ЛИНЕЙНЫЙ БЛОК ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩЕГО КОМПЛЕКСА Российский патент 2004 года по МПК G08C19/28 

Изобретение относится к информационно-управляющим комплексам, в которых устройства периферийных контролируемых пунктов рассредоточены относительно общей для них центральной приемопередающей станции (ЦППС) и соединяются с ней общей линией связи магистральной структуры. Магистральная структура линий связи используется в системах управления электроснабжением железных дорог, нефтепроводов, нефтепромыслов и других важных объектов. Известна структура связей центральной приемопередающей станции с контролируемыми пунктами (КП) в известных информационно-управляющих комплексах ЭСТ-62, ЛИСНА, "Гранит-ЖД" [1]. В состав ЦППС и каждого КП комплекса включается линейный блок (ЛБ), который формирует сигналы для передачи и принимает сигналы из магистральной линии связи (МЛС). Сопротивления участков МЛС между смежными КП (R_лс) и входных цепей КП (R_вх) вызывают затухание рабочих сигналов, поэтому при расстоянии между ЦППС и КП, большем 50-100 км, в состав комплексов вводятся усилители-ретрансляторы (Р). В результате единая линия связи расчленяется на участки (указанной протяженности), а надежность информационных обменов между КП и ЦППС снижается, так как неисправность любого ретранслятора делает невозможным обмен данными с КП, расположенными на участках ЛС за неисправным ретранслятором.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является линейный блок системы телемеханики, который содержит первый источник питания, ключ, первый и второй формирователи сигналов, первый и второй элементы гальванического разделения сигналов, причем входы первого элемента гальванического разделения сигналов присоединены к выходам передатчика, а выходы второго - к входам приемника сигналов из линии связи, и инвертор, у которого выход соединен с входом ключа, соединенного вторым выходом с первым выходом второго формирователя сигналов, первым выходом - с первым входом из линии связи, первым выходом первого элемента гальванического разделения сигналов и вторым (отрицательным) выходом первого источника питания, у которого первый (положительный) выход соединен с первым выходом первого формирователя сигналов [2].

Линейный блок-прототип обеспечивает возможность в режиме полудуплекса, т.е. с разделением во времени, проводить информационные обмены по одной магистральной линии связи между ЦППС и всеми КП одного участка.

Недостатком известного линейного блока является отсутствие узлов автоматического усиления и нормализации уровня рабочих сигналов в линии связи и вызванная этим необходимость введения ретрансляторов, расчленяющих единую линию связи на отдельные участки и, тем самым, снижающих надежность работы линейных блоков и комплекса в целом.

Сущность и цель изобретения - расширение функциональных возможностей линейного блока путем введения узлов автоматической нормализации уровня рабочих сигналов. Новые узлы и связи между ними, дополнительно введенные в предложенный линейный блок, обеспечивают в режиме "реального времени" выделение сигналов, поступивших из линии связи, передачу выделенных сигналов в приемник, нормализацию уровня принятых сигналов и возвращение нормализованных сигналов в магистральную линию связи.

Новые свойства предложенного линейного блока позволяют использовать структуру комплекса, где магистральная линия связи независимо от ее протяженности и числа подключенных к ней устройств КП не расчленяется на участки благодаря тому, что в месте присоединения к линии связи каждого устройства КП уровень рабочих сигналов нормализуется, а нормализованные сигналы автоматически возвращаются в линию связи. В результате затухание рабочих сигналов не зависит от числа и территориального размещения устройств КП.

Для реализации цели изобретения в линейный блок дополнительно по отношению к прототипу включены: второй источник питания; третий и четвертый элементы гальванического разделения сигналов; импульсный стабилитрон, подключенный катодом к входу второго формирователя сигналов, а анодом - к первому входу из линии связи; первый диод, входящий в состав инвертора, катод которого является входом инвертора и соединен с катодом второго диода и со вторым выходом первого элемента гальванического разделения сигналов, а анод первого диода соединен с одним выводом первого резистора и катодом стабилитрона, входящих в состав инвертора, причем анод стабилитрона является выходом инвертора, другой вывод первого резистора соединен с первым выходом первого источника питания, а анод второго диода - с последовательной цепочкой, включающей: входную цепь третьего элемента гальванического разделения сигналов, второй и третий резисторы, у третьего резистора второй вывод подключен к первому выходу первого источника питания, а точка соединения второго и третьего резисторов подключена к одному выводу пятого резистора, который включен в последовательную цепь, включающую входы второго и четвертого элементов гальванического разделения сигналов и второй выход первого формирователя сигналов, и к входу первого формирователя сигналов, соединенного вторым выходом с первым выводом четвертого резистора, у четвертого резистора второй вывод соединен с последовательно включенными: выходной цепью третьего элемента гальванического разделения сигналов, параллельно которой включен шестой резистор, первым выводом седьмого резистора, подключенного также ко второму входу из линии связи, соединенного вторым выводом с входом второго формирователя сигналов и первым выводом восьмого резистора, второй вывод которого подключен к параллельно включенным выходам четвертого элемента гальванического разделения сигналов и выводам девятого резистора, вторые выводы которого и четвертого элемента гальванического разделения сигналов подключены ко второму (отрицательному) выходу второго источника питания, у которого первый (положительный) выход соединен с первым входом из линии связи и первым выводом десятого резистора, подключенного вторым выводом к входу ключа.

На фиг. 1 приведена структурная схема комплекса с предложенными линейными блоками, на фиг. 2 - схема предложенного линейного блока.

В комплексе по фиг. 1 показаны устройства центральной приемопередающей станции (ЦППС) и контролируемых пунктов КП₁-КП_j, соединенные магистральной линией связи (МЛС). Для передачи и приема сигналов в каждом устройстве ЦППС используется линейный блок (ЛБ). Участки МЛС между смежными КП характеризуются сопротивлением R_лс, а входные цепи КП - внутренним сопротивлением R_вx. Указанные сопротивления приводят к затуханию рабочих сигналов, передаваемых от ЦППС в направлении КП, а от КП - в направлении ЦППС. При достаточно большой протяженности МЛС уровень рабочих сигналов становится ниже порога чувствительности ЛБ, что требует введения дополнительных узлов - ретрансляторов (Р) для усиления (нормализации) рабочих сигналов. В местах установки Р единая МЛС расчленяется на участки. В [1] ретрансляторы устанавливаются между i-м и "i+1"-м КП, а также после j-го КП. Введение Р снижает надежность информационного обмена между ЦППС и КП, так как выход из строя любого ретранслятора делает невозможным обмен информацией с КП, расположенными за неисправным ретранслятором.

В комплексе, изображенном на фиг. 1, используются предложенные линейные блоки, которые позволяют исключить необходимость расчленения единой МЛС на участки и введения дополнительных ретрансляторов.

Предложенный линейный блок (фиг. 2), как и устройство-прототип, включает первый (1) источник питания, первый (2) и второй (3) формирователи сигналов, первый (4) и второй (5) элементы гальванического разделения сигналов, у первого элемента 4 входы подключены к выходам от передатчика, а у второго элемента 5 выходы подключены к входам приемника сигналов от линейного блока. Первый вывод выходной цепи 4 соединен со вторым (отрицательным) выходом 1 и с первым выходом ключа (6), у которого вход соединен с выходом инвертора (7). В состав линейного блока дополнительно включены второй источник питания (8), у которого первый (положительный) выход объединен со вторым выходом источника 1, третий (9) и четвертый (10) элементы гальванического разделения сигналов и импульсный стабилитрон (11). Инвертор 7 включает первый резистор (12), пороговый элемент - стабилитрон (13) и первый диод (14), катод которого является входом инвертора и соединен со вторым выходом 4 и катодом второго диода (15), у которого анод подключен к последовательной цепи, состоящей из входов элемента 9, второго (16) и третьего резисторов (17). Точка соединения 16 и 17 подключена к входу 2, а второй вывод 17 - к первым выходам 1 и 2. Второй выход 2 соединен с первым выводом четвертого резистора (18), а вход 2 - с первым выводом пятого резистора (19), подключенного через последовательные входные цепи второго и четвертого элементов гальванического разделения сигналов ко второму выходу формирователя 3. Второй вывод 18 включен в последовательную цепочку из шестого (20), седьмого (21), восьмого (22) и девятого резисторов (23), причем шестой резистор включен параллельно выходам элемента 9, восьмой резистор включен между входом 3 и первым выходом элемента 10, девятый резистор - параллельно выходам 10. Точка соединения шестого и седьмого резисторов соединена с первым входом из линии связи. Окончание указанной последовательной цепи - второй вывод 23 - соединено со вторым выходом 8. Десятый 24 резистор включен между входом и первым выходом 6.

Первый и второй формирователи сигналов и ключ могут быть реализованы, например, на транзисторах, с первого по четвертый элементы гальванического разделения сигналов - на транзисторных оптопарах, у которых входная цепь представляет собой светодиод (с выводами 1 и 2), а выходная - светочувствительный транзистор (с выводами 3 и 4). Оптическая связь позволяет электрически изолировать входную и выходную цепи и предотвратить попадание электрических помех в выходную цепь. Особенностью импульсного стабилитрона-сопрессора (например, типа "р 6 КЕ 62 а", который выдерживает импульсную мощность помехи до 600 Вт и ограничивающий входные сигналы на уровне 62 В) является способность выдерживать в течение коротких отрезков времени мощные сигналы помех, которые характерны для объектов, использующих воздушные линии связи большой протяженности, подверженных воздействию грозовых разрядов. Включение импульсного стабилитрона-сопрессора на выходах из линии связи позволяет защитить аппаратуру линейного блока от воздействия помех.

Предложенный линейный блок работает следующим образом. Сигналы из магистральной линии связи поступают через входы 1 и 2 на нормирующий резистор 21, величина которого выбирается так, чтобы уровень рабочих сигналов, поступающих из линии связи, был примерно одинаковым для всех КП и не зависел от взаимного их расположения. Если уровень входных сигналов не выходит за пределы нормы, импульсный стабилитрон 11 остается в нерабочем состоянии и не влияет на работу линейного блока. При существенном повышении уровня входных сигналов (например, при воздействии на линию связи грозового разряда) стабилитрон 11 ограничивает сигнал на безопасном для элементов схемы уровне. Входной рабочий сигнал переводит формирователь 3 в рабочее состояние, если величина тока, создаваемого входным сигналом, превышает ток смещения, создаваемый источником 8 и резисторами 22 и 23, а ключ 6 открыт. Ключ 6 в рабочем (открытом) состоянии находится все время, пока от передатчика не поступают сигналы для передачи в линию связи. В этом случае выходная цепь элемента 4 оказывается в нерабочем состоянии, а по входной цепи ключа 6 проходит ток от источника 1, через резистор 12 инвертора 7, пороговый элемент- стабилитрон 13 и параллельную цепь: вход-второй выход ключа 6 и резистор 24, который используется для фиксации рабочей точки при запертом ключе. При выполнении двух указанных выше условий суммарный ток во входной цепи формирователя 3 (равный векторной сумме входного тока и тока смещения) вызывает его перевод в рабочее состояние и протекание тока по цепи: первый выход первого источника питания, первый выход - вход первого формирователя сигналов, резистор 19, последовательно включенные входные цепи элементов 5 и 10, выходы второго формирователя сигналов и ключа, второй выход первого источника питания.

В выходной цепи элемента 5 формируются сигналы, поступающие в приемник сигналов из линии связи. В то же время протекание тока по входной цепи формирователя 2 вызывает появление тока и в его выходной цепи. Ток протекает по цепи: первый выход первого источника питания, выходная цепь формирователя 2, последовательно включенные резисторы 18 и 20, вход 2 из линии связи, цепи приема сигналов другого КП (не показаны на фиг. 2), вход 1 линии связи, второй выход первого источника питания. В связи с тем, что рабочие сигналы от собственного передатчика не поступают, элемент 4 остается в нерабочем состоянии, по входной цепи элемента 9 ток не протекает, а выходная цепь элемента 9 не шунтирует резистор 20. Видно, что в рассматриваемом режиме рабочий ток, поступающий в линию связи, определяется величиной напряжения первого источника питания и суммой сопротивлений резисторов 18 и 20. Последняя подбирается так, чтобы сумма токов на входе данного линейного блока, создаваемого источником принимаемых сигналов, и тока, формируемого формирователем 2, равнялась току, который формируется линейным блоком при передаче собственных сигналов. В таком случае уровень рабочих сигналов в линии связи нормализуется. Обозначим нормализованный сигнал I_раб, а сигнал, поступающий на вход линейного блока, - I_вx. Отношение соответствует затуханию рабочих сигналов, вызванных сопротивлением участков магистральной линии связи между смежными КП и входным сопротивлением линейного блока - приемника сигналов (снижением уровня рабочих сигналов из-за падения напряжения на формирователе 2 пренебрегаем). Очевидно, что "добавленный" формирователем 2 линейного блока ток (I_доб) должен составлять

где R₁₈ и R₂₀ - сопротивления резисторов 18 и 20 соответственно.

Так как нормализованный сигнал возвращается в линию связи, возникает опасность возникновения "триггерного эффекта", т.е. удержания линейного блока в активном состоянии после снятия входного сигнала. Чтобы избежать этого, при регенерации сигналов автоматически увеличивается пороговый сигнал (ток смещения), который создается вторым источником питания. Ток смещения проходит по цепи: первый выход второго источника питания, стабилитрон 11, резистор 22, параллельная цепь из выходов четвертого элемента гальванического разделения сигналов и резистора 23, второй выход второго источника питания. Видно, что направление тока смещения противоположно рабочему току (очевидно, что приведенные для примера направления рабочего тока и тока смещения могут быть противоположными). В рассматриваемом режиме работы фиксируется прием сигналов из линии связи, поэтому ток проходит по входной цепи элемента 10. В результате элемент 10 переводится в рабочее состояние, а его выходная цепь шунтирует резистор 23, что вызывает увеличение тока смещения. Чтобы обеспечить нормальный прием входных сигналов и устранить "триггерный эффект", ток смещения (I*_см) должен быть равен В режиме ожидания приема сигналов из линии связи ток смещения должен быть равен а соотношение величин резисторов 22 (R₂₂) и 23 (R₂₃): или R₂₃=2(К_зат-1)R₂₂. При передаче в линию связи сигналов от "собственного" передатчика в рабочее состояние переводится элемент 4. Так как суммарный уровень напряжения на диоде 14 и выходной цепи 4 меньше порогового напряжения для стабилитрона 13 инвертора, ток во входной цепи ключа 6 отсутствует, т.е. ключ 6 удерживается в нерабочем состоянии. Резистор 24, включенный параллельно входной цепи 6, стабилизирует его режим в нерабочем состоянии. Запертый ключ 6 предотвращает поступление "собственных" сигналов в цепь приемника. В данном режиме образуется цепь протекания тока: первый выход первого источника питания, выход 1 - вход формирователя 2, резистор 16, входная цепь элемента 9, разделительный диод 15, выходная цепь элемента 4, второй выход первого источника питания. Ток во входной цепи формирователя 2 приводит к переводу его в рабочее состояние и появлению тока в выходной цепи. В то же время перевод элемента 9 в рабочее состояние приводит к тому, что резистор 20 оказывается зашунтированным выходной цепью элемента 9, а ток в выходной цепи формирователя 2, поступающий в линию связи, увеличивается до уровня нормализованного.

Как видно, при использовании предложенного линейного блока в режиме усиления и нормализации принятых сигналов и при передаче "собственных" сигналов уровни сигналов в линии связи оказываются одинаковыми. Каждый линейный блок, кроме приема сигналов из линии связи, выполняет функции промежуточного усилителя, нормализатора и ретранслятора нормализованных сигналов в линию связи, т.е. в каждом присоединении линейного блока к магистральной линии связи производится восстановление уровня рабочего сигнала и компенсируется его затухание. В результате отпадает необходимость расчленения единой магистральной линии связи на отдельные участки и повышается надежность информационных обменов и комплекса в целом. Допускается подключение к одной линии связи большего числа устройств контролируемых пунктов при большей протяженности линии связи. Как видно, поставленная предложением цель выполняется.

Источники информации

1. Система телемеханики "ЛИСНА" для электрифицированных железных дорог // Под ред. д.т.н. проф. Сухопрудского Н.Д. - М.: Транспорт, 1979, 343 с.

2. А.с. СССР №1179410. Линейный блок системы телемеханики / М.Л.Портнов, Бюл. №34, 1985 - прототип.

Линейный блок предназначен для использования в информационно-управляющих комплексах, в которых центральный пункт управления, реализованный в виде центральной приемопередающей станции соединяется с периферийными контролируемыми пунктами общей для них линией связи магистральной структуры. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей. В предложенном линейном блоке за счет введения узлов автоматической нормализации уровня рабочих сигналов обеспечивается не только выделение сигналов, поступивших из линии связи, но и усиление (нормализация) принятых сигналов и возвращение нормализованных сигналов в линию связи. Благодаря этому отпадает необходимость расчленения единой линии связи на участки, обеспечивается подключение к магистральной линии связи большего числа контролируемых пунктов и увеличение протяженности линии связи, расширяются функциональные возможности и надежность работы комплексов, что позволяет использовать предложенный линейный блок в структуре систем управления ответственными объектами. 2 ил.

Линейный блок информационно-управляющего комплекса, содержащий первый источник питания, ключ, первый и второй формирователи сигналов, первый и второй элементы гальванического разделения сигналов, причем входная цепь первого элемента гальванического разделения сигналов предназначена для подключения к выходам передатчика, а выходная цепь второго - к входам приемника сигналов из линии связи, и инвертор, выход которого соединен с входом ключа, соединенного вторым выходом с первым выходом второго формирователя сигналов, первым выходом - с первым входом линейного блока, предназначенным для подключения к линии связи, первым выводом выходной цепи первого элемента гальванического разделения сигналов и вторым выходом первого источника питания, первый выход которого соединен с первым выходом первого формирователя сигналов, отличающийся тем, что в него дополнительно включены второй источник питания, третий и четвертый элементы гальванического разделения сигналов, импульсный стабилитрон, подключенный катодом к входу второго формирователя сигналов, а анодом - к первому входу линейного блока, предназначенному для подключения к линии связи, первый диод, входящий в состав инвертора, катод которого является входом инвертора и соединен с катодом второго диода и со вторым выводом выходной цепи первого элемента гальванического разделения сигналов, а анод первого диода соединен с одним выводом первого резистора и катодом стабилитрона, входящих в состав инвертора, причем анод стабилитрона является выходом инвертора, другой вывод первого резистора соединен с первым выходом первого источника питания, а анод второго диода - с последовательной цепочкой, включающей входную цепь третьего элемента гальванического разделения сигналов, второй и третий резисторы, у которого второй вывод подключен к первому входу первого источника питания, а точка соединения второго и третьего резисторов подключена к одному из выводов пятого резистора, который включен в последовательную цепь, включающую входные цепи второго и четвертого элементов гальванического разделения сигналов и соединенную со вторым выходом первого формирователя сигналов, и к входу первого формирователя сигналов, соединенного вторым выходом с первым выводом четвертого резистора, второй вывод которого соединен через выходную цепь третьего элемента гальванического разделения сигналов, параллельно которой включен шестой резистор, с первым выводом седьмого резистора, подключенным также к второму входу линейного блока, предназначенному для подключения к линии связи, второй вывод седьмого резистора соединен с входом второго формирователя сигналов и первым выводом восьмого резистора, второй вывод которого соединен через параллельно включенные выходную цепь четвертого элемента гальванического разделения сигналов и девятый резистор с вторым выходом второго источника питания, первый выход которого соединен с первым входом линейного блока, предназначенным для подключения к линии связи, и через десятый резистор с входом ключа.