Безопасность функционирования микропроцессорных централизаций во многом зависит от безопасности устройств сопряжения с исполнительными объектами (УСО). УСО осуществляет связь управляющего вычислительного комплекса централизации (УВК) с напольными объектами (стрелочными электроприводами, светофорными лампами, рельсовыми цепями и др.) и в то же время играет роль «последнего сторожа», контролирующего безопасность управления и контроля.

В самом общем виде структура безопасной системы показана на рис. 3.53. Она содержит УВК (обычно дублированный или троированный), восстанавливающий орган ВО, управляющий выходной преобразователь ВП, исполнительные объекты ИО и контрольный входной преобразователь ВхП.

Функцией ВО является формирование сигналов управления при совпадении всех или большинства выходных сигналов УВК. ВП обеспечивает энергетическое согласование электронных элементов с исполнительными объектами ИО, а также исключает воздействие на ИО при повреждении элементов ВО. В ряде случаев разделить управляющую часть УСО на ВО и ВП трудно, поскольку в их состав входят одни и те же элементы. Блок ВхП обеспечивает формирование достоверных сигналов о состоянии ИО, поступающих в УВК.

К УСО СЖАТ предъявляются следующие основные требования [3.6]: обеспечение временнóго и энергетического согласования электронных схем и ИО; исключение возникновения ложного сигнала на включение ИО на выходе УСО при любом отказе его элементов; высокая устойчивость к электромагнитным помехам и влияниям; стабильность параметров УСО в течение всего срока эксплуатации; высокая технологичность в производстве в сочетании с низкой стоимостью.

Чтобы выполнить данные требования используются следующие основные принципы и методы построения безопасных схем сопряжения [3.6]: непрерывный контроль исправности электронных элементов за счет периодического изменения их состояния (принцип контроля динамической работы); статистическая обработка (накопление) сигналов управления; гальваническая развязка входных и выходных цепей; частотная или амплитудная защита схемы от неисправностей источников питания; отсутствие обратных связей, приводящих к самовозбуждению схем; амплитудная, полярная или частотная защита от опасных отказов при изменении параметров входных сигналов в пределах, бóльших допустимых.

В первых действующих системах МПЦ согласование УВК с напольными объектами выполнялось через релейные схемы сопряжения. Преимуществами такого решения является то, что реле имеют высокую устойчивость к электромагнитным помехам и перенапряжениям и служат элементами идеальной гальванической развязки. Недостатки состоят в ограниченном ресурсе реле, потребности в профилактическом обслуживании и специфичности производства релейных приборов.

Другое решение реализации УСО – построение полностью бесконтактных схем. В этом случае не требуется профилактическое обслуживание, УСО более технологичны в изготовлении, не содержат специализированных элементов. Однако проблема безопасности при этом решается более сложными методами, что определяет и более высокую сложность бесконтактных УСО.

В релейных УСО для включения исполнительных реле ИР первого класса надежности используются трансформаторные, конденсаторные и оптронные схемы [3.6]. В трансформаторной схеме (рис. 3.54, а) на вход поступают импульсные сигналы, управляющие работой транзистора VT1. При этом заряжается конденсатор С1 и на его обкладках устанавливается напряжение, необходимое для притяжения якоря реле ИР (рис. 3.54, б). Повреждение любого элемента схемы приводит к нарушению импульсного характера работы. При этом напряжение на обмотке реле отсутствует или становится меньше напряжения отпускания и реле выключается. Недостатком схемы является наличие трансформатора как элемента нетехнологичного при изготовлении.

Для включения ИР поляризованного типа первого класса надежности (например, реле ПЛ) используется конденсаторный дешифратор – выпрямитель (рис. 3.55, а) [3.17]. Во время паузы, когда транзистор VT1 закрыт, заряжается конденсатор С1 через диод VD1 (рис. 3.55, б). Во время импульса конденсатор С1 разряжается через открытый транзистор VT1, конденсатор С2, рабочую обмотку реле ИР и диод VD2. Во время следующей паузы конденсатор С1 подзаряжается, а конденсатор С2 разряжается на обмотку ИР. Вторая обмотка реле подключена к источнику опорного напряжения.

На конденсаторе С2 накапливается энергия. Она необходима для включения ИР при поступлении на вход схемы нескольких импульсов, то есть в устройстве выполняется накопление сигналов для защиты от воздействия сбоев и помех. ИР притягивает свой якорь только при совпадении магнитных потоков в обоих обмотках. При прекращении поступления импульсных сигналов реле ИР с замедлением на время разряда конденсатора С2 отпускает свой якорь. Повреждения всех элементов схемы приводят к выключению ИР.

В дублированных системах реле ИР должно включаться с контролем совпадения (или инверсного совпадения) сигналов от двух компьютеров (рис. 3.56). На входы  и  схемы поступают инверсные импульсные сигналы, которые управляют ключевыми схемами на транзисторах VT1–VT3. Транзисторы VT1 и VT3 поочередно подключают источники положительного и отрицательного напряжения ко входу схемы выпрямителя с умножением напряжения, собранной на диодах VD1–VD6 и конденсаторах С1–С6. Напряжение источника питания (5В) должно быть меньше напряжения отпускания якоря реле ИР. Поэтому реле притягивает якорь только после многократного поступления импульсных инверсных сигналов  и , когда в результате процессов заряда конденсаторов и накопления энергии схема выпрямителя с умножением формирует напряжение, достаточное для срабатывания реле ИР. Если прекращается поступление импульсных сигналов на вход или происходит отказ любого элемента схемы, то на обмотку реле ИР подается напряжение, недостаточное для удержания якоря.

На рис. 3.57 приведен пример самопроверяемой схемы включения реле ИР с контролем инверсного совпадения статических сигналов. Если логические сигналы на входах  и  не совпадают, то реле ИР включено по одной из двух цепей:

+U – VT1 – VD1 – реле ИР – VD4 – VT4 – земля;

+U – VT2 – VD2 – реле ИР – VD3 – VT3 – земля.

В противном случае закрыты одновременно либо транзисторы VT1 и VT2, либо транзисторы VT3 и VT4. Поэтому обе указанные цепи не существуют и реле ИР выключено.

Все наиболее вероятные одиночные повреждения в схеме (обрывы и короткие замыкания диодов и транзисторов) приводят к тому, что реле ИР выключается. Например, при коротком замыкании транзистора VT2 обмотка реле ИР шунтируется по цепи  +U – VT2 –VT4 – земля, а при коротком замыкании диода VD1 – по цепи  +U – VT2 – VD2 – VD1 – VT3 – земля.

Принцип использования оптронных связей иллюстрирует схема мажоритарного элемента (рис. 3.58), используемого для включения реле ИР в трехканальных системах. Поляризованное реле ИР включается при синхронном поступлении последовательностей импульсов хотя бы на два входа из трех. При этом во время импульсов заряжаются конденсаторы С1–С3; во время интервалов они разряжаются на светодиоды оптопар VO1 и VO2 через резисторы R1 и R2. Напряжение, воздействующее на светодиоды, равно сумме напряжений на конденсаторе и источнике питания. В результате этого переключаются фототранзисторы оптопар VO1 и VO2, и на входе схемы выпрямителя с преобразованием полярности (конденсаторы С4, С5 и диоды VD6, VD7) формируются импульсные сигналы положительной полярности. Конденсатор С5 накапливает энергию, необходимую для включения реле ИР. Если импульсные сигналы присутствуют только на одном входе из трех, то на светодиоды воздействует напряжение заряда конденсаторов, приблизительно в 2 раза меньшее, которое недостаточно для переключения оптронов и реле ИР не притягивает якорь. Это же происходит при повреждениях всех элементов схемы.

Контакты реле ИР, включаемых с помощью рассмотренных УСО, используются для управления объектами ЭЦ так же, как в релейных централизациях. В последних разработках МПЦ для включения исполнительных объектов (ИО) применяются бесконтактные схемы. Рассмотрим принципы построения таких схем.

На рис. 3.59 поясняется принцип включения ИО через преобразователь постоянного тока в переменный [3.6]. Мостовой преобразователь управляется двумя парафазными импульсными последовательностями  и . Под действием сигнала  = 1 открываются ключи К1, К4 и через цепь ИО протекает ток одного направления, а под действием сигнала  = 1 открываются ключи К2 и К3 и через цепь ИО протекает ток другого направления. Таким образом, в рабочей цепи ИО формируется переменный ток. Ложно включение ИО не происходит, поскольку при пробое ключей через рабочую цепь протекает постоянный ток, который не изменяет состояния ИО. Если ИО работает от переменного и постоянного тока, то в состав преобразователя должен входить элемент гальванической развязки (трансформатор), защищающий цепь ИО от воздействия постоянного тока при повреждении элементов УСО (рис. 3.60).

Приведенные в данном разделе схемные решения обеспечивают безопасный вывод управляющей информации. Для безопасного ввода информации также требуются специальные решения и различные виды избыточности.

Широко применяется парафазное импульсное представление входной информации. В устройствах ввода информации в УВК (рис. 3.61) значение переменной  отображается парафазными импульсными последовательностями  или , поступающими на входы А и В УВК. При неисправности нарушается парафазность или импульсный характер сигналов на входах А и В, что фиксируется с помощью аппаратных или программных средств контроля УВК [3.18].

Данный принцип используется в схеме связи МПЦ с рельсовыми цепями (рис. 3.62). Выходные регистры ВР, управляемые микропроцессорами МП, формируют взаимоинверсные импульсные тактовые сигналы  и  [3.19]. Последние через контакт путевого реле ПР воздействуют на оптроны 01 и 02, формирующие эхосигналы , , которые поступают во входные регистры ВхР. При занятой рельсовой цепи эхосигнал меняет свою фазу на противоположную.

В безопасной схеме включения лампы светофора (рис. 3.63) цепь лампы Л коммутируется с помощью тиристора VS, базовая цепь которого включена последовательно с фототранзистором оптрона. Светодиод оптрона включается через схему И от управляющих сигналов из параллельного периферийного адаптера ППА (основного и резервного). В регистры адаптеров информация поступает от микропроцессоров МП (основного и резервного).

Схема допускает индивидуальную плавную регулировку режима свечения лампы изменением режима отсечки при управлении тиристором с помощью специальных блоков Д и t. Контрольная цепь состоит из контрольного трансформатора КТ и порогового элемента Т, формирующего при горении и целостности лампы сигнал, поступающий на входы ППА.