Многоканальное резервированное аналоговое устройство Советский патент 1983 года по МПК H05K10/00 H03K19/23 

Изобретение относится к области автоматики, приборостроения и системам автоматического управления движущимися объектами и может быть использовано для построения многократно резервированных систем управления повышенной надежности и точности.

Известно многоканальное резервированное аналоговое устройство, содержащее усилители и диодно-функциональныё преобразователи, объединенные в Грулпы соответственно числу источников входных сигналов в каждой группе, первые входы диодно-функциональных преобразователей в каждой группе соединены с одноименным источником входного сигнала, вторые входы с первым выходом соответствующего усилителя, а выходы - с входом соответствуихцего усилителя, второй выход которого соединен с соответствующей нагрузкой.

Устройство включает в себя четыре варианта схем включения усилителей, Каждый из которых содержит резисто ы и дифференциальный операционный усилитель, выходы которых непосредственно соединены с соответствующим йыходом устройства и нагрузкой 1. Применение в каждом канале опера.Ьионного усилителя в единственном рисле без дополнительных конструк1ГИВНЫХ элементов снижает Нсщежность устройства, Во-первых, пш1. активном Отказе операционного усиЖтеля на pro выходе скачком-формируется напряжение максимального уровня, которое беспрепятственно проходит на выход устройства и далее в цепь управления, создавая тем самым предпосылки к аварийной ситуации в системе; во-вторых, появление паразитного внешнего потенциала на выходе усилителя приводит к отказу операционного усилителя..

Кроме того, приведенныеварианты схем включения усилителей влияютна качественные характеристики известного устройства: снижается точность и сужается динамический диапазон выходной характеристики. ,

Наиболее близким по техническим характеристикам к изобретению является многоканальное резервированное .аналоговоеустройство контроля и управления, содержащее (П+1) резервированных аналоговых блоков, (п +1) сигиализаторов напряжения и ( ) комMytaTOpoB, причем выход каждого из п резервируемых каналов подключен к первому входу одноименного сигнализатора напряжения и к первому входу одноименного коммутатора, первый вход которого соединен с соотвехст-. вующим входом казадого из п резервированных аналрговых блоков, выход которого подключен к второму входу соответствующего сигнализатора напряжения и второму входу соответствующего коммутатора, второй выход которого соединен с сигнальным выходом устройства и соответствующим входом (h +1)-го резервированного аналогового блока, первый выход которого соединен с первым входом одноименного сигнализатора напряжения и с входом одноименного коммутатора, выход

I которого подключен к дополнительному

iвходу ( п+1)-го резервированного аналогового блока, второй вход (п+1)го сигнализатора напряжения подключен к второму выходу ( п+1)-го резер вированного аналогового блока, выход каждого сигнализатора, напряжения соединен с управляющим входом соответствующего коммутатора и с соответствующим контрольным выходом -устройства. Устройство осуществляет замеЩе- ние неисправного резервируемого канала ( п +1)-ым резервированным .аналоговым блоком. Это замещение происходит по команде .Отказ , поступающей в виде напряжения логической 1 с выходов сигнализаторов напряжения на управляющие входы соответствующих коммутаторов и одновремен.но в систему контроля ббъекта для формирования ею йоманды Полный отказ устройства и его отключения 2

К недостаткам устройства следует отнести усложнение схемы,вызванное: использованием (п+1)-го резервированного аналогового блока в состав которого входит N (где N :j 3) операционных усилителей, зарезервированных по входам и выходам, наличие (Г|+1)-го/сигнализатора напряжения и (п+1)-го коммутатора; снижение коэффициента передачи в канале при замещении; ограниченное з.начение уровня паразитного внешнего потенциала на выходе устройства из-за необходимости использования низкоомиых развязывающих резисторов между выходами резервируемых операционных усилителей в резервированном аналоговом блоке; отсутствие сигнализации об обрыве входной линии связи с ВЫХОД.ОМ резервируемого канала; отсутствие в устройстве блока логической обработки сигналов, поступающих с выходов сигнализаторов напряжения.

Перечисленные недостатки сн-ижают надежность и универсальность применения устройства..

Цель изобретения - повышение надежности устройства.

Поставленная цель достигается:тем

что в многоканальное резервированное аналоговое устройство, содержащее по числу каналов резервированные аналоговые блоки, сигнализаторы напряже. ния и )оммутаторы, в каждый канал

; введены нагрузочный, ограничительный и балансный резисторы, элемент ИЛИ, блок формирования сигнала полного отказа, в каждом резервированном аналоговом блоке усилительный каскад выполнен на дифференциальном операционном усилителе, выход каждого канала подключен к первому входу одноименного сигнализатора напряжения, к одному выводу нагрузочного резистора, друго вывод которого соединен с общей нулевой шиной источников питания и присо единен к соответствующему входу резервированного аналогового блока, вы ход которого через балансный резистор подключен к инверсному входу диффере циального операционного усилителя и непосредственно к второму и первому входам соответствующих сигнализатора напряжения и коммутатора, выход каждого коммутатора через ограничительный резистор соединен с соответствующим выходом устройства, а второй вход коммутатора подключен к выходу после дующего коммутатора, выходы сигналазаторов напряжения подключены к первым входам соответствующих элемен-. тов ИЛИ, к сигнальным выходам устройства и к входам.блока .формирования сигнала полного отказа, выход которого соединен с командным выходом устройства и с вторыми вхоДаМи элементов ИЛИ, выходы которых подключены к управляющим входам соответ ствующих коммутаторов ,. На чертеже представлена блок-схег ма многоканального резервированного аналогового устройства. . ч Предлагаемое устройство в каждом канале содержит резервированный аналоговый блок 1, состоящий из п диодно-функдиональных преобразователей 2 и усилительного каскада 3, выполненного на дифференциальном операционном усилителе 4., балансный резистор 5, сигнализатор 6 напряжения с двумя входами (первый 7, второй 8) и одним выходом 9 г коммутатор 10 с двумя входами; первый И, второй 12, управляющим входом и одним выходом 13; элемент ИЛИ 14 с двумя входами: первый 15, второй 16 и одним выходЪм нагрузочный резистор 17, огранили-тельный резистор 18, источник 1& биполярного напряжения со средней точкой. в состав устройства также входит блок 20 Формирования сигнала полного отказа, выход 21 канала, выход 2} устройства, сигнальный выход 23, командный выход 24 устройства, элементы И 25-27 и ИЛИ 28 блока 20 и реэисторы 29 .и диоды 30 преобразователей 2 Выход 21 каждого канала подключен к первому входу 7 одноименного сигнализатора б, к одному выводу нагрузочного резистора 17., другой вьавод которого соединен с общей нулевой шиной источников 19 питания, и к соответствующему входу резервированного аналогового блока 1, выход которого через балансный резистор 5 подключен к ниверсному входу дифференциального операционного усилителя 4 и непосредственно к второму 8 и п&рвому 11 входам соответствующих сигнализатора 6 напряжения и коммутатора 10. Выход 13 каядчого коммутатора 10 через ограничительный резистор 18 соединен с соответсвующим вьосодом 22 устройства, а второй вход 12 коммутатора 10 подключен к выходу 13 последующего KONDHyTaTopa 10. Выходы 9 сигнализаторов б напряжения подключены к первым входам 15 соответствующих элементов ИЛИ 14, к сигнальным выходам 23 устройства и к входам блока 20 формирования сигнала полного отказа, выход которого соединен с командным выходом 24 устройства и с вторыми входами 16 элементов ИЛИ 14, выходы которых подключены к управляющим входам соответствующих коммутаторов. Принцип работы устройства состоит в следующем.Каждый резервированный аналоговый .блок 1 осуществляет выбор непрерывного аналогового сигнала, равного среднему арифметиче.скому из п входных сигналов резервируемых каналов информации, отличающийся от осредненного выходного напряжения на величину, не превышающую .заданный порог отсечки EQ, Указанный метод выбора носит название выборочного среднего .или голосования по большинству, когда большее число исправных каналов в системе (n-fn) нейтрализует, воздействие меньшего числа неисправных каналов , . гарантируя тем самым на выходе резервированного аналогового блока наличие достоверного сигнала результата сравнения с заданной погрешностью, Резерв ированный аналоговый блок 1 реализует на выходе передаточную функцию, определяемую выражением: при т о . «n-m pч -y ll o при m т И) де п - требуемое количество резерируемых каналов (нечетное и более-2) Значение п определяется выраженим:1 &(Ч) где и (Ч) - заданное значение среднеквадратической погрешнос ги -резервируемого i -го ка нала; - заданное значение результирукадей среднеквадратической погрешности резервируемой системы. Из выражения (2) следует, что резервирование каналов позволяет получить На выходе -резервированного аналогового блока 1 результирующий сигнал с большей точностью, чем у одного канала, которая улучшается с увеличением общего числа п резервируемых каналов. af - диапазон погрешности системы При нормальном законе распределения погрешностей в системе, представ ляющей собой в динамическом отношении фильтр низких частот с большими постоянными времени запаздывания, диапазон погрешности системы определяется выражением ъб( d( m - планируемое (допустимое) количество неисправных каналов информации Это количество не должно превышать значения . При наличии m неисправных каналов (отказов) происходит .увеличение диапазона погрешностей из-за уменьшения числа осредняемых сигналов и возрастания c.y 1мapнoй методической погрешности, вносимой каждвгм неисправным каналом. При этом результирующий диапазон погрешностей системы не превышает заданного значения. m.p- количество неисправных каналов, при котором диапазон погрешности системы достигает значения выше допустимого, равного в среднем диапазону погрешностей одного канала. Это количество определяется выражеrpj p п/2.(4) для схем, где гальваническое отключение каналов при отказах, .как в данном устройстве, .не производится, „(/)- -среднее арифметическое из п входных сигналов значение вы ходного напряжения резервированного аналогового блока N. - текущее значение выходного н пряжения i-ому резервируемом канала; у - суммарное значение абсолютно ошибки, вызванной m отказами резервируемых п каналов; %о допустимое значение абсолютной разнрсти.между выходным напряжением i-ro резервируем го канала и средним арифмети ческим значением напряжения на выходе резервированного аналогового.блока 1, иначе порог отсечки. Для контроля за исправным состоянием i-ro резервируемого канала в каждом канале используется сигнализатор б напряжения, представлякнций собой пороговое устройство с однополярным сигналом на выходе, реагирующее на превышение абсолютным значением разности напряжений между текущим значением выходного сигнала -i -го резервируемого канала и осредненным выходным сигналом одноименного резервированного аналогового блока 1 заданного порога сигнализации | д/с| Сигнализатор 6 напряжения реализует на своем выходе 9 релейную функцию определяему1Ю выражением: рб ПРИ h-f( , 1 -J команда Исправность при|.-(У)|(€о|с{ -команда Отказ (5) где/(,|(., - порог отсечки сигнализато- ра 6 напряжения. Для правильной работы устройства необходимо выполнять условие (М Сигнализатор 6 напряжения долженудовлетворять следующим функциональным- возможностям. Осуществлять временную оценку исправности канала управления, т.е. сигнал отказа должен -формироваться на его выходе через нормированную задержку времени Сза / значение которой определяется разработчиком исходя из конкретных условий применения системы. Необходимость выполнения данного требования определяется- воздействием на систему как внешних, так и внутренних помех с произвольным частотным спектром и различной длительностью, которые .в течение времени своего воздействия могут приводить к рассогласованию входных сигналов на входах сигнализатора напряжения выше допустимого значения|е,/(-н ложной сигнализации об отказе объективно исправного канала управления. Иметь режим Память отказа, 1при котором сигнал отказа сохраняет- , ся на его выходе и после устранения i причины его вызвавшей, а также режим Без запоминания отказа, что .необходимо при проведении в системе различных регулировочных операций при . регламентных работах. (Переключение указанных .режимов работы сигнализатора напряжения .должно осуществляться по сигналам команд, поступакадих на его соответствующие входы из системы контроля объекта, контрольный вход для промежуточной оценки его исправного состояния по сигналам ко-манды Тест с послед гющ.им приведе нием его в исходное состояние, также поступающим из системы контроля объекта) . Питание сигнализатора напряжения постоянным напряжением должно осу- ществляться от двух источников комби нированно. Его входная часть (пороговое устройство) должно заииуываться от одноимённого источника ib пос тоянного напряжения, а выходной каскад - от автономного источника пос- тоянного напряжения повышенной надеж ности. Это требование определяется необходимостью срабатывания выходного каскада также и при пропалании (отказе) питающего напряжения от одноименного источника. -19. . . Питание остальных элементов контроля, в устройстве (элемент ИЛИ, блок формирования сигнала полного отказа) должно осуществляться только от автономного источника постоянного напряжения повышенной надежности. В устройстве за понятие-отказ приняты следующие ситуации: 1. рассогласование входного сигна ла с выхода i-го резервируемого кана ла относительно среднего арифметичес кого значения по выходу одноименного резервированного аналогового блока 1 на величину, превышающую порог-отсеЧ киШосм ; 2.. обрыв цепи входного сигнала по i-ому резервируемому каналу) 3,активный отказ дифференциального операционного усилителя 4 в i-ом резервированном аналоговом бяр- jce; . - . . .. 4,отказ источника 19 питания .(с учетом выполнения требований к б локсхеме построения сигнализатора надряжения.) i . , Каяэдая из составляющих лоняти Я отказ являетоя равноценной по отношению друг к другу (логика ИЛИ Устройство работает следуквдим об разом. . .....-. При наличии отказа, сигнализатор 6 напряжения нормированную задержку времени-Т пА - меняет --свое сое- Г1ЛЧ тояние выхода 9 с О на , которая поступает в виде потенциала принятого уровня на первь й вход 15 соответствующего элемента ИЛИ 14, на один из входов блока 20 (Формироз а ния сигнала полного отказа и н аCpOT ветствующий сигнальный вькод 23 } стройства, информируя об отказе в м канале систему контроля объекта. При поступлении команды;Отказ , на выходе соответствующего элемен1 а ИЛИ 14 появляется сигнал, воздействующий на управляющий вход коммутато|ра10, который отключает вьпсод чяеисправного 1-го канала от выхода 22 2 перектаочает его на выход после ую-. щего исправного канала. Таким обра-. эОм.формируется логическая функция . замещения неисправного:канала исправным, что гарантирует работоспособность устройства ,по всем п выходам до момента возникновения в устройстве количества отказов т гп . Блок 20 формирования сигнала пол- ного отказа реализует логическую функцию дизъюнктивного суммирования конъюнктивно связанных сигналов f (/ . ПО отказамт гг1,(р,поступаквдих в виде логической 1 (команда Отказ) с Еьохояов 9 сигнализаторов б напряжения . . Блок 20 формирования сигнала tionного отказа содержит элементы И 25-27 и один элемент ИЛИ 28. Количество элементов И 25-27 рав- но числу сочетаний из п исправных ка-. налов по отказам fn.,t-, - n( . Количество входов в каящом элементе И 25 равно количеству отказЪв h/2. Количество входов у эле.мента ИЛИ 28 равно количеству элементов И 25-27. Входы элементов И 25-27 осу- . ществляют конъюнкцию сочетаний из сигналов команд по отказам. . Выход элемента ИЛИ 28 является выходом -блока формирования сигнала полного отказа, i отказа на котором появляется каждый раз при наличии сигнала с выхода любого из элементов И 25.-27,: Командный сигнал полного отказа поступает с выхода блока 20 формиро-вания сигнала полного отка.за на вторые входы 16 .в.сех п элементов ИЛИ 14 устройства,вызывая отключение всех выходов резервированных .аналоговых блоков 1 от выходов 22 устройства. . Одновременно команда полного отказа поступает через командный выход 24 устройства в систему контроля объектд, информируя ее об отказе автоматического режима управления объектом. Воздейств.ие паразитного внешнего потенциала повышенного уровня на любой их выходов 22 устройства, обрыв или замыкание любого иэ выходов 22 на нулевую шину не оказывают в ияния на работоспособность остальных каналов управления.. При попадании паразитного внешнего потенциала на выходную клемму 22 устройства происходит его деление между ограничительным резистором 18 и выходом дифференциального операционного усилителя 4 в резервированном аналоговом блоке 1. Выходное сопротивление дифференциального операционного усилителя 4, охваченного 100% отрицательной обратной связи, является бесконечно малой величиной.

МНОГОКАНАЛЬНОЕ РЕЗЕРВИРОВАННОЕ АНАЛОГОВОЕ УСТРОЙСТВО; содержащее по числу каналов резервированные аналоговые блоки, сигнализаторы напряжения и коммутаторы, о т л и. ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения надежности устройства, в каждый канал введены нагрузочный, ограничительный и бсшансный резисторы, элемент ИЛИ, блок формирования сигнала полного отказа, в каждом реэергвированном аналоговом блоке усили тельный каскад выполнен.на дифференциальном операционном усилителе, вы,ход каждого канала подключен к первому входу одноименного сигнализатора напряжения, к одному выводу нагрузочного резистора, другой вывод которого соединен с общей нулевой шиной источников .питания и присоединен к соответствукедему вхо,цу резервированного аналогового блока, выход которого через балансный резистор подключен к инверсному входу дифференциального операционного усилителя и непосредственно к второму и первому вход соответствующих сигнализаторанапряжения и коммутатора, выход каждого коммутатора через ограничительный резистор соединен с со-, ответствующим выходом устройства, а .второй вход коммутатора подключен ш к выходу последующего коммутатора, выходы сигнализаторов напряжения подс ключены к входам соответствуквдих элементов ИЛИ, к сигнальным выходам ,устройс,тва и к входам блока формирования сигнала полного отказа, выход которого соединен с командным выходом устройства и с вторыми входами эле- / ментов ИЛИ, выходы которых подключесд . ны к управлякяцим входам соответствующих коммутаторов. -vi ел