Физические основы логического контроля дискретных устройств

Прежде чем рассматривать неисправности КУ, следует вспомнить их классификацию, исходя из состава элементной базы, на которой они построены.

КУ подразделяются на:

· релейно-контактные схемы (РКС);

· бесконтактные схемы (БКС) на интегральных микросхемах (ИМС).

Пример РКС приведен на рис. 18, пример БКС – на рис. 19.

Рис. 18. Пример релейно-контактной схемы

Рис. 19. Пример бесконтактной схемы

Математическая модель КУ, предназначенная для решения задач контроля работоспособности и диагностирования, должна не только описывать функционирование КУ, но и учитывать его существенные диагностические свойства [17]. С учетом этого требования в КУ следует выделить:

· – исполнительные органы;

· – пути воздействий сигналов в контактных или бесконтактных схемах.

Прежде чем определить понятия «исполнительные органы» и «пути воздействий сигналов» поясним различие в физическом представлении дискретных устройств типа РКС и БКС.

На рис. 20 каждому контакту сопоставлена своя переменная, отображающая его двузначное состояние. Формула, отображающая логическую функцию РКС (рис. 20), имеет вид:

.

В приведенном логическом выражении каждая буква отображает работу одного контакта, а формула в целом описывает функционирование всего устройства.

Рис. 20. Релейно-контактная схема

Приведенную на рис. 20 РКС можно описать более информативно, полнее учитывая ее физические особенности. Для этого незначительно преобразуем схему, выделив в ней условно логические ячейки, которые последовательно перенумеруем. Входы и выходы логических ячеек на рис. 21 обозначены буквой t и соответствующим номером. В отличие от схемы, представленной на рис. 20, переменные здесь сопоставлены не контактам, а путям воздействия сигналов.

Поясним понятие «пути воздействия», для этого обратимся к рис. 21.

Рис. 21. Релейно-контактная схема

Обмотка реле A вместе с ее механической частью управляет соответственно размыкающим и замыкающим контактами и a₂. (см. рис. 20). На рис. 21 пути управления обозначены пунктиром, проведенным к контактам и a₂ от реле A. В выделенных путях нетрудно указать их общую часть и ветви разветвления. Очевидно, что по каждой ветви разветвлении проходит путь воздействия сигнала A: или на контакт , или на контакт a₂. Под воздействиям сигнала A контакты и a₂ занимают определенное состояние, т.е. один из них замыкается, другой размыкается или наоборот. Тем самым сигнал A через контакты и a₂ удлиняет ветви своего воздействия. Контакты и a₂ фактически воздействуют на новые ветви. Так через контакт проходит ветвь, начало которой идет от шины «+» и далее через контакт b проходит к точке t₁₁. Аналогично с шины «+» к точке t₁₁ проходит другая ветвь через контакты a₂ и c.

Допустим, что контакты b и c в схеме рис. 21 замкнуты. Тогда воздействие сигнала A по первому пути воздействия складывается из ветви Р1 – К1 и далее из ветви от шины «+» до точки t₁₁. На рис. 21 указанный путь воздействия обозначен символом . Второй путь воздействия, обозначенный на рис. 21 символом a₄₃, складывается из ветви Р1 – К2 и ветви от шины «+» до точка t₁₁.

В каждом из рассмотренных путей воздействия можно выделить следующие общие элементы (участки) [27]:

1) ветвь непосредственного воздействия реагирующего органа на свой исполнительный орган (ветви Р1 – К1 или Р1 – К2);

2) исполнительный орган (контакты или a₂), на который воздействует входной сигнал;

3) ветвь воздействия входного сигнала через другие исполнительные органы.

Рассматривая пути воздействия и a₄₃, мы сделали допущение о том, что контакты b и c замкнуты. Тем самим мы предписали единичные значения переменным b и c. На самом деле переменные b и c могут принимать и нулевые значения. Через контакты b и c проходят пути воздействия b₂₃ и c₄₃. Пути воздействия b₂₃ – , c₄₃ – a₄₃ на какой-то своей части находятся в определенной функциональной зависимости между собой, выражаемой дизъюнктивными членами b₂₃ и a₄₃ c₄₃.

Таким образом, в рассматриваемых путях воздействия условно можно выделить участки (каналы прохождения), на которые сигнал A воздействует один, и участки, на которые производится комплексное воздействие сигала A совместно с сигналами B или C. Участки одиночного и комплексного воздействия достаточно легко устанавливаются путем анализа схем.

Определим рассмотренные понятия «реагирующий орган»и «исполнительный орган».

Исполнительный орган (ИО) – участок пути схемы минимальной длины, позволяющий изменять значение сигнала на выходе схемы с «0» на «1» и, наоборот, под воздействием соответствующего входного сигнала.

В РКС исполнительными органами являются контакты реле. Исполнительные органы РКС бывают размыкающими и замыкающими, примеры схематичного представления которых приведены на рис. 22.

а) б)

Рис. 22. Примеры исполнительных органов РКС:

а) – замыкающий; б) – размыкающий

Рис. 23. Реагирующий орган РКС

Реагирующий орган (РО) РКС – элемент РКС, управляющий состоянием ИО. В РКС реагирующими органами являются обмотки реле. Схематичное представление обмотки реле приведено на рис. 23.

Обратимся теперь к бесконтактной схеме, приведенной на рис. 24, и рассмотрим на этом примере приложение понятий «исполнительные органы» и «пути воздействий сигналов» применительно к БКС.

Здесь также легко выделить две ветви прохождения (воздействия) сигнала A. Участок пути от входа A и до точки 1 является участком неразветвленного воздействия сигнала A. Он относится к реагирующему органу, на который воздействует сигнал A. Точка A является началом путей воздействия и a₄₃. На участке между точками 1 – t₁ сигнал A воздействует в прямом виде, а после точки t₂ в инверсном виде. До точки Л сигнал A воздействует один, т.е. вне функциональной
зависимости (если не считать его инвертирование). От точки Л до выхода схемы сигнал A воздействует в функциональной зависимости с сигналом B. От точки 1 второй путь воздействия a₄₃ проходит через точку t₆ диод VD₃ на выход схемы. Участок пути воздействия a₄₃ от точки 1 до точки К является участком воздействия только одного сигнала A. От точки К (и далее до выхода схемы) начинается участок функционального воздействия сигнала A и сигнала C.

Рис. 24. Бесконтактная схема

Аналогичным образом в схемах рис. 21 и рис. 24 можно проанализировать (установить) и остальные пути воздействия.

Исполнительными органами БКС являются: размыкающими – логические элементы НЕ; замыкающими – токоподводы или от входов контролируемой схемы (при условии прохождения входного сигнала только по одному пути), или от точек разветвления (если входной сигнал проходит по нескольким путям) совместно с определенными каналами логических ячеек.

Например, в схеме рис. 24 логическая ячейка HE1 является размыкающим исполнительным органом , а токоподвод от точки разветвления 1 до точки К, включая диод VD₃, является замыкающим исполнительным органом.

Следует заметить, что исполнительные органы в бесконтактных схемах не являются ярко выраженными. Однако их выделение всегда можно осуществить, если строго придерживаться сформулированного выше определения.

Понятие «пути воздействия». Под путем воздействия a_N контактной или бесконтактной схемы Q понимается определенный канал (ветвь) электрического, механического и т.п., прохождения входного сигнала A от входа до выхода контактной или бесконтактной схем при том, что все условия для такого прохождения созданы.

Заметим, что в общем случае путь a_N воздействия сигнала A отличается от пути его непрерывного электрического прохождения. Например, электрический путь непрерывного прохождения сигнала A в схеме рис. 21 ограничивается только обмоткой реле A. Однако путь воздействия сигнала A продолжается через подвижную систему реле A (под действием сигнала A) воздействует на свои размыкающий и замыкающий контакты. Таким образом, путь воздействия сигнала A разветвляется и передается на логические ячейки НЕ1 и И4 (см. рис. 21).

Условности, принятые для обозначения (записи) путей воздействия. Путь воздействия сигнала, обозначенного буквой A, на логическую ячейку (элемент) с номером N принято обозначать той же буквой, но только строчной, с проставлением справа снизу номера логического элемента – a_N (рис. 25).

Рис. 25. Примеры обозначений путей воздействия

Также принято проставлять знак инверсии над соответствующим символом пути воздействия, если этот путь проходит через логический элемент (ячейку) типа НЕ – (рис. 25).

В нашем примере (см. рис. 24), имеется два пути воздействия сигнала A: на логическую ячейку НЕ1 и логическую ячейку И4. Первый путь воздействия сигнала A после логической ячейки НЕ1 имеет обозначение . Единица внизу буквы a и знак инверсии над ней указывают на прохождение пути воздействия сигнала A через логическую ячейку НЕ1. Второй путь воздействия сигнала A проходит через логическую ячейку И4 (т.е. логическую ячейку И с номером 4). На выходе логической ячейки И4 путь воздействия сигнала A имеет обозначение a₄. Однако на логическую ячейку И4 воздействует не только сигнал A, но и сигнал C. Поскольку логическая ячейка реализует элементарную логическую функцию двух сигналов A и C, то пути воздействия указанных сигналов (на выходе логической ячейки И4) представлены в виде функции конъюнкции путей воздействия a₄c₄.

После логической ячейки НЕ1 первый путь воздействия проходит через ячейку И2, через которую проходит также путь воздействия сигнала B. Поэтому на выходе логической ячейки И2 пути воздействия сигналов A и C представлены конъюнкцией b₂. Цифры 1 и 2 внизу буквы a указывают на прохождение пути воздействия сигнала A уже через две ячейки с номерами 1 и 2.

Если количество логических ячеек, через которые проходит путь воздействия сигнала, более девяти, то для исключения путаницы целесообразно номера ячеек (внизу соответствующих букв) отделять друг от друга запятыми.

Очевидно, что входные сигналы дискретных устройств взаимосвязаны со своими путями воздействия и могут непосредственно влиять на их состояние. Входные сигналы релейно-контактных устройств воздействуют на свои пути при помощи своих исполнительных органов (контактов). Входные сигналы бесконтактных устройств воздействуют на свои пути при помощи различного рода бесконтактных элементов (например, инверторов).

В общем случае, как уже отмечалось, путь воздействия A можно разбить на следующие участки:

1) участки, на которые воздействует только входной сигнал A. К таким участкам относятся:

· исполнительные органы, управляемые непосредственно входным сигналом A;

· участки, на которые воздействуют другие входные сигналы, отличные от входного сигнала A – исполнительные органы, управляемые другими входными сигналами, отличными от входного сигнала A;

2) участки, на которые входной сигнал A воздействует во взаимодействии (в комплексе) с другими входными сигналами.

Например, путь воздействия можно разбить на следующие участки:

· на участок, определяемый размыкающим исполнительным органом входного сигнала A;

· участок исполнительного органа входного сигнала B;

· участок, на котором входные сигналы A и B воздействуют в комплексе.

Комплексное воздействие входных сигналов A и B определяется логической функцией, реализуемой логическим элементом И2, т.е. b₂.

Таким образом, в путях воздействия можно всегда выделить участки воздействия отдельных входных сигналов. В общем случае участки путей воздействия могут быть представлены не только логическими ячейками, но и отдельными их каналами. Например, участок воздействия входного сигнала B на схеме рис. 24 представлен подводящим проводом от клеммы B и далее диодом VD₂. Последний представляет собой один из каналов логической ячейки И2.

При оценке способности изменять значение сигнала на выходе своего пути воздействия следует учитывать, что все другие требуемые условия для такого изменения выполнены. Например, размыкающий контакт реле A в схеме рис. 21 способен изменить значение сигнала на выходе своего пути воздействия лишь только в том случае, если будет замкнут контакт реле B.

Аналогично размыкающий исполнительный орган (ячейка НЕ), управляемый входом A в схеме рис. 24 способен изменять значение сигнала на выходе своего пути воздействия лишь только в том случае, если на вход B будет подан единичный сигнал.

Во всех перечисленных составных частях КУ могут проявляться неисправности, которые, с учетом рассмотренных физических и схемотехнических особенностей и введенных понятий, разделим на три группы:

первая группа – неисправности исполнительных и реагирующих органов:

1) шунтирование исполнительных органов;

2) разрыв исполнительных органов;

3) шунтирование реагирующих органов;

4) разрыв реагирующих органов;

вторая группа – неисправности путей воздействия:

1) короткое замыкание путей воздействия;

2) разрыв путей воздействия;

третья группа – логические неисправности:

1) логические неисправности вида const0 на входе или выходе ЛЭ;

2) логические неисправности вида const1 на входе или выходе ЛЭ.

Далее более подробно рассмотрим перечисленные неисправности и особенности их проявления.