Многозонный развертывающий преобразователь для передачи логических данных по однопроводной линии связи

 

Изобретение относится к вычислительной технике и может использоваться при автоматизации технологических процессов, в частности, для передачи нескольких логических сигналов по однопроводной линии связи с их последующим разделением. Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей и повышение точности многозонного развертывающего преобразователя. Многозонный развертывающий преобразователь содержит первый сумматор, интегратор, n релейных элементов, причем n≥3, второй сумматор, источник двоичного кода, однопроводную линию связи, двоичный дешифратор, ключевой коммутатор на основе n-го числа последовательно соединенных источника опорного сигнала и нормально разомкнутого ключевого элемента, n-ое число каналов разделения логических данных, из которых каждый содержит третий сумматор, компаратор, источник сигнала смещения, пропорционально-дифференцирующее звено, демодулятор и светодиодный индикатор. 7 ил.

Устройство относится к области вычислительной техники и может использоваться при автоматизации технологических процессов, в частности, для передачи нескольких логических сигналов по однопроводной линии связи с их последующим разделением.

Известен развертывающий преобразователь (РП) (А.с. 840939 СССР, G 06 G 7/12. Устройство для гальванического разделения цепей постоянного тока /Суворов Г. В. , Цытович Л. И., Осипов О.И. (СССР) - 2820905/24; Заявлено 21.09.79; Опубл. 23.06.81, Бюл. 23), содержащий сумматор, интегратор, релейный элемент, канал "модулятор-демодулятор" и контур обратной связи автоколебательного каскада.

Данный РП имеет ограниченные функциональные возможности, так как предназначен для передачи лишь одного аналогового сообщения по линии связи "источник-приемник".

Известен РП (А.с. 783805 СССР, G 06 G 7/12. Развертывающий преобразователь аналоговых сигналов для линий связи с широтно-импульсными носителями информации /Цытович Л. И. (СССР) - 2728262/24; Заявлено 14.02.79; Опубл. 30.11.80, Бюл. 44), содержащий широтно-импульсные модуляторы, сумматоры, источники входных сигналов.

Недостатком известного технического решения является ограниченное число одновременно передаваемых сообщений и недостаточно высокая помехоустойчивость, уменьшающаяся по мере роста числа передаваемых данных.

Известен РП (фиг.1) (Цытович Л.И., Кожевников В.А., Соколов А.В. Развертывающий операционный усилитель с автоматическим резервированием каналов передачи информации //Приборы и техника эксперимента. - М.: АН СССР, 1986. - 3. - С. 119-125), содержащий (фиг.1а) частотно-широтно-импульсные преобразователи 1, 2, 3 на основе сумматора 4, интегратора 5 и релейного элемента 6, ключевой коммутатор 13-18, блоки диагностирования 7, 8, 9 (фиг.1б) на основе последовательно включенных делителя частоты 10, пропорционально-дифференцирующего звена 11, демодулятора 12.

Известное техническое решение не предназначено для передачи нескольких сигналов по однопроводной линии связи и поэтому характеризуется ограниченными функциональными возможностями.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является многозонный развертывающий преобразователь (МРП) (А.с. 1183988 СССР, G 06 G 7/12. Развертывающий усилитель /Цытович Л.И. (СССР) - 3734334/24; Заявлено 27.04.84; Опубл. 07.10.85, Бюл. 37), содержащий сумматоры 1, 2, интегратор 3, группу из нечетного числа релейных элементов 4-7.

Устройство-прототип (фиг. 2) содержит сумматоры 1, 2, интегратор 3 и группу из нечетного числа релейных элементов 4-7.

МРП представляет собой одноканальный преобразователь аналоговой информации с частотно-широтно-импульсной модуляцией и не может быть использован для организации линий связи, передающих несколько логических данных с их последующим разделением.

В основу изобретения положена техническая задача расширения функциональных возможностей и повышение точности многозонного развертывающего преобразователя при передаче по однопроводной линии связи нескольких логических данных с их последующим разделением на входе приемника информации.

Предлагаемый многозонный развертывающий преобразователь для передачи логических данных по однопроводной линии связи содержит первый сумматор, выход которого подключен к входу интегратора, выход которого соединен с входами n-го нечетного числа релейных элементов, причем n≥3, выходы которых подключены к соответствующим входам второго сумматора, выход которого подключен к входу однопроводной линии связи и к первому входу первого сумматора, n-ое число каналов разделения логических данных, из которых каждый содержит последовательно включенные пропорционально-дифференцирующее звено, демодулятор и светодиодный индикатор, источник двоичного кода, и отличается от известного многозонного развертывающего преобразователя тем, что в него введен двоичный дешифратор, ключевой коммутатор на основе n-го числа последовательно соединенных источника опорного сигнала и нормально открытого ключевого элемента, а также n-ое число последовательно включенных третьего сумматора и компаратора, а также источника сигнала смещения, выход которого подключен к первому входу третьего сумматора, причем входы дешифратора подключены к источнику двоичного кода, а выходы соединены с соответствующими управляющими входами нормально разомкнутых ключевых элементов, выходы которых подключены к соответствующим входам первого сумматора, выход однопроводной линии связи подключен ко второму входу каждого из n-го числа третьих сумматоров, выход каждого из n-го числа компараторов подключен к входу соответствующего пропорционально-дифференцирующего звена.

Существенным отличием предлагаемого МРП являются его более широкие функциональные возможности и повышенная точность при передаче по однопроводной линии связи нескольких логических данных с их последующим разделением на входе приемника информации. Поставленная техническая задача достигается путем перевода МРП в требуемую модуляционную зону в зависимости от кода на входе двоичного дешифратора, подключения к входу МРП соответствующего опорного сигнала, переводящего преобразователь в требуемую модуляционную зону и выделения на выходе линии связи динамической составляющей выходного сигнала МРП с последующей ее демодуляцией. Данное обстоятельство позволяет считать предлагаемое техническое решение соответствующим критерию "существенные отличия".

Исследование предлагаемого устройства по патентной и научно-технической литературе не выявило технических решений, содержащих признаки, эквивалентные заявляемому объекту, что позволяет считать его соответствующим критерию "новизна".

Изобретение поясняется следующими чертежами: Фиг.1, 2 - структурные схемы аналога и прототипа; Фиг.3 - структурная схема МРП; Фиг.4 - временные диаграммы сигналов МРП; Фиг.5 - алгоритм распределения модуляционных зон МРП по уровням передачи (индикации) данных; Фиг. 6 - принципиальная схема МРП и ключевого коммутатора с источниками опорного напряжения; Фиг. 7 - принципиальная схема канала разделения данных на выходе линии связи.

В состав МРП входят (фиг.3) непосредственно многозонный преобразователь 1, включающий первый 2 и второй 3 сумматоры, интегратор 4, релейные элементы 6-9, ключевой коммутатор 10, содержащий нормально разомкнутые ключи 11-15 и источники опорного сигнала 16-20, двоичный дешифратор 21, однопроводную линию связи 22, каналы разделения данных 23-25, каждый из которых содержит третий сумматор 26, компаратор 28, пропорционально дифференцирующее звено 29, демодулятор 30 и выходной, например светодиодный, индикатор 31.

На фиг. 3 в качестве примера источника двоичного кода (контролируемого объекта) показана тиристорная станция управления для плавного пуска асинхронного электропривода 32, содержащая устройство определения окончания пуска 33, блок 34 защиты от исчезновения фазного напряжения и блоки 35, 36 времятоковой и максимально-токовой защит соответственно.

Сумматоры 2, 3, 26 имеют единичный коэффициент передачи. Интегратор 4 выполнен с передаточной функцией вида W(p)=1/Т_ир, где Т_и - постоянная времени интегрирования. Релейные элементы (РЭ) 5-9 имеют неинвертирующую и симметричную относительно нулевого уровня петлю гистерезиса. Нормально разомкнутые ключи 11-15 переходят в замкнутое состояние при воздействии на их управляющий вход сигнала логической "1".

На фиг.3, 4 обозначены: Х_вх - сигнал управления МРП 1; Y_и(t) - выходной сигнал интегратора 4; ±b_i - пороги переключения соответствующего из релейных элементов 5, 6, 7;
±А - максимальная амплитуда сигнала на выходе сумматора 3;
Y_p1(t)-Y_p5(t) - выходные сигналы релейных элементов 5-9 соответственно.

Принцип работы устройства следующий.

Ограничимся числом релейных элементов n=3 (РЭ5-РЭ7). Считаем, что выполняется условие |b₁|<|b|<|b|, где ±b₁, ±b₂, ±b₃ - пороги переключения релейных элементов 5, 6, 7 соответственно. Здесь и далее полагаем, что коэффициент передачи МРП 1 со стороны входов сумматора 2 равен единице, а изменение уровня входного сигнала совпадает с началом очередного цикла развертывающего преобразования.

При включении МРП 1 и нулевом входном сигнале Х_вх РЭ 5-7 устанавливаются произвольным образом, например, в состояние +А/3 (фиг.4 в-д). Под действием сигнала развертки _и(t) с выхода интегратора 4 (фиг.4б) происходит последовательное переключение в положение -А/3 блоков 5, 6 (фиг.4в, г, моменты времени t₀₁, t₀₂), после чего меняется направление развертывающего преобразования и сигнал Y_и(t) нарастает в положительном направлении.

Начиная с момента времени выполнения условия Y_и(t)=b₁, МРП 1 входит в режим устойчивых автоколебаний, когда амплитуда сигнала развертки Y_и(t) ограничена зоной неоднозначности РЭ 5, а блоки 6, 7 находятся в статических и противоположных по знаку выходных сигналов Y_p2(t), Y_p3(t) состояниях (фиг. 4г, д). Выходная координата Y_вых(t) формируется за счет переключений релейного элемента 5 (фиг.4в) в первой модуляционной зоне, ограниченной пределами ±А/3 (фиг.4е). При отсутствии Х_вх (фиг.4a, t<t) среднее значение Y₀ импульсов Y_вых(t) равно нулю. Наличие входной координаты Х_вх<(А/3) (фиг.4a, t₀<t ^*) влечет за собой изменение частоты и скважности импульсов Y_вых(t), так как в интервале t₁ (фиг.4в) развертка Y_и(t) (фиг.4б) изменяется под действием разности сигналов, подаваемых на сумматор 2 (фиг.4а, е), а в интервале t₂-dY_и(t)/dt зависит от суммы этих воздействий. В результате Y₀≡Х_вх (фиг.4е).

Предположим, что в момент времени t₀ ^* сигнал Х_вх увеличился дискретно до величины (А/3)<Х<А (фиг.4а). Это нарушает условия существования режима автоколебаний в первой модуляционной зоне и МРП 1 переходит на этап переориентации состояний РЭ 6, 7, который заканчивается в момент времени t₀₃, когда релейный элемент 7 переключается в положение -А/3 (фиг.4д). Координата Y_вых(t) достигает уровня - А (фиг.4е) и МРП 1 переходит во вторую модуляционную зону, где в интервалах t₁, t₂ (фиг.4в) скорость формирования развертывающей функции Y_и(t) (фиг.4б) также определяется разностью или суммой сигналов, воздействующих на сумматор 2. При этом сигнал Y₀ включает постоянную составляющую -А/3 первой и среднее значение импульсного потока Y_вых(t) второй модуляционных зон (фиг.4е). При этом МРП 1 в каждой модуляционной зоне представляет собой систему с частотно-широтно-импульсной модуляцией, когда с ростом Х_вх частота выходных импульсов уменьшается и на границе раздела модуляционных зон становится равной нулю. Во всем диапазоне изменения входного воздействия Х_вх амплитудная характеристика Y₀=f(X_вх) является линейной, что объясняется замкнутым характером структуры МРП 1 и наличием интегратора 4 в прямом канале регулирования. Режим автоколебаний всегда возникает в канале релейного элемента, имеющего минимальное значение порогов переключения. Число "k" модуляционных зон одного из квадрантов характеристики Y₀=f(X_вх) связано с числом "n" релейных элементов соотношением k=(n+1)/2.

Рассмотрим предлагаемый метод передачи логических данных по однопроводной линии на конкретном примере контролируемого оператором объекта - тиристорной станции управления (ТСУ) 32 для плавного пуска асинхронных электроприводов (фиг.3).

Как и любой силовой тиристорный преобразователь, ТСУ 32 содержит комплекс индикаторов состояния объекта и селективных защит от аварийных режимов работы. В состав подобного комплекса, как минимум, входят устройство индикации окончания процесса пуска электродвигателя (КП) 33, блок 34 защиты от исчезновения фазного напряжения (ИФ), а также времятоковая (ВТ) 35 и максимально-токовая (МТ) 36 защиты. Данные функциональные элементы ТСУ 32 работают в режиме формирования логических сигналов "0" или "1", которые необходимо выводить на пульт оператора с целью оценки им состояния объекта регулирования.

Для организации передачи требуемых логических сигналов по однопроводной линии связи представим блоки 33-36 в качестве генератора четырехразрядного двоичного кода, где КП 33 формирует сигнал младшего, а ВТ 35 - старшего разрядов (фиг.5). В этом случае работа комплекса "ТСУ-электродвигатель" характеризуется пятью возможными двоичными кодовыми комбинациями, из которых две (0000 - останов, 0001 - окончание пуска) принадлежат штатному режиму работы ТСУ 32. Комбинация 0010 - срабатывание защиты от исчезновения фазного напряжения. Код 0100 характеризует режим короткого замыкания в ТСУ 32, а 1000 - тепловая перегрузка ТСУ 32 или исполнительного электродвигателя.

В данном случае каждой из строк кодовой таблицы состояний объекта предоставляется своя модуляционная зона (фиг.5). Например, строке 0000 отводится третья модуляционная зона "+" второго квадранта статической характеристики "вход-выход" МРП 1. Работа МРП 1 во второй зоне свидетельствует о завершении режима пуска электродвигателя. Первая и две модуляционных зоны четвертого квадранта "-" характеристики "вход-выход" принадлежат каналам защит 34-36 ТСУ 32. Таким образом, общее количество модуляционных зон для второго и четвертого квадрантов статической характеристики "вход-выход" МРП 1 применительно к данному конкретному примеру должно соответствовать числу 5. Это реализуется при числе релейных элементов n=5 (РЭ 5-9 на фиг.3) (необходимо отметить, что первая модуляционная зона принадлежит как второму, так и четвертому квадрантам амплитудной характеристики Y₀=f(X_вх)). При n=5 выходной сигнал каждого из релейных элементов 5-9 меняется в пределах ±А/5.

В режиме останова электропривода (выключенное состояние объекта 32) сигнал "1" появляется на выходной шине "0" дешифратора 21 DC (фиг.3) и МРП 1 переходит в третью модуляционную зону "+" за счет подключения к его входу через ключ 15 опорного сигнала Х₀=-0,8А от источника 20. После завершения пуска исполнительного механизма логическая "1" формируется на выходной шине 1 дешифратора 21. Ключ 14 замыкается и на вход МРП 1 подается сигнал Х₀=-0,4А, обеспечивая работу МРП во второй модуляционной зоне. Срабатывание защиты от пропадания фазного напряжения ("1" на выходной шине 2 дешифратора 21) приводит к переводу МРП 1 в первую модуляционную зону, так как Х₀=0 (замкнут ключ 13). При комбинациях 0100 и 1000 на входе DC 21 в замкнутом положении оказывается соответствующий из ключей 11, 12. В результате МРП 1 переходит в четвертый квадрант своей амплитудной характеристики "вход-выход" (вторая и третья модуляционные зоны соответственно). Величину опорного сигнала желательно выбирать таким образом, чтобы относительная продолжительность импульсов в каждой из модуляционных зон соответствовала бы значению 0,5.

Разделения данных на выходе линии 22 происходит следующим образом.

С помощью источника 27 порог срабатывания компаратора 28 смещается таким образом, чтобы он соответствовал бы "середине" амплитудного диапазона соответствующей модуляционной зоны МРП 1. При этом только один из компараторов 28 каналов 23-25 оказывается в режиме переключений с частотой выходных импульсов МРП 1, а остальные находятся в статическом состоянии. Пропорционально-дифференцирующее звено 29 выделяет переменную составляющую выходных импульсов компаратора 28, которая с помощью демодулятора 30 (выпрямителя) преобразуется в сигнал логической "1" и поступает на индикатор 31. Для остальных каналов индикации, у которых компаратор 28 находится в статическом состоянии, на выходе звена 30 формируется "0", так как коэффициент передачи блока 29 по отношению к постоянной составляющей его входного сигнала бесконечно мал. Параметры звена 29 выбираются таким образом, чтобы частоте выходного сигнала компаратора 28 (МРП 1) соответствовал бы пропорциональный участок его частотной характеристики.

Введение в схему МРП ключевого коммутатора 10, сумматоров 26, источника 27 и компаратора 28 обеспечивает возможность передачи по однопроводной линии 22 нескольких логических сигналов с последующим их разделением. Благодаря этому расширяются функциональные возможности многозонного развертывающего преобразователя.

Повышенная точность МРП объясняется следующими обстоятельствами. При малом числе модуляционных зон принципиальная необходимость в коммутаторе 10 отсутствует, так как непосредственно выходные сигналы дешифратора 21 при соответствующем коэффициенте передачи МРП 1 могут быть использованы в качестве входных воздействий, переводящих многозонный развертывающий преобразователь в требуемую модуляционную зону. Однако с ростом числа модуляционных зон (числа передаваемых логических переменных) из-за снижения амплитуды выходных импульсов релейных элементов 5-9 возрастают требования к стабильности сигнала на входе МРП 1. Например, при максимальном амплитудном размахе выходного сигнала МРП 1±А=±10В и n=25 выходной сигнал каждого из релейных элементов должен меняться в пределах ±0,4В. Тогда для перевода МРП 1, например, из первой во вторую модуляционную зону требуется входной сигнал на уровне 0,3-0,5 В. Данная величина находится в пределах естественной для DC 21 асимметрии выходных сигналов, что может привести к ошибочному переводу МРП в зону модуляции, которая не соответствует данной логической переменной. Поэтому требуется введение опорных источников 16-20 повышенной стабильности и ключевых элементов 11-15. В результате при большом числе модуляционных зон подобное техническое решение обеспечивает повышение точности работы устройства. Аналогичным образом источник 27 позволяет повысить точность процесса разделения данных на выходе линии 22.

Пример технической реализации МРП приведен на фиг.6а.

Интегратор 4 выполнен на операционном усилителе (о.у.) А1. Инвертор А2 предназначен для организации общей отрицательной обратной связи в МРП. Релейные элементы реализованы на о.у. A3-А7 с положительной обратной связью по напряжению. Функции выходного сумматора выполняет о.у. А8. Коэффициент пропорционального усиления МРП по каждому из входов определяется отношением сопротивления резистора обратной связи R25 к соответствующему входному сопротивлению R1-R5. Защита МРП от перенапряжений со стороны информационных входов осуществляется диодами VD1, VD2. Блокировочные конденсаторы С2-С5 осуществляют подавление помех со стороны источника электропитания.

Схема ключевого коммутатора 10 приведена на фиг.6б. Функции источников 16-20 выполняют стабилитроны VD1, VD2.

Канал индикации (фиг.7) содержит компаратор на основе о.у. А1. Смещение порогов переключения производится с помощью стабилитрона VD1 и резистора R1. Звено 29 выполнено на основе конденсатора С6 и резистора R5. Функции демодулятора 30 выполняет диод VD2. Конденсатор С7 предназначен для сглаживания пульсаций выходного сигнала пропорционально-дифференцирующего звена. Частота несущих автоколебаний МРП при нулевом входном воздействии составляет 10 кГц.

Предлагаемое устройство применено в системе управления комплексом асинхронных электроприводов пяти гидропрессов и насосов оборотного цикла водоснабжения гидропрессов цеха 6 ОАО "Челябинский трубопрокатный завод".

Технико-экономические показатели от внедрения предлагаемого технического решения следующие.

Каждый из гидропрессов содержит восемь асинхронных электроприводов с ТСУ, где на центральный пульт оператора должна поступать информация о пуске каждого из электродвигателей и их аварийных отключениях (сигнал "Пуск" + сигнал срабатывания любой из трех защит ТСУ). "Средняя" удаленность пульта от контролируемых объектов - 800 м. Для связи одного из гидропрессов с центральным пультом требуется 32 сигнальных провода. Всего для пяти гидропрессов необходимо 160 сигнальных проводов.

Электроприводы системы оборотного цикла водоснабжения содержат семь ТСУ, которые для связи с центральным пультом должны обеспечиваться 28 сигнальными линиями связи. Управление ТСУ производится от магистрального контроллера, на входы которого поступают сигналы с датчиков уровней воды в накопительных резервуарах гидропрессов. Каждый из пяти резервуаров содержит три датчика. Таким образом, линия связи накопительных емкостей должна содержать 15 сигнальных проводов связи.

Общее количество сигнальных линий на комплекс "гидропрессы + оборотный цикл водоснабжения" равно m=203.

При использовании предлагаемого технического решения общее количество проводов связи уменьшается до m=11 (5 однопроводных линий для ТСУ пяти гидропрессов, 5 линий - датчики уровня пяти накопительных резервуаров и 1 линия - ТСУ оборотного цикла).

Таким образом, затраты на кабельные линии связи при использовании предлагаемого технического решения сокращаются примерно в 20 раз.

Формула изобретения

Многозонный развертывающий преобразователь для передачи логических данных по однопроводной линии связи, содержащий первый сумматор, выход которого подключен к входу интегратора, выход которого соединен с входами n-го нечетного числа релейных элементов, причем n≥3, выходы которых подключены к соответствующим входам второго сумматора, выход которого подключен к входу однопроводной линии связи и к первому входу первого сумматора, n-е число каналов разделения логических данных, из которых каждый содержит последовательно включенные пропорционально-дифференцирующее звено, демодулятор и светодиодный индикатор, источник двоичного кода, отличающийся тем, что в него введены двоичный дешифратор, ключевой коммутатор на основе n-го числа последовательно соединенных источника опорного сигнала и нормально разомкнутого ключевого элемента, а также n-е число последовательно включенных третьего сумматора и компаратора, а также источника сигнала смещения, выход которого подключен к первому входу третьего сумматора, причем входы дешифратора подключены к источнику двоичного кода, а выходы - соединены с соответствующими управляющими входами нормально разомкнутых ключевых элементов, выходы которых подключены к соответствующим входам первого сумматора, выход однопроводной линии связи подключен ко второму входу каждого из n-го числа третьих сумматоров, выход каждого из n-го числа компараторов подключен к входу соответствующего пропорционально-дифференцирующего звена.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7