Исследование схем аппаратного контроля безопасности микропроцессорных систем интервального регулирования движения поездов

рассмотрим вариант реализации схемы контроля на примере имитационного моделирования схемы используемой в АЛС-ЕН.

Логические устройства, применяемые при передаче и обработке информации, являются комбинационными, т.е. представляют собой конечные автоматы без памяти или с памятью.

В качестве критерия безопасности логического устройства (ЛУ) используется выражение, принятое в качестве критерия безопасности любых аппаратных средств системы управления.

Оно представляет собой вероятность того, что время t с момента вступления поезда на i-ый элементарный участок (рельсовая линия, блок-участок) до момента перехода перевозочного процесса в опасное состояние по причине опасных отказов логического устройства системы управления не менее времени T_эi нахождения поезда на этом участке:

(52)

Важно отметить, что логические устройства с автоконтролем обладают двумя свойствами: самостоятельно обнаруживать отказы и автоматически переходить в защитное состояние.

Метод автоконтроля отличается тем, что в устройстве параллельно реализуются два процесса: контроля исправности устройства и выполнения его основной функции в соответствии с заданным алгоритмом. При возникновении отказа любого элемента устройства, в котором реализован процесс автоконтроля, он прекращается и автоматически переводит устройство в защитное состояние. Все элементы безопасного устройства должны быть охвачены процессом автоконтроля. Если же часть элементов им не охвачены, то они должны иметь необходимый запас прочности.

При рассмотрении характера влияния отказов различных компонентов схем на функции логического элемента (ЛЭ) принимают во внимание только внезапные полные отказы. Такое ограничение позволяет наиболее четко выявить особенности этих влияний и распространить их затем на другие виды отказов.

Существуют внешний и внутренний автоконтроль правильности функционирования устройств.

Внешний автоконтроль правильности функционирования устройства заключается в том, что под действием внешних сигналов, поступающих на один из входов устройства, состояние его элементов периодически изменяется в определенном порядке, в результате чего устройство вырабатывает сигнал управления исполнительными устройствами, подключенными к его выходу. При отказе какого-либо элемента теряется его способность изменять состояние, и, как следствие, прекращается процесс формирования управляющего сигнала, что приводит к отсутствию сигнала на выходе устройства и может рассматривается, как переход в защитное состояние.

Существуют также устройства с внешним тестовым автоконтролем (ТАК) и внешним функциональным автоконтролем (ФАК). При внешнем ТАК (рис. 14) устройство имеет специальный вход для тестовых сигналов, под действием которых изменяются состояния его элементов, а информационные сигналы, подаются на другие входы. В устройствах с ФАК (рис. 15) роль тестовых сигналов выполняют информационные сигналы.

Рис. 14

Рис. 15

В устройствах с внутреннем автоконтролем правильности функционирования, при появлении сигнала на информационных входах возбуждаются сигналы контроля, если параметры схемы находятся в допустимых пределах. Важно отметить, что сигналы контроля имеют частоту существенно выше частоты поступления сигналов на информационные входы. Этим обеспечивается возможность прохождения на выход устройства только сигналов, представляющих собой произведение результатов логической обработки информационных и контрольных сигналов.

Рассмотрим автоконтроль в устройствах обработки сигналов на примере функциональной схемы напольного передатчика системы АЛС-ЕН.

На рис. 16 представлено безопасное устройство сравнения параметров сигналов нескольких каналов (схема соответствия), а также устройства, реализующие надежное отключение комплекта с отказом и переводом его в защитное состояние. Такую схему также называют схемой контроля правильности функционирования.

Рис. 16

Схема контроля правильности функционирования представляет собой цифро-аналоговую схему. На рис. 16 пунктирной линией обведен элемент памяти (ЭП). Временные диаграммы работы схемы в исправном состоянии представлены на рис. 17.

Рис. 17

На входы «1» и «2» поступают сигналы с контрольных точек (КТ), например от двух микропроцессорных блоков. Сигналы КТ должны быть в противофазе друг относительно друга (Рис. 17 б,в). Тогда на выходе элемента DD1 (сложение по модулю 2) будет уровень логической «1». На один из входов элемента «И» DD3 подается высокочастотный сигнал Xт (Рис.17 г). Частота Xт должна быть во много больше частоты снимаемой с КТ (входы «1» и «2»). Если сигнал запуска S не подавался, то на втором входе элемента «И» (DD3) будет уровень логического «0», следовательно, на выходе элемента тоже будет «0». В таком состоянии на выходе элемента «И» DD2 будет уровень логического будет «0».

Для запуска схемы необходимо подать на вход S (рис. 17 а) одиночный импульс.

При подаче сигналов на входы «1», «2» и «Xт» на выходе схемы будет уровень логического «0» (рис. 18).

Рис. 18

При подаче стартового импульса S = 1 (рис. 19) на выходе схемы «ИЛИ» (DD4) появится уровень логической единицы которая поступает на вход DD3, что вызывает появление уровня логической единицы на выходе DD3, которая в свою очередь вызывает появления уровня логической единицы на выходе всей схемы, а именно на выход поступают высокочастотные импульсы Xт (рис. 17 д). Эти импульсы поступают на аналоговую часть схемы, где они выпрямляются и фильтруются. На выходе аналоговой части схемы получается постоянная составляющая с уровенем равным логической единице, которая поступает на вход DD4 (рис 19).

Рис. 19

А так как DD4 является элементом «ИЛИ», то на выходе будет логическая единица даже, при отсутствии стартового импульса (рис. 20).

Рис. 20

Как видно из рис. 20 аналоговой частью схемы образована положительная обратная связь, благодаря чему схема работает даже при снятии стартового импульса. При отказе любой из связей в схеме контроля безопасности, а также в случае искажения сигналов с КТ схема будет выключена, т.е на выходе появиться уровень логического нуля, и система перейдет в защитное состояние.

Сымитируем схему контроля (рис. 16) в программном продукте Electronics Workbench (EWB) (рис. 21).

Элементу DD1 (рис. 16) соответствует элемент U11 (рис. 21); DD2 – U12; DD3 – U13; DD4 – U14. Описание работы схемы и влияние на нее внутренних отказов под действием внешних дестабилизирующих факторов было описано выше.

Примечание. Названия элементов схемы в EWB присвоенноы программой автоматически. Для их отображения используется команда Schematic Options → Show/hide → Show reference ID.

.

Рис. 21 Схема в EWB

Выпрямитель и фильтр построены на диоде D1 и конденсаторе С1. Для формирования одиночного стартового импульса используется источник постоянного напряжения +5В U9 и ключ S1.

Примечание. Для генерации одиночного стартового импульса можно использовать и другие элементы, например ключ срабатывающий по таймеру (time-delay switch).

При моделирования схемы в EWB необходимо подключить генераторы прямоугольных импульсов на входы схемы. Для обеспечения поступления сигналов с КТ на вход «1» и «2» в противофазе, источник прямоугольных импульсов подключается напрямую к входу «1», а на вход «2» через инвертор U16. В качестве источника сигналов Xт используется генератор прямоугольных импульсов V2. Частота следования импульсов Xт (10 кГц) много выше частоты сигнала подаваемого в качестве КТ (f (V1) = 500 Гц) (рис. 21). Для индикации сигнала на выходе схемы используется пробник U17.

После того как схема собрана, необходимо включить моделирование работы схемы; нажатием на программную кнопку-тумблер в верхнем правом углу программы (рис. 22).

Рис. 22

Теперь, когда все сигналы подаются, пробник U17 остается темным. Это значит, что на выходе уровень логического нуля. Для запуска схемы следует подать одиночный стартовый импульс на вод S. Для этого необходимо нажать два раза на клавишу «S» для того чтобы замкнуть ключ и затем разомкнуть его.

Примечание. В примере для управления ключом назначена клавиша «S». По умолчанию для управления ключом предназначена клавиша пробел.

В результате вышеописанных действий пробник U17 ,будет мигать, в том числе и при разомкнутом ключе «S» (в автономном режиме благодаря положительной обратной связи).

Для имитации отказов добавим в схему девять ключей. Их расположение и назначенные кнопки управления показаны на рис.23.

Любой отказ должен приводить к сбросу схемы в «0», а при его устранении схема должна оставаться в защитном состоянии, т.е. на выходе не должно появиться никаких сигналов.

Запустим имитацию работы схемы (рис. 23), а затем включим имитируемую схему – замкнем и разомкнем ключ S1 (s). Т.е. приведем схему в рабочее состояние. Пробник U17 начнет мигать. Теперь, если разомкнуть любой из ключей S2 – S9 (отказ), пробник становится темным, отметим, что при замыкании этих же ключей пробник U17 остается темным.

Рис. 23

После того, как один из отказов будет сымитирован, необходимо снова запустить схему ключом S1. Аналогичные действия следует повторить для всех ветвей схемы, сымитировав все восемь отказов.

Варианты индивидуальных заданий

Частота сигнала с контрольных точек (точки 1 и 2 рис. 21):

n [кГц],

где n – порядковый номер в журнале.

Вопросы для самопроверки

1. Каким образом обнаруживаются ошибки и отказы в микропроцессорных системах интервального регулирования?

2. Каким образом реализуется дублированная избыточная структура?

3. Опишите алгоритм работы блока начала установки для дублированной избыточной структуры.

4. Какая функция реализует логику работы мажоритарного элемента?

5. Каким образом происходит локализация неисправностей комплекта в троированной мажоритарной структуре?

6. Каким образом реализуется двойная самопроверямая избыточная структура?

7. В чем разница работы устройств с внешним тестовым автоконтролем и внешним функциональным автоконтролем?

8. Какую дополнительную роль играют информационные сигналы в устройствах с внешним функциональным автоконтролем?

9. Каков принцип внутреннего автоконтроля правильности функционирования устройства.

10. Схема контроля правильности функционирования (рис. 16) является: цифровой схемой, аналоговой или другой?

11. Схема контроля правильности функционирования (рис. 16) является схемой с обратной связью или без?

12. Какие элементы образуют цепь обратной связи в схеме контроля правильности функционирования?

13. Какой длительности должен быть стартовый импульс?

14. Приводит ли восстановление отказа к продолжению работы схемы без повторной подачи стартового импульса?

Рекомендуемая литература

1. Лисенков В.М. Теория автоматических систем интервального регулирования. – М.: Транспорт, 1987. – 150 с.

2. Лисенков В.М. Безопасность технических средств в системах управления движением поездов. – М.: Транспорт, 1992. – 192с.

3. Шалягин Д.В., Бестемьянов П.Ф. Способы обеспечения безопасности в системах АЛС. .// Сборник научных трудов. Актуальные проблемы развития железнодорожной автоматики, телемеханики и связи. – М.: Транспорт, 1987. – С.113 – 124.

4. Граф Ш., Гессель М. Схемы поиска неисправностей: Пер. с нем. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 144 с.: ил.

5. Пархоменко П.П., Согомонян Е.С. Кн.2. Основы технической диагностики: Оптимизация алгоритмов диагностирования, аппаратурные средства / Под ред. П.П.Пархоменко. – М.: Энергия, 1981.

6. Сердаков А.С. Автоматический контроль и техническая диагностика. – Киев: Техника, 1971. – 244 с.: ил.

Бестемьянов Петр Филимонович. Ваньшин Александр Евгеньевич. Романчиков Андрей Михайлович.