Многоканальное резервированное аналоговое устройство

)е НИ овотельтво.СС ыГОСУДАРСТВЕННЫЙ. НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИИ ОПИСАНИЕ ИЗОБ АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(71) 1-ый,Московский ордена Трудго Красного Знамени приборостроиный завод(56.) 1, Авторское свидетелЬс СРпо заявке 9 2799933/24;кл. Н 05 К 10/00, 1979.2, Авторское свидетельство СССРф 873864, кл. Н 05 К 10/00, 1979(54)(57) МНОГОКАНАЛЬНОЕ РЕЗЕРВИРОВАННОЕ АНАЛОГОВОЕ УСТРОЙСТВО; содержащее по числу каналов резервированныеаналоговые 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 резервированном аналоговом блоке усилительный каскад выполнен на диффереициальном операционном усилителе, в 801051751 А,ход каждого канала подключен к первому входу одноименного сигналиэатора напряжения, к одному выводу нагру. зочного резистора, другой вывод которого соединен с общей нулевой шиной источников, питания и присоединен к соответствующему входу реэер" виронанного аналогового блока, аы" ход которого через балансный реэис" тор подключен к инверсному входу дифференциального операционного усилителя и непосредственно к второму и первому входщ соответствующих сигналиэатора найряжения и коммутатора, выход каждого коммутатора через ог.раничительный резистор соединен с со-д ответствующим выходом устройства, Й а .второй вход коммутатора подключен к выходу последующего коммутатора, выходы сигнализаторов напряжения подключены 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 зле-СР ментов ИЛИ, выходы которых подключе- (рЩ ,ны к управляющим нходам соответствующих коммутаторов.Изобретение относится к области автоматики, приборостроения и системам автоматического управления движущимися объектами и может быть ис" пользовано для построения многократно резервированных систем управления 5 повышенной надежности и точности.Известно многоканальное реэервиро" ванноеаналоговое устройство, содержащее усилители и диодно-функциональные преобразователи, объединенные в 10 грулпы соответственно числу источников входных сигналов в каждой группе, первые входы диодно-функциональных преобразователей в 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 Варианта схем включения усилителей, каждый из которых содержит резисторы идифференциальный операционный усилитель, выходы которых непосредственно соединены с соответствующимыходом устройства и нагрузкой 1),Применение в каждом канале опера,ионного усилителя в единственном янсле беэ дополнительных конструк" ивных элементов снижает надежность устройства. Во-первых, пщ.активном отказе операционного усилителя на его выходе скачком формируется напряжение максимального уровня, которое 35 беспрепятственно проходит на выход устройства и далее в цепь управления, создавая тем самым предпосылки к аварийной ситуации в системе; во-вторых, появление параэитного внешнего потев. циала на выходе усилителя приводит к отказу операционного усилителя,Кроме того, приведенные варианты схем включения усилителей влияютна качественные характеристики извест ного устройства: снижается точность и сужается динамический диапазон выходной характеристики.Наиболее близким по техническим характеристикам к изобретению является многоканальное резервированное .аналоговое устройство контроля и уп-равления, содержащее (и+1) резервированных аналоговых блоков, ( и +1) сигаалиэаторов напряжения и ( и +1) ком" мутаторов, 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 выходомустройства и соответствующим входом( +1)-го резервированного аналого"вого блока, первый выход которогосоединен с первым входом одноименного сигнализатора напряжения и с вхо"дом одноименного коммутатора, выходкоторого подключен к дополнительномувходу ( и +1)-го резервированного аналогового блока, второй вход (и +1)го сигнализатора напряжения подключен к второму выходу ( п +1)-го резервированного аналогового блока, выходкаждого сигналиэатора,напряжения соединен с управляющим входом соответствующего коммутатора и с соответствующим контрольным выходом устройства.Устройство осуществляет замещение неисправного резервируемого канала ( и +1)-ым резервированным .ана. - .логовым блоком, Это замещение происходит по команде Отказ, поступающей в виде напряжения логической1 с выходов сигналиэаторов напря"жения на управляющие входы соответствующих коммутаторов и одновременно в систему контроля ббъекта дляформирования ею команды Полный от"казустройства и его отключения 2 .К недостаткам устройства следуетотнести усложнение схемы,вызванноеиспользованием ( и +1)-го резервированного аналогового блока, в составкоторого входит М (где й 3 3) операционных усилителей, зарезервированных по входам и выходам, наличие(и+1)-го коммутатора снижение коэффициента передачи в канале при замещении; ограниченное значение уровняпаразитного внешнего потенциала навыходе устройства из-эа необходимости использования ниэкоомных развяэы"вающих резисторов между выходами резервируемых операционных усилителейв реэервировайном аналоговом блоке)отсутствие сигнализации об обрывевходной линии связи с выходом резервируемого канала; отсутствие в устройстве блока логической обработкисигналов, поступающих с выходов сигнализаторов напряжения,Перечисленные недостатки снижаютнадежность и универсальность применения устройства.Цель изобретения - повышение надежности устройства.Поставленная цель достигается:тем,что в многоканальное резервированноеаналоговое устройство, содержащее почислу каналов резервированные анало"говые блоки, сигнализаторы напряже, ния и коммутаторы, в каждый каналговом блоке усилительный каскад вы"полнен на дифференциальном операционном усилителе, выход каждого каналаподключен .к первому входу одноименного сигнализатора напряжения, к одномувыводу нагрузочного резистора, другой 5вывод которого соединен с общей нулевой шиной источников питания и присо-единен к соответствующему входу резервированного аналогового блока, вы"ход которого через балансный резистор Яподключен к инверсному входу дифферен"циального операционного усилителя инепосредственно к второму и первомувходам соответствующих сигнализаторанапряжения и коммутатора, выход каж-,е 5дого коммутатора через ограничительный резистор соединен с соответствующим выходом устройства, а второй входкоммутатора подключен к выходу последующего коммутатора, выходы сигнализаторов напряжения подключены к первым входам соответствующих элемен-.тов ИЛИ,.к сигнальным выходам устройства и к входам. блока.формирования сигнала полного отказа, выходкоторого соединен с командным выхо- .дом устройства и с вторыми входамиэлементов ИЛИ, выходы которых подключены к управляющим входам соответствующих коммутаторов,На чертеже представлена блок-схе-,ма многоканального резервированногоаналогового устройства.Предлагаемое устройство в каждомканале содержит резервированный аналоговый блок 1, состоящий из и диод- З 5но-Функциональных преобразователей2 и усилительного каскада 3, выполненного на дифференциальном операционном усилителе 4., балансный резистор 5., сигнализатор б напряжения с 40двумя входами (первый 7, второй 8)и одним выходом 9 е коммутатор 10 сдвумя входами: первый 11, второй 12,управляющим входом и одним выходом13; элемент ИЛИ 14 с двумя входами: 45первый 15, второй 16 и одним выкодом 1нагрузочный резистор 17, ограничительный резистор 18, источник 19 биполярного напряжения со средней точкой,50В состав устройства также входитблок 20 Формирования сигнала полногоотказа, выход 21 канала, выход 22устройства, сигнальный выход 23, командный выход 24 устройства, элементы И 25-. 27 и ИЛИ 28 блока 20 и резис торы 29 и диоды 30 преобразователей 2.Выход 21 каждого канала подключенк первому входу 7 одноименного сигналиэатора б, к одному выводу нагрузочного резистора 17 другой вывод кото рого соединен с общей нулевой шинойисточников 19 питания, и к соответствующему входу резервированного аналогового блока 1, выход которого черезбалансный резистор 5 подключен к кн версному входу дифференциального операционного усилителя 4 и непосредственно к второму 8 и.первому 11 вхо"дам соответствующих сигнализатора бнапряжения и коммутатора 10,Выход 13 каждого .коммутатора 10через ограничительный резистор 18соединен с соответсвующим выходом22 устройства, а второй вход 12 коммутатора 10 подключен к выходу 13последующего коммутатора 10.Выходы 9 сигналиэаторов б напряжения подключены к первым входам 15 соответствующих элементов ИЛИ 14, ксигнальным выходам 23 устройства ик входам блока 20 формирования сигнала полного отказа, выход которогосоединен с командным выходом 24 устройства и с вторыми входами 16 элементов ИЛИ 14, выходы которых подключены к управляющим входам соответствующих коммутаторов.Принцип работы устройства состоитв следующем,Каждый резервированный аналоговыйблок 1 осуществляет выбор непрерывно".о аналогового сигнала, равного среднему арифметическому из и входныхсигналов резервируемых каналов информации, отличающийся от осредненноговыходного напряжения на величину,не превышающую заданный порог отсеч"ки Е . Указанный метод выбора носитназвание выборочного среднегоили голосования по большинству,когда большее число исправных каналов в системе (п- ю) нейтрализуетвоздействие меньшего числа неисправных каналов пст, гарантируя темсамым на выходе резервированного аналогового блока наличие достоверногосигнала результата сравнения с заданной погрешностью,Резервированный аналоговый блок 1реализует на выходе передаточнуюФункцию, определяемую выражением:иЕу)щ п-" - прп )у-Е(У 1( с Е ;при гп =0и У п .епе при(п.-е Чъ(е,; при кр М(- (1 д% пРи ,3 (11 Ю Геп с и/г где и - требуемое количество резервируемых каналов (нечетное и более 2).Значение и определяется выражением:где 4(ф) - заданное значение среднеквадратической погрешности резервируемого"го ка"нала4( ) - заданное значение результирующей среднеквадратической погрешности реэер"в ируе мой с ис темы.Из выражения (2) следует, что резервирование каналов позволяет получить на выходе резерв ирон анного ана" логового блока 1 результирующий сиг" нал с большей точностью, чем у одного канала, которая улучшается с увеличением общего числа и резервируемых каналов. 15й 1 - диапазон погрешности системы,При нормальном законе распределения погрешностей в системе, представляющей собой н динамическом отношении фильтр низких частот с большими постоянными времени запаздывания, диапазон погрешности системы опреде" ляется выражением64 У=З И(1") = , (3) 25т - планируемое (допустимое) количество неисправных каналов информа" ции., Это количество не должно превы шать значения т=п/2.При наличии ш неисправных каналов (откаэов) происходит увеличение диапазона погрешностей из-за умень" шения числа осредняемых сигналов и З 5 возрастания суммарной методической погрешности, вносимой каждым неисправным каналом. При этом реэультифующий диапазон погрешностей системы не превышает заданного значения,щ - количество неиспранных канакРлов, при котором диапазон погрешности системы достигает значения выше допустимого, ранного н среднем диапазону погрешностей одного канала.это количество определяется выражениемщкр (4) для схем, где гальваническое отключение .каналов при отказах, как в данном устройстве, не производится.1 П(у)- среднее арифметическое иэ ивходных сигналов значение вы"ходного напряжения резервированного аналогового блока 1;текущее значение выходного на"пряжения 1-ому резервируемомуканалауау - суммарное значение абсолютнойошибки, вызванной щ отказамирезервируемых и каналов; 60 1 Е 1 - допустимое значение абсолютной разности между выходнымнапряжением -го резервируемого канала и средним арифмети"ческим значением напряжения 65на выходе резервированного аналогового. блока 1, иначе порог отсечки. Для контроля эа исправным состоя" нием-го резервируемого канала в каждом канале используется сигнализатор б напряжения, представляющий собой пороговое устройство с однополярным сигналом на выходе, реагирующее на превышение абсолютным значением разности напряжений между текущим значением выходного сигнала 4 "го резервируемого канала и осредненным выходным сигналом одноименного реэер" нированного аналогового блока 1 эа" данного порога сигнализации Ц 1 ИСигнализатор б напряжения реализует на своем выходе 9 релейную функ" цию определяемую выражением:Р 3( )l Юкоманда Исправность .сн ф ф 1 фпри М;-(у) о)щкоманда ф )Отказ(5) где 1 Ед)сн - порог отсечки сигналиэато" ра б напряжения.Для пранильной работы устройства необходимо выполнять услоние/аСН о 1 (б)Сигнализатор б напряжения должен удовлетворять следующим функциональным воэможностям.Осуществлять временную оценку исправности 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 напряжения выше допустимого значенияЕо)ни 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,10517517исправного состояния по сигналам ко- щего исправного канала. Таким обра-.манды Тестф с последующим приведе- зом,формируется логическая функция .вием его в исходное состояние, также замещения неисправного канала исправпоступающим из системы контроля объ- ным, что гарантирует работоспособ"екта). ность устройства,по всем и выходамПитание сигнализатора напряжений5 до момента возникновенияв устройстпостоянным напряжением должно осуве количества отказов го: .ществляться от двух.источников комби- Блок 20 формирования сигйала пол-.нированно, Его входная часть (поро- ного отказа реализует логическуюговое устройство) должно заплывать" функцию дизъюнктивного суммированияся от одноименногоисточника 19 пос конъюнктивно связанных сигналов Ентоянного напряжения, а выходной кас" по отказамв:пкр,поступающих в видекад - от автономного источника пос- логической 1 1 (команда "Откаэф)тоянного напряжения повышенной надеж" с выходов 9 сигнализаторов 6 напряности. Это требование определяется жения.необходимостью срабатывания выходно Блох 20 формирования сигнала йолго 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 ИЛИ, блок. О налов по отказам и: пк. формирования сигнала полного отказа) 2 О ,ькр и.должно осуществляться только от. ав- .йи=Сп = , п р,тономного источника постоянного на- . кркрпряжения повышенной надежности. " Количество входов в каждом элеменВ устройстве за понятие" отказ те И 25 равно количеству отказов ерприняты следующие ситуации: ) й /2. Количество входов у. элемента1, рассогласование входного сигна- ИЛИ 28 равно количеству элементов Ила с выхода 1-го резервируемого кана-27. Входы элементов И 25-27 осула относительно среднего арифметичес- ществляют конъюнкцию сочетаний изкого значения по выходу одноименного сигналов команд по отказам.пз:щк.резервированного аналогового блока 1 30 Выход элемента ИЛИ 28 является вына величину, превышакщую порог.отсеЧ- ходом блока формирования сигналаки Юо снф полного отказа, 1 ф отказа на ко 2., обрыв цепи входного сигнала по тором появляется каждый раз при нали 1-ому резервируемому каналу 1 . чин сигнала с выхода любого из элемен 3. активный отказ дифференцналь тов И 25;27,ного операционного усилителя 4 в . Командный сигнал полного отказа(-ом резервированном аналоговом бди- . поступает с выхода блока 20 Формирокеу вания сигнала полного отказа на вто"4. отказ источника 19 питания:.(срыв входы 16 всех и элементов ИЛИ 14учетом выполнения требований к блок О устройства, вызывая отключение всехсхеме построения сигнализатора напря- выходов резервированных .аналоговыхжения,), блоков 1 от выходов 22 устройства.Каждая из составляющих понятий . Одновременно команда полного отка- .отказф является равноценнойпо от- за поступает через командный выходношению друг к другу (логика 1 ИЛИф)45 24 устройства в систему контроля объУстройство работает следующим об-, екта, информируя ее об отказе автомаразом, тического режима управления объектом.При наличии отказа, сигналиэаторВоздействие параэитного внешнего6 напряжения через нормированную за-. потенциала повышенного уровня на людержку времени-ь . меняет свое -сос- бой их выходов 22 устройства, обрывтояние выхода 9 с 01 на ф 1 ф . Ж или замыкание любого иа выходов 22которая поступает в вифе потенциала на нулевую шину не оказывают влиянияпринятого уровня на первый вход 15на работоспособность остальных кана"соответствующего элемента ИЛИ 14.: на лов управления,один иэ входов блока 20 (Формирова При попадании параэитного внешнения сигнала полного отказа и на аоотго потенциала на выходную клемму 22ветствующий сигнальный выход 23 уст- устройства происходит его делениеройства, инФормируя об",отказе в с-.ом между ограничительным резистором 18канале систему контроля объекта. и выходом дифференциального операциПри поступлении команды ,Отказф,онного усилителя 4 в резервированномна выходе соответствующего элемента О. аналоговом блоке 1.ИЛИ 14 появляется сигнал, воздейст" , Выходное сопротивление дифференцивующий 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 малойи переключает его на выход последую. 65 величиной.10517519В 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 45 :выделяется на ограничительном реэис- , Номинал балансного.резистора 5 дол" торе 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"10 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-функцио на диФференциальном операционном 15 нальнух преобразователях 2 в режиме усилителе 4,"включенном по схеме.бу- 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 абсоднодно-функциональных преобраэовате" 30 лютной ошибки д У на выходе прн отфкалях 2 благодаря тому, что входное со- эе -го Реэеррируемого канала, противление дифференциального операционного усилителя 4 в данном режи" . . Изготовление устройства в интриг" ме его включения стремится к беско- .Ральном .исполнении как базового эле-, нечно большой величине (сотни МегаОм).25.мента резервирования и контроля поэВведение балансного резистора 5 волит повысить надежность и точность по инверсному входу операционного . проектируемых наего основе систем усилителя 4 определяется .необходи- автоматического управления, 1 НИИПИ Заказ 8 б 90/59 нраж 845 Подписное Филиал ППП Патент", г.ужгород, ул.Проектная,Ф