Повышение надежности мониторинга состояния рудничной атмосферы за счет резервирования микропроцессорного устройства защиты

Несмотря на наличие постоянно действующей автоматической газовой защиты (АГЗ) на угольных шахтах, причиной 50–60 % травм работников и 3–5 % аварий являются взрывы газовоздушной смеси. Наиболее часто взрывы происходят по причине отказа аппаратуры газовой защиты. Актуальность повышение надежности такой аппаратуры обусловлена необходимостью снижения количества аварий и уменьшения человеческих жертв.

Отказ АГЗ на добычном участке шахты может произойти по причине выхода из строя датчиков, линий связи, устройства автоматического контроля, сигнализации и защитного отключения. Отказы датчиков и линий связи выявляются благодаря применению соответствующего интерфейса и протокола связи (например, токовая петля). При отказе устройства автоматического контроля в составе АГЗ возможны длительные простои горного оборудования, что приводит в снижению угледобычи. Анализ структуры устройства контроля рудничной атмосферы позволяет установить, что наибольшую интенсивность отказов имеет микроконтроллер [1]. Наиболее приемлемым представляется пассивное резервирование МК. Наличие резервного контроллера позволяет не прерывать технологический процесс для замены отказавшей аппаратуры. Резервный МК должен выполнять тот же набор инструкций, что и основной, однако иметь другой адрес в промышленной сети, чтобы переключение на резервный МК фиксировалось концентратором информации вышестоящего уровня АСУ ТП. Целесообразно применить ненагруженный резерв во избежание взаимных помех двух контроллеров (рис. 1)

Рисунок 1 – Структурная схема резервирования МК

Наиболее ответственным узлом в такой структуре является устройство, осуществляющее автоматическое переключение питания с основного на резервный МК. На вход данной схемы поступают контрольные импульсы от основного МК, наличие которых свидетельствует о штатном режиме работы устройства. Отсутствие указанных импульсов свидетельствует об отказе основного МК и необходимости включения в работу резервного контроллера. Периодичность контрольных импульсов задается сторожевым таймером основного МК.

На принципиальной схеме устройства переключения (рис. 2) генератор G представляет собой внешний вывод сторожевого таймера основного МК. Цепочка R1, C1 сглаживает импульсный сигнал. В качестве ключевых элементов используются MOSFET‑транзисторы с каналом n‑типа, которые в установившемся режиме потребляют достаточно малую мощность. Поскольку MOSFET‑транзисторы имеют паразитную емкость по каналу затвор‑сток, то на их входе включен повторитель на операционном усилителе, исключающий влияние емкости транзистора на данную цепь [2]. Сигнал с выхода операционного усилителя поступает на затворы транзисторов VT1 и VT2. VT1 используется в качестве ключа, через который подается питание на основной МК. До тех пор, пока на затворе транзистора VT1 напряжение выше потенциала земли – он открыт. Транзистор VТ2 и резистор R2 образуют логический элемент НЕ. Пока сигнал подаётся на затвор VТ2 – VТ3 закрыт. В случае если основной МК перестает подавать контрольные импульсы потенциал затвора VТ2 равен 0, он закрывается и через резистор R2 открывается транзистор VT3, создающий цепь питания резервного МК. Кнопка S1 служит для запуска основного МК, замыкаясь она шунтирует VТ1, образуя цепь питания основного МК. Параметры R1 и C1 рассчитываются исходя из амплитуды и скважности контрольного сигнала, которые определяются напряжением питания и частотой тактового генератора МК.

Рисунок 2 – Принципиальная схема устройства переключения

Работа рассмотренной схемы (рис. 2) моделировалась с использованием пакета MicroCAP. На рис. 3 представлены графики переходного процесса в схеме при подаче питания.

Рисунок 3 – Графики переходного процесса в схеме при подаче питания: 1 – контрольный импульс, 2 – напряжение на выходе RC‑цепи, 3 – напряжение на выходе повторителя на операционном усилителе, 4 – напряжение на затворе транзистора VT3, 5 – ток по каналу исток‑сток транзистора VT3, 6 – ток по каналу исток‑сток транзистора VT1.

При подаче питания транзистор VT1 закрыт, VT3 – открыт. После первого контрольного импульса VТ3 запирается, после второго – VТ1 полностью открыт. Таким образом, длительность переходного процесса отпирания VT1 составляет 12 мс. После третьего контрольного импульса RC-цепочка переходит в квазиустановившейся режим. Следует отметить, что увеличение скважности контрольных импульсов и снижение их амплитуды приводит к увеличению длительности переходного процесса.

На рис. 3 представлены графики переходного процесса в схеме при отказе основного микроконтроллера.

При отсутствии контрольного импульса RC‑цепь разряжается, потенциал на выходе повторителя становится равным нулю, VT1 и VТ2 запираются, появляется положительный потенциал на затворе VТ3 и начинает протекать ток в цепи питания резервного МК. Длительность переходного процесса составляет 16 мс.

Рисунок 4 – Графики переходного процесса в схеме при отказе основного микроконтроллера: 1 – контрольный импульс, 2 – напряжение на выходе RC‑цепи, 3 – напряжение на выходе повторителя на операционном усилителе, 4 – напряжение на затворе транзистора VT3, 5 – ток по каналу исток‑сток транзистора VT3, 6 – ток по каналу исток‑сток транзистора VT1.

Таким образом, повысить надежность мониторинга состояния рудничной атмосферы возможно за счет пассивного резервирования микропроцессорного устройства защиты. В результате работы предложена структура резервированной схемы и принципиальная схема переключающего устройства, для которой проанализированы переходные процессы включения и переключении с основного на резервный микроконтроллер.

Список использованной литературы

1. Жадан А. В. Надежность электронных устройств автоматики, информационных и компьютерных систем / Жадан А. В., Зори А. А., Макаров М. И.; Учебное пособие – Донецк, ДГТУ, 1996. – 248 с.
2. Хилл У. Искусство схемотехники / Хилл У., Хоровиц П. – М.: Мир, 1998. – 704 с.