Шахтное искробезопасное устройство дискретного контроля двухпозиционных датчиков

(19) (11) 7 А 1 5 Е 21 Р 9/00 ОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ К АВТОРСКОМ ЕТЕЛЬСТ(71) Государственный проектно-конструкторский и научно-исследовательский институт по автоматизации угольнойи ромы шлен ности "Гипроуглеавтоматизация"(54) ШАХТНОЕ ИСКРОБЕЗОПАСНОЕ УСТРОЙСТВО ДИСКРЕТНОГО КОНТРОЛЯ Д ВУХПОЗИ ЦИ ОН Н ЫХ ДАТЧ И КО В (57) Изобретение относится к автоматизации шахтных производственных процессов, Цель изобретения - повышение надежности путем сокращения. элементов гальванической развязки и снижение искробезопасности мощности, Устройство содержит два искробеэопасных источника питания 1,2, эл-ты гальванического разделения, например оптроны 3, 4, 5, и 6, двухпозиционные датчики 7. Введены ключевые эл-ты 8 и блоки совпадения 9 по числу двух- позиционных датчиков, инвертор 10, резистор 11, элемент И 12, выходной ключ опроса 14, распределители импульсов 15 и 16, генератор тактовой частоты 17, Распределитель импульсов 16 для опроса двухпозиционных датчиков 7 перенесен в цепь питания контролируемых датчиков от второ- го искробезопасного источника 2, введены дополнительные и ключи 8; где и - число датчиков 7. Через опросный оптрон 4 тактовая частота подается на вход распределителя 16, а выходной оптрон 6 выдает последовательный код состояния контролируемых датчиков 7, С помощью введенных схемы совпадения И 12 и инвертора 10 последовательный код состояния датчиков 7 преобразуется таким образом, что оптроны 6 и 4 включаются поочередно в разные моменты времени, что способствует снижению искробезопасной мощности источника 1 и энергозатратам обоих искробезопасных источников 1 и 2. 1 ил,Изобретение относится к автоматизации шахтных производственных процессов, а именно к устройствам контроля и управления, работающим в условиях взрывоопасной газовой среды.Известно шахтное искробезопасное устройство контроля датчиков, которое содержит в каждом канале контроля элемент гальванической развязки, во входную цепь которого включен контактный двухпозиционный датчик.Недостатком устройства является то, что элементы гальванической развязки (в данном случае оптроны) непрерывно потребляют мощность от внешнего искробезопасного источника питания во всем входным каналам, если контакты датчика находятся в замкнутом состоянии, При большом количестве контролируемых датчиков за счет повышения потребления светоизлучающими элементами оптронов искробезопасной мощности источника снижается искробезопасность устройства.Известно также шахтное искробезопасное устройство дискретного контроля датчиков в котором каждый канал контроля датчика содержит два оптрона, причем первый оптрон является опросным, он включает цепь светоизлучающего элемента второго оптрона, с выхода которого снимается сигнал. За счет поочередного опроса датчиков потребляемая искробезопасная мощность источника не увеличивается в зависимости от числа контролируемых датчиков.Однако существенным недостатком его является то, что количество элементов гальванической развязки должно едва раза превышать число контролируемых датчиков, что не экономично, а кроме того, снижается надежность устройства.Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является шахтное искробезопасное устройство дискретного контроля состояния двухпозиционных датчиков, которое содержит два искробезопасных источника питания, входы опроса датчиков, опросные оптроны по числу контролируемых датчиков и один выходной оптрон, контакты контролируемых датчиков и выход устройства. Первый вывод светоизлучающего элемента первого(выходного) оптрона объединен с первыми выводами фотоприемников опросных оптронов, второй вывод светоизлучающего элемента первого оптрона соединен с положительным полюсом второго источника питания, отрицательный полюс которого через контакты контролируемых датчиков подключен к вторым выводам фотоприемников соответствующих опросных оптронов, первые выводы светоизлучающих элементов которых объединены и подключены к отрицательному полюсу пер вого источника питания, вторые выводы которых являются входами опроса датчиков.Первый вывод фотоприемника выходного оптрона соединен с положительным полюсом первого источника питания, второй вы вод фотоприемника выходного оптронаявляется выходом устройства.Сигналы опроса поочередно подаютсяна светоизлучающие элементы опросных оптронов и открывают их фотоприемники, 15 которые соединены последовательно с соответствующими датчиками, Если датчик включен, то собирается цепь данного опросного сигнала и зажигается светоизлучающий элемент выходного оптрона, На 20 следующем такте опроса (опросный сигнална следующем входе) снимается информация, соответствующая положению следующего датчика и т.д. Таким образом, с выхода устройства снимается последовательный 25 информационный код состояния датчиков,соответствующий тактовой опросной частоте, т.е. в каждом такте опроса датчиков на выходе устройства присутствует сигнал о состоянии опрашиваемого через соответст вующий вход опроса датчика.Основной недостаток устройства состоит в том, что известное устройство может функционировать только в присутствии человека (оператора), который подает опрос ный сигнал на соответствующий вход ификсирует состояние выходного оптрона.Кроме того, недостатком устройства является, во-первых, повышенное количество необходимых элементов гальванического 40 разделения (оптронов), которое увеличивается с увеличением числа контролируемых датчиков и равно и+ 1, где и - число датчиков. Оптроны являются достаточно дорогими элементами специального 45 назначения и использовать их вместообычных электронных ключей или схем совпадения нецелесообразно, Во-вторых, первый искробезопасный источник, обеспечивающий опрос датчиков и выход устрой ства, имеет повышенную искробезопаснуюмощность по сравнению с вторым источником за счет одновременного включения его. двух параллелльных цепей - цепи светоизлучающего элемента любого опросного опт рона и выходной цепи при включениилюбого датчика, Особое значение это имеет, если выходной сигнал передается на большое расстояние по длинной линии связи, В этом случае к искробезопасному источнику предъявляются более жесткие17212 б 7 распределителя импульсов, а второй вывод 55 гальванического разделения, например опсветоприемника первого оптрона подключен к аноду светодиода второго оптрона, а первый вывод светоприемника второго оптрона подключен к аноду светодиода четвертроны 3 - 6, двухпозиционные датчики 7,ключевые элементы 8, блоки 9 совпадения по числу двухпозиционньх датчиков, инвертого оптрона и к первым выводам тор 10, резистор 11,элементИ 12,выходной двухпозиционных датчиков, вторые выводы ключ 13, ключ 14 опроса, распределители 15 требования по мощности за счет индуктивности и электрической емкости двухпроводной линии связи.Кроме того, устойчивая и надежная передача информации по проводной линии требует минимального внутреннего сопротивления как приемника, так и передатчика, т.е. передача должна осуществляться на полном токе источника, мощность которого ограничена условиями искробезопасности, Если предположить, что приемником выходного сигнала является светоизлучающий элемент оптрона на противоположном конце линии связи, то мощность первого источника должна быть в два раза выше мощности второго за счет необходимости обеспечить одновременную работу двух светоизлучающих элементов приемного и опросного оптронов.Цель изобретения - повышение надежности путем сокращения элементов гальванической развязки и снижение искробезопасной мощности.Поставленная цель достигается тем, что шахтное искробезопасное устройство дискретного контроля двухпозиционных датчиков, содержащее два искробезопасных источника питания, положительная шина первого из которых подключена к первому выводу светоприемника первого оптрона, отрицательная шина первого искробезопасного источника питания подключена к катоду светодиода второго оптрона, положительная шина второго искробезопасного источника питания подключена к первым выводам двухпозиционных датчиков, а катод третьего оптрона подключен к первому выводу светоприемника четвертого оптрона, снабжено ключевыми элементами и блоками совпадения по числу двухпозиционных датчиков, инвертором, резистором, элементом И, выходным ключом опроса, двумя распределителями импульсов и генератором тактовой частоты, выход которого подключен к входу первого распоеделителя импульсов и к входу ключа опроса, выход которого подключен к катоду светодиода первого оптрона, анод которого подключен к первому выводу светоприемника третьего оптрона, второй вывод которого подключен к управляющим входам блоков совпадения, входы которых подключены к соответствующим выходам первого которых подключены к входам ключей, отрицательная шина первого искробезопасного источника подключена к второму выводу светоприемника четвертого оптрона, катод светодиода которого подключен к входу выходного ключа, выход которого подключен к отрицательной шине второго источника питания непосредственно и через резистор - к второму выводу светоприемника второго оптрона и к входу инвертора, выход которого подключен к управляющему входу второго распределителя тактовых импульсов и к первому входу элемента И, к второму выходу которого подключены вторые выходы ключей, управляющие входы которых подключены к соответствующим выходам второго распределителя тактовых импульсов, а выход элемента И подключен к управляющему входу выходного ключа.Введение в устройство ключевых элементов и блоков совпадения по числу двух- позиционных датчиков, инвертора, резистора, элемента И, выходного ключа, ключа опроса, двух распределителей импульсов и генератора тактовой частоты в совокупности с соединением данных элементов по описанной схеме приводит к тому, что всю информацию с датчиков можно снять и передать на расстояние потребителю по гальванически развязанной цепи с помощью четырех оптронов независимо от числа датчиков за счет передачи от потребителя тактовой частоты опроса с помощью двух оптронов, преобразования параллельного позиционного кода состояния датчиков в последовательный код с помощью ключевых элементов и передающего распределителя импульсов, работающего синхронно с приемным распределителем импульсов, который проводит обратное преобразование информационного кода. Введение схемы И и инвертора дает возможность снизить искробезопасную мощность выходного источника в два раза при работе на длинную линию связи за счет поочередного включения цепи оптронов, передающих тактовую частоту, и оптронов, передающих в обратном направлении информационный код состояния датчиков.На чертеже приведена схема шахтного искробезопасного устройства дискретного контроля двухпозиционных датчиков.Устройство содержит два искробезопасных источника 1 и 2 питания, элементы 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50и 16 импульсов и генератор 17 тактовой частоты. На схеме положительные и отрицательные полюсы источников обозначены знаками "+" и "-".Элементы схемы соединены следующим образом: положительная шина первого искробезопасного источника 1 питания подключена к первому выводу светоприемника первого оптрона 3, отрицательная шина первого искробезопасного источника 1 питания подключена к катоду светодиода второго оптрона 4, а положительная шина второго искробезопасного источника 2 питания подключена к первым выводам двух- позиционных датчиков 7, а катод третьего оптрона 5 подключен к первому выводу светоприемника четвертого оптрона 6, выход генератора 17 тактовой частоты подключен к входу первого распределителя 15 импульсов и к входу ключа 14 опроса, выход которого подключен к катоду светодиода первого оптрона 3, анод которого подключен к первому выводу светоприемника третьего оптрона 5, второй вывод которого подключен к управляющим входам блоков 9 совпадения, входы которых подключены к соответствующим выходам первого распределителя 15 импульсов, а второй вывод светоприемника первого оптрона 3 подключен к аноду светодиода второго оптрона 4, а первый вывод светоприемника второго оптрона 4 подключен к аноду светодиода четвертого оптрона 6 и к первым выводам двухпозиционных датчиков 7, вторые выводы которых подключены к входам ключей 8, а отрицательная шина первого искробезопасного источника 1 подключена к второму выводу светоприемника четвертого оптрона 6, катод светодиода которого подключен к входу выходного ключа 13, выход которого подключен к отрицательной шине второго источника 2 питания непосредственно и через резистор 11 - к второму выводу свето- приемника второго оптрона 4 и к входу инвертора 10, выход которого подключен к управляющему входу второго распределителя 16 тактовых импульсов и к первому входу элемента И 12, к второму входу которого подключены вторые выходы ключей 8, управляющие входы которых подключены к соответствующим выходам второго распределителя 16 тактовых импульсов, а выход элемента И 12 подключен к управляющему входу выходного ключа 13.Устройство работает в автоматическом режиме при передаче информации в цепь дополнительного источника питания, например в цепь искробезопасного источника, расположенного на поверхности шахты. В этом случае тактовая частота опроса, вырабатываемая генератором 17, с помощьюключа 14 и светоизлучающего элементапервого оптрона 3 передается в цепь искробезопасного источника 1. Фотоприем 5 ник первого оптрона 3 периодическизамыкается и передает тактовую частоту ввиде последовательности симметричныхимпульсов тока по линии связи на вход второго оптрона 4. Импульс тока, протекающий10 в данной цепи от положительного полюсаисточника 1 до его отрицательного полюса,вызывает свечение светоизлучающего элемента второго оптрона 4.Срабатывает фотоприемник данного15 оптрона 4, который замыкает цепь второгоисточника питания 2 от его положительногодо отрицательного полюса через резистор11, который необходим для согласованиятокового сигнала с высокоомным входом20 электронных схем. От точки, объединяющейпервый вывод фотоприемника второго оптрона 4 и первый вывод резистора 11, импульс напряжения подается на инвертор 10,где меняет свою фазу на 180 О, Полученная25 последовательность импульсов, подаваемая на вход распределителя 16, управляетего работой,Распределитель 16 формирует последовательно на своих выходах сигналы опроса,30 которые по длительности равны такту(периоду) последовательности импульсов на еговходе. Указанные опросные сигналы открывают соответствующие ключи 8, число которых равно количеству контролируемых35 двухпозицонных датчиков 7, через которыеположительный потенциал второго источника 2 подается на вторые входы ключей 8,Таким образом, сочетание распределителя 16 и ключей 8 представляет собой пре 40 образователь параллельного кодасостояния датчиков 7 в последовательныйкод, где каждому датчику отводится определенная временная позиция, Данный последовательный код формируется на общей45 шине с выходов ключей 8. Указанный последовательный код является нормальным двоичным последовательным кодом, т.е.сигнальные импул ьсы с двух вкл юче нных соседних датчиков не разделяются.50 На схеме И 12 совпадения данный последовательный код сравнивается с тактовой последовательностью импульсов,управляющей распределителем 16, При помощи этой операции осуществляется разде 55 ление соседних сигнальных импульсов кодаза счет закрытия схемы совпадения на второй половине каждого такта. Таким образом, на управляющий вход выходного ключа13 подается последовательный код состояния датчиков 7, где сигнальные импульсы10 тактовый импульс, а во второй половине 15 данного интервала времени передается вобратном направлении через оптрон 6 сиг-,нальный импульс включенного состояниясоответствующего датчика 7. 50 55 занимают первую половину своего тактового интервала. А так как для формирования данного кода используется инверсная тактовая частота, то указанный последовательный код сдвинут по фазе на 180 относительно исходной тактовой частоты,проходящей через второй оптрон 4, что повремени составляет половину тактового интервала. В результате оптроны 6 и 4 включаются в разные моменты времени; в первой половине тактового интервала исходной частоты, подаваемой на светоизлучающий элемент оптрона 4, через него передается Таким образом, с выхода фотоприемника четвертого оптрона 6 получаем последовательный код состояния двухпозиционных датчиков, где каждый сигнальный импульс соответствует тактовому интервалу. При подключении выхода фотоприемника оптрона 6 через другой провод линии связи и светоизлучающий элемент третьего оптрона 5 к положительному полюсу источника 1 информацию о состоянии 7 можно передать в искроопасную цепь, где расположен преобразователь последовательного информационного кода в параллельный.Данный преобразователь состоит из распределителя импульсов 15 и схем 9 совпадения, каждая из которых одним входом подключена к соответствующему выходу распределителя 15. На вход данного распределителя 15 подается с генератора 17 та же тактовая опросная частота, что и на вход распределителя 16, т.е. последовательный информационный код засинхронизирован с распределителем 15.Последовательный информационный код с выхода фотоприемника третьего оптрона 5 подается на все вторые входы схем 9 совпадения, которые по первым входам управляются с соответствующих выходов распределителя 15. Таким образом на выходах схем 9 совпадения получаем параллельный позиционный код состояния датчиков 7,Основными недостатками оптронов, предназначенных для гальванического разделения цепей, является их достаточно высокая стоимость по сравнению с обычными электронными ключами (с биполярными или полевыми транзисторами) без гальванического разделения управляющих и исполнительных цепей, пониженная надежность и значительное потребление электрической 20 25 30 35 40 45 мощности светоизлучающими элементами оптронов по сравнению с известными элементами микроэлектронной техники, например микросхемы КМОП-структуры. Все это существенно влияет на стоимость и надежность выпускаемой аппаратуры, а с другой стороны ограничивает разработку и применение маломощной искробезопасной аппаратуры шахтной автоматики.Предлагаемое устройство в значительной степени уменьшает укаэанные недостатки, Количество опросных оптронов, которое в известном устройстве равно и, где и - число контролируемыхдатчиков, заменено одним оптроном, передающим тактовую частоту, а вместо остальных оптронов применяются обычные электронные ключи в количестве и, где и - число контролируемых датчиков.Кроме того, для функционирования предлагаемой схемы опроса датчиков, которая питается полностью от второго искробезопасного источника, практически не требуется введения дополнительных элементов, кроме и указанных ключей, Для работы в автоматическом режиме известного устройства также необходимы источник тактовой частоты и распределитель импульсов.Таким образом, замена дорогостоящих элементов специального назначения (оптронов) обычными электронными ключами общего назначения в пропорции .1:1 дает прямой экономический эффект, который наиболее существенен при повышенном числе контролируемых датчиков, например более 10.Предлагаемая схема дает воэможность снизить искробезопасную мощность источника выходной цепи - первого искробезопасного источника, за счет поочередного включения двух его параллельных цепей: цепи светоизлучающего элемента опросного оптрона и цепи фотоприемника выходного оптрона, Это наиболее существенно при передаче выходного сигнала на расстояние по двухпроводной линии связи, что вносит дополнительныеограничения по искробезопасной мощности источника. При нагрузке выходной цепи устройства на приемник сигналов с низкоомным входом, например светоизлучающий элемент дополнительного приемного оптрона, мощность выходного источника затрачивается только на включение одного оптрона, независимо от количества включенных контролируемых датчиков. Такимобразом, в данном случае мощность выходного источника (первого искробезопасного источника) можно снизить примерно в два раза,12 1721267 Энергопотребление предлагаемой схемой от обоих искробезопасных источников, также примерно в два раза уменьшается по сравнению с известной, так как при включении всех датчиков в известном устройстве постоянно включены два оптрона. В предлагаемой схеме опросный и выходной оптроны включаются поочередно, что по затратам электроэнергии соответствует свечению только одного оптрона. Это имеет большое значение для маломощных автономных искробезопасных источников, например батареи, аккумуляторы. 40 45 50 Составитель И,НазаркинаТехред М,Моргентал Корректор Э,Лончакова Редактор Н.Яцола Заказ 937 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 Формула изобретения Шахтное искробезопасное устройство дискретного контроля двухпозиционных датчиков, содержащее два искробезопасных источника питания, положительная шина первого из которых подключена к первому выводу светоприемника первого оптрона, отрицательная шина первого искробезопасного источника питания подключена к катоду светодиода второго оптрона, а положительная шина второго искробезопасного источника питания подключена к первым выводам двухпозиционных датчиков, третий оптрон подключен к первому выводу светоприемника четвертого оптрона, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения надежности путем сокращения элементов гальванической развязки и снижения искробезопасной мощности, устройство снабжено ключевыми элементами и блоками совпадения по числу двухпозиционных датчиков, инвертором, резистором, элементом И, выходным ключом, ключом опроса, двумя распределителями импульсов и генератором тактовой частоты, выход которого подключен к входу первого распределителя импульсов и к входу ключа опроса, выход которого подключен к катоду светодиода первого оптрона, анод которого подключен к первому выводу светоприемника первого оптрона, а второй вывод которого подключен к управляющим входам блоков совпадения, входы которых подключены к соответствующим выходам первого распределителя импульсов, а второй вывод светоприемника первого оптрона подключен к аноду светодиода второго оптрона, а первый вывод светоприемника второго оптрона подключен к аноду светодиода четвертого оптрона и к первым выводам двухпозиционных датчиков, вторые выводы которых подключены к выходам ключей, а отрицательная шина первого искробезопасного источника подключена к второму выводу светоприемника четвертого оптрона, катод светодиода которого подключен к входу выходного ключа, выход которого подключен к отрицательной шине второго источника питания непосредственно и через резистор к второму выводу светоприемника второго оптрона и к входу инвертора, выход подключен к управляющему входу второго распределителя тактовых импульсов и к первому входу элемента И, к второму входу которого подключены вторые выходы ключей, управляющие входы которых подключены к соответствующим выходам второго распределителя импульсов, а выход элемента И подключен к управляющему входу выходного ключа,5 10 15 20 25 30 35