Многоканальное резервированное аналоговое устройство

 

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

СОЮЗ CORETCHHX

СОЦИАЛИСТИЧЕО(ИХ

РЕСПУБЛИН

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

H АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ. НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

,21) 3289291/18-24 (22) 18.05.81 (46) 30 ° 10.83. Бюл. 9 40 (72) В.И.Анисимов (71) 1-ый,Московский ордена Трудового Красного Знамени приборостроительный завод (53) 621.374.3(088.8) (56.) 1, Авторское свидетелЬство. СССР по заявке 9 2799933/24; кл. Н 05 К 10/00, 1979.

2. Авторское свидетельство СССР

9 873864, кл. Н 05 К 10/00, 1979 (прототип), (54)(57) МНОГОКАНАЛЬНОЕ РЕЗЕРВИРОВАН

НОЕ АНАЛОГОВОЕ УСТРОЙСТВО; содержащее по числу каналов резервированные аналоговые блоки, сигнализаторы напряжения и коммутаторы, о т л и.ч аю щ е е с я тем, что, с целью повыщения надежности устройства, в каждый канал внедены нагрузочный, ограничительный и балансный резисторы, элемент ИЛИ, блок формиронания сиг-. нала полного отказа, в каждом резер.вированном аналоговом блоке усили тельный каскад выполнен на дифферен циальном операционном усилителе, вы„„SU„„1051751 А

3(51) H 05 К 10/001 H 03 К 19/23 ход каждого канала подключен к nepsonny входу одноименного сигналиэатора напряжения, к одному выводу нагрузочного резистора, другой вывод которого соединен с общей нулевой шиной источников .питания и присоединен к соответствующему входу реэер" виронанного аналогового блока, аыход которого через балансный резистор подключен к инверсному входу дифференциального операционного усилителя и непосредственно к второму и первому вход у соответствующих сигналиэатора найряжения и коммутатора, выход каждого коммутатора через ог.раничительный резистор соединен с со-д ответствующим выходом устройства, S а .второй вход коммутатора подключен к выходу последующего коммутатора, выходы сигнализаторов напряжения под- уе ключены к входам соответствующих зле ..ментов ИЛИ, к сигнальным выходам . устройстна и к нходам блока формирования сигнала полного откаэа, выход которого соединен с командным выходом устройства и с нторыми входами эле- (® ментов ИЛИ, выходы которых подключе- Qq .ны к управляющим нходам соответствующих коммутаторов. п.10517 51

Изобретение относится к области автоматики, приборостроения и системам автоматического управления движущимися объектами и может быть использовано для построения многократно резервированных систем управления 5 повышенной надежности и точности.

Известно многоканальное реэервиро" ванное аналоговое устройство, содержащее усилители и диодно-функциональные преобразователи, объединенные в группы соответственно числу источников входных сигналов в каждой группе, первые входы диодно-функциональных преобразователей s .каждой группе соединены с одноименным источни" 5 ком входного сигнала, вторые входы.— с первым выходом соответствующего усилителя, а выходы — с входом соот.ветствующего усилителя, второй выход которого соединен с соответствующей нагрузкой.

Устройство включает в себя четыре

®арианта схем включения усилителей, каждый из которых содержит резисторы и дифференциальный операционный усилитель, выходы которых непосредственно соединены с соответствующим

ыходом устройства и нагрузкой (1) .

Применение в каждом канале опера, ионного усилителя в единственном яисле беэ дополнительных конструк(тивных элементов снижает надежность устройства. Во-первых, пщ .активном отказе операционного усилителя на его выходе скачком-формируется напряжение максимального уровня, которое 3 беспрепятственно проходит на выход устройства и далее в цепь управления, создавая тем самым предпосылки к аварийной ситуации в системе; во-вторых, .появление параэитного внещнего потея-4(). циала на выходе усилителя приводит к отказу операционного усилителя.

Кроме того, приведенные инварианты схем включения усилителей влияют на качественные характеристики извест- 4 ного устройства: снижается точность и сужается динамический диапазон вы-. ходной характеристики.

Наиболее близким по техническим характеристикам к изобретению является многоканальное резервированное .аналоговое устройство контроля и уп- равления, содержащее (n+1) резервированных аналоговых блоков, (и +1) сигаалиэаторов напряжения H (и +1) KOMмутаторов, причем выход каждого из и резервируемых каналов подключен к первому входу одноименного сигнализатора напряжения и к первому входу одноименного коммутатора, первый вход которого соединен с соответст-. 60 вующим входом каждого из и резервированных аналоговых блоков, выход которого подключен к второму входу соответствующего сигнализатора напряжения и второму входу соответствую- 65 щего коммутатора, второй выход которого соединен с сигнальным выходом устройства и соответствующим входом (h +1)-ro резервированного аналого" вого блока, первый выход которого соединен с первым входом одноименного сигнализатора напряжения и с входом одноименного коммутатора, выход которого подключен к дополнительному входу (и +1)-ro резервированного аналогового блока, второй вход (и +1)ro сигнализатора напряжения цодключен к второму выходу (n +1)-ro резер вированного аналогового блока, выход каждого сигналиэатора,напряжения соединен с управляющим входом соответствующего коммутатора и с соответствующим контрольным выходом устройства.

Устройство осуществляет замещение неисправного резервируемого канала (n +1)-ым резервированным .ана. — . логовым блоком, Это замещение происходит по команде Отказ, поступающей в виде напряжения логической 1 с выходов сигналиэаторов напряжения на управляющие входы соответствующих коммутаторов и одновременно в систему контроля ббъекта для

I формирования ею команды Полный ОТ»

t Ф каз устройства и его отключения (2) .

К недостаткам устройства следует отнести усложнение схемы,вызванное использованием (и +1) -го резервированного аналогового блока в состав которого входит М (где N 3 3) операционных усилителей, зарезервированных по входам и выходам, наличие (n+1)-rol сигнализатора напряжения и (и+1)-го коммутатора снижение коэффициента передачи в канале при замещении; ограниченное значение уровня паразитного внешнего потенциала на выходе устройства из-эа необходимости использования ниэкоомных развязывающих резисторов между выходами резервируемых операционных усилителей в реэервировайном аналоговом блоке) отсутствие сигнализации об обрыве входной линии связи с выходом резервируемого канала; отсутствие в устройстве блока логической обработки сигналов, поступающих с выходов сигнализаторов напряжения, Перечисленные недостатки снижают 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 коммутаторы, в каждый канал

:введены нагрузочный, ограничительный и балансный резисторы, элемент ИЛИ, блок формирования сигнала полного отказа, в каждом резервированном анало,1051751 говом блоке усилительный каскад вы« полнен на дифференциальном операционном усилителе, выход каждого канала подключен .к первому входу одноименного сигнализатора напряжения, к одному выводу нагрузочного резистора, другой 5 вывод которого соединен с .общей нулевой шиной источников питания и присо- единен к соответствующему входу ре» зервированного аналогового блока, выход которого через балансный резистор Я подключен к инверсному входу дифференциального 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 последующего коммутатора, выходы сигнали заторов напряжения подключены к пер-. вым входам соответствующих элемен-. тов ИЛИ,.к сигнальным выходам устройства и к входам. блока.формирования сигнала полного отказа, выход которого соединен с командным выхо- . дом устройства и с вторыми входами элементов ИЛИ, выходы которых подключены к управляющим входам соответствующих коммутаторов.

На чертеже представлена блок-схе-, ма многоканального резервированного аналогового устройства.

Предлагаемое устройство в каждом канале содержит резервированный аналоговый блок 1, состоящий иэ и диодно-функциональных преобразователей

2 и усилительного каскада 3, выполненного на дифференциальном операционном усилителе 4., балансный резистор 5., сигнализатор б напряжения с 4(} двумя входами (первый 7, второй 8) и одним выходом 9 коммутатор 10 с двумя входами: первый 11, второй 12, управляющим входом и одним выходом

131 элемент ИЛИ 14 с двумя входами: 45 первый 15, второй 16 и одним выходом(( нагруэочный резистор 17, ограничи» тельный резистор 18, источник 19 биполярного напряжения со средней точкой, 50

В состав устройства также входит блок 20 формирования сигнала полного отказа, выход 21 канала, выход 22 устройства, сигнальный выход 23, командный выход 24 устройства, элементы И 25-27 и ИЛИ 28 блока 20 и резис-55 торы 29 и диоды 30 преобразователей 2.

Выход 21 каждого канала подключен к первому входу 7 одноименного сигналиэатора б, к одному выводу нагрузочного резистора 17,, другой вывод кото-60 рого соединен с общей нулевой шиной источников 19 питания, и к соответствующему входу резервированного анало«. гового блока 1, выход которого через балансный резистор 5 подключен к кн- 65 версному входу дифференциального операционного усилителя 4 и непосредственно к второму 8 и.первому 11 вхо" дам соответствук}щих сигнализатора 6 напряжения и коммутатора 10.

Выход 13 каждого коммутатора 10 через ограничительный резистор 18 соединен с соответсвующим выходом

22 устройства, а второй вход 12 коммутатора 10 подключен к выходу 13 последующего коммутатора 10.

Выходы 9 сигналиэаторов 6 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 непрерывно-. о аналогового сигнала, равного среднему арифметическому из и входных сигналов резервируемых каналов информации, отличающийся от осредненного выходного напряжения на величину, не превышающую заданный порог отсеч" ки Е . Укаэанный метод выбора носит название выборочного среднего или голосования по большинству, когда большее число исправных каналов в системе (п- т) нейтрализует. воздействие меньшего числа неисправных каналов m(m гарантируя тем самым на выходе резервированного аналогового блока наличие достоверного сигнала результата сравнения с заданной погрешностью.

Резервированный аналоговый блок 1 реализует на выходе передаточную функцию, определяемую выражением: и

Ю„(у} = - -" — при (v;-Þ„(V}(< (Е(} при m =0 и и;

И„(v}= . пу прп (и;-f„(V}(Ú(Å }} при m(Кр (dvl- (16% при (1) о rn с и/2 где n — требуемое количество резервируемых каналов (нечетное и более 2) .

Значение и определяется выражениемг (2 I

6(ч") 1051751 нием где 4() — заданное значение среднеквадратической погрешности резервируемого i "ro ка" нала)

4(< ) — заданное значение резульп тирующей среднеквадратической погрешности резерв ируе мой с ис темы.

Из выражения (2) следует, что резервирование каналов позволяет получить на выходе резерниронанного аналогового блока 1 результирующий сигнал с большей точностью, чем у одного канала, которая улучшается с увеличением общего числа и резервируемых каналов. 15 и - диапазон погрешности системы, При нормальном законе распределения погрешностей в системе, представляющей собой в динамическом отношении фильтр низких частот с большими постоянными времени запаздывания, диапазон погрешности системы определяется выражением

m — планируемое (допустимое) количество неисправных каналов информа" ции., Это количество не должно превы- gP шать значения m=n/2.

При наличии m неисправных каналов (откаэов) происходит увеличение диапазона погрешностей из-за уменьшения числа осредняемых сигналов и З5 возрастания суммарной методической погрешности, вносимой каждым неисправным каналом. При этом реэультифующий диапазон погрешностей системы не превышает заданного значения. т — количество неиспранных канаКР

JIQB при котором диапазон погрешности системы достигает значения выше допустимого, ранного н среднем диапазону погрешностей одного канала. это количество определяется выраже- 45

mêp (4) для схем, где гальваническое отключение .каналов при отказах, .как в данном устройстве, не производится.

Я (>)- .среднее арифметическое иэ и входных сигналов значение ны" ходного напряжения резервированного аналогового блока 1; текущее значение выходного напряжения >-ому резервируемому каналау ау — суммарное значение абсолютной ошибки, вызванной m отказами резервируемых и каналов; 60

1Еа1 — допустимое значение абсолютной разности между выходным напряжением i-ro резервируемого канала и средним арифмети" ческим значением напряжения 65 на выходе резервированного аналогового. блока 1, иначе порог отсечки.

Для контроля эа исправным состоянием -го резервируемого канала в каждом канале используется сигнализатор 6 напряжения, представляющий собой пороговое устройство с однополярным сигналом на выходе, реагирующее на превышение абсолютным значением разности напряжений между текущим значением выходного .сигнала 4 -ro резервируемого канала и осредненным выходным сигналом одноименного резервированного аналогового блока 1 эаДанного поРога сигнализации 1Яа 1 И

Сигнализатор б напряжения реализует на своем выходе 9 релейную функцию определяемую выражением: () -Ð". i ;- ()l Р !. команда Исправность

".сн 1 при I,-«»(1 ojù команда Отказ . (5) raetEo)CH - порог отсечки сигналиэатора б напряжения.

Для пранильной работы устройства необходимо выполнять услоние

) а!сн о 1

Сигнализатор б напряжения должен. удовлетворять следующим функциональным- воэможностям.

Осуществлять временную оценку испранности канала управления, т,е. сигнал отказа должен формироваться на его выходе через нормированную задержку времени ьз,„,, 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 рассогласонанию входных сиг" налов на входах сигналиэатора напря.— жения выше допустимого значения!Ед) и ложной сигнализации об отказе объективно исправного канала упранления.

Иметь режим Память отказа, при котором сигнал отказа сохраняется на его выходе и после устранения причины его вызвавшей, а также режим Беэ запоминания отказа, что,необходимо при проведении в системе различных регулировочных операций при.. регламентных работах. (Переключение указанных .режимов работы сигнализатора .напряжения .должно осущестнляться по сигналам команд, поступающих на его соответствующие входы иэ системы контроля объекта, контрольный вход для промежуточной оценки его,1051751

7 исправного состояния по сигналам ко- щего исправного канала. Таким обра-. манды Тест с последующим приведе- зом.формируется логическая функция . нием его в исходное состояние, также замещения неисправного-. канала исправпоступакщим из системы контроля объ- ным, что гарантирует работоспособ" екта). ность устройства,по всем и выходам

Питание сигнализатора цапряжений . 5 до момента возникновения в устройстпостоянным напряжением должно осу ве количества отказов т=rn„ . ществляться от двух. источников комби- Блок 20 формирования сигйала пол-.. нированно. Его входная-часть (поро- ного отказа реализует логическую говое устройство) должно заПЮывать- функцию дизъюнктивного суммирования ся от одноименного источника 19 п0с- 10 конъюнктивно связанных сигналов E(sj „ тоянного напряжения, а выходной кас" по откаэамт= пкр, поступающих в виде кад - от автономного источника пос- логической 1 (команда "Отказ ) тоянного напряжения повышенной наде®" c выходов 9 сигнализаторов 6 напряности. Это требование определяется жени„, необходимостью срабатывания выходно- 5 Блох 20 формирования сигнала Полго каскада .также и при пропадании. . ного отказа содержит элементы И 25-27 (отказе) питающего напряжения от од- . и один элемент ИЛИ 28. ноименного источника.-19.. . Количество элементов И 25-27 равПитание остальных элементов конт-. но числу сочетаний из и исправных ка-, роля.в устройстве (элемент ИЛИг блок- О налов по отказам m= п1кр . формирования сигнала полного отказа} кр должно осуществляться только от. as- . и = С и тономного источника постоянного на-: . кр i кр пряжения повышенной надежности . " Количество входов в каждом элеменB устройстве за понятие" отказ те И 25 равно количеству отказов о

КР приняты следующие ситуации: ) h /2. Количество входов у. элемента

1 . рассогласование входного сигна- ИЛИ 28 равно количеству элементов И ла с выхода i -го резервируемого кана- 25-27. Входы элементов И 25-27 осула относительно среднего арифметичес- ществляют конъюнкцию сочетаний из кого значения по выходу одноименного eHrHaJlos команд по отказам.пч=щк .резервированного аналогового блока 1 30 -Выход элемента ИЛИ 28 является вы.на величину, превышакщую порог.отсеЧ- - ходом блока формирования сигнала ки Юо сн полного отказа, 1 отказа на ко2,, обрыв цепи входного сигнала по тором появляется каждый раз при налиi-ому резервируемому каналу) .. чин сигнала с выхода любого из элемен3. активный отказ дифференцналь- 35 тов И 25.-27, ного операционного усилителя 4 в . Командный сигнал полного отказа

1-ом резервированном аналоговом бло- . . поступает с выхода блока 20 формиро-. кею вания сигнала полного отказа на вто4. отказ источника 19 питания -(c рые входы 16 всех и элементов ИЛИ 14 учетом выполнения требований к блок- 4О устройства, вызывая отключение всех схеме построения сигнализатора напря- выходов резервированных .аналоговых жения.). блоков 1 от выходов 22 устройства.

Каждая .из составляющих понятий . Одновременно команда полного отка- . отказ является равноценной по от- за поступает через командный выход ношению друг к другу (логика ИЛИ )45 24 устройства в систему контроля объУстройство работает следующим об- . екта, информируя ее об отказе автомаразом. тического режима управления объектом.

При наличии отказа, сигналиэатор . Воздействие параэитного внешнего 6 напряжения через нормированную за- . потенциала повышенного уровня на людержку времени- © . меняет . .свое -сос- бой их выходов 22 устройства, обрыв тояние выхода 9 с 0 на 1 . ? или замыкание любого иа выходов 22 которая поступает в вифе потенциала на нулевую шину не оказывают влияния принятого уровня на первый вход lS на работоспособность остальных канасоответствующего элемента ИЛИ 14 .: на лов управления. один из входов блока 20 (формирова При попадании параэитного внешнения сигнала полного отказа и на аоот-55 го потенциала на выходную клемму 22 ветствующий сигнальный выход 23 уст- устройства происходит его деление ройства, информируя об" отказе в ф-ом между ограничительным резистором 18 канале систему контроля объекта. и выходом дифференциального операциПри поступлении команды, Отказ, онного усилителя 4 в резервированном на выходе соответствукщего элемента <(). аналоговом блоке 1.

ИЛИ 14 появляется сигнал, воздейот", Выходное сопротивление дифференцивукщий на управляющий вход коммутато- ального операционного усилителя 4, ра 10, который отключает выход не- охваченного 1008 отрицательной обратисправного .("го .канала от выхода 22,ной связи, является бесконечно малой

° и переключает его на выход послепую-1 gg величиной.

1051751

В результате несоизмеримости. зна- мостью Исключения статической ошибки чений. сопротивлений ограничительного по напряжению, приведенной к выходу резистора 18 и выходного сопротивле- усилителя, иэ-эа наличия разности ния усилителя 4 все напряжение пара- входных токов по прямому и инверсно,эитного внешнего источника полностью му входам операционного усилителя 4

:выделяется на ограничительном реэис-, Номинал балансного.резистора 5 долторе 18, не вызывая изменения потен- жен быть выбран равным значению пациала на втором входе 8 сигнализато- раллельно соединенных сопротивлений ра б напряжения. Сигналиэатор напря- резисторов, во всех диодно-функциожения не срабатывает и не переклю- нальных преобразователях 2 соответчает выход 22 на выход последующего.. ствующего резервированного аналого"

Аналогичная ситуация, имеет место при, вого .блока 1. обрыве выходной цепи или ее эамыка- Отсутствие балансного резистора нии на нулевую шину. . 5 в канале приводит к несимметричВыполнение усилительного каскада ности Работы диодов в диодно-функцио3 на диФференциальном операционном 15 нальнИх преобразователях 2 в Режиме усилителе 4, включенном по схеме .5y- . отсечки отказавшего канала по обеим ферного каскада с .коэффициентом пе- полярностям изменения входного сигРедачи + 1, позволяет повысить эначе.- нала что снижает. точность работы ние номиналов входных резисторов в устройства увеличивая значение абсо-. диодно-функциональных преобраэовате- 20 лютней ошибки Л у на выходе прн откалях .2 благодаря тому, что входное со- эе -го Резервируемого канала. противление дифференциального операционного усилителя 4 в данном режи-. . . Изготовление устройства в интегме его включения стремится к беско- -Ральном исполнении как базового эленечно большой величине {сотни МегаОм).25 мента Резервирования и контроля поэ- .

Введение балансного резистора 5. волит повысить надежность и точность по инверсному входу операционного . проектируемых на его основе систем усилителя 4 определяется .необходи- автоматического управления.

ВНИИПИ Заказ 8б90/59 Тираж 845 П одпи сное

Филиал ППП Патент", r.Ужгород, ул,Проектная,4