Bezpečné elektronické interfejsy jako náhrady relé I. skupiny bezpečnosti

Transkript

1 Předložený příspěvek úzce navazuje na příspěvek ze semináře: Seminář K aktuálním problémům zabezpečovací techniky v dopravě III Přednáška Elektronický interfejs v aplikaci analogu relé I. bezpečnostní skupiny Bezpečné elektronické interfejsy jako náhrady relé I. skupiny bezpečnosti. Úvod téze příspěvku z r.008. Doc. Ing. Ivan Konečný CSc. ZČU Plzeň Elektromechanická relé s vestavěnou bezpečností se dělí do dvou základních skupin: Relé. bezpečnostní skupiny (dle UIC typ N bez elektrické kontroly odpadu kotvy relé) (gravitační odpad kotvy relé, specifikace konstrukčního provedení relé je normována FIS 736 a ČSN EN 50 9) Relé. bezpečnostní skupiny (dle UIC typ C s elektrickou kontrolou odpadu kotvy relé) (specifikace konstrukčního provedení je normována FIS 736 a ČSN EN 50 05) Elektromechanická relé s vestavěnou bezpečností mají pro své některé unikátní vlastnosti i v éře plně elektronických stavědel své nezastupitelné místo. Většina výrobců elektronických stavědel využívá ve schematice elektronických stavědel bezúdržbových miniaturizovaných relé. bezpečnostní skupiny konstrukčně řešených pro montáž na desky plošných spojů. Obchodní oddělení firem nabízejících plně elektronická stavědla o tom, že tato stavědla obsahují skryté relé se pochopitelně z marketingových důvodů nezmiňují. (Např. jedna kazeta digitálních, plně elektronických přijímačů KOA obsahuje 8ks relé.bezpečnostní skupiny.) V zájmu objektivity je třeba konstatovat, že bez použití elektromechanických relé. a. bezpečnostní skupiny se při návrhu moderních zabezpečovacích zařízení doposud nelze obejít, je ale snaha jejich počet omezit na nezbytně nutnou míru. V následujícím příspěvku jsou naznačeny možnosti náhrady relé.skupiny bezpečnosti plně elektronickými náhradami, které lze využít zejména v interfejsových obvodech zabezpečovacích zařízení.. Popis význačných vlastností neutrálního relé. bezpečnostní skupiny Význačné vlastnosti relé.bezpečnostní skupiny z hlediska vestavěné bezpečnosti lze stručně popsat následovně: Konstrukčně a technologicky musí být zaručeno, že vždy jestliže je cívka relé bez proudu, nebo je protékána proudem, který je nižší než je přípustný proud pro odpadnutí kotvy relé dojde k odpadu kotvy relé, přičemž musí rozepnout všechny zapnuté kontakty. Kontaktní systém relé musí být mechanicky spřáhnut mezi sebou i s kotvou relé. Odpad kotvy musí být zajištěn působením gravitace. Výše uvedené požadavky na vestavěnou bezpečnost do relé vedou u nejčastěji používaných neutrálních relé typu NMŠ na robustní mechanické konstrukční provedení relé s masivním magnetickým obvodem s vysokým momentem setrvačnosti jeho pohyblivých částí v porovnání s běžnými relé. Nejčastěji používané relé NMŠ s plnou kontaktní výstavbou (8 přepínacích kontaktů) s odporem cívky 000Ω má relativně malý jmenovitý příkon 0.3W pro vybuzení do sepnutí. Indukčnost cívky relé se mění se změnou magnetického odporu magnetického obvodu relé ve stavu vypnuto (hodnota cca 8H) kotva relé odpadlá na hodnotu cca 30-40H při vybuzení relé do stavu zapnuto.

2 Pro sílu působící na kotvu neutrálního elektromechanického relé je odvozen vztah: F= k B k (N I) () Ze vztahu () vyplývá, že síla působící na kotvu neutrálního relé není závislá na polaritě proudu tekoucího cívkou relé. Předpokládejme, že budeme cívku relé budit střídavým proudem harmonického průběhu. Pak lze vztah () upravit do tvaru: F k I max cos ω t =/ k I max ( + cos ω t) () Na kotvu neutrálního relé pak v souladu se vztahem () působí síla, sestávající ze stejnosměrné složky a dvojnásobku základní harmonické složky střídavého proudu. U neutrálního relé typu NMŠ-000 díky relativně vysoké indukčnosti cívky relé, ztrátám hysteresí a vířivými proudy ve ferromagnetickém materiálu magnetického obvodu relé a mechanickým charakteristikám kontaktního systému nedojde k vybuzení kotvy relé při buzení cívky relé střídavým napětím průmyslového kmitočtu 50Hz až do napětí cca 500V. Tato cenná a unikátní vlastnost (vysoká odolnost proti vybuzení střídavým rušivým napětím) se v praxi využívá např. při projektování interfejsů pro přenos stejnosměrných logických signálů metalickým vedením mezi prostorově vzdálenými stavědly. 3. Náhradní elektrický model relé typu NMŠ Na základě kvalitativního popisu vlastností relé typu NMŠ v předchozí kapitole lze sestrojit náhradní elektrický model relé, který je znázorněn na následujícím obr.. Obr.. Budící signál je přiveden na blok dolní propusti, která omezuje maximální kmitočet st. signálu, na který relé reaguje (u relé typu NMŠ cca jednotky Hz), následující blok dvoucestného usměrňovače slouží k unipolarizaci vstupního signálu (získání jeho absolutní hodnoty), kterým je přes blok dopravního zpoždění (zpožděný přítah a odpad relé) ovládán vstup hysterezního komparátoru. Z výstupu hysterezního komparátoru je přes blok galvanického oddělení řízen výstupní obvod relé. Z popisu vlastností relé. bezpečnostní skupiny je zřejmé, že jednotlivé funkční bloky dle blokového schéma na obr.. musí být řešeny bezpečně ve smyslu požadavků železniční zabezpečovací techniky. V dalších částech příspěvku jsou na blokových schématech elektronických analogů vybraných relé. bezpečnostní skupiny uvedeny příklady možností konkrétních náhrad. Jednotlivé funkční bloky elektronických analogů jsou konstruovány s využitím principů vestavěné technické bezpečnosti a dynamické logiky tak, aby analog relé vykazoval v bezporuchovém stavu a definovaných poruchových stavech analogické vlastnosti jako elektromechanické relé. bezpečnostní skupiny.

3 4. Možnosti praktické realizace A. Náhrada neutrálního napěťového relé Obr.. Vstupní signál je přiveden na bloky přepěťové ochrany a bezpečné dolní propusti RLC s mezním kmitočtem cca 5Hz, která zajišťuje definovanou vstupní impedanci a vysokou odolnost proti vybuzení rušivým signálem síťovým kmitočtem 50Hz v provozním i definovaných poruchových stavech. Unipolarizovaný signál je z výstupu bloku USM přiveden do jádra společného i všem dále popisovaným aplikacím, které je tvořeno bloky BHK, BHO, DC/DC a GO. Bloky BHK a BHO pracují jako bezpečný hysterezní komparátor vstupního analogového signálu (BHK) včetně bezpečného dohledu úrovně napájecího napětí BHO. DC/DC konvertor slouží k napájení interfejsu a společně s blokem GO zajišťuje požadované galvanické oddělení vstupu a výstupu. U laboratorního vzorku realizovaného podle výše uvedeného blokového schématu byly nastaveny napětí aktivace/deaktivace výstupu (přítahu a odpadu) 7Vss/4Vss, vstupní odpor 000Ω, odolnost proti vybuzení st. signálem 400V/50Hz trvale. B. Napěťové polarizované elektronické relé Obr.3. 3

4 Oproti předchozímu řešení se varianta analogu polarizovaného relé liší použitím půlvlnného usměrňovače. Vzhledem k tomu, že následující jádro elektronického analogu principielně reaguje pouze na unipolární vstupní signál, výstup je vybuzen pouze tehdy, jestliže je přiveden na vstup analogový signál odpovídající polarity. Oproti elektromechanickým polarizovaným relé s předepnutím magnetického obvodu relé permanentním magnetem elektronický analog nevykazuje paměťovou funkci výstupu, výstup se po snížení vstupního signálu pod úroveň deaktivace vrací do pasivního stavu. C. Napěťové součinové elektronické relé Obr.4. Varianta bezpečného součinového relé sestává z alternativně volených dvojic předchozích variant, jejichž výstupy jsou před přivedením na blok galvanického oddělení přivedeny do bloku bezpečného logického součinu. Výstup je aktivní pouze tehdy, jestliže signály na obou analogových vstupech aktivují oba BHK. Zajímavá je kombinace, kdy jednotlivé kanály budou realizovány jako předchozí varianta B, kdy výstup bude aktivní pouze za splnění podmínky, že vstupní signály jsou přivedeny na vstupy s korektní polaritou. 4

5 D. Proudové střídavé elektronické relé Obr.5. Ve variantě podle výše uvedeného blokového schématu je vstupní signál přiveden na primár proudového transformátorku, napětí ze sekundáru je alternativně přes blok BDP přivedeno přes celovlnný usměrňovač na vstup jádra, tvořeného BHK, BHO, DC/DC a GO. E. Proudové stejnosměrné elektronické relé Obr.6. V poslední popisované variantě je realizováno stejnosměrné proudové elektronické relé pomocí dvojice převodníků proud/napětí realizovaných pomocí Hallových sond. Dvojice sond je na vstupu řazena do série a na výstupech spolu s obvodem BHO tvoří elementární redundantní strukturu. Analogový napěťový signál z výstupu sondy HS je přiveden přes blok bezpečné dolní propusti BDP na vstup BHK. Jádro systému tvořené BHK, BHO je aktivováno pouze tehdy, jestliže na výstupech sond HS a HS jsou shodné hladiny napětí, které po přivedení na BHO aktivují jeho výstup. Vzhle- 5

6 dem k tomu, že napětí na výstupech HS a HS kopíruje polaritu vstupního proudu chová se elektronická náhrada jako polaritně citlivé proudové relé. 5. Rušení vazebních metalických vedení A. Klasické řešení s reléovými obvody Obr.7. B. Řešení s vypínaným zdrojem budícího signálu X4 SINE Y SINE 3 X COUPLEDL 3 X3 HD04 + X SINEI Y IN SINE 5 R k - Obr.8. Y Y y (mean) = 6. volts x (first) =.45m seconds 90.0 Plot Y in volts RMS = 69. volts 80.0 Plot Y in volts m 60.0m 00m 40m 80m TIME in seconds Dvojcestně usměrněné výstupní napětí Y při aktivovaném zdroji Y 6

7 y y 300 Plot y in volts E-06 Plot y in volts.00e E E m 60.0m 00m 40m 80m time in seconds Jednocestně usměrněné výstupní napětí Y při vypnutém zdroji Y a rušeném metalickém vedení zdrojem X Možnost řešení odstranění potenciálně nebezpečného stavu: Zařazení bloku BDP na výstup usměrňovače, při vhodném obvodovém řešení se docílí odstínění usměrňovacího efektu diodového můstku pro rušivý signál. 6. Závěr V příspěvku jsou popisnou formou naznačeny možnosti náhrad napěťových a proudových relé.skupiny bezpečnosti elektronickými náhradami, které lze využít zejména v interfejsových obvodech elektronických zabezpečovacích zařízení. Elektronické náhrady jsou řešeny především s využitím principů elektrického modelování vlastností elektromechanických relé. Obvodové řešení popisovaných náhrad elektromechanických relé je založeno převážně na principech obvodů s vestavěnou bezpečností a na principech dynamické kontroly. V navržených a laboratorně ověřených obvodech se nepoužívají sekvenčně pracující logické obvody ani mikropočítače. Principy a technické vlastnosti všech módů popisovaných náhrad byly laboratorně ověřeny, kde vykazovaly předpokládané vlastnosti. V závěru příspěvku je popsán vliv vnějších rušivých zdrojů na metalické vazební vedení mezi vysílačem a přijímačem usměrněného st. signálu. 7