СЕТЬ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ НА ВОЗДУШНОМ СУДНЕ Российский патент 2016 года по МПК H02J4/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к сети распределения электрической энергии на воздушном судне и к способу управления этой сетью.

Уровень техники

Современные воздушные суда обычно включают в себя большое количество датчиков, эффекторов и т.д., подключенных к сети авионики (далее авионики), обладающей центральным процессором. Датчики, эффекторы и т.д. обычно в целях повышения эксплуатационной эффективности являются быстросменными узлами (БСУ). БСУ обычно сосредоточены в конкретных местоположениях воздушного судна, где установлены системы. С целью уменьшения протяженности проводов и, в результате, веса, для подключения нескольких БСУ к сети авионики может быть использован дистанционный концентратор данных (ДКД).

Для уменьшения проектировочных и производственных затрат и повышения эксплуатационной эффективности все ДКД на данном воздушном судне могут быть стандартизованы независимо от БСУ, к которым они подключены. Следовательно, БСУ могут иметь типовое аппаратное обеспечение и, таким образом, именуются типовыми дистанционными концентраторами данных (ТДКД). ТДКД могут включать в себя модифицируемое программное обеспечение. Стандартизация ТДКД позволяет держать в запасе меньше запчастей, так что неисправный ТДКД может быть легко заменен в ходе операций регулярного технического обслуживания. Тем самым повышается эксплуатационная эффективность.

ДКД подключены к распределению электроэнергии на воздушном судне с помощью силовых шин. Для создания избыточности на коммерческих пассажирских самолетах обычно имеются по меньшей мере две независимые шины, по одной с каждой стороны фюзеляжа. Каждая шина способна нести всю электроэнергию, поступающую на ДКД и с них в случае отказа другой половины архитектуры авионики. Для еще большей избыточности на самолете может быть более двух шин, некоторые из которых являются аварийными шинами, дублирующими две основных шины.

Традиционно правила конструирования архитектуры авионики требуют полной изоляции шин друг от друга и избыточности для каждого БСУ. Изоляция требуется для предотвращения отказа, распространяющегося от одной шины к другой. Следовательно, для любого данного БСУ, к примеру, датчика, подключенного через ДКД к одной шине, должен быть идентичный запасной БСУ, подключенный через другой ДКД к другой шине. Современные датчики и эффекторы очень надежны, иногда надежнее сети авионики, к которой они подключены. Если определенный датчик (эффектор) самолета признан достаточно надежным (малочувствительным), то, может быть, допустимо спроектировать архитектуру авионики так, чтобы у этого конкретного датчика (эффектора) не было запасного парного датчика (эффектора). Однако остается проблема, заключающаяся в том, что одиночный датчик (эффектор) необходимо подключить к обеим шинам на обоих бортах самолета, и эти шины должны быть полностью обособлены.

Альтернативный «нестандартный» подход к проектированию ДКД с архитектурой «двойного канала», где одиночный датчик (эффектор), подключенный к ДКД, в каждый момент времени соединен либо с первой шиной, либо со второй шиной, причем переключение между ними осуществляется с помощью механического реле. Механическое переключающее реле может удовлетворить требованиям изоляции двух шин, в то же время обеспечивая снижение числа датчиков (эффекторов) ДКД на воздушном судне, что дает значительную экономию веса и снижение выбросов. Однако такая архитектура «двойного канала» для ДКД является нестандартной, и обычно приходится каждый ДКД проектировать иначе в соответствии с его расположением и схемой соединений на воздушном судне. Следовательно, не могут быть достигнуты значительные преимущества гибкой, одноканальной архитектуры интегрированной модульной авионики (ИМА), использующей ТДКД.

Раскрытие изобретения

Первый объект изобретения обеспечивает сеть распределения электрической энергии на воздушном судне, содержащую первую и вторую гальванически изолированные силовые шины и первый и второй дистанционные концентраторы данных (ДКД), причем каждый ДКД имеет интерфейс ввода-вывода и источник питания, причем источник питания первого ДКД подключен к первой силовой шине, источник питания второго ДКД подключен ко второй силовой шине, устройство ввода-вывода подключено к интерфейсу ввода-вывода первого ДКД и к интерфейсу ввода-вывода второго ДКД, каждый ДКД приспособлен для подачи электроэнергии на устройство ввода-вывода через соответствующий ему интерфейс ввода-вывода, при этом каждый ДКД включает в себя переключатель для изолирования устройства ввода-вывода, причем переключатели функционально связаны так, что электроэнергия не может подаваться на устройство ввода-вывода одновременно двумя ДКД.

Другой объект изобретения обеспечивает способ функционирования сети распределения электроэнергии на воздушном судне, причем сеть распределения электрической энергии на воздушном судне содержит первую и вторую гальванически изолированные силовые шины и первый и второй дистанционные концентраторы данных (ДКД), при этом каждый ДКД имеет интерфейс ввода-вывода и источник питания, причем источник питания первого ДКД подключен к первой силовой шине, источник питания второго ДКД подключен ко второй силовой шине, устройство ввода-вывода подключено к интерфейсу ввода-вывода первого ДКД и к интерфейсу ввода-вывода второго ДКД, каждый ДКД приспособлен для подачи электроэнергии на устройство ввода-вывода через соответствующий ему интерфейс ввода-вывода, в котором каждый ДКД включает в себя переключатель для изолирования устройства ввода-вывода, и переключатели функционально связаны, причем способ содержит этап функционирования ДКД для автономного управления переключателями так, чтобы электроэнергия не могла подаваться на устройство ввода-вывода одновременно двумя ДКД.

Преимущество изобретения состоит в том, что первый и второй ДКД могут иметь одно и то же аппаратное обеспечение и, таким образом, могут являться частью гибкой, одноканальной архитектуры интегрированной модульной авионики (ИМА), в то время как автономное переключение позволяет любому из ДКД изолировать устройство ввода-вывода, так что устройство ввода-вывода в каждый момент времени может получать электроэнергию только от одного из ДКД, тем самым достигается требуемая изоляция двух силовых шин друг от друга. При внедрении в сеть авионики требуется меньше устройств ввода-вывода (к примеру, БСУ) и меньше ДКД по сравнению с существующим уровнем техники. Дополнительно, ДКД могут иметь типовое аппаратное обеспечение и, таким образом, в архитектуре авионики могут быть использованы типовые ДКД (ТДКД).

Каждый ДКД может включать в себя логическую схему Исключающего ИЛИ для управления его соответствующим переключателем.

Логическая схема может быть выполнена в виде аппаратного обеспечения в каждом ДКД. Аппаратное обеспечение может представлять собой любое подходящее решение на основе аппаратного обеспечения, например, такое как программируемое логическое устройство (ПЛУ) или схема твердотельного реле/переключателя. Решение на основе аппаратного обеспечения предпочтительно является простой и полностью контролепригодной логической интегральной схемой (ИС), лишенной программного обеспечения (которое в авиационной промышленности считается «сложным» и поэтому не полностью контролепригодным). Экономия веса и повышение надежности могут быть достигнуты посредством использования твердотельного аппаратного обеспечения вместо механических переключающих реле. Переключение твердотельного аппаратного обеспечения также намного быстрее, чем переключение механических реле, так что сокращается потенциальное время, за которое две шины могут быть подключены друг к другу.

Интерфейс ввода-вывода первого ДКД может быть функционально связан с логической схемой второго ДКД, а интерфейс ввода-вывода второго ДКД может быть функционально связан с логической схемой первого ДКД.

Логическая схема второго ДКД может быть способна определять положение переключателя в первом ДКД, а логическая схема первого ДКД может быть способна определять положение переключателя во втором ДКД.

Источник питания первого ДКД может быть изолирован от второго ДКД, а источник питания второго ДКД может быть изолирован от первого ДКД.

Первый или второй ДКД может быть обозначен как ведущий, а другой - как ведомый, для определения первенства при подаче электроэнергии на устройство ввода-вывода.

Каждый ДКД может иметь множество интерфейсов ввода-вывода, и переключатель в каждом ДКД может быть способен изолировать два или более из его множества интерфейсов ввода-вывода. Каждый ДКД может иметь группы интерфейсов ввода-вывода, и каждая группа может быть изолирована соответствующим переключателем. Или же каждый ДКД может иметь множество интерфейсов ввода-вывода, а каждый интерфейс ввода-вывода может иметь соответствующий переключатель для изолирования интерфейса ввода-вывода.

Каждый ДКД может быть подключен между аналоговой, дискретной или магистральной шиной (к примеру, CAN, ARINC 429, FlexRay) со стороны сетевого интерфейса ДКД и сетью передачи данных на воздушном судне (к примеру, ARINC 664 или любой сетью передачи данных на воздушном судне, которая появится в будущем) со стороны интерфейса ввода-вывода.

Кроме того, воздушное судно включает в себя сеть распределения электроэнергии на воздушном судне, которая является частью сети авионики.

Краткое описание чертежей

Теперь варианты осуществления изобретения будут описаны со ссылкой на сопровождающие чертежи, в которых:

Фиг.1 схематически изображает сеть авионики, установленную на воздушном судне.

Фиг.2 схематически изображает распределение электроэнергии в пределах одного из ДКД сети авионики, имеющего источник питания для подключения к силовой шине и блоки интерфейсов ввода-вывода, каждый из которых выборочно изолирован от силовой шины.

Фиг.3 схематически изображает первый и второй ДКД, подключенные к соответствующим гальванически изолированным силовым шинам, и подробно показывает изоляцию для интерфейсов ввода-вывода соответствующего ДКД, которые подключены к типовому устройству ввода-вывода.

Подробное описание вариантов осуществления

На Фиг.1 изображен вид сверху воздушного судна 1, имеющего фюзеляж 2, крылья 3, 4 и сеть авионики, включающую в себя две обособленные электрические линии 5, 6, идущие вдоль каждого из бортов фюзеляжа 2. Электрические линии 5, 6 включают в себя силовые шины, шины передачи данных, сигнальные линии и т.д. Электрические линии 5, 6 расположены на первом и втором бортах воздушного судна 1 таким образом, что образуют электрические линии 5 первого борта и электрические линии 6 второго борта. Электрические линии 5, 6 первого и второго борта обособлены для гарантии того, что отказ на одном борте не повлияет на другую.

Фюзеляж 2 разделен на множество отсеков: носовой отсек 2a, передний отсек 2b, средний отсек (спереди от отсека крыла) 2c, средний отсек (позади отсека крыла) 2d и хвостовой отсек 2e. В каждом из этих отсеков фюзеляжа по обоим бортам фюзеляжа 2 расположены группы типовых дистанционных концентраторов данных (ТДКД) 7.

Расположение и группирование ТДКД 7 зависит от расположения различных электронных датчиков, эффекторов и т.д., которые необходимо подключить к сети авионики. ТДКД 7 на правом борте фюзеляжа 2 подключены к электрическим линиям 5, а ТДКД 7 на левом борте фюзеляжа 2 подключены к электрическим линиям 6.

ТДКД 7 на правом борте фюзеляжа 2 подключены к электрораспределительному узлу 10 посредством первой силовой шины 8 в электрических линиях 5, а ТДКД 7 на левом борте фюзеляжа 2 подключены к электрораспределительному узлу 10 посредством второй силовой шины 9 в электрических линиях 6.

На Фиг.2 схематически изображено распределение электроэнергии в пределах одного из ТДКД 7. ТДКД 7 включает в себя источник питания 11 для подключения к первой силовой шине 8, которая обеспечивает электроэнергией все аппаратное обеспечение и все интерфейсы ТДКД. ТДКД 7 имеет множество интерфейсов 12₁-12₁₅ ввода-вывода для подключения к устройствам ввода-вывода, таким как датчики, эффекторы и т.д., которые являются частью сети авионики. Устройства ввода-вывода могут являться быстросменными узлами (БСУ).

Интерфейс 12 ввода-вывода может являться, например, интерфейсами 28V/OPN DSO. ТДКД 7 подает электроэнергию на устройства ввода-вывода через интерфейсы 12 ввода-вывода. Интерфейсы 12 ввода-вывода объединены в три блока 12₁, 12₂, 12₃, каждый из которых индивидуально запитан от силовой шины 8. Группы интерфейсов 12₁-12₃ ввода-вывода изолированы с помощью специальной изоляции 13₁, 13₂, 13₃ соответственно. Теперь изоляция 13 будет более подробно описана со ссылкой на Фиг.3.

На Фиг.3 схематически изображены первый и второй ТДКД 7a, 7b, подключенные к соответствующим им гальванически изолированным силовым шинам 8, 9. Фиг.3 упрощена и показывает только один интерфейс 12a, 12b ввода-вывода для каждого ДКД 7a, 7b соответственно. Одиночное устройство 14 ввода-вывода, такое как датчик, эффектор и т.д. подключено и к интерфейсу 12a ввода-вывода первого ТДКД 7a, и к интерфейсу 12b ввода-вывода второго ТДКД 7b. ТДКД 7a, 7b включают в себя соответствующие источники 11a, 11b питания, как описано выше.

Изоляция 13, обозначенная на Фиг.2, более подробно показана на Фиг.3. Каждый ТДКД 7a, 7b включает в себя соответствующую изоляцию 13а, 13b для соответствующих ей интерфейсов 12a, 12b ввода-вывода. Каждая изоляция 13a, 13b содержит программируемое логическое устройство (ПЛУ) 14а, 14b. ПЛУ 14a, 14b образуют логическую схему Исключающего ИЛИ и полностью контролепригодны (т.е. лишены программного обеспечения).

ПЛУ 14a подключено к переключателю 15a в первом ТДКД 7a, который в открытом состоянии обеспечивает изоляцию для интерфейса 12a ввода-вывода, а в закрытом может подавать электроэнергию с первой шины 8a на интерфейс 12a ввода-вывода.

ПЛУ 14b подключено к переключателю 15b во втором ТДКД 7b, который в открытом состоянии обеспечивает изоляцию для интерфейса 12b ввода-вывода, а в закрытом может подавать электроэнергию со второй шины 8b на интерфейс 12b ввода-вывода.

ПЛУ 14a запитано от первой шины 8а, а ПЛУ 14b запитано от второй шины 8b. ПЛУ 14a первого ТДКД 7a имеет дискретный ввод (DSI_X) 16a, функционально связанный с интерфейсом 12b ввода-вывода второго ТДКД 7b с помощью линии 17. Дискретный ввод 16a указывает ПЛУ 14a, запитан ли интерфейс 12b ввода-вывода. ПЛУ 14b второго ТДКД 7b имеет дискретный ввод (DSI_X) 16b, функционально связанный с интерфейсом 12a ввода-вывода второго ТДКД 7a с помощью линии 18. Дискретный ввод 16b указывает ПЛУ 14b, запитан ли интерфейс 12a ввода-вывода. Каждый ТДКД 7a, 7b имеет соответствующий процессор 19a, 19b, подключенный к соответствующему ему ПЛУ 14a, 14b. Процессоры 19a, 19b содержат набор команд для соответствующих им ТДКД 7a, 7b. Эти команды включают в себя назначение ведущего и ведомого устройств в паре ТДКД 7a, 7b. Если первый ТДКД 7a задан как ведущее устройство в паре, то ТДКД 7b будет задан как ведомое, и наоборот. Если первый ТДКД 7a задан как ведущее устройство, то переключатель 15а по умолчанию закрыт, а переключатель 15b по умолчанию открыт. Если второй ТДКД 7b задан как ведущее устройство, то переключатель 15b по умолчанию закрыт, а переключатель 15a по умолчанию открыт.

Каждый ДКД 7а, 7b включает в себя следующую логическую схему Исключающего ИЛИ:

Если («нет электроэнергии» ИЛИ DSI_X = «Запитано» ИЛИ Пассив. = Истинно), то

Открыть переключатель

Иначе

Закрыть переключатель Конец «если»

Следовательно, если ТДКД 7a задан как ведущее устройство и шина 8 запитана, тогда переключатель 15a по умолчанию установлен в положение «закрыт», и интерфейс 12a ввода-вывода запитан, а переключатель 15b открыт, и интерфейс 12b ввода-вывода отключен от питания. Если силовая шина 8 отключается от питания, а силовая шина 9 остается запитанной, тогда переключатель 15а откроется, а переключатель 15b закроется, так, чтобы интерфейс 12b ввода-вывода был запитан, а интерфейс 12a ввода-вывода отключен от питания. Работа устройства 14 ввода-вывода не прерывается, несмотря на потерю силовой шины 8. Процессоры 19a, 19b подают команды на соответствующие пассивирующие устройства, которые подают первичные команды, касающиеся того, находится ли соответствующий им интерфейс 12 ввода-вывода в рабочем состоянии. Если процессоры 19a, 19b подают команды, переводящие соответствующие им интерфейсы 12a, 12b ввода-вывода в рабочее состояние, тогда пассивирующее устройство подает команду «Пассив. = Истинно» на соответствующее ему ПЛУ 14a, 14b. Обычно только один из процессоров 19a, 19b управляет устройством 14 ввода-вывода, но изоляция 13a, 13b обеспечивает защиту от неисправностей в случае, если оба процессора 19a, 19b пытаются одновременно отдавать команды устройству 14 ввода-вывода.

Если отношения ведущего и ведомого устройств в паре ТДКД 7a, 7b меняются, тогда положение по умолчанию переключателей 15a, 15b изменится соответствующим образом, если электроэнергия доступна с обеих силовых шин 8, 9.

Каждый ТДКД, как правило, будет иметь множество интерфейсов ввода-вывода, и переключатель в каждом ДКД может быть способен изолировать два или более из множества интерфейсов ввода-вывода. Например, каждый ДКД может иметь блоки интерфейсов ввода-вывода, и каждый блок может быть изолирован соответствующим переключателем (как показано на Фиг.2). Или же каждый ДКД может иметь множество интерфейсов ввода-вывода, и каждый интерфейс ввода-вывода может иметь соответствующий переключатель для изоляции интерфейса ввода-вывода.

Используя быстрое переключение, обеспечиваемое твердотельным аппаратным обеспечением, вместо механических переключающих реле, пары ДКД могут обеспечить необходимое обособление силовых шин, а также значительную экономию веса путем снижения числа ТДКД и БСУ без потери избыточности. Кроме того, твердотельные переключатели надежнее механических.

Хотя выше изобретение описано со ссылкой на один или несколько предпочтительных вариантов осуществления, понятно, что различные изменения или модификации могут быть сделаны без отхода от объема изобретения, обозначенного в приложенной формуле изобретения.

Сеть распределения электрической энергии на воздушном судне, содержащая первую и вторую гальванически изолированные силовые шины и первый и второй дистанционные концентраторы данных (ДКД), причем каждый ДКД имеет интерфейс ввода-вывода и источник питания, источник питания первого ДКД подключен к первой силовой шине, источник питания второго ДКД подключен ко второй силовой шине, устройство ввода-вывода подключено к интерфейсу ввода-вывода первого ДКД и к интерфейсу ввода-вывода второго ДКД, каждый ДКД выполнен с возможностью подачи электроэнергии на устройство ввода-вывода посредством соответствующего ему интерфейсу ввода-вывода, при этом каждый ДКД включает в себя переключатель для изолирования устройства ввода-вывода, а переключатели функционально связаны таким образом, чтобы электроэнергия не могла подаваться на устройство ввода-вывода одновременно двумя ДКД. Предложен также способ функционирования сети. Технический результат - обеспечение изоляции силовых шин сети друг от друга при одноканальной архитектуре интегрированной модульной авионики. 3 н. и 13 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Сеть распределения электрической энергии на воздушном судне, содержащая первую и вторую гальванически изолированные силовые шины и первый и второй дистанционные концентраторы данных (ДКД), причем каждый ДКД имеет интерфейс ввода-вывода и источник питания, источник питания первого ДКД подключен к первой силовой шине, источник питания второго ДКД подключен ко второй силовой шине, устройство ввода-вывода подключено к интерфейсу ввода-вывода первого ДКД и к интерфейсу ввода-вывода второго ДКД, каждый ДКД выполнен с возможностью подачи электроэнергии на устройство ввода-вывода через соответствующий ему интерфейс ввода-вывода, при этом каждый ДКД включает в себя переключатель для изолирования устройства ввода-вывода, причем переключатели функционально связаны так, что электроэнергия не может подаваться на устройство ввода-вывода одновременно двумя ДКД.

2. Сеть распределения электрической энергии на воздушном судне по п.1, в которой каждый ДКД включает в себя логическую схему Исключающего ИЛИ для управления соответствующим переключателем.

3. Сеть распределения электрической энергии на воздушном судне по п.2, в которой логическая схема выполнена в виде аппаратного обеспечения в каждом ДКД.

4. Сеть распределения электрической энергии на воздушном судне по п.3, в которой интерфейс ввода-вывода первого ДКД функционально связан с логической схемой второго ДКД, а интерфейс ввода-вывода второго ДКД функционально связан с логической схемой первого ДКД.

5. Сеть распределения электрической энергии на воздушном судне по п.4, в которой логическая схема второго ДКД способна определять положение переключателя в первом ДКД, а логическая схема первого ДКД способна определять положение переключателя во втором ДКД.

6. Сеть распределения электрической энергии на воздушном судне по любому из предшествующих пунктов, в которой источник питания первого ДКД изолирован от второго ДКД, а источник питания второго ДКД изолирован от первого ДКД.

7. Сеть распределения электрической энергии на воздушном судне по п.1, в которой первый или второй ДКД обозначен как ведущий, а другой - как ведомый, для определения очередности при подаче электроэнергии на устройство ввода-вывода.

8. Сеть распределения электрической энергии на воздушном судне по п.1, в которой каждый ДКД имеет множество интерфейсов ввода-вывода, при этом переключатель в каждом ДКД способен изолировать два или более из множества интерфейсов ввода-вывода.

9. Сеть распределения электрической энергии на воздушном судне по п.1, в которой каждый ДКД имеет множество интерфейсов ввода-вывода, при этом каждый интерфейс ввода-вывода имеет соответствующий переключатель для изолирования интерфейса ввода-вывода.

10. Сеть распределения электрической энергии на воздушном судне по п.1, в которой каждый переключатель в каждом ДКД является твердотельным реле.

11. Воздушное судно, характеризующееся тем, что включает в себя сеть распределения электрической энергии на воздушном судне по любому из пп.1-10.

12. Способ функционирования сети распределения электроэнергии на воздушном судне, причем сеть распределения электрической энергии на воздушном судне содержит первую и вторую гальванически изолированные силовые шины и первый и второй дистанционные концентраторы данных (ДКД), причем каждый ДКД имеет интерфейс ввода-вывода и источник питания, источник питания первого ДКД подключен к первой силовой шине, источник питания второго ДКД подключен ко второй силовой шине, устройство ввода-вывода подключено к интерфейсу ввода-вывода первого ДКД и к интерфейсу ввода-вывода второго ДКД, каждый ДКД выполнен с возможностью подачи электроэнергии на устройство ввода-вывода через соответствующий ему интерфейс ввода-вывода, при этом каждый ДКД включает в себя переключатель для изолирования устройства ввода-вывода, и переключатели функционально связаны, причем способ содержит этап функционирования ДКД для автономного управления переключателями таким образом, чтобы электроэнергия не могла подаваться на устройство ввода-вывода одновременно двумя ДКД.

13. Способ по п.12, в котором дополнительно используют логическую схему Исключающего ИЛИ для управления переключателями.

14. Способ по п.13, в котором логическая схема выполнена в виде аппаратного обеспечения в каждом ДКД.

15. Способ по п.14, в котором дополнительно используют логическую схему второго ДКД для определения положения переключателя в первом ДКД и используют логическую схему первого ДКД для определения положения переключателя во втором ДКД.

16. Способ по любому из пп.12-15, в котором дополнительно обозначают первый или второй ДКД в качестве ведущего, а другой в качестве ведомого, для определения очередности при подаче электроэнергии на устройство ввода-вывода.