МОДУЛЬ УПРАВЛЕНИЯ ОБМОТКАМИ РЕЛЕ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ АВТОМАТИКИ И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ОБМОТКАМИ РЕЛЕ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ АВТОМАТИКИ Российский патент 2021 года по МПК B61L7/08 G01R31/26 

Изобретение относится к железнодорожной автоматике, а именно способам и устройствам управления реле железнодорожной автоматики, и может быть использована на железнодорожных станциях для управления реле железнодорожной автоматики.

Из уровня техники известно устройство для включения исполнительных устройств систем железнодорожной автоматики и телемеханики, содержащее усилитель, к выходам которого подключена первичная обмотка трансформатора, вторичная обмотка которого через диод подключена к конденсатору, генератор импульсов, выход которого подключен к входу усилителя, отличающееся тем, что в него введены два преобразователя импульсных сигналов в постоянное напряжение, выходы которых подключены соответственно к входу генератора импульсов и к второму входу усилителя. (см. патент на полезную модель РФ № 114017, кл. B61L 19/00, опубл. 2012 г.) Устройство для включения исполнительных устройств систем железнодорожной автоматики и телемеханики отличается тем, что преобразователи импульсных сигналов в постоянное напряжение содержат оптопару, состоящую из светодиода и фототранзистора, биполярный транзистор, два диода, два конденсатора, четыре резистора и два источника электропитания, вход преобразователя импульсных сигналов в постоянное напряжение подключен к катоду светодиода, анод которого через первый резистор подключен к положительному полюсу первого источника электропитания, база биполярного транзистора подключена к коллектору фототранзистора, база фототранзистора через второй резистор подключена к его эмиттеру, который через третий резистор подключен к общему полюсу первого и второго источников электропитания, который через четвертый резистор подключен к коллектору биполярного транзистора, коллектор фототранзистора через пятый резистор подключен к положительному полюсу второго источника электропитания, который подключен к эмиттеру биполярного транзистора, к аноду первого диода и через первый конденсатор - к выходу преобразователя импульсных сигналов в постоянное напряжение, который подключен к катоду второго диода, анод которого подключен к катоду первого диода, а через второй конденсатор - к коллектору биполярного транзистора. Такая конструкция недостаточна оперативна для безопасного управления обмотками реле железнодорожной автоматики.

Известны 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 US4611291 с названием «Vital interface system for railway signalling», МПК B61L7/08, опубл. 1986 г.). 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.

Наиболее близким аналогом является 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, 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 (см. патент РФ № 2679754, МПК B61L 7/08 (2006.01), опубл. 2019 г.). Это устройство выполнено с функциональной избыточностью. Оно направлено на проведение опроса состояния контактов безопасных реле, определение наличия обмотки реле в линии, а также реализацию функции горячего резервирования, что, в свою очередь приводит к необходимости программирования устройства, усложнению реализации и удорожанию устройства.

Настоящее изобретение направлено на решение технической проблемы упрощения реализации безопасного управления обмотками реле железнодорожной автоматики.

И решает техническую задачу безопасного управления обмотками реле железнодорожной автоматики.

Решение поставленной технической задачи достигается за счет применения типовых схем компаратора и преобразователя напряжения без применения процессоров, а также программно-адаптируемых модулей, блоков опроса состояния контактов реле и функции проверки наличия обмоток реле.

Для достижения поставленной технической задачи модуль управления обмотками реле железнодорожной автоматики, выполненный с возможностью безопасного определения положения контактов реле с использованием кодированного сигнала процессора и безопасного управления обмотками реле и содержащий компараторы для контроля целостности обмотки управляемых реле, снабжён четырьмя гальванически развязанными преобразователями входного постоянного напряжения в выходное постоянное напряжение с возможностью управления четырьмя безопасными компараторами, причем безопасные компараторы выполнены с возможностью получения управляющего сигнала через адресный декодер и кодер контрольного слова.

А также благодаря тому, что в способе управления обмотками реле железнодорожной автоматики, включающем безопасное определение положения контактов реле с использованием кодированного сигнала внешнего управляющего модуля и безопасное управление обмотками реле, предусматривается безопасное определение положения контактов реле путём обеспечения постоянного напряжения на четырёх гальванически развязанных выходах преобразователей напряжения и путём двойного преобразования постоянного входного напряжения в постоянное выходное напряжение, причём безопасное определение положения контактов реле осуществляют в зависимости от поступающего на вход преобразователя напряжения сигнала, вырабатываемого безопасным компаратором из сигнала, выдаваемого адресным декодером, и проверки корректности сигнала, посредством кодирования сигнала, выдаваемого адресным декодером при помощи кодера контрольного слова, внешним управляющим модулем.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображена функциональная схема модуля управления обмотками реле железнодорожной автоматики. На фиг. 2 изображена функциональная схема безопасного компаратора. На фиг. 3 изображена принципиальная схема безопасного компаратора. На фиг. 4 изображена диаграмма срабатывания узлов безопасного компаратора. На фиг. 5 изображена принципиальная схема преобразователя напряжения.

Функционально модуль управления обмотками реле железнодорожной автоматики представляет собой схему, изображенную на фиг. 1. Модуль включает гальванически развязанные выходы 1₁, 1₂, 1₃ и 1₄ преобразователей 2₁, 2₂, 2₃ и 2₄ напряжения, зависящих от адресных данных, поступающих от внешнего управляющего модуля на адресный декодер 3. Выходной сигнал безопасного компаратора 4₁, 4₂, 4₃ и 4₄ является сигналом для возбуждения работы преобразователя 2₁, 2₂, 2₃ и 2₄ напряжения, а входной сигнал безопасного компаратора 4₁, 4₂, 4₃ и 4₄ является сигнал, от выхода адресного декодера 3. Кодер 5 контрольного слова предназначен для обеспечения безопасности модуля управления обмотками реле железнодорожной автоматики, предназначенный для выдачи во внешний управляющий модуль информации о данных, полученных адресным декодером 3.

Логический блок 6 проверки настроек связан с декодером 7. Логический блок 8 проверки настроек, входящий в состав кодера 5 контрольного слова, предназначен для выполнения функций, аналогичных логическому блоку 6 проверки настроек, входящему в состав адресного декодера 3. Логический блок 8 своим выходом связан со входом кодера 9. Кодер 9 своим выходом связан со входом генератора 10 контрольного слова.

Компаратор 4₁, 4₂, 4₃ и 4₄ состоит из моностабильных и бистабильных мультивибраторов 11, 12, 13, 14, 15, 16 и 17, представленных на фиг. 2. Принципиальное исполнение безопасного компаратора 4₁, 4₂, 4₃ и 4₄ показано на фиг.3 на примере компаратора 4₁. Безопасные компараторы 4₂, 4₃ и 4₄ выполнены аналогичным образом. Мультивибратор 11 состоит из схемы с транзисторами 19 и 20. Мультивибратор 12 состоит из схемы с транзисторами 21 и 22. Мультивибратор 13 состоит из схемы с конденсатором 23 и резистором 24. Мультивибратор 14 состоит из схемы с конденсатором 25 и резистором 26. Мультивибратор 15 состоит из схемы с транзисторами 27 и 28. Мультивибратор 16 состоит из схемы с транзисторами 29 и 30. Мультивибратор 17 состоит из схемы с транзисторами 31 и 32. Входы компаратора 33 и 34 предназначены для запуска работы безопасного компаратора 4₁, 4₂, 4₃ и 4₄.

Транзистор 21 в открытом состоянии предназначен для питания транзистора 27 через конденсатор 35. Транзистор 36 в открытом состоянии нужен для притягивания на базу транзистора 27 положительного потенциала. Конденсатор 37 и диод 38 являются частью системы взаимодействия мультивибраторов 13 и 15 и предназначены для открытия транзистора 39, а транзистор 40 служит для переключения состояния мультивибратора 11. Конденсатор 41, расположенный между мультивибраторами 14 и 16, предназначен для включения мультивибратора 14. Таймер 42, предназначенный для удерживания выхода в выключенном состоянии во время включения питания, включает транзистор 43, резистор 44 и конденсатор 45.

Изображенная на фиг. 5 принципиальная схема преобразователя 2₁ напряжения включает диод 47, конденсатор 48 накачки, транзистор 49 резистор 50, трансформатор 51, затвор 52, диоды 53 и 54 и конденсатор 55.

Модуль управления обмотками реле железнодорожной автоматики используют следующим образом. При подаче на выходы 1₁, 1₂, 1₃ и 1₄ постоянного напряжения от 12 до 60 В, генерируемого преобразователями 2₁, 2₂, 2₃ и 2₄ напряжения, в зависимости от адресных данных, поступающих от внешнего управляющего модуля на адресный декодер 3. Сигналом, возбуждающим работу преобразователя 2₁, 2₂, 2₃ и 2₄ напряжения является выходной сигнал безопасного компаратора 4₁, 4₂, 4₃ и 4₄, входным сигналом которого в свою очередь является сигнал, поступающий с выхода адресного декодера 3. Для обеспечения безопасности модуля управления обмотками реле железнодорожной автоматики предусмотрен кодер 5 контрольного слова, выдающий во внешний управляющий модуль информацию о данных, полученных адресным декодером 3.

В случае, если состав данных, передаваемых во внешний управляющий модуль не соответствуют данным, передаваемым на вход адресного декодера 3, или данные выдаются не в рамках заданных временных интервалов, внешний управляющий модуль прекращает выдачу данных на вход адресного декодера 3.

Адресный декодер 3 получает по шине адреса ADD(7:0) последовательность четырёх младших бит адреса, а также производит опрос настроечных ключей, расположенных на объединительной плате по шине POSR(2:0) и ключей, расположенных на переднем разъёме по шине POSF(2:0). Данную процедуру выполняет логический блок 6 проверки настроек. В случае соответствия настроек сигнал с выхода блока 6 проверки настроек поступает на вход декодера 7 (4/16 бит). В случае несовпадения настроек сигнал с выхода блока 6 проверки настроек на вход декодера 7 не поступает.

Логический блок 8 проверки настроек, входящий в состав кодера 5 контрольного слова выполняет функции, аналогичные логическому блоку 6 проверки настроек, входящему в состав адресного декодера 3. В случае совпадения данных о настройках на объединительной плате, поступающих по шине POSR(5:3) на вход X логического блока 8 проверок настроек с данными о настройках на переднем разъёме, поступающих по шине POSF(5:3) на вход Y логического блока 8 проверок настроек, сигнал с его выхода X=Y поступает на вход EN кодера 9 (16/4 бит). На вход генератора 10 контрольного слова по шине А поступает четырёхбитный сигнал с кодера 9 (А(3:0)), двухбитный сигнал NR(1:0) с переднего разъёма, определяющий номер модуля в контроллере, а также пятибитный сигнал BoardID, определяющий тип модуля. Генератор 10 контрольного слова, исходя из информации, поступающей на его вход по шине А, формирует на выходе D контрольное слово и передаёт его по шине CON(7:0) в управляющий модуль для сравнения с данными, переданными в модуль управления обмотками реле. В случае расхождения данных, переданных в модуль управления обмотками реле по шине ADD(7:0) и полученными от него по шине CON(7:0), внешний управляющий модуль прекращает генерацию бит адреса и передачу их в шину ADD(7:0). Таким образом реализуется схема накачки.

С выхода декодера 7 адресного декодера 3 сигнал поступает на входы А-В одного из четырёх безопасных компараторов 4₁, 4₂, 4₃ и 4₄. Для старта генерации импульсного напряжения на выходе безопасного компаратора 4₁, 4₂, 4₃ и 4₄ необходимо получение на вход корректной последовательности четырёх импульсов (А-В-А-В).

Работа представленных на фиг. 2 моностабильных и бистабильных мультивибраторов 11, 12, 13, 14, 15, 16 и 17 безопасных компараторов 4₁, 4₂, 4₃ и 4₄ раскрыта на фиг. 3. При корректном чередовании импульсов на входах 33 и 34, мультивибратор 11 и мультивибратор 12 срабатывают попеременно. Если последовательность импульсов прекращается, они переходят в стабильное состояние через 11 мс. Запуск мультивибратора 15 требует включения мультивибратора 12 и выключения мультивибратора 11 (состояние II на фиг. 4). При выключенном мультивибраторе 11 транзистор 21 открыт и питает транзистор 27 через конденсатор 35. Это заставляет мультивибратор 15 выключаться. Автоматическое выключение мультивибратора 12 сбрасывает мультивибратор 15. Транзистор 36 открывается и притягивает на базу транзистора 27 положительный потенциал. Что приводит к выключению мультивибратора 15.

Выключение мультивибратора 15 запускает мультивибратор 13, который остается включенным в течение 6,6 мс (состояние IV на фиг. 4). В течение времени, когда мультивибратор 15 был включен, конденсатор 37 был заряжен. Когда мультивибратор 15 выключается, заряд проходит через диод 38 к конденсатору 23. Затем напряжение на конденсаторе 23 поднимается примерно до 10 В. Конденсатор 23 разряжается через резистор 24, и через 6,6 мс напряжение на нём падает до обычного уровня примерно 0,6 В, а транзистор 39 открывается.

Включение мультивибратора 16 требует включения мультивибратора 13 и выключения мультивибратора 11 (состояние V на фиг. 4). Когда мультивибратор 13 включен, транзистор 39 закрыт. Когда мультивибратор 11 выключается, транзистор 40 открывается. Когда мультивибратор 13 автоматически отключается, транзистор 39 открывается и поднимает потенциал базы транзистора 29. Когда мультивибратор 13 автоматически отключается, он переключает мультивибратор 16. Транзистор 39 открывается и поднимает потенциал базы транзистора 29.

Когда мультивибратор 16 выключается, то включается мультивибратор 14, который остается включенным в течение 6,6 мс (состояние VII на фиг. 4). Заряд перемещается с конденсатора 41 на конденсатор 25. Включение мультивибратора 17 требует включения мультивибратора 14 и выключения мультивибратор 12 (состояние VIII на фиг. 4). Когда мультивибратор 14 автоматически отключается, он переключает мультивибратор 17. Транзистор 43, резистор 44 и конденсатор 45, представляющие собой схему таймера 42, предназначены для удерживания выхода в выключенном состоянии во время включения питания, чтобы избежать ложных импульсов на выходе во время этой фазы. Цепь отключается сама по истечении времени задержки и не влияет на нормальную работу.

Безопасный компаратор 4₁ выдаёт импульсное напряжение на выход до тех пор, пока на вход 33 и 34 будет поступать последовательность - 33-34-33-34-. Требования к импульсам, поступающим на вход 33-34лож следующие:

- Телеграммы входов 33 и 34 должны поступать попеременно;

- Импульсы входов 33 и 34 должны иметь следующие временные параметры:

Период между импульсами входов 33-33 и 34-34 – 6.9 мс < t < 11.3 мс

Период между импульсами входов 33-34 и 34-33 - 3,45 мс < t < 5,65 мс

Длительность одной телеграммы 2 мкс < t < 3 мс.

Сигнал с выхода безопасного компаратора 4₁ подают на вход преобразователя напряжения 2₁, открывая диод 47 и заряжая конденсатор 48 накачки. Транзистор 49 обеспечивает быструю зарядку конденсатора 48 накачки при низком напряжении (-12 В). Частота колебаний определяется сопротивлением резистора 50, индуктивностью трансформатора 51 и ёмкостью затвора 52 (см. фиг. 5).

Переменный сигнал подают на затвор 52, который работает как коммутатор внешнего постоянного напряжения. Внешнее напряжение, коммутируемое затвором 52, передают через трансформатор 51 и через выпрямитель, собранный на диодах 53 и 54, а также конденсатор 55, на выход 1₁ (см. фиг. 5).

Работа преобразователей 2₂, 2₃ и 2₄ напряжения происходит аналогичным образом.

Безопасным считается состояние выходов «деактивироваными», это означает, что напряжение на выходы 1₁ - 1₄ модуля управления обмотками реле железнодорожной автоматики не выдаётся.

Безопасность достигается методом внешнего контроля, а также безопасной внутренней архитектурой. Адресный декодер 3 и кодер 5 контрольного слова построены по принципу контролируемой аппаратной части. Безопасные компараторы 4₁ - 4₄ и преобразователи напряжения 2₁ - 2₄ построены на базе безопасной внутренней архитектуры.

Следствием ошибок адресного декодера 3 и кодера 5 контрольного слова будет то, что контрольное слово, передаваемое во внешний управляющий модуль, как ответ на последовательность импульсов накачки будет неверным, после чего накачка адресов в адрес рассматриваемого модуля прекращается и все выходы деактивируются.

Результатом неисправности компонентов безопасного компаратора 4₁ - 4₄ будет деактивация выхода вследствие безопасной внутренней архитектуры.

В связи с допускаемой крайне редкой активацией выходов модуля управления обмотками реле железнодорожной автоматики, анализ безопасности контролируемого аппаратного устройства показывает необходимость постоянного мониторинга выполнения функции безопасности. Это реализуется при помощи проведения теста контрольного слова каждый час.

Технический результат, достигаемый с использованием данного изобретения без реализации возможности определения положения контактов реле контроля целостности обмотки, заключается в:

- повышении безопасности схем управления за счёт использования двойного преобразования входного постоянного напряжения в выходное постоянное напряжение при помощи преобразователя напряжения, безопасного компаратора и кодера контрольного слова, передающего проверочное слово во внешний управляющий модуль;

- исключении функциональной избыточности модуля управления обмотками реле железнодорожной автоматики за счёт отказа от применения процессоров, программируемых компонентов, а также исключения функции опроса состояния контактов реле и функции определения наличия обмотки реле;

- достижении результата повышения безопасности более простыми и надёжными средствами.

Изобретение относится к средствам управления обмотками реле железнодорожной автоматики. Техническое решение представляет собой модуль управления обмотками реле железнодорожной автоматики, выполненный с возможностью безопасного определения положения контактов реле с использованием кодированного сигнала внешнего управляющего модуля и безопасного управления обмотками реле, содержащий компараторы для контроля целостности обмотки управляемых реле, при этом модуль снабжён четырьмя гальванически развязанными преобразователями входного постоянного напряжения в выходное постоянное напряжение с возможностью управления четырьмя безопасными компараторами, причем безопасные компараторы выполнены с возможностью получения управляющего сигнала через адресный декодер и кодер контрольного слова. Достигается возможность реализовать управление обмотками реле железнодорожной автоматики без определения положения контактов реле контроля целостности обмотки с повышением безопасность схем управления. 2 н.п. ф-лы, 5 ил.

1. Модуль управления обмотками реле железнодорожной автоматики, выполненный с возможностью безопасного определения положения контактов реле с использованием кодированного сигнала внешнего управляющего модуля и безопасного управления обмотками реле и содержащий компараторы для контроля целостности обмотки управляемых реле, отличающийся тем, что он снабжён четырьмя гальванически развязанными преобразователями входного постоянного напряжения в выходное постоянное напряжение с возможностью управления четырьмя безопасными компараторами, причем безопасные компараторы выполнены с возможностью получения управляющего сигнала через адресный декодер и кодер контрольного слова.

2. Способ управления обмотками реле железнодорожной автоматики, включающий безопасное определение положения контактов реле с использованием кодированного сигнала внешнего управляющего модуля и безопасное управление обмотками реле, отличающийся тем, что предусматривает безопасное определение положения контактов реле путём обеспечения постоянного напряжения на четырёх гальванически развязанных выходах преобразователей напряжения и путём двойного преобразования постоянного входного напряжения в постоянное выходное напряжение, причём безопасное определение положения контактов реле осуществляют в зависимости от поступающего на вход преобразователя напряжения сигнала, вырабатываемого безопасным компаратором из сигнала, выдаваемого адресным декодером, и проверки корректности сигнала, посредством кодирования сигнала, выдаваемого адресным декодером при помощи кодера контрольного слова, внешним управляющим модулем.