CZ11165U1 - Bezpečný vstupní obvod zabezpečovacího zařízeni - Google Patents

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká bezpečného vstupního obvodu zabezpečovacího zařízení zejména železničního. Tento vstupní obvod je přes vstupní svorky napojený na vstupní svorky napěťové5 ho komparátoru, který je napojen na vstupní svorky mikroprocesorového systému. Bezpečný vstupní obvod je také vybaven elektronickým spínačem.

Dosavadní stav techniky

Jsou známa zapojení elektronických vstupních obvodů zabezpečovacích zařízení s bezpečným projevem při libovolné poruše jakékoliv součástky. Tato zapojení však na svých vstupních svorkách předpokládají stejnosměrné napětí bez vysokofrekvenční složky. Přitom působením elektromagnetického rušení může dojít na vstupní nelínearitě těchto obvodů k detekci vysokofrekvenční složky a tím k falešné indikaci přítomnosti stejnosměrného napětí na vstupu s nebezpečným důsledkem chybné informace o volnosti. Tomuto nebezpečnému jevu nemůže zabránit ani dvoukanálová nebo trojkanálová konstrukce elektronického zabezpečovacího zařízení, protože elektromagnetické rušení působí na vstupní obvody obou kanálů současně.

Z tohoto důvodu se u vstupních obvodů zabezpečovacích zařízení dělají proti vlivu elektromagnetického rušení další opatření. Tato opatření spočívají v galvanickém oddělení a v používání stíněných a kroucených přívodních vodičů, takže vliv elektromagnetického rušení je na cestě od zdroje informace na vstupní svorky vstupního obvodu účinně potlačen.

Nevýhodou uvedených opatření je, že není potlačen vliv elektromagnetického rušení ani u zdroje informace, ani přímo ve vstupním obvodu na cestě od vstupních svorek po vstupní nelinearitu. Další nevýhoda uvedených opatření spočívá v tom, že porucha nebo chyba při montáži se v normálním provozu zařízení nemusí po dlouhou dobu projevit a zůstane skryta až do okamžiku, kdy se projeví nebezpečně. Dojde-li například k odpojení stínění nebo při montáži k nechtěné záměně přívodních vodičů tak, že každý z nich patří do jiného páru, či čtyřky, je dokonce velmi pravděpodobné, že se taková chyba neprojeví okamžitě. Přitom se stále častějším využíváním elektronických vstupních obvodů na železnici, tedy v prostředí s elektromagnetickým rušením a s rozvojem vysokofrekvenční přenosové techniky jak na železnici, tak mimo ni, která úroveň elektromagnetického rušení dále zvyšuje, roste i pravděpodobnost chybného vyhodnocení volnosti elektronickým vstupním obvodem s možnými nebezpečnými důsledky, vedoucími k ohrožení životů cestujících i k rozsáhlým hmotným škodám.

Jsou známa zapojení, která velmi účinně potlačují vysokofrekvenční rušivou složku. Už nejjednodušší a nejlevnější RC filtr, je-li jeho horní mezní kmitočet dostatečně nízký, je jako ochrana proti vysokofrekvenčnímu rušení zcela postačující. Obzvlášť účinné je osazení RC filtru těsně u vstupní nelinearity, kdy lze smyčku mezi vstupní nelinearitou a filtrem minimalizovat.

Nevýhoda RC filtru je však stejná, jako nevýhoda dodatečných opatření v podobě stíněných a kroucených přívodních vodičů. Porucha jakékoliv součástky, vedoucí ke ztrátě schopnosti filtru potlačit vysokofrekvenční rušivou složku, se neprojeví jinak, než právě jen ztrátou filtrační schopnosti. Přenos informace filtrem je při takové poruše zachován a porucha se nemusí vůbec projevit až do okamžiku, kdy se projeví nebezpečně. Z tohoto důvodu využití RC filtru pouhým předřazením před jakýkoliv známý vstupní obvod není bezpečné.

Podstata technického řešení

Uvedené nevýhody stávajícího stavu techniky se odstraní nebo podstatně omezí u bezpečného vstupního obvodu zabezpečovacího zařízení zejména železničního podle tohoto technického řešení, jehož podstata spočívá v tom, že vstup napěťového komparátoru je napojen paralelně

-1 CZ 11165 Ul jednak ke kondenzátoru ajednak k výstupu elektronického spínače, přičemž jedna strana kondenzátoru je připojena přes odpor RC filtru na jednu ze vstupních svorek.

Mezi jednu ze vstupních svorek ajednu stranu kondenzátoru RC filtru je zapojen odpor RC filtru. V optimálním uspořádání je první vstupní svorka spojena s jednou svorkou odporu RC filtru, jehož druhá svorka je spojena jak s první vstupní svorkou napěťového komparátoru, tak s první výstupní svorkou elektronického spínače i s jednou svorkou kondenzátoru RC filtru. Druhá svorka kondenzátoru RC filtru je spojena jak s druhou vstupní svorkou, tak s druhou výstupní svorkou elektronického spínače i s druhou vstupní svorkou napěťového komparátoru. První výstupní svorka napěťového komparátoru je spojena s první vstupní svorkou mikropro10 cesorového systému. Druhá výstupní svorka napěťového komparátoru je spojena s druhou vstupní svorkou mikroprocesorového systému. Mikroprocesorový systém má svou první výstupní svorku spojenou s první vstupní svorkou elektronického spínače a svou druhou výstupní svorku spojenou s druhou vstupní svorkou elektronického spínače.

Napěťový komparátor i elektronický spínač v bezpečném vstupním obvodu s RC filtrem podle tohoto technického řešení mohou být konstruovány jakýmkoliv známým způsobem, aniž by byla podstata technického řešení změněna. Napěťový komparátor může být realizován například pomocí zenerovy diody a jednoho optronu nebo pomocí komparátoru a zdroje napětí, zatímco elektronický spínač může obsahovat druhý optron nebo tranzistor, či MOS tranzistor. Do výstupní smyčky elektronického spínače pak může nebo nemusí být zařazen ochranný odpor pro vybíjení.

Hlavní výhodou bezpečného vstupního obvodu sRC filtrem podle tohoto technického řešení je jednoduché začlenění RC filtru účinně potlačujícího elektromagnetické rušení těsně před vstupní nelinearitou tak, že je celý vstupní obvod včetně RC filtru a navazujícího přenosového řetězce zabezpečen proti všem nebezpečným poruchám jakékoliv součástky, tedy i proti poruchám, vedoucím ke ztrátě filtračních schopností RC filtru. Je tak zajištěno bezpečné vyhodnocení informace na vstupních obvodech zabezpečovacích zařízení, zejména železničních. Informace ve formě napětí, přivedeného na vstupní svorky vstupních obvodů zabezpečovacích zařízení pro železnici, může mít význam volnosti traťových úseků. Protože chybná informace o volnosti by mohla způsobit ztráty na životech cestujících i rozsáhlé majetkové škody, je žádoucí vyhodnotit informaci o volnosti na vstupních obvodech elektronického zabezpečovacího zařízení bezpečně jak v případě libovolné poruchy některé součástky vstupního obvodu, tak i v případě působení elektromagnetického rušení.

Technické řešení umožňuje bezpečné vyhodnocení informace na vstupních svorkách vstupního obvodu s RC filtrem, při němž se testuje vstupní signál v časové posloupnosti tak, že se nejprve provede vybití kondenzátoru zkratováním pomocí elektronického spínače, následně se toto zkratování zruší a poté se mikroprocesorovým systémem vyhodnocuje informace na vstupním obvodu v časové posloupnosti tak, že se nejprve provede vybití kondenzátoru RC filtru jeho zkratováním pomocí elektronického spínače, následně se toto zkratování zruší a poté se prostřednictvím napěťového komparátoru zjistí, zda kondenzátor RC filtru zůstal vybit pod úrovní napětí komparační hladiny napěťového komparátoru alespoň po předepsanou minimální dobu vybití stím, že v případě, kdy mikroprocesorový systém zjistí, že během předepsané minimální doby vybití se kondenzátor RC filtru nabil nad úroveň napětí komparační hladiny napěťového komparátoru, nebo že kondenzátor RC filtru vůbec nebyl vybit, vyhodnotí mikroprocesorový systém informaci na vstupním obvodu jako neplatnou.

Toto vyhodnocení eliminuje na minimum falešnou indikaci přítomnosti stejnosměrného napětí na vstupních obvodech zabezpečovacích zařízení, způsobenou elektromagnetickým rušením s významem falešné informace o volnosti, která by mohla vést jak ke ztrátám na lidských životech, tak i k rozsáhlým škodám na majetku.

Kondenzátor RC filtru se periodicky vybíjí elektronickým spínačem, buzeným mikroprocesoro50 vým systémem, který následně periodicky zjišťuje prostřednictvím napěťového komparátoru jak vybití kondenzátoru RC filtru pod napětí komparační hladiny napěťového komparátoru, tak dobu

-2 CZ 11165 Ul nutnou kjeho opětovnému nabití nad napětí komparační hladiny napěťového komparátoru. Tento způsob vyhodnocení umožňuje účinnou filtraci elektromagnetického rušení RC filtrem s tím, že jsou zároveň periodicky hlídány všechny nebezpečné chyby celého vstupního obvodu včetně nebezpečných chyb vstupního RC filtru i celého následujícího přenosového řetězce.

Mikroprocesorový systém v každé periodě vyhodnotí informaci na vstupních svorkách vstupního obvodu jako přítomnost napětí potřebné úrovně pouze a jedině tehdy, když v časové posloupnosti zjistí vybití kondenzátoru RC filtru a následně zjistí, že doba nutná kjeho opětovnému nabití byla delší než předepsaná doba, daná hodnotou při bezporuchové činnosti celého vstupního obvodu. Výhodou tohoto způsobu je to, že výsledek periodické kontroly případného výskytu všech nebezpečných chyb je uvažován při každém vyhodnocení informace na vstupním obvodu.

Mikroprocesorový systém v každé periodě vyhodnocuje nabití kondenzátoru RC filtru kontrolou překročení napětí na kondenzátoru nad hodnotu napětí komparační hladiny napěťového komparátoru. Výhodou tohoto způsobu je skutečnost, že každému vyhodnocení informace na vstupu obvodu předchází kontrola případného výskytu nebezpečné chyby.

Toto vyhodnocení mikroprocesorový systém s výhodou provede spolu s vyhodnocením dříve zjištěných stavů kondenzátoru v jediném okamžiku.

Přehled obrázků na výkresech

Technické řešení je podrobně popsáno na příkladných provedeních, objasněných pomocí schematických výkresů, která představují bezpečný vstupní obvod s RC filtrem, a to obr. 1 základní obvod, obr. 2 provedení dle obr. 1 s konkrétním příkladným obvodem napěťového komparátoru a elektrického spínače, obr. 3 provedení dle obr. 2 s alternativním provedením elektronického spínače, obr. 4 provedení dle obr. 1 s alternativním provedením napěťového komparátoru a elektrického spínače, obr. 5 provedení dle obr. 4 s alternativním provedením elektronického spínače, obr. 6 provedení dle obr. 1 s alternativním provedením napěťového komparátoru a elektrického spínače a obr. 7 provedení dle obr. 6 s alternativním provedením elektronického spínače.

Příklady provedení technického řešení

Příklad 1

Bezpečný vstupní obvod zabezpečovacího železničního zařízení je podle obr. 1 napojen na vstupní svorky VSI, VS2, je vybaven RC filtrem, obsahujícím odpor R a kondenzátor C, napěťovým komparátorem NK, elektronickým spínačem ES a mikroprocesorovým systémem

MS.

Princip zapojení vstupního bezpečného obvodu spočívá v tom, že vstup napěťového komparátoru NK je napojen paralelně jednak ke kondenzátoru C, jehož jedna strana je připojena přes odpor R RC filtru na jednu ze vstupních svorek VSI, VS2.

V základním zapojení má bezpečný vstupní obvod svou vstupní svorku VSI spojenu sjednou 40 svorkou odporu R RC filtru, jehož druhá svorka je spojena jak se vstupní svorkou VSNK1 napěťového komparátoru NK, tak s výstupní svorkou VYES1 elektronického spínače ES i s jednou svorkou kondenzátoru C. Druhá svorka kondenzátoru C je spojena jak se vstupní

-3 CZ 11165 Ul svorkou VS2, tak s výstupní svorkou VYES2 elektronického spínače ES i se vstupní svorkou VSNK2 napěťového komparátoru NK. Napěťový komparátor NK má jednu výstupní svorku VYNK.1 spojenou s jednou vstupní svorkou VSMS1 mikroprocesorového systému MS a druhou výstupní svorku VYNK2 má spojenou s druhou vstupní svorkou VSMS2 mikroprocesorového systému MS. Mikroprocesorový systém MS má spojenou svou jednu výstupní svorku VYMS1 se vstupní svorkou VSES1 elektronického spínače ES a svou druhou výstupní svorku VYMS2 se vstupní svorkou VSES2 elektronického spínače ES.

Bezpečné vyhodnocení informace na vstupních svorkách VSI a VS2 se provádí následovně.

Způsob bezpečného vyhodnocení spočívá ve vybití kondenzátoru C elektronickým spínačem ES a následném nabíjení kondenzátoru C přes odpor R RC filtru v případě, že na vstupních svorkách VSI, VS2 je informace o volnosti. Okamžik vybití určí prostřednictvím elektronického spínače ES mikroprocesorový systém MS, který následně na výstupních svorkách VYNK1 a VYNK2 napěťového komparátoru NK zjišťuje, zda k vybití skutečně došlo a zda kondenzátor C zůstal vybit pod napětím komparační hladiny napěťového komparátoru NK alespoň po předepsanou minimální dobu vybití s tím, že v případě, kdy mikroprocesorový systém MS zjistí, že během předepsané minimální doby vybití se kondenzátor C nabil nad napětí komparační hladiny napěťového komparátoru NK nebo že kondenzátor C vůbec nebyl vybit, vyhodnotí mikroprocesorový systém MS informaci na vstupním obvodu jako neplatnou. Podle těchto údajů pak mikroprocesorový systému MS bezpečně zjišťuje nejen samotnou přítomnost napětí na vstupních svorkách VSI a VS2, ale i jakoukoliv nebezpečnou poruchu jak vstupního RC filtru, tak i elektronického spínače ES i jakoukoliv nebezpečnou poruchu kdekoliv v celém vstupním řetězci, takže přítomnost napětí na vstupních svorkách VSI a VS2 ie vyhodnocena bezpečně.

Mikroprocesorový systém MS pomocí elektronického spínače ES periodicky vybíjí kondenzátor C RC filtru zkratováním. Přitom mikroprocesorový systém MS následně periodicky vyhodnocuje prostřednictvím napěťového komparátoru NK jak vybití kondenzátoru C pod napětí komparační hladiny napěťového komparátoru NK, tak dobu nutnou kjeho opětovnému nabití nad napětí komparační hladiny napěťového komparátoru NK.

Mikroprocesorový systém MS v každé periodě vyhodnotí informaci na vstupních svorkách VSI, VS2 jako přítomnost napětí pouze a jedině tehdy, když mikroprocesorový systém MS v časové posloupnosti zjistí vybití kondenzátoru C a následně zjistí, že doba nutná k nabití kondenzátoru C byla delší než předepsaná doba, daná hodnotou při bezporuchové činnosti celého vstupního obvodu, která se předem uloží v paměti mikroprocesorového systému MS.

Mikroprocesorový systém MS v každé periodě vyhodnocuje nabití kondenzátoru C kontrolou překročení napětí na kondenzátoru C nad hodnotu napětí komparační hladiny napěťového komparátoru NK.

V každé periodě mikroprocesorový systém MS vyhodnocuje dříve zjištěné stavy kondenzátoru C v jediném okamžiku.

V následujících příkladech provedení 2 až 7 podle obr. 2 až 7 jsou uvedeny konkrétní příklady využití způsobu bezpečného vyhodnocení informace na vstupním obvodu s RC filtrem. RC filtr je realizován odporem R a kondenzátorem C.

Příklad 2

Bezpečný vstupní obvod odpovídá v tomto příkladném provedení podle obr. 2 zapojení základního obvodu podle příkladu 1 a podle obr. 1 s tím, že napěťový komparátor NK obsahuje zenerovu diodu ZD, ochrannou diodu D a první optron OPI. Zenerova dioda ZD je zjedné strany připojena na první vstupní svorku VSNK1 napěťového komparátoru NK a z druhé strany na vstup prvního optronu OPI. Elektronický spínač ES je v tomto případě realizován druhým optronem OP2 s ochranným odporem RS pro elektronický spínač ES.

-4CZ 11165 Ul

Napěťový komparátor NK je realizován prvním optronem OPI s ochrannou diodou D. Napětí komparační hladiny je v tomto případě součet napětí zenerovy diody ZD v závěrném směru a napětí na vstupní diodě prvního optronu OPI v propustném směru.

Příklad 3

Bezpečný vstupní obvod podle obr. 3 odpovídá příkladu 2 s tím rozdílem, že v tomto alternativním provedení je druhý optron OP2 paralelně připojený ke kondenzátoru C přes v sérii zapojený ochranný odpor RV pro vybíjení.

Napěťový komparátor NK je realizován prvním optronem OPI s ochrannou diodou D. Napětí komparační hladiny je i v tomto případě součtem napětí zenerovy diody ZD v závěrném směru ío a napětí na vstupní diodě prvního optronu OPI v propustném směru. Elektronický spínač ES je i v tomto případě realizován druhým optronem OP2 s ochranným odporem RS pro elektronický spínač ES. Výstup druhého optronu OP2 je připojen paralelně ke kondenzátoru C přes sériově připojený ochranný odpor pro vybíjení RV.

Příklad 4

Bezpečný vstupní obvod podle obr.4 odpovídá v tomto příkladném provedení zapojení základního obvodu podle obr. 1 s tím, že napěťový komparátor NK obsahuje komparátor K a zdroj napětí UK, a elektronický spínač ES obsahuje MOS tranzistor T, paralelně připojený ke kondenzátoru C.

Napěťový komparátor NK je realizován komparátorem K, přičemž napětí komparační hladiny je dáno zdrojem napětí UK. Elektronický spínač ES je v tomto případě realizován MOS tranzistorem T.

Příklad 5

Bezpečný vstupní obvod podle obr. 5 odpovídá provedení dle příkladu 4 s tím, že v tomto alternativním provedení je tranzistor T typu MOS paralelně připojený ke kondenzátoru C přes v sérii zapojený ochranný odpor RV pro vybíjení.

Příklad 6

Bezpečný vstupní obvod podle obr. 6 odpovídá v tomto příkladném provedení zapojení základního obvodu podle obr. 1 s tím, že napěťový komparátor NK obsahuje komparátor K a zdroj napětí UK a elektronický spínač ES je realizovaný tranzistorem T, paralelně připojeným ke kondenzátoru C. Napětí komparační hladiny napěťového komparátoru NK. realizovaného komparátorem K, je zde dáno zdrojem napětí UK.

Příklad 7

Bezpečný vstupní obvod podle obr. 7 odpovídá předchozímu příkladnému provedení 6 s tím, že v alternativním provedení je tranzistor T paralelně připojený ke kondenzátoru C přes v sérii zapojený ochranný odpor RV pro vybíjení. Elektronický spínač ES je realizován pomocí tranzistoru T.

Uvedené příklady provedení nejsou vyčerpávající ajsou možné i jiné kombinace a možnosti v rámci rozsahu myšlenky.

Průmyslová využitelnost

Jak plyne z uvedeného popisu, lze řešení bezpečného vyhodnocení informace na vstupním obvodu s RC filtrem použít jak při nové výstavbě zabezpečovacích zařízení, tak při začleňování stávajících zabezpečovacích zařízení do nových zabezpečovacích systémů nebo při inovacích stávajících zařízení doplněním o nové prvky. Obecně se dá toto řešení využít všude tam, kde je

-5 CZ 11165 Ul třeba vyhodnocovat vstupní informace zabezpečovacího zařízení nebo řídícího systému bezpečně.

Claims (11)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Bezpečný vstupní obvod zabezpečovacího zařízení, zejména železničního, se vstupními

   5 svorkami (VSI, VS2), napojenými na vstupní svorky (VSNK1, VSNK2) napěťového komparátoru (NK), navazujícího na vstupní svorky (VSMS1, VSMS2) mikroprocesorového systému (MS), který budí elektronický spínač (ES), vyznačující se tím, že vstup napěťového komparátoru (NK) je napojen paralelně jednak ke kondenzátoru (C) ajednak k výstupu elektronického spínače (ES), přičemž jedna strana kondenzátoru (C) je připojena přes odpor (R) RC ío filtru na jednu ze vstupních svorek (VSI, VS2).
2. 2. Bezpečný vstupní obvod podle nároku 1, vyznačující se tím, že jeho vstupní svorka (VSI) je spojena s jednou svorkou odporu (R) RC filtru, jehož druhá svorka je spojena jak se vstupní svorkou (VSNK1) napěťového komparátoru (NK), tak s výstupní svorkou (VYES1) elektronického spínače (ES) i s jednou svorkou kondenzátoru (C), jehož druhá svorka

   15 je spojena jak se vstupní svorkou (VS2), tak s výstupní svorkou (VYES2) elektronického spínače (ES) i se vstupní svorkou (VSNK2) napěťového komparátoru (NK), jehož jedna výstupní svorka (VYNK1) je spojena s jednou vstupní svorkou (VSMS1) mikroprocesorového systému (MS) a druhá výstupní svorka (VYNK2) je spojena s druhou vstupní svorkou (VSMS2) mikroprocesorového systému (MS), jehož jedna výstupní svorka (VYMS1) je spojena se vstupní svorkou

   20 (VSES1) elektronického spínače (ES) a druhá výstupní svorka (VYMS2) je spojena se vstupní svorkou (VSES2) elektronického spínače (ES).
3. 3. Bezpečný vstupní obvod podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že napěťový komparátor (NK) obsahuje zenerovu diodu (ZD), ochrannou diodu (D) a první optron (OPI).

   25
4. 4. Bezpečný vstupní obvod podle nároku 3, vyznačující se tím, že zenerová dioda (ZD) je zjedné strany připojena na první vstupní svorku (VSNK1) napěťového komparátoru (NK) a z druhé strany na vstup prvního optronu (OPI).
5. 5. Bezpečný vstupní obvod podle nároku 3 nebo 4, vyznačující se tím, že elektronický spínač (ES) obsahuje druhý optron (OP2), paralelně připojený ke kondenzátoru (C).

   30
6. 6. Bezpečný vstupní obvod podle nároku 5, vyznačující se tím, že druhý optron (OP2) je paralelně připojený ke kondenzátoru (C) přes v sérii zapojený ochranný odpor (RV) pro vybíjení.
7. 7. Bezpečný vstupní obvod podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že napěťový komparátor (NK) obsahuje komparátor (K) a zdroj napětí (UK).

   35
8. 8. Bezpečný vstupní obvod podle nároku 3 nebo 6, vyznačující se tím, že elektronický spínač (ES) obsahuje tranzistor MOS (T), paralelně připojený ke kondenzátoru (C).
9. 9. Bezpečný vstupní obvod podle nároku 3 nebo 6, vyznačující se tím, že ke kondenzátoru (C) je přes v sérii zapojený ochranný odpor (RV) pro vybíjení paralelně připojen MOS (T) tranzistor.

   -6CZ 11165 Ul
10. 10. Bezpečný vstupní obvod podle nároku 3 nebo 6, vyznačující se tím, že elektronický spínač (ES) obsahuje tranzistor (T), paralelně připojený ke kondenzátorů (C).
11. 11. Bezpečný vstupní obvod podle nároku 3 nebo 6, vyznačující se tím, že ke kondenzátorů (C) je přes v sérii zapojený ochranný odpor (RV) pro vybíjení paralelně připojen

    5 tranzistor (T).