СИСТЕМА ЗАЩИТЫ МНОГОПОЛЮСНЫХ УСТРОЙСТВ Российский патент 2001 года по МПК H02H3/05 

Изобретение относится к области технической кибернетики, в частности к системам управления, контроля, диагностики.

Известны устройства для защиты от систематических и случайных отказов многополюсников (n, m - полюсников) (К синтезу логических схем, преобразующих информацию в коде Хэмминга /Закревский А.Д. // кн. Кибернетика на службу коммунизма. Энергия. Л.: 1966. - С.81-87. Системы управления /Захаров В. И. , Поспелов Д.А., В.Е. Хазацкий // Энергия M.: 1972, 343 с., Инженерный метод синтеза однотактных релейных устройств / Сафонов Г.С., Тельных О.Н. //Сб.трудов Ниап. - M.: 1968, N 4).

Недостатками этих устройств является высокая избыточность (многоканальное резервирование), невысокая надежность базисных элементов (электромагнитных реле), низкое быстродействие, значительные габариты и потребляемая энергомощность, преимущественное применение для устройств, имеющих "n" входов и один выход.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство для защиты от отказов релейных многополюсников, содержащее блок реле, защищаемого релейного многополюсника, блоки дополнительных реле, управляющие обмотки которых подключены к плюсовой шине питания, матрицы, образованные нормально разомкнутыми контактами блока дополнительных реле, одноименные диагональные элементы которых развязаны диодами.

В первый столбец матрицы между плюсовой шиной питания и верхней строкой матрицы подключена контактная схема защищаемого многополюсника. Два смежных контакта любого столбца матрицы, а также любая средняя точка соединения двух диодов, включенных последовательно, образуют узлы, к которым в зависимости от требуемой кратности защиты схемы подключается исполнительный элемент. Каждый узел маркируется двумя цифрами: первая цифра означает кратность защиты по "нулевым", а вторая по единичным отказам (а.с. СССР N 227440, МКИ⁶ H 01 H 3/05, БИ N 30, 1969).

Недостатками данного устройства являются:
- низкая надежность самих базисных элементов,
- низкое быстродействие,
- затруднено использование устройства для защиты структур, выполненных на бесконтактных элементах, из-за несогласованности по быстродействию элементов структур и различия по напряжению источников питания,
- значительная потребляемая энергомощность,
- значительные габариты и вес блоков реле защищаемого устройства и дополнительных элементов, что сужает возможность использования устройства в космических и летательных аппаратах.

Задачей предлагаемого изобретения является защита требуемых значений функции выходов Φ (m) (n, m) - полюсных устройств (n - число входов, m - число выходов), осуществляющих преобразование входной информации, представляющей собой набор управляющих сигналов, поступающих на входы многополюсника, в выходные, формируемые на выходах многополюсника, от систематических и случайных отказах как в структуре многополюсника, так и при искажениях управляющих сигналов, что приводит к изменению алгоритма функционирования многополюсника, к искажению значений выходных сигналов его и к нарушению алгоритма работы исполнительных элементов. Защита требуемых значений сигналов для каждого выхода многополюсника должна производиться раздельно.

Решение задачи по защите функции выходов многополюсников при нарушении алгоритма функционирования (n, m) - устройства в случае отказов в структуре осуществляется с помощью системы защиты, состоящей из блока коррекции и блока формирования корректирующих сигналов. Допускаются искажения сигналов на выходах блока корректирующих сигналов, а также отказы элементов блока коррекции.

В известных устройствах имеют место отказы "нулевые" кратностью "d₀" и "единичные" кратностью "d₁". Отказ по "нулю" означает переход состояния элемента или сигнала из "1" состояния в состояние "0", а для "единичного" отказа наоборот.

Таким образом может иметь место одновременный отказ нескольких элементов и искажений сигналов. Возникает необходимость защиты от кратности отказов по "нулю" и "единице".

Предлагаемое изобретение позволяет обеспечить выполнение заданного алгоритма работы исполнительных элементов при наличии отказов по "нулю" и "единице" кратностью "d₀" и "d₁" как в защищаемом многополюснике, так и в системе защиты.

В результате использования предлагаемого изобретения представляется возможным обеспечить высокую, равную 1, достоверность результата выполнения алгоритма функционирования многополюсных (n, m полюсных) устройств, предназначенных для управления работой по заданному алгоритму исполнительных элементов.

Наиболее целесообразное применение предлагаемого изобретения для многополюсных устройств, выполненных на бесконтактных элементах.

Вышеуказанный результат достигается тем, что система защиты многополюсного устройства содержит исполнительные элементы, количество которых m соответствует количеству выходов защищаемого многополюсного устройства, блок формирования m групп корректирующих сигналов, блок коррекции, содержащий m мажоритарных элементов, каждый из которых имеет число входов, равное N+1, где N=d₁+d₀ и где d₀, d₁ - заданные кратности отказов по нулю и единице соответственно в защищаемом многополюсном устройстве и в системе защиты, и один выход, подключенный к одному из исполнительных элементов. Один вход каждого мажоритарного элемента соединен с одним из выходов защищаемого многополюсного устройства, а остальные входы соединены с соответствующими выходами блока формирования m групп корректирующих сигналов, принимающих значение 1,0 синхронно с требуемыми значениями 1,0, соответственно, сигналов на соответствующих выходах многополюсного устройства, при этом каждый мажоритарный элемент содержит логические элементы "И", число которых равно числу сочетаний из d₀+d₁+1 по d₀+d₁, число входов каждой схемы "И" равно "N". На вход каждой схемы "И" подаются сигналы с соответствующего выхода многополюсного устройства и блока формирования m групп корректирующих сигналов в различных сочетаниях, а выходы схем и каждого мажоритарного элемента соединены с соответствующим исполнительным элементом. Блок формирования m групп корректирующих сигналов представляет собой информатор или запоминающее устройство, в которых записаны значения m групп корректирующих сигналов.

Для достижения высокой, равной 1, достоверности результатов функционирования защищаемого многополюсного устройства при наперед заданной кратности "d₀" отказов по "нулю" и кратности "d₁" отказов по "единице" и системы защиты, повышения быстродействия, ремонтнопригодности, уменьшения энергопотребления, веса и габаритов используют в системе защиты многополюсных устройств бесконтактные элементы в модульном их исполнении. Вместо блока дополнительных реле и контактной матрицы с диодами, развязывающими одноименные нормально разомкнутые контакты, используют мажоритарные элементы с логическим порогом ≥d₀ + d₁, количество которых равно числу выходов защищаемого многополюсника, который имеет при защите от кратностей отказов "d₀" и "d₁" число входов, равное d₀ + d₁ + 1, и один выход, подключаемый к одному из исполнительных элементов, один вход мажоритарного элемента соединен с одним из выходов защищаемого многополюсника, а остальные соединены с выходами блока формирования групп (по числу выходов "m" многополюсника), корректирующих сигналов, принимающих значение (1,0) синхронно с требуемыми значениями (1,0) сигналов на соответствующих выходах многополюсника, что позволяет формировать на выходах мажоритарных элементов с логическим порогом ≥d₀ + d₁ сигналов управления исполнительными элементами независимо от отказов кратностью "d₀", "d₁", возникающих в многополюснике и системе защиты.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется фиг. 1, 2 и 3.

На фиг. 1 представлена структурная схема системы защиты многополюсника от отказов кратностью "d₀" и "d₁".

На фиг. 2 показана развернутая структурная схема реализации.

На фиг. 3 представлена таблица истинности.

Система защиты многополюсных устройств содержит защищаемый многополюсник 1, имеющий "n" входов (X₁, X₂, X₃... X_n) и "m" выходов (Z₁, Z₂...Z_m).

На входы подаются управляющие сигналы x₁, x₂...x_n(x_i ∈ 1,0). На выходах Z₁, Z₂. .. Z_m формируются сигналы F_z1, F_z2...F_zm(F_zj ∈ 0,1). Блок коррекции 2, представляющий собой структуру, состоящую из "m" мажоритарных элементов с логическим порогом ≥d₀+d₁ 3 с выходами на исполнительные элементы 4. Каждый мажоритарный элемент 3 состоит из логических элементов "И" 6 (&), число которых для каждого выхода, многополюсника можно получить из соотношения Cd0+d1d0+d1

На входы схем "И" подаются сигналы с соответствующего выхода многополюсника 1 и блока формирования корректирующих сигналов 5 в различных сочетаниях.

Блок формирования корректирующих сигналов 5 имеет m•N выходов (H₁¹, H₂¹, ...H_N¹... H₁^m, H₂^m,...H_N^m), на которых формируются группы корректирующих сигналов (h₁¹, h₂¹, ...h_N¹... h₁^m, h₂^m,...h_N^m) по числу выходов защищаемого многополюсника.

Число корректирующих сигналов N_i в i-й группе определяется соотношением N_i=d₀+d₁.

Исполнительные элементы 4, на входы которых поступают с блока 2 откорректированные сигналы, F_z1^*, F_z2^*...F_zm^*, соответствующие требуемым значениям выходных сигналов защищаемого многополюсника 1. Количество исполнительных элементов соответствует количеству выходов защищаемого многополюсника.

Развернутая структурная схема реализации двух мажоритарных элементов с логическим порогом ≥2 показана на фиг. 2.

Мажоритарные элементы 3, подключенные к исполнительным элементам 4, идентичные и составлены каждый из трех схем "И"6, построенных на двух электронных ключах "К₁, К₂" (диодах), подключенных к соответствующим горизонтальным и вертикальным шинам и резистору "R"
Схемы "И" для случая защиты от отказов кратностью d₀=d₁=1 имеют два входа, подключенные в различных сочетаниях к выходам блока 5 и соответствующему выходу защищаемого многополюсника 1.

Выходы схем голосования мажоритарных элементов через узлы 7 связаны с исполнительными элементами. Узлы подключаются к плюсовой шине источника питания через резисторы "R" схем "И" и соответствующим исполнительным элементам 4. Напряжение на узле 7 может появиться только при срабатывании любой схемы (И), т.е. когда на катоды ключей подан положительный потенциал.

Блок формирования корректирующих сигналов 5 представляет собой шифратор либо запоминающее устройство, в которых записаны значения [0,1] групп корректирующих сигналов h₁¹, h₂¹,...h₁^m, h₂^m, подаваемые на катоды ключей К₁, К₂ блока коррекции 2 и соответствующие тем же требуемым, согласно условиям работы, значениям [0,1] сигналов на выходах Z₁, Z₂...Z_m многополюсника 1.

Работает система для защиты многополюсных устройств следующим образом (фиг. 2).

Алгоритм работы (n, m) многополюсника 1, управляющего работой "m" исполнительными элементами 4, представлен таблицей истинности (условий работы).

В соответствии с условиями работы многополюсника исполнительные элементы 4 по выходу Z₁ и Z_m должны включаться в работу только тогда, когда значения сигналов (F_z1 и F_zm) на этих выходах принимают значения "1" (положительный потенциал). В других случаях исполнительные элементы 4 в работу не включаются. Для обеспечения требуемой защиты, обеспечивающей включение в работу исполнительных элементов 4, при отказах кратностью d₀=d₁=1 на катоды ключей К₁ и К₂ схем (И) подаются сигналы h₁¹, h₂¹,...h₁^m, h₂^m, соответствующие "1". Сигналы должны подаваться синхронно с формированием сигналов на выходе многополюсника. Это осуществляется с помощью синхронизирующих сигналов, подаваемых на защищаемый многополюсник 1 и блок 5 от специального устройства (тактового генератора).

С поступлением одновременно этих сигналов ключи К₁, К₂ схем "И" 6 закрываются (схемы "И" срабатывают) и шина "+" источника питания подключается через резисторы R и узлы 7 к исполнительным элементам 4. Исполнительные элементы включаются в работу. Это происходит на наборах состояний входных сигналов x₁, x₂...x_n для выхода Z₁ с весами 1,3...2ⁿ-1, а для выхода Z_m с весами 2,3...2ⁿ-2.

Полагаем, появился отказ по "0" (do = 1) в защищаемом многополюснике. Этот отказ вызвал появление на выходах Z₁,...Z_m сигнала, соответствующего "0" (отрицательный потенциал), на фиг. 2 отмечено в скобках. Это эквивалентно тому, что произошло изменение состояния управляющего воздействия (отказ), т. е. и вместо рабочих наборов с весами 1,3...2ⁿ-1 для выхода Z₁ и весами 2,3...2ⁿ-2 для выхода Z_m сформировались запрещенные наборы, на которых значения функций этих выходов стали соответствовать "0". В незащищенном многополюснике это не вызовет срабатывание исполнительных элементов 4.

Предлагаемая система защиты позволяет выполнить заданный алгоритм фукционирования многополюсника при наличии заданной кратности отказа по "0".

Например, на рабочем наборе с весом 3 в многополюснике имеет место отказ элементов по "нулю" с кратностью d₀=1. Тогда на его выходах Z₁ и Z_m вместо сигналов, соответствующих "1", появились сигналы со значением "0" (отрицательный потенциал (-)). В то же время в блоке 5 на его выходах H₁¹, H₂¹. . . H₁^m, H₂^m формируются сигналы h₁¹, h₂¹...h₁^m, h₂^m, соответствующие согласно таблице истинности значению "1" (положительный потенциал (+)).

Отрицательный потенциал с выходов Z₁,...Z_m многополюсника прикладывается к катодам ключей "К₁", подключенных к верхней шине мажоритарных элементов 3 с логическим порогом ≥2. Ключи открываются и схемы "И" 6, образованные на двух левых вертикальных шинах, не срабатывают. Однако срабатывают схемы "И", образованные на ключах К₁ и К₂ правых вертикальных шинах, т.к. к их катодам прикладывается положительный потенциал (+) с блока 5 (сигналы h₁¹, h₂¹,... h₁^m, h₂^m, соответствующие "1" согласно таблице истинности на наборе с весом 3). Ключи закрываются. Схемы "И" закрываются (срабатывают), и шина "+" 8 источника питания через резисторы R подключается к исполнительным элементам блока 4 и тем самым формируются сигналы F_z1^*... F_zm^*. Исполнительные элементы срабатывают. Условия работы на рабочем наборе с весом 3 выполнены, несмотря на отказы по "нулю" в многополюснике.

При отказе по "единице" с кратностью d₁=1, что означает появление на любом запрещенном наборе сигнала, соответствующего "1" вместо "0", в незащищенном многополюснике должны были сработать исполнительные элементы блока 4 в нарушении алгоритма работы.

Система защиты многополюсника это исключает.

На запрещенном наборе появление сигнала, соответствующего "1", не вызывает срабатывание исполнительных элементов, т.к. в блоке 5 на выходах H₁¹, H₁¹. . . H₁^m, H₂^m формируются сигналы h₁¹, h₂¹,... h₁^m, h₂^m, соответствующие "0" (отрицательные потенциалы), которые открывают ключи К₁ и К₂, подключенные катодами к двум нижним горизонтальным шинам. Все схемы "И" 6 мажоритарных элементов 3 не срабатывают. Сигналы F_z1^*...F_zm^* на выходах блока 2 (с мажоритарных элементов с порогом ≥2) не формируются и исполнительные элементы блока 4 не срабатывают.

Условия работы многополюсника при отказах по "нулю" и "единице" с кратностью d₀= d₁= 1 выполняются. При других кратностях отказов необходимо иметь соответствующие по своим логическим возможностям мажоритарные элементы 3 и логическую мощность корректирующих сигналов блока 5.

Изобретение относится к технической кибернетике, в частности к системам управления, контроля, диагностики. Решение задачи по защите функции выходов многополюсников при нарушении алгоритма функционирования (n, m)-устройства в случае отказов в структуре осуществляется с помощью системы защиты, состоящей из блока коррекции и блока формирования корректирующих сигналов. Защита осуществляется не структур многополюсников, которые подвержены отказам, а значений сигналов на их выходах. Для достижения высокой, равной 1, достоверности результатов функционирования защищаемого многополюсного устройства, что является техническим результатом, при наперед заданной кратности d₀ отказов по нулю и кратности d₁ отказов по единице и системы защиты, повышения быстродействия, ремонтопригодности, уменьшения энергопотребления, веса и габаритов используют в системе защиты многополюсных устройств бесконтактные элементы в модульном их исполнении. Вместо блока дополнительных реле и контактной матрицы с диодами, развязывающими одноименные нормально разомкнутые контакты, используют мажоритарные элементы с логическим порогом ≥d₀+d₁, количество которых равно числу выходов защищаемого многополюсника, который имеет при защите от кратностей отказов d₀ и d₁ число входов, равное d₁+d₀+1, и один выход, подключаемый к одному из исполнительных элементов, один вход мажоритарного элемента соединен с одним из выходов защищаемого многополюсника, а остальные соединены с выходами блока формирования групп (по числу выходов m многополюсника), корректирующих сигналов, принимающих значение (1,0) синхронно с требуемыми значениями (1,0) сигналов на соответствующих выходах многополюсника, что позволяет формировать на выходах мажоритарных элементов с логическим порогом ≥d₀+d₁ сигналов управления исполнительными элементами независимо от отказов кратностью d₁, d₁, возникающих в многополюснике и системе защиты. 3 ил.

Система защиты многополюсного устройства, содержащая исполнительные элементы, количество которых m соответствует количеству выходов защищаемого многополюсного устройства, блок коррекции и блок формирования m групп корректирующих сигналов, отличающаяся тем, что блок коррекции содержит m мажоритарных элементов, каждый из которых имеет число входов, равное N + 1, где N = d₁ + d₀ и где d₀, d₁ - заданные кратности отказов по нулю и единице соответственно, в защищаемом многополюсном устройстве и в системе защиты, и один выход, подключенный к одному из исполнительных элементов, один вход каждого мажоритарного элемента соединен с одним из выходов защищаемого многополюсного устройства, а остальные входы соединены с соответствующими выходами блока формирования m групп корректирующих сигналов, принимающих значения 1,0 синхронно с требуемыми значениями 1,0, соответственно, сигналов на соответствующих выходах многополюсного устройства, при этом каждый мажоритарный элемент содержит схемы И, число которых равно числу сочетаний из d₁ + d₀ + 1 по d₀ + d₁, число входов каждой схемы И равно N, на вход каждой схемы И подаются сигналы с соответствующего выхода многополюсного устройства и блока формирования m групп корректирующих сигналов в различных сочетаниях, а выходы схем И и каждого мажоритарного элемента соединены с соответствующим исполнительным элементом, блок формирования m групп корректирующих сигналов представляет собой шифратор или запоминающее устройство, в которых записаны значения m групп корректирующих сигналов.