7.4. Логические элементы безопасных систем железнодорожной автоматики и телемеханики

Как показано в предыдущих параграфах, методы синтеза безопасных автоматов определяются параметрами надежности логических элементов (ЛЭ). Наиболее важным из них является несимметричность отказов, т. е. повышенная надежность ЛЭ относительно некоторых неисправностей. Такие ЛЭ названы h₁- и h₀-надежными.

Для выяснения, является ли данный элемент h₁- или h₀-надежным, значения интенсивностей отказов λ_0→1 и λ_1→0 (соответственно для отказов типов 0→1 и 1→0) следует сравнить с некоторым критическим значением λ_кр. Эту величину устанавливают в данной области техники по результатам многолетней эксплуатации и статистических испытаний систем управления. Опыт эксплуатации устройств железнодорожной автоматики и телемеханики показывает, что величина λ_кр для логических элементов, используемых в схемах, обеспечивающих безопасность движения поездов, находится в пределах 10^–12 – 10^–14 1/ч.

Несимметричность отказов логических элементов достигается сочетанием четырех основных методов: соответствующим физическим представлением логических сигналов, резервированием деталей и узлов, специальными конструктивными мерами, особым кодированием логических сигналов.

Рассмотрим эти методы на примере конкретных элементов, которые используются в отечественных и зарубежных системах железнодорожной автоматики и телемеханики. Основными элементами являются электрические реле, элементы со свойствами магнитных материалов, элементы с импульсным представлением логических сигналов; элементы с использованием резонансных явлений, элементы, действие которых основано на физических процессах, не являющихся электромагнитными.

Примером электрических реле являются железнодорожные реле типов НМШ и РЭЛ, несимметричность отказов которых достигается специальными конструктивными мерами (отпускание якоря под действием силы тяжести, несвариваемость контактов и др.). Элемент с несимметричными отказами, использующий свойства магнитных материалов (Англия), построен на основе дросселя насыщения ДН (рис. 7.24).

На сердечник с высокой магнитной проницаемостью намотаны обмотки переменного (1-2) и постоянного (3-4) тока. Последовательно с обмоткой переменного тока включена первичная обмотка трансформатора Т. При отсутствии постоянного тока на входе (обмотка 3-4 ДН) обмотка переменного тока 1-2 имеет большое сопротивление, в результате чего на выходе элемента 5-6 сигнал постоянного тока отсутствует. При подаче постоянного тока во входную обмотку происходит насыщение сердечника ДН, сопротивление его обмотки 1-2 переменному току резко уменьшается, ток в первичной обмотке трансформатора Т увеличивается, что обеспечивает появление сигнала на выходе элемента.

Рис. 7.11. Схема элемента, использующего свойства магнитных материалов

Таким образом, данный элемент есть повторитель сигнала с усилением. Он h₁-надежен, так как все наиболее вероятные повреждения (в том числе все обрывы) приводят к отсутствию сигнала на выходе, т. е. к отказу типа 1→0. Надежность по отношению к отказам типа 0→1 обусловлена способностью обмотки 1-2 сохранять высокое сопротивление при выключенной обмотке постоянного тока и достигается конструктивными приемами. Во избежание междувитковых замыканий элемент помещают в изолированный кожух, защищающий его от механических повреждений. Обмотки изготовляют из специального провода с особо прочной изоляцией, а обмотку постоянного тока наматывают на изолированный каркас. Последовательное и параллельное включение ДН позволяет реализовать h₁-надежно функции И и ИЛИ.

Рассмотрим устройство h₁-надежного элемента ИЛИ (Франция), в котором используется свойство постоянного магнита надежно насыщать железо трансформатора (рис. 7.12).

Рис. 7.12. Элемент ИЛИ

Элемент состоит из трансформатора А с двумя обмотками Р и R, постоянного магнита N-S и массивного магнитопровода FDG, на сердечнике D которого намотаны две входные управляющие обмотки w1 и w2 и обмотка обратной связи w_oc. К вторичной обмотке R трансформатора А через диодный мост подключается выход элемента по постоянному току.

При отсутствии постоянного тока во входных обмотках w1 и w2 магнитный поток постоянного магнита в основном замыкается через магнитную цепь трансформатора А, насыщая ее. Через управляющую магнитную цепь FDG вследствие большого ее магнитного сопротивления ответвляется лишь небольшая часть потока. По причине насыщения магнитной цепи трансформатора напряжения на его вторичной обмотке и выходе элемента практически равны нулю. При наличии постоянного тока определенного значения хотя бы в одной из входных обмоток в цепи FDG возникает магнитодвижущая сила, которая уменьшает ее магнитное сопротивление, в результате чего магнитный поток почти полностью ответвляется в эту цепь. Магнитная цепь трансформатора А выходит из насыщения и на его вторичной обмотке R, а следовательно, и на выходе элемента появляется напряжение. Обмотка обратной связи w_oc обеспечивает быстрый (скачкообразный) переход элемента из одного состояния в другое. В описанном элементе магнитное поле постоянного магнита играет роль надежного источника энергии, которое не исчезает при повреждениях так же, как и сила тяжести якоря электромагнитного реле. Вместе с тем надежность обеспечивается и конструктивными методами, исключающими короткие замыкания между обмотками.

Элементы с импульсным представлением логических сигналов строят с использованием трансформаторных, транзисторных и феррит-транзисторных схем. Особенностью этих элементов является то, что сигнал логической 1 интерпретируется в них как наличие импульса или последовательности импульсов тока. Это позволяет более просто контролировать обрывы в схеме элемента и добиваться несимметричности отказов.

Приведенная на рис. 7.13 схема h₁-надежного импульсного элемента И (Франция) содержит транзисторы V1 и V2, на входы которых АВ и CD поступают импульсные логические сигналы положительной полярности, два импульсных трансформатора Т1 и Т2, обеспечивающих гальваническую развязку между входами элемента, а также между входными (V1 и V2) и выходными (V3 и V4) усилителями.

Рис. 7.13. Схема элемента И

С выхода элемента EF снимается импульсный выходной сигнал. При одновременном поступлении сигналов на входы АВ и CD транзисторы V1 и V2 открываются, через обмотки Р₁ и Р₂ трансформаторов начинает проходить ток. Наводимые во включенных последовательно вторичных обмотках S₁ и S₂ э. д. с. суммируются и способствуют открытию выходного усилителя. На выходе элемента появляется активный сигнал логической 1 (импульс положительной полярности). Для надежной работы элемента параметры должны быть подобраны так, чтобы э. д. с, индуцируемая в одном трансформаторе, была недостаточна для открытия транзистора V3. Если это условие выполнено, то схемно контролируются повреждения всех деталей элемента. Пробой транзисторов V1 и V2, а также любой обрыв во входной части схемы приводят к отказу типа 1→0 (т.е. к отсутствию на выходе импульсного сигнала). Пробой транзисторов V3 и V4, а также обрывы в выходной части схемы вызывают появление на выходе постоянного потенциала, что также является отказом типа 1→0.

В качестве примера надежных элементов, действие которых основано на процессах, не являющихся электромагнитными, рассмотрим струйный элемент дискретного действия (рис. 7.14).

Рис. 7.14.

По каналу питания на элемент поступает струя воздуха с избыточным давление р_пит. При отсутствии избыточного давления р_вх во входном канале 2 струя воздуха, поступающая по каналу питания 1, занимает положение, показанное на рис. 7.14 штриховой линией. В выходном канале 3 создается избыточное давление р_вых. При поступлении избыточного давления по входному каналу 2 струя воздуха отклоняется, в результате чего избыточное давление в канале 3 исчезает и появляется в канале 4. Таким образом, данный элемент выполняет роль переключателя с прямым (канал 4) и инверсным (канал 3) выходами. Высокая надежность струйных элементов определяется их простотой, отсутствием каких-либо деталей, подвергающихся износу, и параметров, которые изменяются во времени или подвержены влиянию температуры, магнитных или электрических полей. Если за сигнал логической 1 принять высокий уровень избыточного давления, а за сигнал логического 0 – низкий уровень, то элемент является h₁-надежным.

Следует отметить, что остается нерешенной и актуальной проблема создания h₁-полного набора h₁-надежных логических элементов, которые можно было бы использовать для построения серийно выпускаемой аппаратуры железнодорожной автоматики и телемеханики. Такие элементы должны быть просты в изготовлении (в лучшем случае иметь интегральное исполнение), не требовать регулировки и настройки параметров, обладать не только несимметричностью отказов с λ_кр = 10^–12 ÷ 10^–14 1/ч, но и иметь высокие надежность и помехоустойчивость, способность работать в широком диапазоне температур и небольшую стоимость.