автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Повышение надежности и производительности программируемых логических контроллеров

Введение.

1. Анализ методов повышения надежности и производительности программируемых логических контроллеров.

1.1. Введение.

1.2. Требования, предъявляемые к программируемым логическим контроллерам.

1.3. Классификация программируемых логических контроллеров

1.4. Функциональный состав программируемых логических контроллеров

1.4.1. Системные шины.

1.4.2. Промышленные сети.

1.4.3. Устройства связи с объектом.

1.4.4. Устройства хранения информации.

1.5. Анализ методов повышения надежности программируемых логических контроллеров.

1.6. Анализ методов повышения производительности программируемых логических контроллеров.

1.7. Выводы.

2. Методы повышения надежности программируемых логических контроллеров.

2.1. Введение.

2.2. Метод периодического сохранения состояния задачи.

2.3. Увеличение надежности модулей энергонезависимых ЗУ.

2.4. Метод периодического тестирования.

2.5. Методика определения параметров периодического тестирования

2.6. Метод фиксирования несанкционированного обращения программы в заранее определенные области памяти.

2.7. Методика определения среднего времени наработки на сбой.

2.8. Методика определения среднего времени восстановления после сбоя.

2.9. Программируемые логические контроллеры повышенной надежности

2.9.1. Программируемый логический контроллер средней производительности повышенной надежности.

2.9.2. Производительный программируемый логический контроллер повышенной надежности.

2.9.3. Высокопроизводительный программируемый логический контроллер повышенной надежности.

2.10. Выводы.

3. Методы повышения производительности.

3.1. Введение.

3.2. Повышение быстродействия энергонезависимых ЗУ.

3.3. Оптимизация производительности контроллеров в многопроцессорных системах.

3.4. Оптимизация системного контроллера микропроцессора 80386ЕХ.

3.4.1. Контроллер шины VME.

3.4.2. Режим ведущего.

3.4.3. Режим ведомого.

3.4.4. Режим запросчика.

3.4.5. Повышение производительности путем аппаратной реализации обработчика прерываний.

3.4.6. Программная модель контроллера шины VME.

3.4.7. Контроллер системной памяти.

3.4.8. Контроллер периферийной шины Xbus

3.5. Выводы.

4. Аппаратно-программный комплекс для повышения надежности

IBM PC совместимых программируемых логических контроллеров.

4.1. Введение.

4.2. Устройства контроля.

4.2.1. Устройство контроля системной шины.

4.2.2. Устройство контроля локальной шины.

4.3. Выводы.

Актуальность. В настоящее время рынок средств промышленной автоматики в России находится в стадии формирования. Растет число компаний, которые предлагают различные компоненты систем управления и контроля промышленных объектов. Широко представлены иностранные производители, например , Texas Micro, OR, Advantech, PEP. К сожалению, отечественные производители аппаратных средств систем автоматизации представлены очень скудно. Растет число системных интеграторов - компаний, которые оказывают услуги по комплексному решению задач автоматизации (на российском рынке это прежде всего такие компании, как ProSoft и RTSoft).

Надежность зарубежных образцов различных устройств автоматизации недостаточна.

Одним из элементов системы автоматизации является программируемый логической контроллер (ПЛК). ПЛК - это микропроцессорное устройство, которое выполняет следующие функции: сбор данных с различных датчиков; обработка полученных данных; передача обработанных данных в компьютерный центр; выдача управляющих воздействий исполнительным устройствам.

Надежность и производительность системы автоматизации в значительной степени определяется характеристиками ПЛК.

Возникла необходимость разработки отечественных ПЛК повышенной надежности и производительности.

Состояние вопроса.

К началу исследований, описанных в диссертации, в России серийно производился целый ряд программируемых логических контроллеров (ПЛК). Наиболее известными являются: "Ломиконт", "Ремиконт", "Ш-711", "Техноконт" [1]. Параметры данных устройств уже не соответствуют современным требованиям к ПЛК по надежности и производительности.

Работа посвящена научному обоснованию технических решений, внедрение которых вносит значительный вклад в решение прикладной задачи по повышению надежности и производительности аппаратных средств промышленной автоматизации.

Цели работы.

1. Разработка методов повышения надежности ПЛК.

2. Разработка методов повышения производительности ПЛК.

Задачи исследования.

1. Усовершенствование метода периодического тестирования.

2. Разработка метода фиксирования несанкционированного обращения программы по заранее определенным областям памяти.

3. Обоснование расчетно-экспериментальных методик определения показателей надежности ПЛК.

4. Разработка методов повышения быстродействия контроллера ОЗУ и контроллера системной шины УМЕ.

Научная новизна.

1. Усовершенствован метод периодического тестирования, который позволяет повысить надежность - увеличить среднее время наработки на сбой до 60000 часов, что на 20% больше, чем у существующих аналогов.

2. Предложен метод фиксирования несанкционированного обращения программы по заранее определенным областям памяти, который позволяет повысить надежность - уменьшить среднее время восстановления после сбоя до 1 с, что в 10 раз меньше, чем у существующих аналогов.

3. Разработан метод проектирования системного контроллера микропроцессора 80386ЕХ, который позволяет увеличить производительность 16-разрядных ПЛК до 7142 Dhrystones, что в 2 раза больше, чем у существующих аналогов.

Практические результаты работы.

1. Разработаны и внедрены в серийную аппаратуру следующие устройства:

- высоконадежный ПЛК на отечественной элементной базе;

- высоконадежный, производительный ПЛК;

- высоконадежный, высокопроизводительный ПЛК;

- высоконадежный, производительный ПЛК, работающих в условиях повышенной температуры;

- высоконадежный, производительный ПЛК, работающий в условиях повышенной температуры и не требующий принудительного охлаждения;

- высоконадежное энергонезависимое ЗУ на основе флэш-памяти;

- высоконадежное, быстродействующее энергонезависимое ЗУ на основе флэш-памяти;

- логический анализатор системной шины ISA;

- логический анализатор локальной шины микропроцессора 80486;

2. Обоснованы основы проектирования системного контроллера микропроцессора 80386ЕХ.

3. Повышена надежность ПЛК (увеличено время наработки на сбой) на 20%, производительность 16-разрядных ПЛК повышена в 2 раза. Результаты, выносимые на защиту. 1. Методы повышения надежности ПЛК:

- метод периодического тестирования;

- метод фиксирования несанкционированного обращения программы по заранее определенным областям памяти.

2. Методики определения показателей надежности:

- среднее времени наработки на сбой ПЛК;

- среднее время восстановления после сбоя.

3. Методы увеличения производительности ПЛК:

- метод проектирования контроллера двухпортового ОЗУ;

- метод проектирования контроллера системной шины VME. Апробация работы. Материалы, положенные в основу диссертации, докладывались на научно-техническом семинаре "Некоторые вопросы фундаментальных и прикладных исследований компьютерных технологий и систем, программное обеспечение систем реального времени" (г. Ялта, 1995 г.), на 3 Международной научно-технической конференции "Современные методы и средства океанологических исследований" (г. Москва, 1998г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 разделов, заключения, списка используемой литературы, 5 приложений. Она содержит 41 рисунок, 33 таблицы и список используемой литературы из 32 наименований. Общий объем работы составляет 150 страниц.

4.3. Выводы

Таким образом, впервые разработан программно-аппаратный комплекс тестирования и контроля IBM PC совместимых микропроцессорных систем на всех этапах их разработки, производства и эксплуатации. Система учитывает особенности построения систем промышленного и специального применения.

Установлено, что использование комплекса сокращает время разработки модулей контролеров в 2 раза. Применение комплекса позволяет сократить время наладки модулей контроллеров в 2 раза. Также уменьшено время сервисного обслуживания (примерно в 2 раза).

Уменьшение времени разработки, производства и сервисного обслуживания позволяет понизить стоимость модулей контроллеров, увеличить время тестирования изделий (повысить надежность).

Заключение

Основной научный результат работы состоит в повышении надежности и производительности ПЛК.

Повышение надежности достигнуто разработанными методами проектирования ПЛК.

Усовершенствован метод периодического тестирования. Метод направлен на увеличение важного показателя надежности - среднего времени наработки на сбой. Метод основан на введении специального устройства - сторожевого таймера. Обоснованы основы проектирования этого устройства. Предложена методика определения параметров периодического тестирования. При данных параметрах, метод позволяет увеличить среднее время наработки на сбой до 60000 часов, что на 20% больше, чем у существующих аналогов.

Предложен метод фиксирования несанкционированного обращения к заранее определенным областям памяти. Метод направлен на увеличение важного показателя надежности - среднего времени восстановления после :боя. Метод основан на введении специального устройства - блока коррекции. эазработаны основы проектирования этого устройства. Метод позволяет уменьшить среднее время восстановления после сбоя до 1 с, что в 10 раз леньше, чем у существующих аналогов.

Повышение производительности достигнуто схемотехническими методами. Методы направлены на увеличение быстродействия контроллера истемной памяти и контроллера системной шины.

Исследован метод увеличения быстродействия контроллера ОЗУ, основанный на введении специально разработанного устройства - Арбитра двухпортовой памяти. Разработаны основы проектирования данного устройства. Метод позволяет увеличить производительность 16-разрядных ПЛК до 7142 Dhrystones, что в 2 раза больше, чем у существующих аналогов.

Повышение быстродействия контроллера системной шины VME достигается методами проектирования блока Ведущего и уменьшением времени обработки запросов на прерывание.

Определены основы проектирования блока Ведущего. Автоматическое определения адресного модификатора текущего цикла увеличивает быстродействие блока Ведущего в 3 раза.

Увеличение быстродействия обработки запросов на прерывание достигается введением специально спроектированного устройства Обработчика запросов на прерывание. Данное устройство позволяет увеличить быстродействие обработки запросов на прерывание на 30%.

Частичный научный результат работы состоит в следующем: предложены методики определения показателей надежности ПЛК - среднего времени наработки на сбой, среднего времени восстановления после сбоя.

Основной практический результат работы состоит в повышении надежности ПЛК на 20% и производительности ПЛК в 2 раза.

Частичными практическими результатами работы являются:

1. Разработаны и внедрены в серийную аппаратуру следующие устройства:

- высоконадежный ПЛК на отечественной элементной базе; - высоконадежный и производительный ПЛК;

- высоконадежный, высокопроизводительный ПЛК.

- высоконадежный, высокопроизводительный ПЛК, работающий в условиях повышенной температуры;

- высоконадежный, высокопроизводительный ПЛК, работающий в условиях повышенной температуры и не требующий принудительного охлаждения;

- высоконадежное энергонезависимое ЗУ;

- высоконадежный, быстродействующее энергонезависимое ЗУ;

- логический анализатор системной шины ISA;

- логический анализатор локальной шины микропроцессора 80486.

2. Разработан высоконадежный, быстродействующий системный контроллер микропроцессора 80386ЕХ.

1. Сорокин С.А. 1.M PC в промышленности//Современные технологии автоматизации. - 1996. - N1. - С.6-11

2. Полупроводниковые запоминающие устройства и их применение/В.П.Андреев, В.В.Баранов, Н.В.Бекин и др.; Под ред. А.Ю.Гордонова. М.: Радио и связь, 1981. - 344 с

3. Горшков В.Н. Надежность оперативных запоминающих устройств ЭВМ. Ленинград: Энергоатомиздат, 1987. - 168 с.

4. Р. Уиллер/ Проектирование с учетом надежности изменяет весь процесс проектирования Электроника №1 1991 с.73-82

5. Рякин О.М. Обеспечение достоверности исходных данных. М.: МЭИ, 1979.-148 с.

6. Справочник. Надежность и эффективность в технике. Под ред. В.А. Кузнецова., т. 10, Справочные данные по условиям эксплуатации и характеристикам надежности. М., Машиностроение, 1990г.

7. Военная промышленность и коммуникации по-прежнему продвигают VMEbus//Mnp компьютерной автоматизации. 1996. - N2. - С.7

8. Физические основы надежности интегральных схем/Под ред. Т.Г. киллера. М.: Сов. Радио, 1976. - 173 с

9. Савельев А.Я., Овчинников В.А. Конструирование ЭВМ и систем. М.: высшая школа, 1989. - 312 с

10. Единый справочник. Надежность изделий электронной техники, электротехники и квантовой электроники, 1988г., тт. 1-3.

11. Самофалов К.Г., Корнейчук В.И., Городний А.В. Структурно-логические методы повышения надежности запоминающих устройств. М.: Машиностроение, 1976. - 112 с.

12. The Programmable Gate Array Data Book. 1991, Xilinix.

13. Бобков С.Г., Сердин О.В. Системы управления и контроля промышленными объектами//Вопросы кибернетики, М., 1997г.

14. Кац Е., Леванов С. Регулятор потока газа//Современные технологии автоматизации. 1997. - N1. С.66-68

15. АСУ процессами приготовления бетонных смесей//Современные технологии автоматизации. 1996г. - №1. - С.44-47

16. Journal of Electronic Defense, September, 1993, pp.55-62.

17. Бобков С.Г., Сердин О.В. Системы управления и контроля промышленными объектами//Вопросы кибернетики, М., 1997г.

18. Бобков С.Г. и др. Бортовая вычислительная машина для перспективных авиационных комплексов//Препринт ИПМ им. Келдыша, N95, 1994г.

19. Любашин А.Н. Первое знакомство: краткий обзор промышленных сетей по материалам конференции "FieldComm's95"//MHp компьютерной автоматизации. 1996. N1. - С.44-57

20. Деревяго Е. 400 способов общения с внешним миром//Компьютер-Пресс. 1997. - N5. - С.168-175

21. Лазутин Ю.М., Краснов М.М., Пшеничный К.А. Файловая система флэш-диска для ЭВМ специального назначения, совместимых с IBM РС//Препринт ИПМ им. М.В. Келдыша РАН, N64, 1995.

22. Бобков С.Г., Гундаев В.В., Сердин О.В. Системный контроллер. Патент РФ N2110834 от 27.02.96.

23. Бобков С.Г., Гундаев В.В, Сердин О.В. Программируемый логический контроллер. Патент РФ N2101757 от 20.06.95.

24. Бобков С.Г., Задябин С.О. Системный контроллер. Патент РФ N2110834 от 27.02.96.

25. Бобков С.Г. и др. IBM PC совместимые компьютеры специального назначения//Вопросы кибернетики, М., 1997г.

26. Tundra Semiconductor Corporation, 1996, Document Number 891042.MD607.02

27. Бобков С.Г. и др. Бортовая вычислительная машина для перспективных авиационных комплексов//Препринт ИПМ им. Келдыша, N95, 1994г.

28. Бобков С.Г. и др. Система контроля и управления промышленными объектами в масштабах предприятия//Мир компьютерной автоматизации, N1, 1996г., стр.64-68.

29. VMEbus Products Directory, 1995, pp.281,282.

30. VITA. VMEbus,VXIbus Compatible Products Directory. USA, 1997

31. Басиладзе С.Г. Интерфейсы магистрально-модульных многопроцессорных систем. М.: Энергоатомиздат, 1992. - 256 с.

32. Гаврилов Г.А., Кирсанова О.Н. Анализаторы VMETRO уникальный инструмент для тестирования систем VMEbus/УМир компьютерной автоматизации. - 1995. - N1. - С.25

33. Работы, опубликованные по теме диссертации.

34. Бобков С.Г., Сердин О.В. и др. Система контроля и управления промышленными объектами на базе PC-совместимых контроллеров / / Мир компьютерной автоматизации. 1996. - N1. - С.64-68

35. Бобков С.Г., Сердин О.В. Системы управления и контроля промышленными объектами//Вопросы кибернетики. Архитектура магистрально-модульных компьютеров специального назначения. 1997. - С.З-24

36. Бобков С.Г., Сердин О.В. и др. Опыт разработки IBM PC совместимых компьютеров специального назначения/ /Вопросы кибернетики. Архитектура магистрально-модульных компьютеров специального назначения. 1997. -С.25-61

37. Бобков С.Г., Сердин О.В. и др. Организация тестирования IBM PC совместимых компьютеров специального назначения//Вопросы кибернетики. Архитектура магистрально-модульных компьютеров специального назначения. 1997. - С.62-93

38. Бобков С.Г., Гундаев В.В., Сердин О.В. Программируемый логический контроллер. Патент РФ N2101757 от 20.06.95.

39. Бобков С.Г., Гундаев В.В., Сердин О.В. Системный контроллер. Патент1. РФ N2110834 от 27.02.96.

40. Начальник научно-технического комплекса,старший научный сотрудниккандидат технических наук,1. Начальник сектора,кандидат технических наук1. Акопов В. И.tl1. УТВЕРЖДАЮ"1. Тео-АРТ"i"1. АКТ О ВНЕДРЕНИИ1. А.Казамаров ^ 1997г.

41. УТВЕРЖДАЮ» ГЕНЕРАЛЬНЫЙ ДИРЕКТОР , ГЦНИИ «ДЕЛЬФИН»1. О.Д.БОГОМОЛОВ04 » c^nJrx 1997 г.1. АКТ О ВНЕДРЕНИИ

42. Заместитель директора по научной работе1. Главный инженер, к.т.н.1. Попов Г В

43. Начальник отдела средств вычислительной техники

44. УТВЕРЖДАЮ" Директор ЦНИИАГя