DE3802947A1 - Schaltkreistechnik fuer groesste sicherheit - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltkreistechnik für sicherungstechnische Aufgaben mit extrem großer Sicherheit im signaltechnischen Sinne, wobei alle Grundbausteine bei jeder Informationsänderung ihren Zustand ändern, und somit eine ständige Überprüfung aller Grundbausteine gegeben ist. Außerdem kann im Fehlerfall das defekte Bauteil sofort angezeigt werden, so daß der Fehler sogleich erkannt, geortet und durch Tausch von Baugruppen von einem Nichtfachmann schnellstens beseitigt werden kann. Hierdurch werden die Schaltwerke in kürzester Zeit wieder betriebsbereit. Dies ist ein wichtiger Gesichtspunkt bei Sicherheitseinrichtungen. Falls es sinnvoll ist, werden die Schaltwerke im Fehlerfall angehalten. Alle Ausgänge nehmen dann den Zustand an, der zur sicheren Seite führt. Bei der Ringkerntechnik gehen Informationen hierbei nicht verloren, da die jeweils eingeschriebene Polungsrichtung auch im spannungslosen Zustand beibehalten wird. Man muß sich darüber im klaren sein, daß es keine absolute Sicherheit gibt. Das Sicherheitsverhalten im signaltechnischen Sinne wird definiert als die mittlere Zeitdauer von 2 Fehlern, die gleichzeitig auftreten und zur unsicheren Seite führen. Diese Zeit muß so lang wie nur möglich durch geeignete Maßnahmen gemacht werden, um sich der absoluten Sicherheit asymptotisch zu nähern.

Es sind sicherungstechnische Schaltkreistechniken bekannt z. B. Relaistechnik, Verdoppelung oder Vervielfachung von nicht sicheren elektronischen Bausteinen oder Rechnereinheiten, Drei-Phasen-MT-Schaltkreistechnik und URTL-Schaltkreistechnik. Die Drei-Phasen-MT-Schaltkreistechnik ist aus signaltechnisch sicheren elektronischen Baueinheiten aufgebaut. Das sicherungstechnische Verhalten eines URTL-Schaltwerks beruht auf der Möglichkeit, fehlerhafte Signale rechtzeitig zu erkennen und ihre Wirkung durch Sperren aller Ausgänge zu verhindern. Dieser Stand der Technik ist aus nachstehenden Unterlagen zu ersehen:
Elektronische Schaltkreistechnik nach dem Fail-Safe- Prinzip. Zeitschrift Signal und Draht 63 (1971) 9
Drei-Phasen-MT-Schaltkreissystem für die Eisenbahnsignaltechnik. Siemens-Zeitschrift 43. Jahrgang, August 1969, Heft 8, Seite 660 bis 665.

URTL, eine integrierte Schaltkreistechnik nach dem Fail-Safe-Prinzip. Siemens-Druckschrift D 500/119 November 1973.

URTL, ein Schaltkreissystem mit selbsttätiger Fehlermeldung. Zeitschrift Signal und Draht 64 (1972)1/2.

Alle bekannten Schaltkreistechniken, bis auf die URTL- Technik, haben den Nachteil, daß Schaltungsteile, die nicht ständig benutzt werden, nicht ununterbrochen überwacht werden. Erst beim Benutzen dieser Schaltungsteile wird ein zwischenzeitlich eingetretener Fehler offenbar. Dies führt dann zu einer Betriebshemmung und u. U. zu einem Gefahrenzustand. Bei Schaltkreisen mit Vervielfachung von signaltechnisch nicht sicheren Schaltkreisen, steht und fällt die Sicherheit mit dem Aufbau der Schaltkreise für das Vergleichen oder für die Mehrheitsentscheidung. Außerdem können durch extreme äußere Einflüsse auf die gesamte Anlage (hohe Temperaturen; Überspannungen; Erschütterungen und Resonanzerscheinungen) gleiche Bauteile in den vervielfachten Schaltwerken gleichzeitig ausfallen, so daß immer ein Unsicherheitsfaktor besteht.

Die URTL-Technik ist bauteilseitig nicht selbstsicher aufgebaut. Bei letzterer Technik wird die mittlere Zeitdauer zwischen zwei Doppelfehlern mit mindestens 10¹⁸ Jahren angegeben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltkreistechnik mit vervielfachter Sicherheit aufzubauen, wobei jeder Einzelfehler sofort angezeigt, eingegrenzt und beseitigt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Schaltkreistechnik für sicherungstechnische Aufgaben 2 Schaltwerke 1 a und 1 b vorsieht, wobei das Schaltwerk 1 a invers zum anderen (1 b) arbeitet und die Grundelemente von beiden Schaltwerken 1 a und 1 b gemeinsam sind.

Diese Anordnung bedingt, daß bei einer Informationsänderung sämtliche Grundelemente ihren Zustand ändern, dies wird überwacht, im Fehlerfalle angezeigt und kann zum Sperren beider Schaltwerke ausgenützt werden.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß z. B. bei Anwendung der 7-Phasen- MT-Schaltkreistechnik, die nachstehend beschrieben wird, die mittlere Zeitdauer zwischen zwei Doppelfehlern auf mindestens 10¹⁶ mal 10¹⁸ = 10³⁴ Jahren erhöht wird. Dieser Wert gilt für den einzelnen Ringkern unter der Voraussetzung, daß für URTL- und 3- Phasen-MT-Schaltkreistechnik der gleiche Wert von 10¹⁸ zugrunde gelegt wird, jedoch der 1. Wert wegen der kleineren Taktfrequenz von 1,2 kHz anstatt 120 kHz um den Faktor 1/100 vermindert werden muß. Da es sich um völlig verschiedene Arten von Sicherheitsbetrachtungen handelt, ist das Multiplikationsgesetz der Wahrscheinlichkeitsrechnung hierbei gültig. Die 7-Phasen-MT-Schaltkreistechnik ist eine Kombination der 3-Phasen-MT- mit der URTL-Schaltkreistechnik und vereinigt die großen Vorteile beider Techniken.

So gehen bei Energieausfall keine Informationen verloren. Es stehen inverse Ausgangsinformationen zur Verfügung, die eine sichere Schnittstelle für die Ausgänge ermöglicht. Für diese extrem hohe Sicherheit ist der doppelte Aufwand wie bei der 3 Ph.-MT-Technik erforderlich. Bei Anlagen, deren Ausfall unübersehbaren Schaden verursachen z. B. Atomkraftwerk in Tschernobyl, Weltraumtechnik und Höchstgeschwindigkeitsbahnen sollte nicht am Sicherheitssystem gespart werden. Sorgt man durch konstruktive Maßnahmen dafür, daß nicht signaltechnisch sichere Rechnersysteme, die vervielfacht sind, infolge äußere Einflüsse gleichzeitig nicht den gleichen Fehler bekommen können, so kann die Schaltkreistechnik laut Erfindung als Vergleicher bzw. Mehrheitsentscheider vorteilhaft eingesetzt werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 1 bis Fig. 10 dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Fig. 1 gibt ein Schema dieser Schaltkreis-Technik laut Erfindung an. Schaltwerk 1 a hat die Eingänge 2 a (A, Busw.) und die Ausgänge 3 a (C, E usw.) und das Schaltwerk 1 b hat die inversen Eingänge 2 b (=α, =β usw.) und die inversen Ausgänge 3 b (=γ, =ε usw.) Die senkrechten Linien sollen die gemeinsamen Grundschaltelemente 4 darstellen, die entweder im Schaltwerk 1 a oder im Schaltwerk 1 b bei jedem Schaltzyklus ihren Zustand ändern. Durch den inversen Aufbau der Schaltwerke muß jedes Grundschaltelement seinen Zustand während eines Schaltzyklus ändern. Diese Bedingung wird vom "and"-Gatter 5 überprüft, und im Fehlerfall wird das Schaltelement angezeigt (Tableau 6), das nicht funktioniert hat. Somit wird ein Fehler sofort erkannt und - was sehr wichtig ist - eingegrenzt. Falls erforderlich, kann das Und-Gatter auf die Taktversorgung 7 einwirken, wobei durch Sperren der Steuerimpulse 8 diese beide Schaltwerke stoppt.

Hierbei müssen dann alle Ausgänge zur sicheren Seite wirken.

Der Erfindungsgedanke ist im Prinzip davon unabhängig, ob es sich um ein elektro-magnetisches oder ein anderes physikalisches System handelt, wenn auf dem gleichen Grundelement sowohl die normale als auch die inverse Funktion durchgeführt werden kann und dieser Vorgang überwachbar ist. (siehe Patentanspruch Nr. 8)

Die Bezeichnungen in der Fig. 1 gelten vorwiegend für ein elektro-magnetisches Schaltwerk und sind für die anderen Systeme sinngemäß anzuwenden.

Die nachstehenden Ausführungsschaltungen Fig. 2 bis Fig. 10 einer 7 Phasen-Magnetkern-Transistor-Schaltkreistechnik (kurz 7 Phasen-M-T-Technik) sollen zeigen, daß diese neue Idee auch "machbar" ist. Dies könnte man sonst beim ersten Eindruck bezweifeln.

Die Wahl von 7 Phasen gilt als Beispiel. Werden nur and und or Gatter benötigt, so reichen 5 Phasen. Für andere Anwendungen, kann die Wahl von mehr als 5 oder 7 Phasen Vorteile bieten.

Die Gatterschaltungen für die 7 Phasen-M-T-Technik

Fig. 2 bis Fig. 8 sind nach einem einheitlichen Schema dargestellt, das nachstehend erläutert wird. Die Ziffern haben die gleiche Bedeutung wie zu Fig. 1 beschrieben. Die Ringkerne 4 sind durch senkrechte Striche angedeutet. Die Querstriche hierauf geben die Taktphasen an. Takt 1-3 ist dem Schaltwerk 1 a u. Takt 4-6 dem Schaltwerk 1 b zugeordnet. Ein Dreieck nach oben bedeutet "Einlesen" des Kernes. Ein Dreieck nach unten "Löschen bzw. Auslesen" des Kernes. Die 3 "Beine" am Ausgang gelten symbolisch für die 3 Anschlüsse des Ausgangstransistors (Tastung, Rückkopplung und Masse). Der genaue Aufbau hierzu ist den Bildern 2 u. 3 der Siemenszeitschrift 43. Jahrgang, August 1969, Heft 8 zu entnehmen. Nur wenn die Tastung für die jeweilige Taktphase angeschaltet ist, kann ein Ein- oder Auslesen erfolgen. Der zusätzliche Prüftransistor 9 wird über alle Takte getastet und darf bei jedem Taktzyklus nur einen Ausgangsimpuls abgeben. Kein Impuls oder mehrere Impulse wird als Fehler ausgewertet. Alternativ kann man die Prüftransistoren auf die jeweiligen Ausgangstransistoren im 2. und 5. bzw. im 3. und 6. Takt tasten. Unter den Ringkernen sind die Symbole der jeweiligen Gatter dargestellt. Darunter die zugehörigen Wahrheitstabellen.

Fig. 2 stellt die Kombination eines "and" mit einem "or" Gatter auf einem Kern 4 dar. Nach der Formel A · B=C für das "and" Gatter ist die Invertierung = das "or" Gatter α+b=γ. Ist A=1 und B=1, so kommt im Takt 2 der Ausgangsimpuls C. Bei den anderen Kombinationen A=0, B=0; A=0, B=1; B=1, A=0 wird der Kern im 4. Takt durch α+β; α oder β eingelesen, so daß im Takt 5 der Kern mit einem festen Takt ausgelesen wird. Wie aus den Wahrheitstabellen auch hervorgeht, wird nach Ablauf der 6 Takte bei allen möglichen Eingangskombinationen entweder im Schaltwerk 1 a oder 1 b ein Ausgangsimpuls C bzw. γ abgegeben. Dies wird im Prüftransistor 9 mit einem Impuls, der vom "and" Gatter 5 ausgewertet wird, überwacht.

Fig. 3 zeigt die Kombination eines "or" mit einem "and" Gatter auf einem Kern. Gegenüber Fig. 2 sind hier die beiden Gatter auf dem Kern in der Reihenfolge vertauscht.

Fig. 4 gibt die Kombination eines "nand" mit einem "nor" Gatter an. Die Formel A · B= ergibt invertiert

d. h. ein "nor" Gatter. Der Strom i/2 für die Eingänge A und B wird bei der praktischen Ausführung durch die halbe Windungszahl auf dem Kern erreicht.

Fig. 5 zeigt die Kombination eines "nor" mit einem "nand" Gatter, d. h. die andere Reihenfoge von Fig. 4. Fig. 6 gibt die Kombination eines Sperrgatters mit mit einem Sperr-Invertgatter an. Die Eingänge α und β haben verschiedene Windungszahlen, d. h. α hat doppelt soviele wie β. Hier gilt die Formel A · =C die invertiert die Form

annimmt.

Fig. 7 stellt die umgekehrte Reihenfolge von Fig. 6 dar, d. h. ein Sperr-Invertgatter mit einem Sperrgatter auf einem Kern.

Fig. 8 zeigt zwei Negatoren auf einem gemeinsamen Kern, jedoch mit invertierter Anschaltung.

Fig. 9 gibt ein Schaltungsbeispiel einer einfachen Schaltung mit 2 Eingängen und 2 Ausgängen je Schaltwerk 1 a und 1 b an. Hierbei wird gezeigt, wie die Gatter von den Fig. 2 bis 8 zusammen wirken.

Für Ausgang C soll gelten:

Für Ausgang E soll gelten:

Beim Sicherheitsnachweis ist es offensichtlich, daß alle Leitungen und Transistoren, die nach einem Ringkern führen, bei der ständigen Prüfung dieser Ringkerne im Fehlerfall erfaßt werden. Eine Ausnahme bilden die Ausgangstransistoren C, E, γ und ε im Schaltungsbeispiel. Diese können defekt sein, obgleich die Prüfung der Ringkerne 4.3 und 4.6 in Ordnung ist. Hier ist eine Gegentaktschaltung vorzusehen, die bei einem Fehler in den Ausgangstransistoren stehen bleibt. Bei einer derartigen Schaltung kann der Übertrager als Ringkern mit einem Prüftransistor 9′′′. aufgebaut werden, so daß dieser Schaltungsteil ebenfalls im "and"-Gatter 5 überwacht wird. (Schaltungsteil ist nicht dargestellt)

Fig. 10 zeigt eine Tabelle der 6 Ringkerne 4.1 bis 4.6 des Schaltungsbeispiels nach Fig. 9. Es soll bewiesen werden, daß bei allen möglichen Taktfolgen immer alle 6 Ringkerne einen Prüfimpuls abgeben. In der 4fach unterteilten Spalte ist der jeweils neue Schaltzustand angegeben, z. B. in der 1. Zeile:

A=0, B=0, α=1 und β=1.

Die Symbole zum Ringkern 4.1 in der 1. Zeile bedeuten:
In der Taktphase 8.4 liest der Eingang β den Kern ein, und in der Taktphase 8.6 wird der Kern durch einen festen Takt ausgelesen.

Bzw. Ringkern 4.3 in der 1. Zeile:
In der Taktphase 8.5 liest Kern 4.2 den Ringkern 4.3 ein, in der Taktphase 8.6 liest der Impuls von Kern 4.1 diesen Kern mit dem Ausgangsimpuls γ aus. Wie man sieht, erfolgt in jedem der 24 Felder ein Ein- und Auslesen des jeweiligen Kernes. Man kann diese Schaltkreistechnik laut Erfindung als doppeldynamisch bezeichnen, einmal durch den Takt und durch die ständige Dynamik aller Ringkerne.

Claims (11)

1. Schaltkreistechnik für sicherungstechnische Aufgaben mit zwei Schaltwerken 1 a und 1 b, wobei das eine Schaltwerk 1 a invers zu dem zweiten Schaltwerk 1 b arbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundelemente von dem Schaltwerk 1 a und dem Schaltwerk 1 b gemeinsam sind.

2. Schaltkreistechnik nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei jeder Änderung eines Eingangsbegriffes oder eines internen Begriffes sämtliche Grundelemente ihren Zustand ändern.

3. Schaltkreistechnik nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung aller Grundelemente bei jedem Schaltzyklus überwacht wird.

4. Schaltkreistechnik nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Fehlerfalle der jeweils fehlerhafte Grundbaustein angezeigt wird.

5. Schaltkreistechnik nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Fehlerfall beide Schaltwerke stehen bleiben.

6. Schaltkreistechnik nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um ein elektromagnetisches System mit Ringkernen und Transistoren handelt, wobei der inverse Begriff durch Einschreiben bzw. Nichteinschreiben einer bestimmten Magnetfeldrichtung im Ringkern gegeben ist.

7. Schaltkreistechnik nach Anspruch 1, 2, 3 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausfall der Energieversorgung für die Schaltwerke keine Informationen verloren gehen.

8. Schaltkreistechnik nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß andere physikalische Eigenschaften wie elektrische, magnetische, optische, hydraulische, mechanische oder Kombinationen hiervon ausgenutzt werden, wobei die inversen Begriffe durch jeweils entgegengesetzte Eigenschaften wie, Strom - kein Strom; Spannung - keine Spannung; Energie - keine Energie; hell - dunkel; Farbe - Komplimentärfarbe; Druck - kein Druck; Energie der Lage - Energie der Bewegung und verriegelt - unverriegelt gegeben sind.

9. Schaltkreistechnik nach Anspruch 1, 2, 3, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem Ringkern für Schaltwerk 1 a eine Gatterart und für Schaltwerk 1 b die hierzu invertierte Gatterart angeordnet ist, wobei "and-", "or-", Sperr-, Exklusiv- Oder-Gatter und Negatoren mit der jeweils invertierten Gatterart möglich sind.

10. Schaltkreistechnik nach Anspruch 1, 2, 3, 6, 7 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Gatter zu beliebigen logischen Verknüpfungen wie Kippstufen, Code-Umsetzer, Frequenzteiler, Zähler, Schieberegister, Speicher und Recheneinheiten zusammen geschaltet werden.

11. Schaltkreistechnik nach Anspruch 1, 2, 3, 6, 7, 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge mittels einer bekannten Gegentaktstufe, dessen Übertrager als Ringkern mit einem Prüftransistor ausgeführt ist, sicher an die Folgeschaltung weitergegeben werden.