анализа нештатных ситуаций, приоритетный коммутатор, шинный формирователь, силовой переключатель и силовой выпрямитель. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Контроллер, содержащий времязадающее устройство, исполнительное устройство, выносной пульт управления, блок питания и переключатель режимов работы, отличающийся тем, что в него введены программное устройство, блок анализа нештатных ситуаций, приоритетный коммутатор, последовательно соединенные шинный формирователь и силовой переключатель, выходы которого соединены с первыми выводами исполнительного устройства, а также силовой выпрямитель, входы которого подключаются ко входам блока питания и сети источника электропитания, первый выход силового выпрямителя соединен со вторым выводом исполнительного устройства, второй выход силового выпрямителя соединен со входом питания элементов исполнительного устройства силового переключателя, выходы приоритетного коммутатора соединены с группой входов времязадающего устройства, первые входы приоритетного коммутатора соединены с переключателем режимов работы, четвертые входы приоритетного коммутатора соединены с выходами выносного пульта управления, вторые входы приоритетного коммутатора соединены с выходами программного устройства, третий выход которого соединен с первым входом времязадающего устройства, второй вход которого соединен с последним выходом шинного формирователя, выход исполнительного устройства соединен со входом блока анализа нештатных ситуаций, выход которого соединен с третьим входом приоритетного коммутатора, выходы времязадающего устройства соединены с входами шинного формирователя. 2. Контроллер по п. 1, отличающийся тем, что времязадающее устройство содержит последовательно соединенные счетчик и программное устройство, выходы программного устройства являются выходами времязадающего устройства, группа входов времязадающего устройства является группой входов программного устройства, первый вход счетчика является первым входом времязадающего устройства, а второй вход счетчика является вторым входом времязадающего устройства.