автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Обеспечение надежности микропроцессорных систем управления автоматизированным технологическим оборудованием путем актуализации связей между аппаратными и программными средствами

О*

о

о Л V

На правах рукописи

Беляева Марина Михайловна

ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ОБОРУДОВАНИЕМ ПУТЕМ АКТУАЛИЗАЦИИ СВЯЗЕЙ МЕЖДУ АППАРАТНЫМИ И ПРОГРАММНЫМИ СРЕДСТВАМИ

Специальности:

п5.13.07. "Автоматизация технологических процессов и производств";

05.13.05. "Элементы и устройства вычислительной 'техники и систем управления"

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Рыбинск - 1998

Работа выполнена в Рыбинской государственной авиационной технологической академии.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Гладштейн М.А.

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор Юдин В.В.

- кандидат технических наук Скляров В.П.

Ведущее предприятие - конструкторское бюро "Луч", г.Рыбинск

Защита диссертации состоится 9 декабря 1998 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета К.064.42.02 Рыбинской государственной авиационной технологической академии по адресу: 152934, Рыбинск, ул. Пушкина, д. 53, ауд. 237.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Рыбинской государственной авиационной технологической академии.

Автореферат разослан "X" ^ОЛ Л 1998 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

Иванов Ю.Н.

ОБЩАЯ-ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Качественное совершенствование " изделий, увеличение объемов выпускаемой продукции, снижение ее себестоимости достигается за счет автоматизации технологических .- процессов, одним из основных направлений которой является внедрение гибких производственных систем (ГПС).

Основными требованиями, предъявляемыми к ГПС, являются гибкость, надежность и эффективность. При обеспечении гибкости возрастает сложность ГПС, увеличивается число ее элементов, а значит, возрастает вероятность отказов оборудования. Тем самым снижается надежность технологического процесса в целом. Эффективность гибкой производственной системы определяется ее производительностью и затратами на ее внедрение и эксплуатацию. Рост эффективности ГПС достигается повышением производительности или снижением затрат. Производительность ГПС можно повысить, увеличив ее надежность.

Причинами низкой надежности технологического процесса являются отказы по организационным причинам, параметрические отказы и отказы оборудования. С ростом степени автоматизации технологических процессов удельный вес отказов первых двух групп снижается, но при этом увеличивается сложность ГПС и растет число отказов технологического процесса из-за отказов оборудования. Автоматизированное технологическое оборудогание в своем составе им- <~т систему управлен::л, надежность которой оказывает существенное" влияние на надежность оборудования и эффективность ГПС в целом.

Рост степени автоматизации производства требует расширения номенклатуры и увеличения числа функций систем управления, что достигается за счет использования микропроцессоров и, микроконтроллеров. Микропроцессорные системы управления. (МПСУ) представляют собой совокупность аппаратных и программных средств. Традиционно программные средства рассматриваются как часть микропроцессорной системы, состоящей из двух последовательно соединенных подсистем аппаратных и программных средств. Однако данная структурная схема надежности не учитывает реальные связи между элементами системы. Программно можно дублировать некоторые функции аппаратных средств или аппаратными средствами контролировать правильность функционирования программы. Актуализация связей аппаратных и программных средств - обновление информации о взаимодействии элементов микропроцессорной системы, связанное с развитием науки и необходимостью решать новые задачи, - позволит повысить эффективность гибких производственных систем путем обеспечения надежности систем управления с меньшими затратами.

Цель работы - обеспечение надежности микропроцессорных систем управления автоматизированным технологическим оборудованием путем разработки методов и методик повышения и анализа надежности, учитывающих взаимодействие между аппаратными и программными средствами.

Научная новизна.

Автор защищает:

-классификацию методов повышения надежности;

- методы обеспечения надежности за счет использования естественной функциональной и информационной избыточности МПСУ, повышения регулярности и однородности структуры МПСУ;

-методику синтеза устройств по критерию минимизации интенсивности отказов элементов, позволяющую увеличить надежность МПСУ за счет рационального выбора ее элементов, повышения их надежности, а также регулярности структуры системы;

- методику анализа надежности микропроцессорных систем управления, позволяющую определить надежность с учетом реальных связей между аппаратными и программными средствами и выявить естественную избыточность системы;

- методику повышения надежности устройств МПСУ путем использования их естественной избыточности;

- архитектурные и алгоритмические решения запоминающего устройства, операционного узла, устройства ввода/вывода и программного обеспечения.

Новизна результатов диссертации подтверждена полученными патентами Российской Федерации.

Общая методика исследований. Решение основной задачи диссертационной работы базируется на использовании методов системного анализа, теории надежности, математического аппарата теории графов, теории марковских цепей, методики синтеза вычислительных устройств по алгоритму функционирования.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

Предложенные в работе методы и методики представляют практическую ценность для разработчиков систем управления и микропроцессорных систем.

Методика синтеза устройств по критерию минимизации интенсивности отказов может быть применена при проектировании новых систем управления.

Методики анализа и повышения надежности путем использования естественной избыточности могут быть использованы как при соз-

дании новых, так и для обеспечения надежности существующих систем управления автоматизированным технологическим оборудованием. . ' ;

Разработанные архитектурные и алгоритмические решения запоминающих устройств, операционных блоков могут быть использованы при создании цифровых вычислительных устройств, использующихся в составе верхних иерархических уровней управляющей части гибких производственных систем. Предложенный способ кодирования чисел в, формате с плавающей запятой и алгоритмические решения на его ос-, нове представляют практическую ценность для разработчиков программного обеспечения МПСУ автоматизированным оборудованием.

Технические решения, реализованные с применением предложенных методов и методик, нашли практическое применение при. выполнении ОКР "Разработка контроллера технологического оборудования для автоматизации взрывоопасных технологических процессов"-и "Разработка устройства числового программного управления станком для изготовления экспериментальных печатных плат", на что получены акты о внедрении результатов исследований в ЦНКБ НИХТИ (г. Москва) и МНПП "АИР" (г. Рыбинск). Результаты исследований используются в учебном процессе при преподавании дисциплин: "Цифровые устройства и микропроцессоры", "Управление качеством электронных средств", "Технология разработки программных средств", а также в дипломном проектировании.

Апробация.

Результаты работы докладывались и обсуждались на российских научно-технических и научно-практических конференциях:

-"Методы и средства оценки повышения надежности приборов, устройств и систем", г.Саратов, 1994г.;

-"Наукоемкие технологии в машиностроении и приборостроении", г.Рыбинск, РГАТА, 1994г.;

-"Статистические методы управления качеством продукции", г.Ярославль, 1997г.

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 6 печатных работ, -в том числе: патенты РФ - 2, тезисы докладов - 3, статья - 1.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения. Работа изложена на 224 страницах машинописного текста, содержит 45 рисунков, 21 таблицу, список источников из 109 наименований. . - •

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Влияние надежности системы управления автоматизированным технологическим оборудованием на эффективность ГПС

Рост эффективности ГПС достигается повышением производительности или снижением затрат на ее внедрение и эксплуатацию. При достаточно полной загрузке гибкой производственной системы ее производительность зависит от надежности технологического процесса. При высоком уровне автоматизации системы управления, транс-портно-складской системы, системы контроля снижается вероятность появления отказов по организационным причинам и параметрических отказов. Однако, возрастает вероятность отказов оборудования, надежность которого в значительной степени определяется надежностью системы управления. Поэтому к надежности систем управления предъявляются повышенные требования. Наиболее важный показатель надежности автоматизированного технологического оборудования - вероятность безотказной работы в течении заданного времени.

Таким образом, безотказность системы управления оказывает существенное влияние на надежность автоматизированного технологического оборудования и закладывает основу повышения надежности технологического процесса и эффективности использования ГПС в целом.

Применение методов повышения надежности МПСУ позволяет повысить надежность и безопасность гибких производственных систем, достоверность решения производственных задач, готовность к работе и безотказность функционирования автоматизированного технологического оборудования, снизить частоту ошибок из-за сбоев и сократить время восстановления нормального функционирования ГПС. Однако эти методы требуют для своей реализации дополнительных затрат времени и оборудования, что приводит к введению избыточности и снижению эффективности применения ГПС. Следовательно, при разработке новых методов повышения надежности, а также при выборе методов из ряда известных необходимо стремиться к достижению большего уровня надежности использованием меньшей избыточности.

2. Систематизация и исследование методов повышения надежности МПСУ автоматизированным технологическим оборудованием

Рассмотрение принципов использования избыточности в известных методах повышения надежности позволило выделить следующие классификационные группы: по виду вводимой избыточности

(структурная, информационная, временная); по способу действия избыточности (резервирование, восстановление, адаптация); по способу введения избыточности (постоянное, замещением, скользящее)'. Для оценки характера воздействия избыточности на эффективность использования ГПС добавлена классификационная группа по объему вводимой избыточности. В этой группе методы можно разделить на: неизбыточные (требующие для своей реализации менее 1.5% дополнительных затрат), малоизбыточные (дополнительные затраты составляют не более 10% затрат базового неизбыточного варианта) и избыточные (дополнительные затраты составляют более 10% затрат базового неизбыточного варианта).

Необходимость достижения большего уровня надежности использованием меньшей избыточности позволила выбрать критерий эффективности методов повышения надежности как произведение частных показателей качества с соответствующими весовыми коэффициентами:

I Нбаз/ I аз/

где —У— - коэффициент роста надежности объекта (определяется

Нбаз

как отношение достигнутого уровня надежности по сравнению с базовым);

-Л!— - коэффициент роста материальных затрат (определяется

Шаз

как отношение затрат на реализацию исследуемого метода повышения надежности по отношению к затратам на реализацию базового варианта);

Ун, Уи - весовые коэффициенты соответствующих показателей, в случае равнозначности показателей принимаются равными единице;

Ьн, Ьи - логические переменные для сведения всех показателей к единому требованию максимизации эффективности (Ъ= 1 , если максимизация показателя соответствует повышению качества объекта, 11

= -1, если минимизация показателя соответствует повышению качества объекта).

Предлагается методика оценки эффективности применения метода повышения надежности, которая включает определение: состава и весовых коэффициентов частных показателей качестваисследуемого объекта; определение базового варианта объекта; определение численных значений частных показателей надежности и затрат при реализации исследуемого и базового вариантов объекта, а также их отношения; расчет по формуле (1) значения показателя эффективности применения метода повышения надежности.

Оценка по данной методике эффективности известных методов повышения надежности выявило, что получаемое повышение надежности неадекватно вводимой для этого избыточности. Наиболее эффективны методы, использующие скользящее введение избыточности. Разработка малоизбыточных методов повышения надежности возможна при учете интеграции аппаратных и программных средств в МПСУ, что достигается путем актуализации связей между аппаратными и программными элементами.

3. Разработка методов и методик обеспечения надежности МПСУ на основе актуализации связей между аппаратными и программными средствами

Рассмотрение МПСУ как системы позволяет выделить два основных элемента - аппаратные средства и программное обеспечение. Сложность и конфигурация связей между ними определяется обрабатываемой информацией. Представление информации в форме, учитывающей специфику ее совместной обработки аппаратными и программными средствами, позволяет полнее и эффективнее использовать ресурсы микропроцессорной системы.

Особенностью МПСУ технологическими объектами, в отличие от вычислительных устройств общего назначения, является постоянстве аппаратных средств и программного обеспечения. Программное обеспечение в микропроцессорных системах управления разрабатывается для конкретных аппаратных средств и, как правило, остается неизменным в процессе эксплуатации.

С развитием технологии производства микроэлектронной аппаратуры и, соответственно, ростом интеграции аппаратных средстЕ возрастают их функциональные возможности. Поэтому аппаратные средства с функциональной точки зрения обладают некоторой естественной избыточностью в том смысле, что программное обеспечение не полностью использует все функции, которыми обладают аппаратные средства, то есть использует не все элементы аппаратных средств.

В общем случае, в элементе аппаратных средств можно выделить подэлементы, каждый из которых выполняет одну функцию и отказ одного из них не вызывает отказа всех функций, и подэлемент, безотказная работа которого необходима для корректного выполнения любой из этих функций.

Функции, выполняемые элементом, зависят от номенклатурь функций данного элемента и алгоритма функционирования МПСУ (в тоь числе и от команд программного обеспечения). В связи с этим предлагается ввести коэффициент использования функции элемента программным обеспечением Кф1, который позволяет учесть алгорита

функционирования. Коэффициент равен 1, если функция используется программным обеспечением, и равен 0, если функция не используется. С учетом этого действительная интенсивность отказов элемента аппаратных средств кэ{Ь) определяется следующим образом

п

А,эШ = ХэобпШ + £ Кф1 • Я,эф1("Ь) , (2)

1=1

где ХэобиШ - интенсивность отказов подэлемента общего для всех выполняемых функций;

АзфЛ) - интенсивность отказов подэлемента, выполняющего. 1-ую функцию;

Кф1 - коэффициент использования ьой функции;

п - число всех функций элемента.

Отказ неиспользуемой части аппаратных средств не приводит к отказу системы в целом, то есть работоспособность системы сохраняется.

Неиспользуемая часть аппаратных средств может быть применена для повышения надежности выполнения основных функций системы, С целью реализации этой возможности предлагается метод обеспечения надежности путем использования естественной функциональной и информационной избыточности системы. В этом случае задача повышения надежности системы решается использованием изначально имеющейся в системе естественной избыточности, а не введением дополнительной, что позволяет снизить затраты и увеличить эффективность ГПС в целом.

Для определения области применения предложенного метода проведен анализ типовой структуры микропроцессорной системы управления, позволивший выявить естественную избыточность в системе команд микропроцессора, в адресном пространстве запоминающих устройств (ЗУ) и в системе ввода/вывода.

Необходимо отметить, что эффективное применение естественной избыточности возможно в лишь случаях, когда избыточные и основные' элементы выполняют однотипные функции. Введение избыточности для повышения регулярности структуры и однотипности выполняемых функций позволит повысить надежность системы за счет снижения интенсивности отказов ее элементов, возможности использования скользящего способа введения избыточности. Проведенный анализ микропроцессорных систем управления и входящих в их состав устройств показал, что запоминающие устройства и устройства управления, как правило, имеют регулярную структуру. Наименее регулярной структурой обладают операционные устройства' в составе микропроцессора из-за разнообразия выполняемых ими функций. Регулярность структуры операционного устройства может быть повыше-

на за счет применения постоянного запоминающего устройства или программируемой логической матрицы.

На основе предложенных методов обеспечения надежности разработан комплекс методик.

Методика синтеза устройства по критерию минимизации интенсивности отказов, учитывает функционально-надежностные характеристики элементов, обеспечивает повышение регулярности структуры, использует синтез структур по алгоритму функционирования и включает в себя следующие пункты.

1. Построение графа алгоритма, спецификации операций, определение путей графа.

2. Составление таблицы характеристик функциональных элементов с указанием интенсивности отказов подэлемента общего для всел

выполняемых функций Х,ЭобщС0; типа, количества, интенсивности отказов ЯэзиШ и времени выполнения каждой функции.

3. Составление матрицы соответствия элементов вершинам графа алгоритма.

4. Формирование вектора назначения, используя критерий

Если элемент использован для реализации предыдущих веришь графа, то интенсивность отказов подэлемента, общего для всех вы полняемых функций этого элемента, в (3) следует принять равной ну лю. Если элемент применен в системе впервые, то следует определит! возможность его использования для реализации ранее рассмотренные функций (решение принимается по критерию (3)).

5. Определение множества сливаемых и добавляемых вершин Получение матрицы инциденций базовой структуры. Построение граф; алгоритма и матрицы соответствия базовой структуры.

6. Формирование вектора назначения базовой структуры, ис пользуя критерий (3), и вектора временной развертки.

7. Разработка структуры устройства с формированием граф; устройства, матрицы инциденций, вектора назначения и временно! диаграммы функционирования устройства.

Результат выполнения предлагаемой методики - обеспечена надежности и повышение регулярности структуры устройства с учето! алгоритма функционирования и надежностных характеристик ее эле ментов.

Методика анализа надежности разработана для учета реаль ных связей аппаратных и программных средств в МПСУ и для выявле ния естественной избыточности системы. Она состоит из следующи: пунктов.

1. Определение уровня детализации структуры и элементног состава.

(3

2. Определение множества основных функций и множества используемых для реализации этих функций элементов аппаратных и программных средств.

3. Определение подмножества элементов системы, отказ которых приводит к отказу всех функций, некоторой части функций и отдельно взятой функции с построением таблицы функционально-надежностных характеристик элементов системы.

4. Построение структурной схемы надежности и выполнение расчета показателей надежности, используя характеристики п.З.

С использованием данной методики анализа надежность определяется с учетом реальных связей между аппаратными и программными средствами и выявляется естественная функциональная избыточность исследуемой системы, которая впоследствии может быть использована для повышения надежности.

Методика повышения надежности устройств МПСУ путем использования их естественной избыточности включает в себя следующие пункты.

1. Определение элементов с наибольшей интенсивностью отказов.

2. Анализ информационной и функциональной избыточности системы. Определение способа повышения надежности с использованием естественной избыточности. Выбранные избыточные функции следует перевести в разряд основных.

3. Коррекция схемы устройства, построение структурной схемы надежности с учетом выбранного метода.

4.Расчет показателей надежности устройства. Если уровень надежности меньше заданного, то следует выполнить пункты 1-3. Если имеющуюся естественную избыточность невозможно использовать, то необходимо перейти к пункту 5.

5. Разработка алгоритма реализации ненадежной функции и элемента, выполняющего эту функцию, используя методику синтеза устройства по критерию минимизации интенсивности отказов.

6. Повторение пунктов 1-5 до достижения заданного уровня надежности системы.

В результате применения предлагаемой методики надежность системы повышается малоизбыточными методами использования естественной функциональной и информационной избыточности, что снижает затраты и, в конечном итоге, повышает эффективность автоматизированного технологического оборудования и ГПС в целом.

Разработанные методики можно использовать как в совокупности, так и самостоятельно.

4. Разработка и исследование технических решений

компонентов МПСУ автоматизированным технологическим оборудованием на основе предложенных методов и методик обеспечения надежности

Исследование и оценка предложенных технических решени! выполняется по критерию эффективности (1).

Основными источниками отказов аппаратных средств и про граммного обеспечения МПСУ являются ошибки хранения запоминающе го устройства, ошибки обработки операционных блоков, сбои при пе редаче/приеме информации и ошибки передачи управления. Поэтом для апробации предложенных методов и методик выбраны оперативно запоминающее устройство (ОЗУ), операционный блок (ОБ), устройств ввода/вывода, программное обеспечение.

Отказы ЗУ составляют до 70% от общего числа отказов аппарат ных средств. Основной источник отказов и сбоев - запоминающий эле мент (до 90% отказов ЗУ происходит из-за отказа запоминающих эле ментов ячеек памяти и лишь 10% отказов обусловлены отказам устройств дешифрации и управления ЗУ). Следовательно, при решени задачи повышения надежности МПСУ следует исследовать возможност повышения надежности запоминающих устройств и, в первую очередь - запоминающих элементов ячеек памяти.

Известно большое число способов повышения надежности ОЗУ общим недостатком которых является большой объем избыточности.

Разработка отказоустойчивого ОЗУ проведена с использование предложенных методик.

С применением методики синтеза устройств по критерию мин> мизации интенсивности отказов была получена структура ОЗУ, в коте ром обеспечение высокого уровня надежности достигается за сче адаптации данных к отказу запоминающего элемента.

Применение методики анализа надежности позволило выявит избыточность адресного пространства. Повышение надежности разрабс тайного ОЗУ достигается программно-аппаратными средствами. Пр взаимодействии подпрограммы обработки ошибки ОЗУ и схемы измеж ния адреса выполняется коррекция адресов ячеек накопителя таки образом, чтобы адрес отказавших ячеек памяти сместился в неиспол] зуемую зону адресного пространства.

Исследование разработанных структур ОЗУ и их сравнение с структурами ОЗУ, использующими другие методы повышения надежн< сти, показало, что при длительных сроках эксплуатации (10700 ч; сов для 32-х разрядных данных; с увеличением разрядности даннк это время уменьшается) вероятность безотказной работы ОЗУ, испол: зующего естественную функциональную избыточность, выше, чем

других ОЗУ (рис.1). Дополнительно введенная избыточность разработанной структуры ОЗУ составляет 6% базовой.

Проведенная по (1) оценка показала, что разработанная струк-' тура ОЗУ после 5000 часов работы в 4 раза эффективнее базовой структуры ОЗУ и на 11% эффективнее ОЗУ, использующего код Хэммин-га.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20^чх103

Рис.1. Вероятность безотказной работы ОЗУ, использующих различные методы повышения надежности.

Операционный блок (ОБ) является другой важной составной частью системы управления, отказ которой приводит к ошибке вычислений, неправильному формированию директивы исполнительному органу технологического оборудования и к отказу технологического процесса в целом. Известные методы повышения надежности операционных блоков имеют низкую эффективность из-за введения значительного объема избыточности.

Для повышения контролепригодности процесса вычислений и упрощения подпрограммы обработки входной информации при подготовке управляющих программ для систем числового программного управления предлагается использовать двоично кодированную десятичную систему счисления. Для обеспечения надежности двоично-десятичного операционного блока применен метод повышения регулярности структуры и предлагаемая методика синтеза устройств по критерию минимизации интенсивности отказов, что позволило разработать операционный блок, использующий программируемую логическую матрицу (ПЛМ) в качестве запоминающего устройства для хранения таб-

Р Т

0

лиц сложения и умножения и имеющий низкий уровень избыточности Дальнейшее эффективное повышение надежности ОБ на основе ПЛМ не возможно в связи с недостаточностью ее естественной функционально! избыточности. Преодолеть этот недостаток можно путем применени, предлагаемой методики повышения надежности, что позволяет исполь зовать для хранения таблиц постоянное запоминающее устройств (ПЗУ), обладающее достаточным уровнем естественной функционально избыточности, использование которой обеспечивается применение: малоизбыточной схемы контроля.

Использование естественной информационной избыточност двоично-десятичного кода и функциональной избыточности ПЗУ позвс лило повысить вероятность безотказной работы операционного блок после 8000 часов эксплуатации в 2.3 раза по сравнению с базовы вариантом структуры ОБ. Структура операционного блока, базирующая ся на предложенных методах и методиках, после 15000 часов экс плуатации в 2.5 раза эффективнее базового варианта (критерий (1)) эффективнее других методов повышения надежности операционны блоков (рис.2).

3 | 2.5

2

1.5 1

0.5

ОБ на основе ПЗУ" со схемой/ контроля

ОБ для обработки двоично-

десятичных чисел

Двоичный ОБ с контролем по модулю 3

Дублированный ОБ для обработки. двоично-десятичных чисел

0 1.5- 3 4.5 6 7.5 9 10.5 12 13.5 15^ч*103

Рис.2. Эффективность применения методов повышения надежности операционных блоков.

Основные причины отказов устройств ввода/вывода связаны действием помех при передаче/приеме информации, а отказы аппар. туры ввода/вывода составляют 13 - 26% от общего числа отказов.

Для обеспечения надежности ввода/вывода предлагается пр: менить метод повышения надежности за счет использования естестве ной информационной избыточности. Это нашло практическое примен

ние при разработке контроллера для автоматизации взрывоопасных технологических процессов. Содержание технологического процесса предполагает объединение ряда контроллеров в сеть. Обмен информацией осуществляется по последовательному каналу связи. Базовый вариант кодирования управляющей информации представляет собой последовательность трех байт и содержит следующую информацию: номер байта, относительный адрес приемника (до 10), относительный адрес источника (до 10), команду (число возможных команд 6) или ответ (число возможных ответов 7).

Применение предложенной методики анализа надежности позволило выявить информационную избыточность кода номера байта, кода адресов приемника и источника информации, избыточность разрядности данных контроллера. Использование обнаруженной естественной избыточности позволило предложить следующий способ кодирования управляющей информации (рис.3). Относительные адреса источника и приемника размещены в одном байте. При этом номер первого байта совмещается с двумя старшими разрядами относительного адреса источника и может принимать значения 00(2), 01(2), 10(2). Относительный адрес приемника расположен в младшей тетраде для простоты декремента адреса приемника при прохождении через транзитные контроллеры. Два старших разряда последнего байта сообщения - номер байта, всегда имеют значение 11(2). Способы кодирования команд и ответов разделены: один разряд выделен для кодирования типа сообщения (1 - команда, 0 - ответ), для команд применить код "две 1 из 5", для ответов - код "два 0 из 5". При таком способе кодирования число единиц во втором байте сообщения постоянно и равно пяти для любого сообщения.

|— номер байта-1

Н г-Н

Рис.3. Способ кодирования управляющей информации

Контроль корректности сообщения выполняется программными и аппаратными средствами. Структурная схема надежности представляет собой параллельное включение элементов программных средств (программа передачи, программа приема) и аппаратных средств (интерфейс связи). Вероятность корректной передачи управляющей ин-

формации повышена на 20%. Эффективность предложенного способ ввода/вывода в 1.5 раза выше базового варианта.

Повысить надежность программного обеспечения можно, ис пользуя естественную информационную избыточность обрабатываемы данных и естественную избыточность системы команд микропроцессс ра. Предложенный метод использован при разработке программног обеспечения микропроцессорной системы управления станком для и; готовления экспериментальных печатных плат. Система управлени функционирует в режиме реального времени. Время расчета и форм!-рования директив контроллеру электропривода должно быть меныи периода выдачи управляющего воздействия. Для обеспечения заданно точности необходимо использовать числа в действительном формат (формате с плавающей точкой). Отсутствие соответствующих команд системе команд заданного микропроцессора, отсутствие арифметич« ского сопроцессора вынуждает использовать подпрограммы эмуляци арифметических операций с числами в формате с плавающей точкой что значительно увеличивает время выполнения расчетов. Уменьшена точности или превышение времени расчета периода выдачи управляя щих воздействий приведет к отказу автоматизированного технологич* ского оборудования.

Проведенный с использованием предложенной методики аналк избыточности микропроцессора КР1801ВМ2 позволил выявить следующк функциональные возможности: организации прерывания по резервно команде; наличие байтовых операций в системе команд. Анализ ста! дартного способа представления чисел в формате с плавающей точке позволил выявить избыточность поля порядка. Предложен новый сп< соб кодирования, учитывающий возможность эффективного использов; ния избыточности системы команд микропроцессора. Поле порядв уменьшено, составляет 7 двоичных разрядов (8 разрядов - базовый в< риант), нормализованная мантисса занимает 24 разряда (в базовом в; рианте - 23 разряда и один скрытый бит). Использование прерывани по резервной команде позволяет снизить число ошибок передач управления.

Совместное использование естественной функциональнс (аппаратной и программной) и информационной избыточности позвол! ло уменьшить число команд в подпрограммах, повысить надежность уменьшить время выполнения подпрограмм: сложения/вычитания - ь 59 - 71% (в зависимости от операндов); умножения - на 52 - 70%; дел> ния - на 61 - 70%. Это позволило увеличить эффективность подпр! грамм сложения/вычитания и деления в 3 раза, подпрограммы умнож' ния в 2.6 раза.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В диссертации решена задача обеспечения надежности микропроцессорных систем управления автоматизированным технологически оборудованием путем актуализации связей между аппаратными и программными средствами.

В процессе выполнения исследований получены следующие основные результаты.

1. Предложена классификация методов повышения надежности.

2. Разработаны малоизбыточные методы обеспечения надежности МПСУ путемиспользования естественной функциональной и информационной избыточности, повышения регулярности и однородности структуры.

3. Разработаны методики:

- синтеза устройств по критерию минимизации интенсивности отказов элементов, позволяющая увеличить надежность микропроцессорной системы управления за счет рационального выбора элементов и учета алгоритма функционирования;

- анализа надежности микропроцессорной системы, выявляющая естественную избыточность МПСУ и позволяющая определить надежность с учетом реальных связей между аппаратными и программными средствами;

- повышения надежности устройств МПСУ путем использования их естественной избыточности.

4. На основе предложенных методов и методик разработаны эффективные архитектурные и алгоритмические решения основных компонентов аппаратных средств и программного обеспечения систем управления автоматизированным технологическим оборудованием.

Результаты выполнения реальных проектов подтвердили эффективность и универсальность разработанных методов и методик для эбеспечения надежности микропроцессорных систем управления автоматизированным технологическим оборудованием.

Разработанные методы органично дополняют существующие методы повышения надежности, учитывая интеграцию аппаратных и программных средств, многофункциональность элементов системы управ-тения и функционирование МПСУ как целостной системы.

ПУБЛИКАЦИИ ПО РАБОТЕ

1. Патент РФ N2062512 на изобретение "Запоминающее устройсг во с обнаружением ошибок и коррекцией одиночной ошибки"/ Гла; штейн М.А., Беляева М.М., Беляев Е.И. МКИ G И С 29/00 Бюл. N1 20.06.96.

2. Патент РФ N2034330 на изобретение "Операционный блок'1 Гладштейн М.А., Беляев Е.И., Беляева М.М. МКИ G 06 F 15/00 Бюл N12 30.04.95.

3. Гладштейн М.А., Беляева М.М. Оценка влияния программног обеспечения на надежность микропроцессорных средств управлени технологическим оборудованием //Наукоемкие технологии в машине строении и приборостроении: тезисы докладов научно-техническо конференции. Под ред. В.Ф.Безъязычного - Рыбинск, 1994, 316 с. - с. 313 - 314.

4. Беляева М.М. Об одном методе прогнозирования надежност программ на ранних этапах их разработки //Методы и средства оцеь ки и средства оценки повышения надежности приборов, устройств систем: тезисы докладов научно-технической конференции ч.2. По ред. Ю.Н.Куфанова - Пенза, 1994, 108 с. - с. 69 - 70.

5. Беляева М.М. Методика проектирования систем управлени технологическими объектами на основе использования малоизбыточны методов повышения надежности //Статистические методы управлени качеством продукции: тезисы докладов всероссийской научне практической конференции - Ярославль, 1997, 38 с. - с. 31-32.

6. Беляева М.М. Способ оценки надежности электронных вычис лительных устройств на ранних этапах проектирования // Вестни Верхне-Волжского отделения Академии технологических наук России ской Федерации. Сер. Высокие технологии в машиностроении и прибс ростроении: Сб. науч. тр./ Рыбинская государственная технологии« екая академия - Рыбинск, 1995, 136 с. - с. 89-91.

о ^

/

Рыбинская государственная авиационная технологическая

академия

На правах рукописи

ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ОБОРУДОВАНИЕМ ПУТЕМ АКТУАЛИЗАЦИИ СВЯЗЕЙ МЕЖДУ АППАРАТНЫМИ И ПРОГРАММНЫМИ СРЕДСТВАМИ

Специальности:

05.13.07 "Автоматизация технологических процессов и производств";

05.13.05 "Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Беляева Марина Михайловна

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор Гладштейн М.А.

Рыбинск - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 7

1. НАДЕЖНОСТЬ - ОСНОВНОЙ ФАКТОР УВЕЛИЧЕНИЯ

ЭФФЕКТИВНОСТИ ГИБКИХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СИСТЕМ 17

1.1. Возможные пути увеличения эффективности гибких производственных систем 17

1.2.Актуальность обеспечения надежности систем управления автоматизированным технологическим оборудованием 20

1.3. Перспективность микропроцессорных систем управления 24

1.4.Специфика микропроцессорных систем управления 28

1.5.Характеристики надежности систем управления автоматизированным технологически оборудованием 30

1.5.1. Показатели надежности аппаратных средств МПСУ 30

1.5.2. Показатели надежности программного обеспечения МПСУ 33

1.5.3. Показатели надежности МПСУ 37

1.5.4. Основные источники отказов аппаратных средств МПСУ 39

1.5.5. Основные источники отказов программного обеспечения МПСУ 42

1.6. Меры обеспечения надежности МПСУ на этапах жизненного цикла 44

1.7. Выводы по главе 1 47

2.СИСТЕМАТИЗАЦИЯ И ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗВЕСТНЫХ МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

АВТОМАТИЗИРОВАННЫМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ОБОРУДОВАНИЕМ 48

2.1. Систематизация методов повышения надежности 48

2.2. Разработка методики оценки эффективности методов повышения надежности 52

2.3. Оценка эффективности применения методов повышения надежности систем управления 58

2.3.1. Оценка методов повышения надежности аппаратных средств МПСУ 58

2.3.1.1. Мажоритарное резервирование 58

2.3.1.2.Метод использования кодов с повторениями для АС 60

2.3.1.3. Метод повторного выполнения операций в МПСУ 60

2.3.1.4.Восстановление с использованием логики с переплетением 61

2.3.1.5.Метод избыточного кодирования с обнаружением и исправлением ошибок 62

2.3.1.6.Методы адаптации АС 64

2.3.2. Оценка методов повышения надежности программного обеспечения МПСУ 67

2.3.2.1.Метод М-версионного программирования ПО 67

2.3.2.2.Дуальное программирование 68

2.3.2.3.Повышение надежности ПО методами восстановления 70

2.4. Выводы по главе 2 73

3. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И МЕТОДИК ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ МПСУ НА ОСНОВЕ АКТУАЛИЗАЦИИ СВЯЗЕЙ

МЕЖДУ АППАРАТНЫМИ И ПРОГРАММНЫМИ СРЕДСТВАМИ 74

3.1. Определение перспективных направлений исследования 74

3.2. Актуализация связей между аппаратными и программными средствами МПСУ 77

3.3. Метод использования естественной функциональной

и информационной избыточности МПСУ 83

3.4. Метод повышения регулярности и однородности структуры МПСУ 86

3.5. Методики проектирования устройств МПСУ на основе использования малоизбыточных методов повышения надежности 87

3.5.1. Методика синтеза устройств по критерию минимизации интенсивности отказов элементов 87

3.5.2. Методика анализа надежности МПСУ 91

3.5.3. Методика повышения надежности устройств МПСУ путем использования их естественной избыточности 93

3.6.Выводы по главе 3 96

4. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ КОМПОНЕНТОВ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ОБОРУДОВАНИЕМ 97

4.1.Отказоустойчивое запоминающее устройство МПСУ

технологическим оборудованием 97

4.1.1. Синтез исходного варианта устройства 101

4.1.2. Анализ надежности оперативного запоминающего устройства 115

4.1.3. Повышение надежности ОЗУ МПСУ 128

4.1.4. Оценка эффективности повышения надежности ОЗУ 130

4.2. Разработка операционного блока микропроцессорной системы управления 140

4.2.1. Синтез исходной схемы операционного блока 140

4.2.2. Анализ надежности операционного блока 140

4.2.3. Повышение надежности операционного блока МПСУ 147

4.2.4. Оценка эффективности повышения надежности операционного блока 149

4.3. Обеспечение надежности ввода/вывода контроллера технологического оборудования для автоматизации взрывоопасных технологических процессов 157

4.3.1. Разработка способа кодирования управляющей информации 159

4.3.2. Разработка алгоритма и программного обеспечения 163

4.3.3. Оценка надежности и эффективности предложенного способа ввода/вывода информации 165

4.4. Разработка ПО МПСУ станка для изготовления экспериментальных печатных плат 171

4.4.1. Разработка способа кодирования информации 172

4.4.2.Разработка алгоритма и программного обеспечения 175 4.4.3.Оценка надежности и эффективности предложенного

способа кодирования информации 176

4.5. Выводы по главе 4 180

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 181

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 183

ПРИЛОЖЕНИЯ 194

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Акты о внедрении результатов исследований 194 ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Алгоритмическое и программное обеспечение интерфейса ввода-вывода автоматизированной секции крепи 198

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Алгоритмическое и программное обеспечение системы управления станком для изготовления печатных плат 211

ВВЕДЕНИЕ

Качественное совершенствование изделий, увеличение объемов выпускаемой продукции, снижение ее себестоимости в современных условиях невозможно без разработки и внедрения средств автоматизации производства /1,2/.

Быстрое моральное старение изделий, многономенклатур-ность современного производства требует высокой мобильности и универсальности средств производства в условиях как массового, так и мелкосерийного производства. Это, а также требование повышения экономической эффективности производства, обусловило применение гибких производственных систем (ГПС) /3,4/.

Увеличения эффективности использования ГПС можно достичь за счет роста производительности гибких производственных систем и надежности технологического процесса при условии ограничения роста затрат на их обеспечение.

Рост производительности ГПС возможен за счет уменьшения времени простоев из-за отказов системы, то есть за счет повышения надежности автоматизированного технологического оборудования /2,5/. Надежность технологического процесса является функцией надежности автоматизированного технологического оборудования.

Автоматизированное технологическое оборудование представляет собой сложную систему из объекта управления и системы управления /5/. Надежность системы управления определяет надежность оборудования ГПС.

Следовательно, увеличения эффективности использования гибких производственных систем можно достичь путем повышения надежности систем управления автоматизированным технологическим оборудованием.

Расширение номенклатуры и увеличение числа функций систем управления достигается за счет использования микропроцессоров и микроконтроллеров в системах числового программного управления (ЧПУ).

Основные принципы построения систем числового программного управления и повышения их надежности рассматриваются в работах В. А.Ратмирова /4,6/, В.М.Валькова /7/, В.Л.Сосонкина /8/, методы повышения надежности микропроцессорных систем рассмотрены в работах Ю.П.Журавлева, Л.А.Конопелько, К.А.Иыуду /9-11/, вопросы надежности аппаратных средств систем ЧПУ и их элементов нашли отражение в монографиях В.Л.Кошкина, В.Н.Горшкова, Е.С.Согомоняна, Ю.Н.Арсеньева /12-15/. Методам повышения надежности программного обеспечения микропроцессорных систем управления (МПСУ) посвящены работы В.В.Липаева, А.А.Штрик /16,17,18/. Среди зарубежных ученых можно отметить работы В.Фритча (W.Fritzsch) - рассмотрено применение и эффективность микропроцессорных систем управления (МПСУ) /19/, Р.Лонгботтома (R.Longbottom) - вопросы обеспечения надежности микропроцессорных систем на этапах жизненного цикла /20/, Вопросам обеспечения и оценки надежности программного обеспечения посвящены работы Г.Майерса (G.Myers) /21/, Р.Гласса (R.Glass) /22/, М.Холстеда (M.Halstead) /23/. Невозможно привести пол-

ный список, поэтому, не умаляя заслуг остальных, следует ограничиться данным перечислением.

Уровень надежности МПСУ закладывается на этапе проектирования. Наибольший рост надежности дает применение методов повышения надежности, основанных на введении избыточности в систему. Введение избыточности увеличивает затраты, снижает эффективность использования гибких производственных систем.

Следовательно, для повышения надежности микропроцессорных систем управления нужно использовать малоизбыточные методы повышения надежности.

Проведенный автором анализ существующих методов повышения надежности и технических решений на их основе позволил сделать вывод о том, что известные методы используют не все резервы повышения надежности, в частности:

1) взаимосвязь аппаратных средств и программного обеспечения;

2) многофункциональность современной элементной базы;

3) возможность динамичного использования ресурсов

МПСУ.

Актуализация связей аппаратных и программных средств - обновление информации о взаимодействии элементов микропроцессорной системы, связанное с развитием науки и необходимостью решать новые задачи, - позволит использовать эти резервы для обеспечения надежности систем управления с меньшими затратами.

Таким образом, важнейшей составной частью проблемы увеличения эффективности гибких производственных систем является решение задачи обеспечения надежности микропроцессорных систем управления.

Решению этой задачи на основе разработки и исследования методов и методик обеспечения надежности путем актуализации связей между аппаратными и программными средствами посвящена данная работа.

Диссертация отражает результаты исследований, полученные автором при выполнении ряда госбюджетных и хоздоговорных научно-исследовательских работ:

1) грант/10 "Исследование возможности совершенствования микропроцессорных устройств для управления сложным технологическим оборудованием путем варьирования фундаментальных принципов их построения";

2) 53/10 "Разработка малоизбыточных методов повышения надежности электронных устройств обработки информации и управления сложными техническими объектами";

3) "Разработка микропроцессорной системы управления автоматизированной секцией крепи" (заказчик ЦНКБ НИХТИ, г.Москва);

4) "Разработка устройства числового программного управления станком для изготовления печатных плат" (заказчик МНПП "АИР", г.Рыбинск).

Предметом исследования диссертационной работы являются методы обеспечения надежности микропроцессорных систем управления автоматизированным технологическим оборудо-

ванием, создающие эффект повышения надежности при минимизации вводимой избыточности.

Цель работы - обеспечение надежности микропроцессорных систем управления автоматизированным технологическим оборудованием путем разработки методов и методик повышения и анализа надежности, учитывающих взаимодействие между аппаратными и программными средствами.

Методы исследования. Решение основной задачи диссертационной работы базируется на использовании методов системного анализа, теории надежности, математического аппарата теории графов, теории марковских цепей, методики синтеза вычислительных устройств по алгоритму функционирования.

Научная новизна. Задача обеспечения надежности МПСУ решена с учетом реальных связей между интегрированными аппаратными и программными элементами; многофункциональности современной элементной базы; возможности динамичного использования ресурсов МПСУ.

1. Предложена классификация методов повышения надежности .

2. Разработаны методы обеспечения надежности: метод использования естественной функциональной и информационной избыточности МПСУ; метод повышения регулярности и однородности структуры МПСУ.

3. Разработаны методики:

- синтеза устройств по критерию минимизации интенсивности отказов элементов;

- анализа надежности микропроцессорных систем управления;

- повышения надежности устройств МПСУ путем использования их естественной избыточности.

4. Разработаны эффективные архитектурные решения элементов аппаратных средств и программного обеспечения микропроцессорных систем управления автоматизированным технологическим оборудованием.

Новизна результатов диссертации подтверждена полученными патентами Российской Федерации.

На основе проведенных исследований сформулированы научные положения, которые выносятся на защиту:

- классификация методов повышения надежности;

- методы обеспечения надежности за счет использования

О V с-' V <-> ^

естественной функциональной и информационной избыточности МПСУ; повышения регулярности и однородности структуры МПСУ;

- методика синтеза устройств по критерию минимизации интенсивности отказов элементов, позволяющая увеличить надежность микропроцессорной системы управления за счет рационального выбора ее элементов, повышения их надежности, а также регулярности структуры системы;

- методика анализа надежности микропроцессорной системы, позволяющая определить надежность с учетом алгоритма функционирования системы, реальных связей между аппаратными и программными элементами и выявить естественную избыточность МПСУ;

-методика повышения надежности устройств МПСУ путем использования их естественной избыточности;

- архитектурные и алгоритмические решения запоминающего устройства, операционного узла, устройства ввода/вывода и программного обеспечения, являющиеся основными компонентами микропроцессорных систем управления автоматизированным технологическим оборудованием.

Практическая ценность. Предложенные в работе методы и методики представляют практическую ценность для разработчиков систем управления и микропроцессорных систем.

Методика синтеза устройств по критерию минимизации интенсивности отказов может быть применена при проектировании новых систем управления.

Методики анализа и повышения надежности путем использования естественной избыточности могут быть использованы как при создании новых, так и для обеспечения надежности существующих систем управления автоматизированным технологическим оборудованием.

Разработанные архитектурные и алгоритмические решения запоминающих устройств, операционных блоков могут быть использованы при создании цифровых вычислительных устройств, использующихся в составе верхних иерархических уровней управляющей части гибких производственных систем. Предложенный способ кодирования чисел в формате с плавающей запятой и алгоритмические решения на его основе представляют практическую ценность для разработчиков программного обеспечения МПСУ автоматизированным оборудованием.

Технические решения, реализованные с применением предложенных методов и методик, нашли практическое применение при выполнении ОКР "Разработка контроллера технологического оборудования для автоматизации взрывоопасных технологических процессов" и "Разработка устройства числового программного управления станком для изготовления экспериментальных печатных плат", на что получены акты о внедрении результатов исследований в ЦНКБ НИХТИ (г. Москва) и МНПП "АИР" (г. Рыбинск).

Результаты исследований используются в учебном процессе при преподавании дисциплин: "Цифровые устройства и микропроцессоры", "Управление качеством электронных средств", "Технология разработки программных средств", а также в дипломном проектировании.

Достоверность результатов диссертационных исследований подтверждаются корректностью исходных данных, использованием адекватного математического аппарата, совпадением ожидаемых результатов с данными практического проектирования.

Материалы диссертации прошли апробацию на российских научно-технических и научно-практических конференциях:

-"Методы и средства оценки повышения надежности приборов, устройств и систем", г.Саратов, 1994г.;

-"Наукоемкие технологии в машиностроении и приборостроении", г.Рыбинск, РГАТА, 1994г.;

- "Статистические методы управления качеством продукции", г.Ярославль, 1997г.

По материалам диссертации опубликовано 6 печатных работ, в том числе: патенты - 2 /24,25/, тезисы докладов - 3 /26,27,28/, статьи - 1 /29/.

Диссертационная работа состоит из четырех глав.

В первой главе анализируется задача увеличения экономической эффективности ГПС, производится определение пути решения этой задачи на основе обеспечения надежности микропроцессорных систем управления автоматизированным технологическим оборудованием. Анализируется специфика микропроцессорных систем управления. Определяются основные характеристики надежности МПСУ, выявляются основные источники отказов и рассматриваются меры обеспечения надежности.

Во второй главе разрабатывается методика оценки эффективности применения метод