Способ анализа состояния шлейфа сигнализации

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ АНАЛИЗА СОСТОЯНИЯ ШЛЕЙФА СИГНАЛИЗАЦИИ(71) Заявитель Научно-исследовательское республиканское унитарное предприятие НИИЭВМ(72) Автор Басалыга Виктор Федорович(73) Патентообладатель Научно-исследовательское республиканское унитарное предприятие НИИЭВМ(57) 1. Способ анализа состояния шлейфа сигнализации, содержащего контактные извещатели и диодные элементы, включающий сравнение значения напряжения , соответствующего падению напряжения на шлейфе сигнализации ШС при протекании через него тока и характеризующего -е состояние шлейфа сигнализации, с рядом значений опорных напряжений , характеризующих одно из возможных -ых состояний шлейфа сигнализации, отличающийся тем, чтоопределяется как разность между удвоенным значением падения напряжения на шлейфе сигнализации при значении тока равном 0,5 и значением падения напряжения на шлейфе сигнализации при значении тока равном , а значения опорных напряжений устанавливают удовлетворяющими условию -1 . 10039 1 2007.12.30 2. Способ анализа состояния шлейфа сигнализации по п. 1, отличающийся тем, чтопреобразуют в двоичное значение, двоичные значения опорных напряжений устанавливают равными (-/2), где- шаг изменения значения , и при этом сравнивают двоичные значенияи . Изобретение относится к системам сигнализации, использующим аналоговые шлейфы сигнализации (ШС) с нормально замкнутыми (НЗ) или нормально разомкнутымиконтактами датчиков, извещателей или кнопок. В частности, оно относится к системам охранной, пожарной и охранно-пожарной сигнализации, не использующим интерфейсы для выборки извещателя ШС и обмена данными между прибором приема и контроля(ППК) и выбранным извещателем (датчиком, кнопкой) ШС. ШС представляет собой электрическую цепь, соединяющую выходные цепи охранных(пожарных, охранно-пожарных) извещателей, включающих в себя вспомогательные (выносные) элементы (диоды, резисторы и т.п.) и соединительные провода, и предназначенную для выдачи неисправности, а в некоторых случаях и для подачи электропитания на извещатель 1. Охранные и охранно-пожарные ППК должны сохранять работоспособность при сопротивлении шс ШС, без учета сопротивления выносных элементов, не более величин,выбираемых из ряда 0,10 0,15 0,22 0,33 0,47 0,68 1,0 кОм. Для шлейфов пожарной сигнализации ряд заканчивается на значении 0,47 кОм 1. Чем больше выбранное значение шс тем длиннее может быть ШС. Сопротивление шс может изменяться, в том числе со временем, от значения близкого к нулю до максимального значения и распределяться вдоль линии ШС по любому закону. Необходимость учета непредсказуемого значения шс усложняет задачу распознавания состояния ШС. В технике сигнализации, использующей аналоговые как более дешевые и надежные ШС всегда актуальна задача увеличения информативности (количество распознаваемых состояний) ШС. Если ППК распознает срабатываниеразнотипных извещателей (датчиков, кнопок) и кроме того распознает состояния Норма, Обрыв ШС, КЗ (короткое замыкание ШС),то информативность ШС равна 3. Возможность работы ППК с ШС большой информативности снижает стоимость системы сигнализации. Наиболее простыми и надежными являются системы сигнализации с пассивными вспомогательными (выносными) элементами. В простейшем случае используется только один резистор (или диод) на конце ШС. Информативность таких ШС равна трем. В большинстве случаев используются выносные элементы и для шунтирования контактов извещателей. В этом случае информативность ШС равна четырем. Известен способ анализа ШС 2, позволяющий удвоить число типов извещателей в ШС за счет пропускания тока через ШС сначала в одном направлении, а затем в противоположном. Соответственно первая и вторая группы извещателей шунтируются диодами для пропускания тока соответствующего направления. Усложнение цепей анализа ШС в ППК не окупается достигнутым увеличением информативности. Информативность ШС увеличивается на одну-две единицы. Известен способ анализа состояния ШС, основывающийся на измерении временных интервалов, в том числе способ, основанный на измерении интервала времени от момента посылки импульса в ШС до момента приема сигнала от узла рассогласования (Обрыв или КЗ) 3. ШС выполняется в виде высокочастотной линии, согласованной на конце сопротивлением, равным волновому сопротивлению линии ШС. В этом случае для ШС требуется дорогостоящий радиочастотный кабель и средства монтажа, обеспечивающие врезку контактов извещателей без нарушения однородности линии. 2 10039 1 2007.12.30 Второй недостаток заключается в том, что сопротивление шс даже при минимальной величине будет рассогласовывать кабель, так как оно сравнимо с волновым сопротивлением кабеля ШС. Третий недостаток состоит в том, что способ не различает состояния Обрыв для НЗ контактов извещателей и соответственно состояния КЗ для -контактов извещателей. Наиболее простым и поэтому наиболее востребованным на практике является способ,согласно которому состояние ШС определяется по падению напряжения на ШС при протекании по нему постоянного или установившегося тока. Согласно этому способу падение напряжения шс на ШС (или однозначно соответствующее ему напряжение ) сравнивается с рядом опорных напряжений , каждое из которых соответствует определенному состоянию ШС, причем -1. В частности известна система 4 с диодными элементами для шунтирования НЗ контактов извещателей ШС. Поскольку известно огромное количество схемных реализаций этого способа в качестве прототипа используется система 5, в которой информативность ШС достигает шести. Увеличение информативности в этой системе достигается однако увеличением напряжения на ШС до 24 В и ограничением сопротивления шс значением 0,22 кОм. В качестве выносных элементов в этой системе используются резисторы и диоды. Состояние ШС в прототипе определяется сравниванием напряжения шс, или однозначно соответствующим ему напряжением , с опорным напряжением . Недостаток способа - малая информативность ШС. Если напряжение на ШС не превышает 10 В, когда в качестве резервного питания используется аккумуляторная батарея с номинальным напряжением 12 В, то при сопротивлении ШС 0,47 и 1,00 кОм информативность его не превысит четыре и три, соответственно. Невысокая информативность ШС в способе прототипе определяется тем, что дискретность шс не может быть меньше величинышс макс, гдеток в ШС,шс макс - максимально допустимое сопротивление ШС. Цель предполагаемого изобретения - повышение информативности ШС с диодными выносными (шунтирующими контакты извещателей) элементами. Ниже будет показано что, используя для выносных элементов сочетания диодов Шоттки и кремниевых диодов, можно получить дискретность напряженияприблизительно равную 0,2 В. Сущность предполагаемого изобретения заключается в том, что находится такое напряжением , однозначно соответствующее падению напряжения на ШС, которое не зависит от активного линейного сопротивления ШС. При этом, смотри ниже, каждый диод замещается линейным сопротивлениеми ЭДС ,также не влияет на величину . Если 2 шс(0,5) - шс,(1) где шс (0,5) и шспадения напряжения на ШС при токах 0,5 и , соответственно, то очевидно, что линейные составляющие сопротивления ШС шс ине будут влиять на . Если в ШС включается один кремниевый диод типа КД 522, то при токе 3,5 мА и нормальной температуребудет находиться в пределах 0,5860,599 В. Если включается один диод Шоттки типа 5817,будет находиться в пределах 0,1530,198 В. Три диода Шоттки даюттакое, какое дает один кремниевый диод. Три кремниевых диода заменит один светодиод. Таким образом,приблизительно равно 0,2 В. При разных состояниях ШС напряжениесоставит ряд напряжений 0, 11. Этому ряду должен соответствовать ряд опорных напряжений 0, 1. При выполнении анализа состояния ШС с НЗ контактами извещателейпоследовательно сравнивают с опорными напряжениями, начиная с меньшего. Если 0,сравнивают с 1 и так далее, пока не случится неравенство. Последнее означает, что состояние ШС определяется опорным уровнем. Если 0, где 0 - наименьшее опорное напряжение, то в ШС имеет место КЗ, а еслиимеет место обрыв. 3 10039 1 2007.12.30-максимальное по величине опорное напряжение, соответствующее срабатыванию извещателя в ШС. Из-за разброса параметров диодов ( и ) в цепях выносных элементов схемных элементов ППК нельзя получить максимальную информативность ШС, если не использовать настройку составляющих ряда опорных напряжений. Кроме того, отдельный генератор опорных напряжений усложняет ППК. В микропроцессорах(МП) фирмы , очень популярных в настоящее время, имеются встроенные генераторы опорных напряжений, но они, к сожалению, имеют ряд напряжений, не полностью соответствующий рядупри диодных выносных элементах. Этот недостаток устраняется, если сравнивать не аналоговые, а численные (двоичные) значенияи . При этом совсем необязательно, чтобы двоичное число равнялось десятичному значению аналоговой величины, как это имеет место, когда используют АЦП. Опорное напряжение для К- состояния ШС определяется как Подробно сущность способа анализа состояния ШС описывается ниже на примере схемных решений ППК и ШС. На фиг. 1 показаны вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода и ВАХ элементов схемы замещения диода,и . На фиг. 2 приведена схема анализа ШС. На фиг. 3 представлена схема ШС с НЗ контактами извещателей (кнопок). Для примера будем считать, что это шлейф охранно-пожарной сигнализации. На фиг. 4 показана схема трехпроводного ШС с НЗ контактами извещателей. На фиг. 5 показана схема ШС сконтактами. На фиг. 1 показаны ВАХ диода и элементов схемы замещения диода. ВАХ резисторапроходит через две точки ВАХ диода, определяемые токамии 0,5 . ЭДСопределяется точкой пересечения ВАХ резистора с осью напряжений. Так как анализ проводится только в двух рабочих точках ВАХ диода в статическом состоянии, то предложенная схема замещения может использоваться вместо ВАХ диода без потери точности анализа состояния ШС. При подстановке элементов схемы замещения одного диода в выражение (1), получим. Если в цепи ШС подключатся несколько диодов, то, гдеи- ЭДС схем замещения диода Шоттки и кремниевого диода. На схеме фиг. 2 имеются пары 1 и 2 контактных зажимов для подключения ШС 1 и ШС 2. В цепь ШС 1 введены НЗ контакты 3, размыкающиеся при вскрытии корпуса ППК,зашунтированные стабилитроном 4 (состояниеШС). ШС 1 и ШС 2 подключены к коллекторам транзисторов 5.1 и 5.2 токового зеркала 6. Коллектор третьего транзистора 5.3 токового зеркала соединяется с общей шиной через резистор 7.1 и последовательно соединенные резистор 7.2 и переход сток-исток полевого транзистора 8 с изолированным затвором и п-каналом. Выход ключа на транзисторе 9 (аналогичен транзистору 8) и резисторе 10 соединен с затвором транзистора 8 и затвором аналогичного транзистора 11, входящим в схему выборки и хранения 12. Затвор транзистора 9 соединен с портом 3 (например) управляющего микропроцессора (МП) 13. Сток транзистора 11 соединен с входом 13 повторителя на операционном усилителе (ОУ) 14.1 непосредственно и с общей шиной через конденсатор 15. Напряжения с ШС 1 и ШС 2 подаются на аналоговые входы аналогового переключателя 16. Выход аналогового переключателя 16 соединен через конденсатор 17 с общей шиной, с истоком транзистора 11 и инверсным входом 18 схемы 19 двойного вычитания. Выход схемы выборки и хранения 12 соединен с прямым входом 20 схемы 19 двойного вычитания. Схема 19 включает классическую первую схему вычитания на ОУ 14.2 и четырех одинаковых резисторах 21 и вторую аналогичную схему вычитания на ОУ 14.3. 4 10039 1 2007.12.30 Выход схемы 19 соединен с портомМП 13 непосредственно и с общей шиной через стабилитрон 22 (анод соединен с общей шиной). В альтернативном исполнении схемы, когда сравниваются численные значенияи, в схему вводится генератор пилообразного напряжения, включающий стабилизатор напряжения 23, резистор 24, конденсатор 25, стабилитрон 26 и порт 2 МП 13. Выходом генератора является узел соединения конденсатора 25, стабилитрона 26, резистора 24 и порта 2. При сравнении аналоговых величини , порт 2 свободен и программно соединяется с выходом встроенного в МП генератора опорных напряжений и прямыми входами встроенных компараторов. На фиг. 3 представлена схема ШС с НЗ контактами извещателей (кнопок). Для однозначности будем считать, что это шлейф охранно-пожарной сигнализации. Пусть контакты 2729 будут контактами кнопок экстренного вызова 03, 02, 01 (скорой помощи,милиции, пожарных), контакты 3033 - контактами пожарного извещателя, вскрытия корпуса извещателя (любого) охранного извещателя и датчика двери, соответственно. Выносные элементы включают диоды Шоттки 34 и кремниевые диоды 35. Блок 36 кнопок экстренного вызова располагается в начале ШС. Между узлами 37 и 38 проходит прямой провод ШС, а между узлами 38, 39 - обратный провод ШС. Диод Шоттки в конце ШС определяет падение напряжения на ШС в режиме Норма. В каждой паре НЗ контакт ближний к входу ШС будем называть входным, второй - выходным. Входы контактов блока 36 кнопок экстренного вызова соединены цепочками диодов с дополнительным проводом 40, который подключен к выходному контакту кнопки 29 экстренного вызова 01. Контакты 30 пожарного извещателя снабжены такой же диодной цепочкой, как и контакты 29 кнопки 01. На фиг. 4 представлена схема трехпроводного ШС, включающая дополнительную пару контактов 41 датчиков неисправности оборудования и дополнительную кнопку 42 Вызов техслужбы. Схема подключения диодных элементов для всех контактов аналогична той, что имеет место для блока 36 кнопок экстренного вызова на фиг. 3. На фиг. 5 показана схема ШС иконтактами извещателей (кнопок). В этом случае,когда все контакты разомкнуты, в состоянии Норма на ШС падает наибольшее напряжение на стабилитроне 44, если не считать падение напряжения на ШС в состоянии Обрыв. Основное оборудование схемы, фиг. 2 (кроме МП 13) используется исключительно для реализации способа анализа ШС по данному изобретению. В данной схеме используется МП 648, который включает в себя два компаратора с программируемой конфигурацией входов, генератор опорных уровней, таймеры, оперативную память и др. В исходном состоянии на выходе 3 МП имеет место низкий уровень напряжения,поэтому транзистор 9 закрыт, а транзисторы 8 и 9 открыты. Сопротивлением перехода сток-исток открытого транзистора 8 можно пренебречь по сравнению с сопротивлением резистора 7.2. Токтранзистора 5.3 определяется параллельным соединением одинаковых по величине резисторов 7.1 и 7.2. Через транзисторы 5.1 и 5.2 в ШС 1 и ШС 2 согласно работе токового зеркала 6 также текут токи . Порт 7 (например) МП 13 воздействует на вход СО аналогового переключателя 16 и выбирает для анализа первый или второй ШС. Будем считать, что выбирается ШС 1. Как только порт 7 МП 13 выберет ШС 1 для анализа, а порт 3 МП закроет транзистор 9, конденсатор 17 будет заряжаться через аналоговый переключатель 16, а конденсатор 15 еще и через открытый транзистор 11 до напряжения шс 1 конденсатор 17 кроме того сглаживает импульсные помехи, наводимые в ШС 1. Как только процесс зарядки конденсатора 15 закончится, порт 3 МП 13 переключается на высокий выходной уровень напряжения. Транзистор 9 открывается, а транзисторы 11 и 8 закрываются. Токи через ШС 1 и ШС 2 уменьшаются вдвое, так как ток через резистор 7.2 прекращается. На 5 10039 1 2007.12.30 конденсаторе 15 сохраняется напряжение ШС 1 , так как транзистор 11 закрыт, а входной ток повторителя на ОУ 14.1 чрезвычайно мал. Повторитель 14.1 передает на прямой вход 20 схемы 19 двойного вычитания напряжение ШС 1- Конденсатор 17 разряжается до напряжения ШС 1 (0,5 ), и это напряжение подается на инверсный вход 18 схемы 19 двойного вычитания. Первая схема вычитания на У О 14.2 на выходе дает результат вычитания ШС 1,- ШС 1 (0,5 ) Вторая схема вычитания на СУ 14.3 выполняет действие ШС 1 (0,5 ) - ШС 1- ШС 1 (0,5 )2 ШС 1 (0,5 ) - ШС 1 Таким образом формируется напряжение для , смотри выражение (1). Далее программа МП подает на прямой вход компаратора последовательно опорные уровни напряжения с выхода встроенного генератора опорных уровней. Их можно наблюдать на выходе порта 2. В МП 16 648 А имеется возможность использовать один из двух рядов опорных уровней. Первый ряд вычисляется по формуле(5/24), гдеизменяется от 0 до 15. При напряжении питания МП точно 5 В, этот ряд включает уровни 0,208 0,416 0,625 0,833 1,04 3,125 В. Второй ряд вычисляется по формуле 1,25(5/32) В. Для анализа состояния ШС подходит первый ряд опорных уровней с дискретом около 0,2 В. Напряжениепоочередно сравнивается с опорными уровнями напряжениями от меньшего к большему. Как только окажется, что, т , определяет состояние ШС. Допустим при первом сравнении с первым опорным уровнем имеет место неравенство 0,208 В. Это будет означать, что ШС закорочен. Если нет, последует сравнение со вторым опорным уровнем 0,416 В. Если 0,416 В, ШС находится в состоянии Норма. Если нет, последует сравнение с третьим опорным уровнем 0,625 В. Если 0,625 В, то имеет место срабатывание датчика двери, так как для этого случая 0,4 В. Наконец,если 3,125 В, имеет место вскрытие корпуса, а если 3,125 , имеет место обрыв ШС. В данном примере используется ряд опорных уровней напряжения, которые обеспечивают генератор опорных уровней МП. Из-за того, что ряд , при использовании диодов Шоттки и кремниевых диодов не совмещается полностью с рядомМП 13, не все опорные уровни можно использовать. Для данного случая максимальная информативность ШС будет не больше девяти. Даже если в ППК включить отдельный генератор опорных уровней, который будет давать уровни максимально совместимые с рядом , нельзя добиться максимальной информативности ШС, если исключить подстройку уровней по месту эксплуатации ППК и ШС. Причина кроется в разбросе параметров, используемых комплектующих. Вопрос решается кардинально, если напряжениеи опорные уровнивыражаются двоичными числами. В этом случае генератор опорных уровней напряжения для каждого ШС заменяется таблицей чисел в энергонезависимой памяти МП. Для преобразования аналогового значения напряженияв число в схему ППК добавляется простейший генератор пилы. Порт 2 МП 13 может быть как выходом так и входом, который подсоединяется к прямому входу компаратора, инверсный вход которого соединен с портом , на который подается напряжение . В исходном состоянии порт 2 установлен как выход, с нулевым выходным напряжением. Конденсатор 25 разряжен. Таблицыдля каждого ШС формируются следующим образом. Вначале имитируется первое состояние ШС - КЗ, и МП запускается специальной командой от переносного технологического стенда. Получив команду, МП переключает 6 10039 1 2007.12.30 порт 2 в состояние вход с большим входным сопротивлением. На конденсаторе 17 формируется сигнал, близкий к пилообразному, максимальная амплитуда которого ограничивается стабилитроном 16. Одновременно с запуском генератора пилообразного напряжения программа МП включает счетчик (таймер), а после с максимально возможной частотой опрашивает выход компаратора. Как только компаратор переключится, МП останавливает счетчик, содержимое которого в цифровой форме однозначно соответствует аналоговой величине . Далее программа уменьшает значение счетчика о для получения опорного уровня/2 и записывает его в 1-ю строку таблицы опорных уровней для данного ШС. Далее имитируют второе состояние ШС (Норма) отличающееся от состояния КЗ по падению, напряжения на один дискрети снова подают команду, запускающую цикл технологической программы для формирования второй строки таблицы. Таким образом, формируютстрок таблиц для каждого ШС. Количество состояний в разных ШС может быть разным. Если какое либо состояние ШС не используется, (то есть не используется диодная цепочка, соответствующая например -строке таблицы), подается вторая технологическая команда, и в -строку записывается нулевое значение. При сравнениис -строкой таблицы всегда будет, следовательно, программа будет переходить к сравнениюс числом опорного напряжения следующей строки. На схеме фиг. 2 порты 3, 7 выбраны для удобства графики и могут быть заменены другими. Вместо портаможет использоваться порт 1 (второго идентичного компаратора). Если ППК должен обслуживать более чем два ШС, в токовое зеркало включаются дополнительные транзисторы, а вместо аналогового переключателя 16 можно использовать аналоговый мультиплексор, для управления которым выделяют требуемое количество портов МП. На примере работы схемы, фиг. 2 можно убедиться, что способ анализа состояния ШС не требует существенного оборудования для реализации. На фиг. 3 приводится схема ШС с НЗ контактами извещателей (кнопок) и информативностью десять. Если не учитывать состояние КЗ, то наименьшее падение напряжения на ШС имеет место, когда все контакты замкнуты. Напряжение 0,2 В в состоянии Норма определяется диодом Шоттки у узла 38. Поочередное срабатывание контактов от 34 до 27 будет увеличиватьна один дискрет, кроме контакта 29. В блоке 36 кнопок экстренного вызова диодные цепочки включаются между входом контактной пары и общим проводом 40, который соединен с выходом контактной пары 29. Такое соединение исключает неопределенность при одновременном срабатывании более чем одного извещателя. Напряжениебудет определяться диодной цепочкой, подключенной к входному контакту извещателя, ближайшего к началу ШС, узел 37. На схеме 3 не показано активное линейное сопротивление ШС, так как оно представляет собой сумму сопротивлений проводов и некачественных соединений. В составе ШС, фиг. 3 показано по одной паре контактов извещателей разных типов. В данном случае тип извещателя (кнопки) определяется не по его конструкции и принципу работы, а по диодной цепочке, шунтирующей его выходные контакты. В ШС могут включаться много однотипных извещателей с одинаковыми индивидуальными шунтирующими диодными цепочками или одной общей, если контакты следуют друг за другом. Кнопка 29 и извещатель 30 имеют одинаковые шунтирующие цепочки, поэтому по действию равнозначны, это - вызов пожарных. Если охранные или пожарные извещатели зашунтированы разными диодными цепочками, можно определять зону чрезвычайной ситуации. 10039 1 2007.12.30 Схема ШС, фиг. 3, дает ошибочную информацию, если одновременно срабатывают две или более пар контактов. Так, если одновременно срабатывают контакты 32 и 33, состояние ШС будет определяться как при срабатывании пары контактов 31. Если такая ситуация реальна, и ее желательно избежать, следует использовать трехпроводную схему ШС, фиг 4. Информативность ШС этой схемы - двенадцать. Третий провод 44 в этом ШС, аналогичен дополнительному проводу 40 в блоке 36 кнопок экстренного вызова ШС на фиг. 3. При размыкании нескольких контактов одновременно состояние этого ШС будет определяться по разомкнутой паре, ближайшей к началу ШС. Недостаток ШС, фиг. 4, состоит в том, что обрыв обратного провода 38-39 воспринимается как обрыв, а обрыв прямого провода 37-38 или дополнительного 44 распознается как состояние, определяемое диодной цепочкой, ближайшей к обрыву со стороны начала ШС. На фиг. 5 показан ШС в котором используются извещатели (датчики, кнопки) сконтактами. В этом случае состояние Норма должно определяться диодной цепочкой или стабилитроном 45 с наибольшим падением напряжения, если не считать состояние Обрыв. ШС, показанные на фиг. 3 и фиг. 4, подключенные к зажимам 1 ППК фиг. 2 включают и контакты 4, определяющие при размыкании состояние вскрытие ППК. Рассмотренные схемы ШС имеют дискретность состояния 0,2 В и имеют применимость исключительно к способу анализа состояния ШС по данному изобретению. На схемах фиг. 3 фиг. 5 контакты обозначены одинаково, если при их срабатывании получаются одинаковые . Приведенные схемы ШС даны только для иллюстрации способа анализа ШС и не охватывают все схемотехнические варианты ШС, пригодные для данного способа. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 9