РЕЛЕЙНЫЙ ОБЪЕКТНЫЙ КОНТРОЛЛЕР ДЛЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ АВТОМАТИКИ И ТЕЛЕМЕХАНИКИ, СПОСОБ БЕЗОПАСНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТОЯНИЯ РЕЛЕ, СПОСОБ БЕЗОПАСНОГО УПРАВЛЕНИЯ РЕЛЕ, СПОСОБ ТЕСТИРОВАНИЯ ОБМОТКИ РЕЛЕ Российский патент 2019 года по МПК B61L7/08 G01R31/02 

Изобретение относится к железнодорожной автоматике и телемеханике, а именно к способам и устройствам управления железнодорожной автоматикой, и может быть использовано в различных системах электрической централизации, в том числе, в управляющем вычислительном комплексе системы микропроцессорной централизации стрелок и сигналов, и предназначено для работы в режиме «горячего» резервирования.

Из уровня техники известно устройство и реализованный в нем способ включения исполнительного реле железнодорожной автоматики, включающее источники импульсных сигналов, инверторы, исполнительный блок с входами и выходами и блоки развязки (см. авторское свидетельство SU №1588615, Кл. B61L 19/14, оп. в 1990 г.). Это устройство имеет большое количество дискретных элементов, что отражается на его стоимости и надежности. В техническом решении не предусмотрен контроль обрыва выходных ключей, что может приводить к накоплению отказов.

Известно трехканальное устройство и реализованный в нем способ управления блоками исполнительных реле, содержащее источники импульсных сигналов, блоки питания, блок исполнительных реле, блоки источников сигналов управления, выходные ключи, устройства контроля выходных ключей, а также три модуля сбора информации, три процессорных блока и три блока памяти, причем в каждом из трех каналов блок питания выполнен в виде модуля безопасного контроля и отключения (см. патент на изобретение RU №2292113, Кл. B61L 9/14, оп. в 2007 г.). Недостатком известного устройства является то, что три его канала связаны между собой большим количеством связей, что исключает замену вышедшего из строя канала в момент работы двух других. Также данный факт подтверждает объединение блоков УЗ (устройство запуска) во всех каналах, свидетельствующее об одновременном запуске и синхронизированном режиме работы всех каналов. Таким образом, на момент замены вышедшего из строя оборудования устройство становится неработоспособным. Еще одним недостатком является использование процессоров с одинаковым ПО и архитектурой, что не исключает наличие систематических ошибок в логике работы устройства. В данном патенте не рассматривается функционал ответственных входов.

Наиболее близким аналогом является система и способ обеспечения ответственных интерфейсных входов и выходов процессора железнодорожных сигналов для сигнализации и управления железной дорогой, выполненная с использованием диодов и транзисторов, при этом входной интерфейс предназначен для преобразования железнодорожного сигнала, например, от замкнутого контакта реле в многоразрядный последовательный цифровой сигнал, выдающий запрещающее состояние входного сигнала в случае любой неисправности в интерфейсе ввода, а выходной интерфейс предназначен для работы в режиме включения выходной мощности при отсутствии тока детектора проходящего через насыщающийся трансформатор, соединенного с выходной линией, которая обеспечивает рабочий ток для железнодорожного сигнала и управления устройствами, такими как реле машин и сигнальных ламп, и отключая реле безопасности, управляемое процессором при обнаружении сбоя при отсутствии тока детектора или в процессоре или в самой системе управления при отключении рабочей мощности от выходного интерфейса (см. патент US 4611291 с названием «Vital interface system for railway signalling)), МПК B61L 7/08, on. в 1986 году). Устройство по патенту №US4611291 является микропроцессорным устройством, но при этом вычисления осуществляются одним процессором. Такой подход не исключает систематические и случайные ошибки в логике устройства. Безопасность работы определения состояния реле обеспечивается кодированным сигналом, но при разомкнутом состоянии контакта реле нет возможности проверить работоспособность схемы, что может приводить к накоплению отказов и уменьшает готовность устройства в целом. В известном устройстве есть возможность управления обмотками реле путем открывания ключа напрямую, подавая напряжение питания на обмотки реле. Безопасность обеспечивается внедрением в схему питания блока контролирующего реле, которое позволяет обесточить схему в случае нарушения работы, как процессора, так и аналоговых элементов схемы. При подаче команды на включение реле ключ 56 (транзистор) открывается и остается открытым все время, пока подана команда. При пробое ключа 56 данный отказ не обнаруживается до смены команды, что приводит к накоплению отказов. При обнаружении отказа отключается реле 20, обесточивая все управляемые реле на всех каналах. Это понижает надежность и готовность устройства. Наличие реле 20 требует периодического обслуживания устройства. Так же нет гальванической развязки между выходными каналами.

Настоящее изобретение направлено на решение технической проблемы возможных систематических ошибок в программном обеспечении устройства, периодического обслуживания устройства, низкого коэффициента готовности устройства, накопление отказов при обрыве соединения с контролируемыми реле или выходе реле из строя как со стороны обмотки, так и со стороны контактов, и решает техническую задачу диверсификации ПО, безрелейной подачи питания на обмотку, горячего резервирования всех узлов устройства, гальванической развязки в управлении обмотками реле, контроль целостности реле и всех связей с устройством.

Решение поставленной технической задачи достигается за счет того, что релейный объектный контроллер для железнодорожной автоматики и телемеханики включает процессор обработки информации, выполненный с возможностью безопасного определения положения контактов реле с использованием кодированного сигнала процессора и безопасного управления обмотками реле, при этом он выполнен в виде модулей с независимыми каналами, снабжен безопасным модулем связи с дополнительными процессорами для диверсификации обработки информации, а также модулями безопасных входов и безопасных выходов с дополнительными процессорами для диверсификации обработки информации и независимыми входными и выходными каскадами, а также дополнительными модулями для горячего резервирования, при этом модуль безопасных входов выполнен с возможностью подключения нескольких групп контактов, а модуль безопасных выходов снабжен компараторами для контроля целостности обмотки управляемых реле.

А также достигается за счет того, что в способе безопасного определения состояния реле, включающем подачу напряжения на контакты реле, кодирование проходящего через контакты реле сигнала, декодирование сигнала в процессорном блоке и отправку полученных данных к внешнему устройству обработки информации, подачу напряжения на контакты реле осуществляют методом импульсного кодирования, при этом импульсы подают попеременно через тыловой и фронтовой контакты на отдельные входы дешифратора для тестирования работоспособности схемы подачи импульсов и целостности проводов, обеспечивающих прохождение импульсов, причем импульс также снимают со среднего контакта реле и подают в блок декодирования на вход дешифратора, а декодирование выполняют посредством двух процессоров для диверсификации данных, при этом декодированные данные от первого процессора подают ко второму процессору, а со второго процессора декодированные данные и данные от первого процессора в неизменном виде подают на внешнее устройство обработки данных.

А также тем, что в способе безопасного управления реле, включающем подачу напряжения на обмотки реле, тестирование работоспособности схемы и защитное отключение питания, импульсы с двух процессоров подают на блок отказоустойчивого компаратора, осуществляют сравнение, и в случае положительного результата сравнения передачу импульсов в блок формирования напряжения для управления обмоткой реле, при этом одновременно с помощью процессоров считывают сигналы с отказоустойчивого компаратора, свидетельствующие об исправности или неисправности работы процессоров и компаратора, причем оцифровывают и анализируют независимо каждым процессором для диверсификации данных и принятия решения о прекращении подачи импульсов, а в случае неисправности отключают реле.

А также тем, что в способе тестирования обмотки реле, включающем подачу напряжения на обмотки реле, тестирование нагрузки, с помощью процессора подают сигнал о кратковременном прекращении подачи питания на обмотку реле и инициируют возникновение отрицательного импульса в цепи питания для получения информации о наличии индуктивной нагрузки на выходе и исправной работе обмотки реле. Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображена структурная схема релейного объектного контроллера для железнодорожной автоматики и телемеханики. На фиг. 2 изображена периферийная плата безопасного управления обмотками реле. На фиг. 3 изображена схема контроля обмотки реле. На фиг. 4 изображена схема контроля контактов реле.

Релейный объектный контроллер для железнодорожной автоматики и телемеханики включает в себя изображенную на фиг. 1 структурную схему, имеющую корпус 1, в который установлены источники 2 вторичного электропитания, платы 3 концентраторов данных, периферийные платы 4, имеющие несколько исполнений, внутреннюю дублированную связь 5 между платами 3 концентраторов, обеспечивающую транспортировку сообщений от системы верхнего уровня (СВУ) по резервной схеме, шины 6 питания, отдельные для каждого резервного комплекта, линии 7 связи плат 3 концентраторов с платами 4 для обмена информацией, причем каждая плата 3 концентратора объединена с каждой платой 4, в том числе находящихся в другом резервном комплекте, линии 8 связи для обмена информацией между периферийными платами 4, работающими в режиме резерва. Управляемые обмотки реле и контакты реле подключают к платам 4.

Периферийные платы 4 могут быть выполнены в виде различных плат, например, изображенная на фиг. 2 функциональная схема безопасного управления обмотками реле включает в себя периферийную плату 9 безопасных выходов, в котором установлены микроконтроллер 10, имеющий в себе процессор 11, аналого-цифровой преобразователь 12 и устройство 13 вывода, микроконтроллер 14, имеющий в себе процессор 15, аналого-цифровой преобразователь 16 и устройство 17 вывода, отказоустойчивый компаратор 18, включающий в себя резистор 19, подключенный к устройству 13 одной стороной и к преобразователю 12, резистору 20 и аноду оптопары 21 другой стороной, резистор 22, подключенный к устройству 17 одной стороной и к преобразователю 16, резистору 20 и катоду оптопары 21 другой стороной. Резистор 23, подключенный к напряжению питания с одной стороны и к коллектору оптопары 21 и ко входу генератора 24 напряжения, для передачи импульсов с другой стороны. Выход генератора 24 подключен через изоляционный барьер 25 к обмотке реле.

На фигуре 3 изображена схема тестирования целостности подключения и целостности обмотки реле, которая включает в себя ключ 26, детектор 27 напряжения, ограничитель 28 напряжения и обмотку 29 реле.

На фиг. 4 изображена функциональная схема периферийной платы 4. Периферийная плата 4 выполнена в виде платы 30 безопасного контроля обмоток реле, в котором установлены микроконтроллер 31, микроконтроллер 32, управляющий блок 33, управляющий блок 34, безопасный блок 35 считывания положения контактов реле, безопасный блок 36 считывания управляющих сигналов, безопасный блок 37 считывания управляющих сигналов, изоляционный барьер 38, а также подключенные группы 39 контактов реле.

Объектный контроллер работает следующим образом: Источники 2 платы 3 концентраторов данных, периферийные платы 4, дублированная связь 5, шины 6 питания, линии 7 связи плат 3 концентраторов и плат 4, линии 8 связи между резервными периферийными платами 4 размещают таким образом, что временное отсутствие или неработоспособность любой части в схеме не нарушает работу устройства в целом, что повышает коэффициент готовности устройства. Например, если выходит из строя один из источников 2 питания или шина 6, то второй источник 2 питания продолжает обеспечивать работу резервного комплекта. В случае выхода из строя платы 3 концентратора данных - другая плата 3 концентратора полностью замещает его работу. Таким же образом ведут себя и периферийные платы 4.

Способ безопасного управления реле включает подачу импульсов на компараторы 18, измерение уровней напряжения преобразователями 12 и 16, анализ процессорами 11 и 15. Данные о положении реле подают от платы 3 концентратора в процессор 11 и процессор 15, после чего с процессора 11 генерируют импульсы с устройства 13, а с процессор 15 генерируют импульсы с устройства 17 в противофазе от процессора 11 до тех пор, В случае, если данные соответствуют положению реле «Фронт» (включено), импульсы генерируют непрерывно. В случае, если данные от платы 3 концентратора не поступают, или данные соответствуют положению «Тыл» (выключено) - с помощью процессора 11 и процессор 15 генерируют импульсы короткими пачками с паузами, достаточными для того, чтобы управляемое реле не включилось. Импульсы подают по цепочке на резисторы 19, 20, 22 и светодиод оптопары 21, далее в генератор 24, которые являются тактовыми импульсами для генератора 24 напряжения. Одновременно с помощью процессоров 11 и 15 анализируют поступающую информацию от преобразователя 12 и 16 соответственно. Если числовые данные от преобразователей 12 и 16 выходят за требуемые интервалы, то с помощью процессора, фиксирующего данное событие, прекращают генерировать импульсы, и таким образом отключают реле. Из этого следует, что выход из строя микроконтроллера 10, или микроконтроллера 14, или отказоустойчивого компаратора 18, или генератора 24 приведет к защитному отключению реле.

В плате 9 ответственных выходов имеется изоляционный барьер 25 между выходными каналами, что приводит к увеличению надежности устройства, так как при выходе из строя одного из генераторов 24 при внешнем воздействии остальные остаются работоспособными. Плата 9 имеет контроль работоспособности генератора 24, что исключает накопление отказов.

Способ тестирования обмотки реле включает подачу напряжения на обмотки реле. Тестирование нагрузки осуществляют следующим образом: при подаче напряжения от генератора 24 ключ 26 замыкают, тем самым подают напряжение на детектор 27 напряжения, ограничитель 28 напряжения и обмотку 29 реле. С помощью детектора 27 определяют наличие положительного напряжения на его выводах, сигнализируя о работоспособности генератора 24. Спустя определенное время, достаточное для намагничивания сердечника обмотки 29 реле, ключ 26 кратковременно размыкают. При этом с помощью ограничителя 28 напряжения ограничивают отрицательный выброс напряжения от обмотки 29 реле, а детектором 27 напряжения измеряют данный выброс. В случае неисправности обмотки 29 реле, или отсутствии подключения к ней, отрицательный выброс не происходит, что является сигналом неисправности. Данный метод используют при любом положении реле, поэтому исключается накопление отказов даже в отключенном состоянии реле.

Способ безопасного определения состояния реле включает в себя формирование управляющих импульсов, анализ импульсов на входах. Данный способ осуществляют следующим образом: с помощью микроконтроллера 31 формируют управляющие импульсы, которые передают в блок 33 и блок 34, которые подключены к фронтовым и тыловым контактам реле. Сигнал от блока 33 подают на все фронтовые контакты всех групп 39 контактов реле последовательно, и только после этого подают его в блок 36, а сигнал от блока 34 подают на все тыловые контакты всех групп 39 реле последовательно, и только после этого подают его в блок 37 контроля. Таким образом любой обрыв в данных линиях детектируют блоком 36 и блоком 37. В случае короткого замыкания импульсы от блоков 33 и 34 складывают по схеме монтажного «ИЛИ» и в измененном виде подают в блок 36 и блок 37 одновременно. Импульсы от блока 36 и блока 37 подают в микроконтроллер 31 и микроконтроллер 32 независимо, и обеспечивают принятие решения о работе данных узлов, целостности связей, а также наличия короткого замыкания между линиями каждому микроконтроллеру. Кроме этого импульсы от блока 33 и блока 34 подают в блоки 35 контроля положения контактов, причем в случае, если контакт находится в положении «Тыл» - импульсы подают от блока 34, в случае положения «Фронт» - импульсы подают от блока 33. В случае обрыва связи импульсы в блок 35 не подают. От блока 35 импульсы подают в микроконтроллер 31 и микроконтроллер 32 независимо, обеспечивая определение положения контактов в контактных группах 39 реле каждому микроконтроллеру самостоятельно. Приказ от платы 3 концентратора данных подают в микроконтроллер 31 и микроконтроллер 32 и формируют посылку в плату 3 о положении контактов на основании информации о положении контактов групп 39 реле, хранящейся в каждом микроконтроллере независимо. Посылка считается верной только в том случае, если информация от микроконтроллера 31 и микроконтроллера 32 совпадает.

В объектном контроллере использована диверсифицированная архитектура с двумя микроконтроллерами на плате. В платах 9 безопасных выходов установлены микроконтроллеры 10 и 14. В платах 30 безопасных входов установлены микроконтроллеры 31 и 32. Программное обеспечение написано на двух разных языках программирования двумя программистами. Такая диверсифицированная архитектура позволяет решить проблему систематических ошибок. В контроллере использована схема, обеспечивающая самоконтроль при любом положении контактов, что исключает накопление отказов, что позволяет повысить готовность устройства. Контроллер использует схему, при которой управление реле осуществляют по независимым каналам, то есть при выходе из строя схемы одного канала, остальные остаются работоспособными. Кроме того, происходит самодиагностика каждого из каналов, что позволяет исключить накопление отказов. Так же в контроллере имеется гальваническая развязка каждого канала, которая позволяет исключить воздействия внешних фактором на работу схем.

Использование релейного объектного контроллера ответственных релейных выходов и входов системы микропроцессорной централизации на станциях и перегонах железных дорог обеспечивает:

- горячее резервирование;

- контроль наличия и исправности плат;

- снятие состояний тройников реле;

- управление обмотками реле;

- контроль наличия обмоток реле.

Таким образом, технический результат, достигаемый с использованием заявленного изобретения, заключается в следующем:

- исключение систематических и случайных ошибок в программном обеспечении устройства,

- отсутствие периодического обслуживания устройства,

- повышение коэффициента готовности устройства,

- исключение накопления отказов при обрыве соединения с контролируемыми реле или выходе реле из строя как со стороны обмотки, так и со стороны контактов.

Изобретение относится к области железнодорожной автоматики и телемеханики. Релейный объектный контроллер включает процессор обработки информации, выполненный с возможностью безопасного определения положения контактов реле с использованием кодированного сигнала процессора и безопасного управления обмотками реле, при этом он выполнен в виде модулей с независимыми каналами, снабжен безопасным модулем связи с дополнительными процессорами для диверсификации обработки информации, а также модулями безопасных входов и безопасных выходов с дополнительными процессорами для диверсификации обработки информации и независимыми входными и выходными каскадами, а также дополнительными модулями для горячего резервирования, при этом модуль безопасных входов выполнен с возможностью подключения нескольких групп контактов, а модуль безопасных выходов снабжен компараторами для контроля целостности обмотки управляемых реле. Устройство позволяет реализовать безопасное определение состояния реле, безопасное управления реле и тестирование обмотки реле. Достигается повышение надежности устройства. 4 н.п. ф-лы, 4 ил.

1. Релейный объектный контроллер для железнодорожной автоматики и телемеханики, включающий процессор обработки информации, выполненный с возможностью безопасного определения положения контактов реле с использованием кодированного сигнала процессора и безопасного управления обмотками реле, отличающийся тем, что он выполнен в виде модулей с независимыми каналами, снабжен безопасным модулем связи с дополнительными процессорами для диверсификации обработки информации, а также модулями безопасных входов и безопасных выходов с дополнительными процессорами для диверсификации обработки информации и независимыми входными и выходными каскадами, а также дополнительными модулями для горячего резервирования, при этом модуль безопасных входов выполнен с возможностью подключения нескольких групп контактов, а модуль безопасных выходов снабжен компараторами для контроля целостности обмотки управляемых реле.

2. Способ безопасного определения состояния реле, включающий подачу напряжения на контакты реле, кодирование проходящего через контакты реле сигнала, декодирование сигнала в процессорном блоке и отправку полученных данных к внешнему устройству обработки информации, отличающийся тем, что подачу напряжения на контакты реле осуществляют методом импульсного кодирования, при этом импульсы подают попеременно через тыловой и фронтовой контакты на отдельные входы дешифратора для тестирования работоспособности схемы подачи импульсов и целостности проводов, обеспечивающих прохождение импульсов, причем импульс также снимают со среднего контакта реле и подают в блок декодирования на вход дешифратора, а декодирование выполняют посредством двух процессоров для диверсификации данных, при этом декодированные данные от первого процессора подают ко второму процессору, а со второго процессора декодированные данные и данные от первого процессора в неизменном виде подают на внешнее устройство обработки данных.

3. Способ безопасного управления реле, включающий подачу напряжения на обмотки реле, тестирование работоспособности схемы и защитное отключение питания, отличающийся тем, что импульсы с двух процессоров подают на блок отказоустойчивого компаратора, осуществляют сравнение, и в случае положительного результата сравнения передачу импульсов в блок формирования напряжения для управления обмоткой реле, при этом одновременно с помощью процессоров считывают сигналы с отказоустойчивого компаратора, свидетельствующие об исправности или неисправности работы процессоров и компаратора, причем оцифровывают и анализируют независимо каждым процессором для диверсификации данных и принятия решения о прекращении подачи импульсов, а в случае неисправности отключают реле.

4. Способ тестирования обмотки реле, включающий подачу напряжения на обмотки реле, тестирование нагрузки, отличающийся тем, что с помощью процессора подают сигнал о кратковременном прекращении подачи питания на обмотку реле и инициируют возникновение отрицательного импульса в цепи питания для получения информации о наличии индуктивной нагрузки на выходе и исправной работе обмотки реле.