Разработка архитектуры и компонентов САУ РВ повышенной надежности

Одной из актуальных задач, стоящих в настоящее время перед разработчиками современных систем автоматического управления (САУ), является проектирование архитектур, предназначенных для эффективного решения задачи распределения функции между аппаратурой и программным обеспечением. Такая задача возникла, в частности, при разработке структуры высоконадежных (в т.ч. резервированных) САУ.

На определенном этапе развития САУ расширение количества компонентов и информационных обменов между различными узлами привели к резкому увеличению времени управления технологическим процессом и снижению надежности аппаратуры. При этом традиционные интегрированные системы управления на основе одного мощного процессора с большим количеством пассивных устройств стали неприемлемыми [51]. Помимо отсутствия стандартных последовательных интерфейсов и протоколов, что усложняет разработку программного обеспечения [52], применение этих систем затрудняло организацию взаимодействия устройство — процессор, увеличивало габариты, вес и стоимость всей системы, создавало существенные трудности при расширении и модернизации системы.

Указанные тенденции привели к выработке новой концепции организации САУ, в основу которой легли модульно-распределенная структура в виде функциональных узлов, связанных в локальную сеть, при этом каждый узел имеет возможность сетевых коммуникаций и может иметь несколько уровней иерархии. Основным принципом комплектования распределенной САУ является общая сетевая магистраль, к которой подключается ограниченное число устройств ввода-вывода. Такая организация управления системой позволяет обеспечить высокую надежность путем уменьшения количества проводов и применения гальванической развязки, сократить аппаратуру посредством использования малогабаритных компьютеров и контроллеров, достичь малых сроков разработки новых систем, снизить стоимость их проектирования и внедрения, существенно облегчить их модернизацию.

Данные преимущества применения распределенных САУ объясняют факт их активного использования в настоящее время в промышленности и в других отраслях жизненного обеспечения.

Задачи решаемые современной промышленностью требуют функционирования системы в реальном масштабе времени, что приводит к необходимости разработки аппаратно-программных средств САУ, динамично учитывающих свойства реализуемого алгоритма, возможности ограничения роста объема аппаратуры. Рассмотренные факторы определяют необходимость проектирования промышленных САУ реального масштаба времени (РВ) повышенной надежности. Достижения в области микроэлектроники и снижение стоимости вычислительных средств позволяют покрыть широкий спектр требований, определяемых разнообразием решаемых задач и особенностями применения САУ РВ.

Отмеченные факторы определяют необходимость исследований, направленных на проектирование архитектур САУ РВ обеспечивающих эффективную организации межмодульного обмена информацией и удовлетворяющих широкому спектру возможных требований к функционированию системы. Определяющими моментами при этом являются обеспечение гарантированной доставки информации и достижение высоких характеристик надежности аппаратуры системы.

В этом направлении ряд зарубежных и российских предприятий ведут исследовательские работы, одним из результатов, которых являются разработка и внедрения компонентов и средств агрегирования САУ РВ. Настоящая диссертационная работа является продолжением исследований по этой тематике.

Целью работы является исследование вопросов разработки архитектур промышленных САУ РВ повышенной надежности. Предметом исследования являются интерфейсы межмодульного обмена информацией и структурное резервирование промышленных САУ РВ.

Метод исследований основан на комплексном анализе вопросов организации межмодульного обмена информацией САУ РВ при асинхронном режиме управления. В работе использовались: математический аппарат теории надежности, методы статистической обработки результатов экспериментов, логическое моделирование программируемых СБИС на персональном компьютере, а также некоторые методы, опирающиеся на формальные подходы синтеза сложных систем.

В рамках поставленной цели решались следующие задачи:

1. Определение направлений эволюции архитектуры САУ РВ и способы измерений информационных потоков межмодульного обмена.

2. Разработка методики обеспечения гарантированной доставки информации межмодульного обмена.

3. Исследование влияния различных воздействующих факторов на надежность САУ РВ.

4. Исследования способов повышения надежности и подходов к проектированию компонентов архитектуры САУ РВ повышенной надежности.

В работе получены следующие научные результаты:

1. Определены количественные соотношения для оценки допустимой плотности трафика в различных конфигурациях интерфейсов.

2. Предложена методика обеспечения гарантированной доставки информации, которая позволяет существенно сократить сроки разработки промышленной САУ РВ.

3. Составлена формула коэффициента поглощения пропускной способности системы исходя из типовой циклограммы работы мажоритарных САУ РВ, в основе которой лежит подход к распределению функции механизма голосования между аппаратурой и программным обеспечением.

4. Предложена методика синтеза мажоритарного блока САУ РВ повышенной надежности. На его основе разработан механизма голосования троированных систем, для которого функции реализованы аппаратно-программно.

Научная новизна: Суть работы заключается в разработке методик, обеспечивающих гарантированную доставку информацию межмодульного обмена и определяющих подходы к синтезу мажоритарных блоков САУ РВ повышенной надежности.

Практическая значимость: Разработано устройство синхронизации процессов и межмодульного обмена информацией (формата МикроРС) мажоритарных троированных САУ РВ, в основе которого лежит механизм голосования, реализованный аппаратно-программно.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Разработка инженерной методики обеспечения гарантированной доставки информации межмодульного обмена, позволившая сократить сроки разработки САУ РВ.

2. Исследование факторов влияющих на надежность САУ РВ, позволившее оценить значения основных параметров и определить меры их улучшения.

3. Разработка инженерной методики синтеза архитектуры мажоритарных блоков САУ РВ повышенной надежности, на основе которой разработана и внедрена структура троированной САУ РВ.

Работа основана на результатах исследований, полученных автором в ходе работ по разработке компонентов и средств агрегирования САУ РВ проводимых российским предприятием ЗАО «ЭЛКУС» .

Апробация работы. По результатам исследований были сделаны доклады на VI Международной научно-технической конференции «Проблемы повышения технического уровня электрооборудования кораблей, плавучих сооружений и транспортных средств» (12−15 мая 1998 г.). Опубликованы три научных статьи. На предложенные оригинальные решения получен грант на конкурсе научных проектов студентов и аспирантов фирмы MOTOROLA (СПбГЭТУ-ЛЭТИ 1997/1998 г.).

3.5 Выводы.

1. На основании классификации факторов, воздействующих на САУ реального масштаба времени системы при проектировании и в процессе эксплуатации, составлено математическое выражение, в основе которого выработаны мероприятия, повышающие надежность САУ РВ.

2. На основании анализа структурных мажоритарных резервированных систем, приведены рекомендации по выбору кратности резервирования, с учетом заданных ограничений предложены различные варианты реализации функции механизма голосования.

3. Предложена формула для определения коэффициента поглощения пропускной способности системы, в основе которой лежит подход к определению распределения функции механизма голосования между аппаратурой и программным обеспечением.

4. Предложена инженерная методика синтеза архитектуры мажоритарного блока САУ РВ повышенной надежности, в основе которой разработан компонент троированных ЭВМ (MICRO-PC) в качестве механизма голосования, для которого функции мажорирования реализованы програмно-аппаратно.

Рис. 3.10. Структура устройства синхронизации и обмена (УСО) А.

Системная магистраль М1Ь-5ТР-1553 В.

3 резервированных ЛПИ.

Каналы обмена (Я8485).

Устройства управления УСО — устройство синхронизации и обмена.

Рис. 3.11. Структура троированного мажоритарного блока на основеУСО.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В настоящей работе рассмотрены вопросы проектирования архитектуры и компонентов САУ РВ повышенной надежности. В ходе выполнения исследований получены следующие основные результаты:

1. Определены количественные соотношения для оценки допустимой плотности трафика в различных конфигурациях интерфейсов.

2. Предложена инженерная методика обеспечения гарантированной доставки информации, которая позволяет существенно сократить сроки разработки промышленной САУ РВ.

3. Предложена формула для определения коэффициента поглощения пропускной способности системы исходя из типовой циклограммы мажоритарных САУ РВ, в основе которой лежит подход к распределению функции механизма голосования между аппаратурой и программным обеспечением.

4. Предложена инженерная методика синтеза мажоритарного блока САУ РВ повышенной надежности. На его основе разработан компонент троированных систем (в качестве механизма голосования), для которого функции мажорирования реализованы аппаратно-программно.

Дальнейшее развитие научных исследование и практических работ по данной тематике целесообразно проводить в направлении рассмотрения:

— «интеллектуальных» интерфейсов межмодульного обмена информацией с целью увеличения скорости и трафика обмена.

— Двухпортовых ОЗУ в качестве перспективного замена последовательных контроллеров RS (ограничиваемых значением их частоты передачи) в рамках проектируемой платы устройства синхронизации и обмена (УСО).