автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.13, диссертация на тему:Разработка архитектуры и компонентов САУ РВ повышенной надежности

На правах рукописи

РГБ ^Д

Хамиду Хама Амаду Туджани

; - дек ?.зс:

РАЗРАБОТКА АРХИТЕКТУРЫ И КОМПОНЕНТОВ САУ РВ ПОВЫШЕННОЙ НАДЕЖНОСТИ

Специальность 05.13.13 - вычислительные машины, комплексы, системы и

сети.

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2000

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете "ЛЭТИ"

Научный руководитель -

доктор технических наук, Хвощ С.Т.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Новиков Г.И. кандидат технических наук, доцент Варлинский H.H.

Ведущее предприятие - ООО "Авионика-ВИСТ" г. Санкт-Петербург

Защита диссертации состоится ь\Н>* Я 2000 г. в часов на

заседании диссертационного совета К 063.36.12 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета "ЛЭТИ" по адресу: Санкт- Петербург, ул. Проф. Попова, д.5

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан DS~ 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Z96S-OJJJ D

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время достижения в области микроэлектроники и снижение стоимости вычислительных средств сделали возможной выработку новой концепции организации САУ, в основу которой легла модульно-распределенная архитектура в виде функциональных узлов, связанных в локальную сеть. 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. Указанные преимущества распределенных САУ объясняют факт их активного использования в промышленности и в других отраслях жизненного обеспечения (таких как котлы ТЭЦ, электрические машины ГЭС и АЭС).

Особенности задач, решаемых современной промышленностью, требуют унифицированного подхода к разработке аппаратно-программных систем, динамично учитывающего свойства реализуемого алгоритма, возможности и ограничения аппаратных средств. Отмеченные факторы определяют необходимость проведения исследований направленных на проектирование САУ реального масштаба времени (РВ) повышенной надежности. В этом направление ряд зарубежных и российских предприятий ведут исследовательские работы по разработке и внедрения компонентов и средства агрегирования САУ РВ. При этом определенные ограничения на пути широкого применения архитектуры САУ РВ на основе локальных вычислительных сетей (ЛВС) связаны с обеспечением гарантированной, доставкой информации межмодульного обмена и достижение высокой надежности и живучести системы.

Настоящую работу следует рассматривать как исследование, направленное на разработку компонентов архитектуры САУ РВ повышенной надежности.

Целью работы является исследование вопросов разработки компонентов архитектуры 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. Предложена формула для определения 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 механизм голосования троированных систем, для которого функции мажорирования реализованы аппаратно-программно.

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

Практическая значимость: Разработано устройство синхронизации процессов и межмодульного обмена информацией (формата MICRO-PC)

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" Санкт-Петербург 12-15 мая 1998 г. Опубликованы три научных статьи. На предложенные оригинальные решения для проектирования высоконадежных САУ получен грант на конкурсе научных проектов студентов и аспирантов фирмы MOTOROLA (СПбГЭТУ-ЛЭТИ 1997/1998 г.).

Публикации: По теме диссертации опубликованы 3 печатные работы, в том числе 1 работа опубликована в журнале "Современные технологии автоматизации и 2 тезиса докладов на конференциях.

Структура и объем диссертации: Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы, включающего 66 наименований, и трех приложений. Основная часть работы изложена на 105 страницах машинописного текста. Работа содержит 25 рисунков и 6 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана краткая эволюция направлений развития САУ РВ. Определены основные преимущества и области применения САУ РВ на

основе ЛВС. Сформулированы цели и задачи диссертационной работы, а также основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе, имеющей обзорный характер, уделено значительное внимание обзору современных архитектур САУ на основе локальных вычислительных сетей (ЛВС). Определена распределенная архитектура САУ в виде функциональных узлов, которая рассматривается в диссертационной работе. Дается общее определение САУ реального масштаба времени (РВ).

Дано краткое описание основных программных и аппаратных составляющих САУ РВ. Проведен сравнительный анализ операционных систем реального масштаба времени (ОС РВ) на основе функциональных возможностей их ядра, описаны требования к применению ОС РВ в САУ РВ. Анализируются недостатки персональных компьютеров и достоинства промышленных компьютеров и контроллеров с точки зрения элементной базы узлов САУ РВ. Рассматриваются особенности проектирования САУ РВ на базе промышленных компьютеров. Проведен анализ факторов влияющих на надежность и методов их устранения.

На основе обзора технической литературы показана эффективность организации промышленных САУ РВ в виде узлов, соединяющихся общей магистралью, каждый из которых может содержать модули, как собственной разработки, так и различных производителей. Выявлены основные недостатки рассматриваемой архитектуры САУ РВ, такие как: большие сроки проектирования, негарантированная доставка информации межмодульного обмена и низкая надежность.

В связи с вышеуказанными ограничениями предлагается определять на стадии проектирования плотности потоков трафика в различных конфигурациях интерфейсов и применить структурное мажорирование, в котором механизм голосования реализован апаратно-программно.

Вторая глава посвящена синтезу структуры САУ РВ и выбору интерфейсных шин межмодульного обмена. Дано краткое описание различных разновидностей топологических структур САУ РВ.

Введено время выполнения технологических процессов как доверительный интервал периода обновления информации и выражено Тр = TharJ + Tlrm + Тщ„, где TharJ - время необходимое для измерения аналоговых каналов, T¡rm- время передачи информации по магистральной шине, Тш, -время необходимое для выполнения программного управления. Приведена классификация САУ на основе величины времени выполнения технологических процессов (жесткое, просто и мягкое реальное время). В

отличие от традиционных двухуровневых структур САУ с учетом классификации и особенностей информационных каналов предложена трехуровневая структура промышленной САУ РВ (Рис.1), которая выделяет нижний и средний уровни иерархии для управления наиболее "быстрыми" и "медленными" каналами, а верхний уровень для координации локальной сети Надежное функционирование полученной структуры требует гарантированной доставки информации межмодульного обмена. С этой целью определено расписание в виде малого и большого технологических циклов. Малый определяет период обновления информации наиболее быстрых каналов. В течение большого цикла происходят все операции с наиболее медленными каналами. Этапы технологического управления отраженны в типовой циклограмме (рис.2).

ТРР/1Р

.др сш сш срз.

<5=

датчики и исполнительные у-——г устройства

О

X

и

УУ - устройство управления

1. Устройство ввода аналоговой информации

2. Устройство ввода дискретной информации

3. Устройство вывода дискретной информации

4. Устройство вывода аналоговой информации

Рис|. Ст>ктура промышленной САУ РВ

В основе большой статистической выборки экспериментальных данных выработаны соотношения, определяющие условия гарантированной доставки информации:

т;т1 < 0.2*77, (2) г;и„ <0.2*77. (3)

Здесь Т'г = 7"Л',;1/ +Т'„„, где ¡=1,2 определяют малый и большой цикл соответственно. Первое выражение описывает временное ограничение на

измерение количества аналоговых каналов. Второе определяет время, накладываемое на передачу данных по магистрали.

> : . И) 0 » 1

1,' > 1«ч 1 ,' • 1 0 1

1 44 1 -Ж 1

1. Замер аналоговых каналов ("быстрых") 2. Опрос дискретных каналов ("Oi.ic-rpt.j-

Оычиисииг данных по уирпшю Iи.о |1ьию,ш „„.„„:„, оо аварии

5. Вылача аналогового или/и днекрепюш Опрос апскрс! пм\ ь.иы ни.

сVIг| 1ала ( ■ 1ч'ч

7. Замер аналоговых капало» ("меллен п ых") * н-лль-п и. ^

Рис.2. Типовая ииклограмма работы СЛУ Р13

Решение возникающей проблемы совместимости каналов различных скоростей в рамках соотношения (2) обеспечивается математическим выражением, определяющим количество измерений аналоговых каналов:

1

11,1 Ч N V, ) 1П.1\1 \ \

(4)

где Л'Л, Л'7 - количества "медленных" и "быстрых" аналоговых каналов, Л', =0.1*Л7Г, Л',. - общее количество аналоговых каналов, [5,- группа состоящая из и Г, чисел последовательно изменяемых "медленных" и "быстрых" аналоговых каналов, шах^.Л',,) максимальное значение из целых чисел АГЧ, М,, Л\> Л',.

В основе величины QSI, лежит время необходимое для измерений аналоговых каналов Т,1Ы путем вычисления 7].,, времени измерения одного

быстрого канала по формуле = . Затем полученное значение Т,.

умножено на величину (5Д,. Окончательный результат позволил проверить критерий (2).

Кроме того, составлена формула определения размера основного информационного потока (в байтах) и выражена:

С,.=2*&( , (5)

где М„ - число дискретных каналов, - число измерений аналоговых каналов. При этом предполагалось, что в типичной промышленной САУ РВ каждый аналоговой канал закодирован двумя байтами информации и каждый

дискретный канал представлен двумя битами данных. Приведены примеры расчетов величины Cs для различных типов и количеств каналов.

Далее в главе приведен анализ интерфейсных шин ETHERNET, MIL-STD-1553B и CAN-bus с целью определения левой части (Т,гт) соотношения (3) с учетом значений параметра Cs и размеров типичных промышленных

Результаты аналитических исследований данных интерфейсов, свидетельствуют об их преимуществах в зависимости от уровня иерархии управления САУ РВ.

В связи с ограниченными возможностями интерфейса ETHERNET по гарантированной доставке информации, уточнены особенности его применения в САУ РВ. В основе экспериментальных данных определены практические значения длины сегмента ETHERNET в зависимости от задержки сигнала кабеля.

Дано описание и проведен сравнительный анализ интерфейса CAN-bus. С учетом частоты передачи и размера информационного потока определено время доставки CAN сообщений по магистрали вычисляемое по следующей формуле:

где размер сообщения ш в байтах; (Ьа - продолжительность такта передачи данных по шине.

Приведены результаты расчетов времени доставки CAN сообщения с целью проверки выполнения условия (3). Кроме того, сформулированы особенности использования интерфейса CAN-bus в иерархических уровнях управлении системой.

Аналогично приведен анализ спецификации интерфейса мультиплексных каналов (МК) по стандарту MIL-STD-1553В. С учетом особенностей рассмотренной структуры САУ РВ выделены два формата передачи данных: - формат (КК-ОУ) непосредственной адресации (т.е. формат сообщений, слова данных (СД) которых передаются от контроллера канала (КК) одному приемнику в канале - оконечному устройства (ОУ)); -формат (КК-ОУгр) сообщений групповой адресации (т.е. КК передает СД всем ОУ в МК). Определены их времена (мкс), на передачу сообщений по каналу следующими выражениями:

САУ РВ.

(6)

= 20 (п + 2,5) .

(7)

^ =20[(1+п) + 2,5ш], (8)

где /А. - время передачи сообщения в формате КК-ОУ, п - количество

СД в сообщении ш - количество ОУ, которым предназначались СД сообщения, / - время передачи сообщения в формате КК- ОУ] р

Приведены расчеты значений времени доставки сообщений в зависимости от размера информационного потока с целью их проверки на соответствие критерию (3). Кроме того, показано, что при передаче сообщений соотношение (7) более надежное, но мене производительное, так как слова данных передаются последовательно каждому из ОУ.

Один из основных вопросов, обсуждаемых во второй главе, - описание инженерной методики обеспечения гарантированной доставки информации межмодульного обмена на этапе архитектурного проектирования САУ РВ, вместо традиционного подхода называемого "тестовое планирование". Оно основано на применении различных тестов ко всей заранее определенной группе задач. Если задачи проходят тест, то можно гарантировать, что ни одна из задач не перейдет временные границы. В противном случае, необходимо изменять не только программные решения, но и схемотехнические, и сначала применять тестовое планирование. Помимо, обеспечения гибкости и надежности, предложенная методика позволила существенно сократить сроки проектирования системы. Инженерная методика обеспечения гарантированной доставки информации состоит из следующих этапов:

1. Провести анализ решаемых задач и определить особенности функционирования проектируемой системы с целью составления расписания процесса обновления информации для управления технологическим процессом. Определить временные ограничения - Г/ и Т;, времена, которые соответствуют малому и большому циклам управления.

2. Определить время Т'аг<1 - отведено на измерение аналоговых каналов при малом (цикле) периоде обновления технологической информации.

3. Определить количество аналоговых (ЛГС) и дискретных каналов (Л'н), а также число наиболее "быстрых" аналоговых каналов (Л',), участвующие в процессе управления. Провести выбор Ы,,, которое бы составляло не больше 10% от общего числа аналоговых каналов.

4. Определить число наиболее "медленных" аналоговых каналов (А'Л) и установить вариант сочетаний измеряемых "медленных" (.V,) и "быстрых" (.Р,) каналов при одном шаге измерения.

5. Определить количество необходимых измерений Qч путем применения математического выражения 4.

6. Вычислить время Тя, отведено на измерение одного из наиболее "быстрых" аналоговых каналов с использованием выражения:

7. Вычислить время отведено на измерение аналоговых каналов в течении большого цикла обновления технической информации в системе, с использованием выражения: Т^ = * Гл.

8. Проверить условие соответствия времени измерения аналоговых каналов, обусловленное требованием гарантированной доставки информации при большом периоде управления, (выражение 2).

9. Если условие пункта 8 не верно, то необходимо уменьшить Тп вдвое и перейти к пункту 7.

10.Определить размер информационного потока в зависимости от количества измерительных каналов (аналоговых и дискретных). Для этого необходимо предварительно закодировать в байтах сигналы, поступающие от дискретных и аналоговых входов (выражение 4).

11.Провести выбор интерфейсных шин с учетом арбитража (метода доступа к внешней шине), обеспечивающий равные права доступа всем абонентам, подключенным к общей магистрали и исключающий коллизии удовлетворяющие критериям гарантированного времени доставки информации (выражение 3).

12.Определить время, накладываемое на передачу максимального потока информации межмодульного обмена в зависимости от формата данных выбранного интерфейса.

13.Проверить требование гарантированной доставки сообщений: Тг <02*Тг

1 /шл - и"4 *Р

14.Если условие пункта 13 не верно, то заменить интерфейс на более быстрый и перейти к пункту 12.

15.Получить результат о соотношениях количеств измерительных каналов к времени накладываемого на передачу при данной конфигурации интерфейса.

Третья глава посвящена синтезу архитектуры САУ РВ повышенной надежности и принципам разработки ее компонентов (в рамках заданных ограничений).

Особенности САУ РВ заключаются в длительном процессе функционирования без перерывов. В данном случае традиционные методы повышения надежности не эффективны. На основании более детального анализа различных факторов, влияющих на надежность САУ РВ, выделены следующие группы: аппаратные средства, программное обеспечение и воздействие окружающей среды. В результате проведенных исследований составлено аналитическое выражение коэффициента исправности системы в зависимости от вероятности безотказной работы аппаратуры, вероятности безотказной работы программного обеспечения, вероятность возмущения окружающей среды. С учетом особенностей системы выработаны мероприятия, позволяющие повысить значение вероятности безотказной работы аппаратуры САУ РВ примерно на 20% с соответствующим увеличением непрерывной работы системы.

Спецификой типичных промышленных САУ РВ является способности функционирования при выходе из строя одного или нескольких компонентов. В этом случае, обычные методы, повышающие надежность основанные на схемо-конструктивных решений определяют необходимость исследований структурных резервирований с целью обеспечения высоких характеристик надежности системы. Наибольшее распространение получило в САУ РВ мажоритарное резервирование, заключающееся в применении не менее чем трехкратной структурной избыточности в сочетании с механизмом голосования (мажоритарным органом или мажоритаром), предназначенным для определения правильного выходного результата по большинству сравниваемых сигналов входных устройств (модулей) на его входе.

С учетом целевой функции, под которой понимается сокращение степени кратности резервирования при заданных ограничениях значений параметров надежности, приведены (с помощью методов расчетов опирающихся на теорию надежности) исследования зависимости вероятности безотказной работы от времени непрерывной работы, в результате которых предложена архитектура мажоритарной троированной САУ РВ (рис. 3). Выделен мажоритарный троированный блок, в котором вместо традиционного мажоритарного органа (органа голосования), предложен механизм голосования, реализуемый в виде компьютерной платы. Основными его функциями являются синхронизация процессов вычислений

производимых в каждом из резервированных процессоров, межмодульный обмен информацией и выбор данных. В работе эти функции названы условно исполнительными. Так как не допускается никаких перерывов в процессе функционирования системы, то использован нагруженный режим включения резервных модулей.

1. Устройство ввода аналоговой информации з. Устройство вывода дискретно» информации

2. Устройство ввода дискретной информации 4. Устройство вывода аналоговой информации

Рис.3. Структура мажоритарной троированной САУ РВ

Задача мажоритарных блоков САУ РВ заключается в обеспечении повышенной надежности аппаратуры при ограничении ресурсов. Решение поставленной задачи обусловлено необходимостью исследований подходов для определения баланса между функциями механизма голосования, которые более эффективно выполняются в аппаратных средствах и теми которые выгоднее выполнять при помощи специализированного программного обеспечения. Первый вариант традиционно называют аппаратной реализацией, а второй - программной реализацией, однако следует подчеркнуть, что понятие "аппаратная реализация" учитывает возможность программирования на структурном уровне.

В связи с тем, что обычные показатели теории надежности не позволяют определить скорость САУ РВ введен коэффициент поглощения

пропускной способности системы измеряемый в процентах и вычисляемый по следующей формуле:

где у,- продолжительность выполнения ]-ой задачи управления, п -количество условных единиц времени на выполнение ^ой задачи, Л -количество задач выполняемых в процессе технологического управления, с -константа, используемая как временная пауза между выполняемыми задачами.

На основании большой статической выборки экспериментальных данных сформированы требования к синтезу мажоритарного блока. Таким образом, с учетом целевой функции, максимизирующей вероятность безотказной работы при заданном ограничении значения коэффициента поглощения пропускной способности, в работе приведено проектирование программно и аппаратно реализации механизмов голосования с помощью методов логического моделирования на персональном компьютере.

Ограниченные возможности рассмотренных вариантов реализации механизма голосования определяют необходимость оптимального перераспределения исполнительных функции между аппаратурой и программным обеспечением. Задача поиска оптимума традиционно решалась на основе методов сопряженного проектирования. Наряду с прямыми методами оптимизации, такими как метод ветвей и границ, существуют эвристические подходы сокращения перебора, такие как стохастические методы. Однако, большинство этих методов весьма трудоемки и не слишком удобны на наш взгляд для схемотехнических решений. В связи с этим, предложена инженерная методика синтеза мажоритарного блока САУ РВ повышенной надежности. Инженерная методика основана на анализе задачи мажорирования и разделении ее решение на фрагменты, безусловно назначаемые к исполнению программно, безусловно исполняемые в аппаратуре, а также выбора оптимального сочетания исполнительных частей задачи исходя из заданной целевой функции и ограничений имеющихся ресурсов.

Процесс синтеза мажоритарного блока САУ РВ повышенно» надежности состоит из следующих этапов:

I У,+с

К

(9)

1. Применить результаты методики обеспечения гарантированной доставки информации межмодульного обмена (см. Глава 2).

2. Определить, факторы влияющие на надежность САУ РВ с целью оценить значения основных надежностных параметров системы.

3. Определить интенсивность отказов и вероятность безотказной работы устройства межмодульного обмена информацией. Для обеспечения достоверности расчетов необходимо учитывать эксплуатационные данные элементов и увеличивать на 10% полученную величину интенсивности отказов с учетом значения интенсивности отказа паяных соединений.

4. Провести оптимизацию расчетных параметров с учетом мероприятий повышающих надежность аппаратуры системы.

5. Провести выбор типа структурного мажоритарного резервирования системы и выделить в качестве мажоритарного блока, блок в который входят резервированные устройства управления.

6. Провести расчет вероятности безотказной работы мажоритарного блока системы без учета реальной надежности механизма голосования.

7. Провести выбор кратности резервирования для проектирования блока с учетом целевой функции минимизирующей число резервных устройств (кратность резервирования) при заданном ограничении на значение вероятности безотказной работы мажоритарного блока.

8. Если условие выбора не верно, то необходимо сократить количество элементов резервированных устройств или заменить их на устройства с лучшими характеристиками надежности и перейти к пункту 5.

9. Провести преобразование циклограммы функционирования системы в временную диаграмму, где цикл управления (период обновления информации в системе) разделен на временные отрезки при этом каждой задаче управления отведено определенное количество временных условных единиц.

Ю.Провести расчет коэффициента поглощения пропускной способности с целью формирования требований по производительности при выполнении задач (с помощью программного обеспечения). Необходимо подчеркнуть, что чем меньше значение коэффициента поглощения пропускной способности, тем быстрее работает мажоритарная система (выражение 9).

11.Провести предварительно программно реализацию исполнительных функции (функции механизма голосования) с целью

максимизирования значения вероятности безотказной работы мажоритарного блока. В этом случае рекомендуется реализовать на аппаратуре минимальное число функции с меньшим количеством временных условных единиц.

12.0пределить значение вероятности безотказной работы блока с учетом реальной надежности механизма голосования, при этом предполагается, что все устройства мажоритарного блока равнонадежны.

13. Определить требования к синтезу мажоритарного блока путем задания числовых значений целевой функции повышения надежности (Р,.т (/)) и ограничения на значение коэффициента пропускной способности мажоритарной системы К,.

14.Если верно условие пункта 13 по всем критериям, то необходимо провести адаптацию компонента (механизма голосования) мажоритарного блока САУ РВ повышенной надежности.

15.Иначе, провести поиск оптимума между функциями, которые более выгодно выполнить на аппаратном уровне и теми, которые эффективно выполнить с помощью специализированного программного обеспечения. В этом случае, необходимо провести анализ диаграммы времени с целью постепенного перехода на аппаратную реализацию тех функции, которые занимают большое процессорное время т.е. функции с наиболее количеством временных условных единиц так чтобы добиться уменьшение значения коэффициента Кх. Рекомендуется применить мероприятия, повышающие надежности аппаратуры САУ РВ. Перейти к пункту 12.

Методика была апробирована по заданию МГВП "Автонит" при разработке платы устройства синхронизации и обмена (УСО) (рис.4). Приведен пример реализации мажоритарного троированного блока САУ BP на базе MICRO-PC (112x124 мм), предназначенных для работы в жестких условиях, для которых использована плата УСО в качестве механизма голосования, трех модулей обмена по магистрали MIL-STD-1553B (рис.5). Анализ показал, что по сравнению с заданными значениями параметров мажоритарного блока, проектирование в рамках предложенной методики позволило сократить сроки проектирования до 60%, увеличить быстродействие системы примерно до 65% и значительно улучить надежность работы системы.

К последовательным каналам обмена

г—

Гаваническая развязка | I RS485 j RS485 '

I_!_,

L _ Модульдомена__|

логика | гннурптпяпии I ,

Логика | - улрзтрния __

К шине ISA

Рис.4. Структура устройства синхронизации и обмена (УСО)

^ 4МГц

I

Системная магистраль MIL-STD-1553B

Устройства управления

Рис.5. Стуктура мажоритарного троированного блока САУ РВ на основе УСО

В заключении сформулированы основные научные и практические результаты работы и предложены перспективные направления дальнейших исследований.

Основные результаты работы

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 реализованы аппаратно-программно.

Опубликованы работы по теме дисссртацпи:

1. Хвощ С.Т., Амаду Х.Х. Устройство синхронизации процессов в высоконадежных САУ на основе троированных ЭВМ/УТез. докл. VI межд. науч.-техн. конф. "Проблемы повышения технического уровня электрооборудования кораблей, плавучих сооружений и транспортных средств", г. Санкт-Петербург, 1998г. - СПб.: ООО "ТехноМедиа". -1998.-С.93-94.

2. Хвощ С.Т., Амаду Х.Х. Аппаратные средства для построения САУ РВ на основе мультиплексных каналов//Тез. докл. VI межд. науч.-техн. конф. "Проблемы повышения технического уровня электрооборудования кораблей, плавучих сооружений и транспортных средств", г. Санкт-Петербург, 1998г. - СПб.: ООО "ТехноМедиа". -1998.-С.95.

3. Хвощ С.Т., Амаду Х.Х. Промышленные сети на базе стандарта М1Ь-БТО-1553В//Современные технологии автоматизации. -М.: ООО "СТА-ПРЕСС". - 1999. -N1. - С.42-45.

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

1.1 .Интегрированные системы управления.

1.2.Полевые системы управления.

1.3. Распределенные системы управления.

1.4. Анализ систем реального масштаба времени.

1.4.1. Операционные системы реального масштаба времени.

1.4.2. Архитектуры ОС РВ.

1.4.3. Анализ требований, предъявленных к ОС РВ.

1.5 Анализ оборудования САУ

1.5.1 Персональные компьютеры . *.

1.5.2 Промышленные компьютеры и контроллеры.

1.6 Анализ факторов влияющих на надежность САУ РВ.

1.6.1 Факторы связанные с проектированием САУ РВ.

1.6.2 Схемные факторы.

1.7 Постановка задачи.

1.8 Выводы

2. СИНТЕЗ ИНТЕРФЕЙСНЫХ ШИН АРХИТЕКТУРЫ САУ РВ

2.1. Анализ топологии распределенных систем.

2.2. Структура промышленных САУ РВ.

2.2.1. Классификация САУ РВ.

2.2.2. Требования, предъявленные к САУ РВ.

2.2.3. Определение необходимого количества измерений и информационных потоков САУ РВ.

2.3. Анализ известных интерфейсов

2.3.1. Интерфейс Ethernet.

2.3.2. Интерфейс MIL-STD-1553В

2.3.3. Интерфейс CANBus.

2.4. Методика обеспечения гарантированной доставки информации.

2.5. Выводы.

3. АНАЛИЗ НАДЕЖНОСТИ САУ РВ.

3.1. Классификация факторов, влияющих на надежности САУ РВ.

3.2 . Анализ показателей надежности САУ РВ.

3.2.1 Мероприятия для обеспечения надежности САУ РВ.

3.3. Анализ видов структурных резервирований САУ РВ.

3.3.1. Анализ структурных мажоритарных резервированных САУ РВ.

3.3.2. Выбор кратности резервирования.

3.4. Анализ надежности механизма голосования в структурных мажоритарных резервированных САУ РВ.

3.4.1. Анализ требований, предъявленных к мажоритарному блоку САУ РВ . 85 3.4:2. Программная реализация механизма голосования.

3.4.3. Аппаратная реализация механизма голосования.

3.4.4. Методика выбора архитектуры мажоритарного блока САУ РВ повышенной надежности.

3.4.5. Разработка программно-аппаратно механизма голосования.

3.5. Выводы

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-1553В

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).

1. Продовиков С., Макаров А., Бунин В., Черников А. Опыт автоматизации сложных промышленных объектов//СТА. - 1999. - N2, - с. 16-25

2. Доманицкий С.М. Построение надежных логических устройств. М.: Энергия, 1971. - 229 е., ил.

3. Надежность технических систем: Справочник/Под ред. Ушаков И А. М.: радио с связь, 1985. - 606 е.,ил

4. Полностью аппаратное резервирование без участия программ//Электроника. -1983. -N2, с.39-43

5. Средства разработки многозадачных приложений реального времени//СТА. -1999.-Nl.-c.311

6. David Solomon. The windows NT kernel architecture//computer science IEEE. -1998. -N10. p. 40-47

7. Ismael Ripoll. Real-Time Linux (RT-Linux)//computer science IEEE. 1999. -N2. - p.25-32

8. Сергей Сорокин. Системы реального времени//СТА. 1997. - N2. - с.22-24

9. ОС QNX реальное время, реальные возможности//^ WD Real-Time Systems. - 1999. -с. 12-20

10. Е. Хухлаев. Операционные системы реального времени и ШУ/Открытые Системы. 1997. - N5. - с.48-51

11. Дмитрий Пустовалов. Архитектура программных систем сбора данных и управления//Открытые Системы. 1997. - N5. - с.35-44

12. Ю.Виктор Гарсия. Новые возможности встраиваемых компьютеров OCTAGON SYSTEMS//CTA. 1997. - N3. - с.6-10

13. Стандарты PC/104 IEEE-P996//AO КАСКОД: Бортовая и промышленная электроника. 1997. - с. 10-11

14. Виктор Коваленко. Современные индустриальные системы/ЛЭткрытые Системы. 1997. - N5. - с.5-12

15. Рыбаков А. Эволюция стандарта PCI для жестких встраиваемых приложений/Юткрытые Системы. 1997. - N5. - с.52-59

16. Жданов А. Продолжая разговор о расширениях реального времени для Windows NIY/Мир компьютерной автоматизации. 1998. - N2. - с.83-87

17. Рыбаков А., Жданов A. Windows NT во встраиваемых, промышленных и коммуникационных приложениях// PCWEEK-Russian Edition -1998. N27-28.- с.28-29

18. Калядин A. Windows NT для встраиваемых приложений// Открытые Системы. 1998. - N2. - с. 15-18

19. Липаев В. В. Направления развития методов и стандартов открытых систем. Информатика и вычислительная техника. Науч.-техн. сборник. Выпуск 1-2. М. 1995 г.

20. Лезер Н. Архитектура открытых распределенных систем: Модель OSF DCE// Открытые системы. 1993. - N3. - с. 10-16

21. Филинов Е. Н. Выбор и разработка концептуальной модели среды открытых систем// Открытые системы. 1995. - N6. - с. 71-77

22. Сухомлин В. А. Методологический базис открытых систем/1 Открытые системы. 1996. - N6. - с. 48-51

23. Корнеев В.В. Архитектура вычислительных систем с программируемой структурой. Новосибирск: наука, - 1985. - 168с.

24. Dr. ir. Martin Timmerman. Windows NT as Real-Time OS//Real-Time Magazine.- 1997. -N2. -p.25-32

25. Blickley G.J. DCSs, PCs, AC Motors Lead in CE Spending Survey//Controling Engineering. February 1997. - p. 16

26. Мартин Дж. Системный анализ передачи данных. Пер. с англ. Под ред. Лапина B.C. -М.: Мир, -1975. Т.2. - 376 с.

27. Alderman R. Technology on VME: Processor Cards//Vita Journal, March 1997. -p. 25-34

28. Рыбаков А. Эвалюция стандарта PCI для жестких встраиваемых приложений/Юткрытые Системы. 1997. - N5. - с.14-15

29. Христенсен Д. Знакомства со стандартом на языки программирования PLC: IEC 1131-3//Мир компьютерной автоматизации. 1995. -N1. - с.20-22

30. Кабаев С. InTouch восходит на вершину//Мир компьютерной автоматизации.- 1997. -N2.-c.10

31. Антонов А.П., Мелехин В.Ф., Филиппов A.C. Проектирование цифровых устройств на СБИС программируемой логики. С.-Пб.: СПбГТУ, 1997. -144 е., ил

32. Капур К., Ламберсон JI. Надежность и проектирование систем. М.: Мир, 1980. -604 е., ил.

33. Феллер В. Теория вероятностей и ее приложения: Пер. с англ. М.: Мир, -1964

34. Райншке К. Модели надежности и чувствительности систем. Пер. с нем. М.: мир, 1979. - 440 е., ил.

35. Солмонян Е.С., Слабоков Е.В. Самопроверяемые устройства и отказоустойчивые системы. М.: Радио и связь, 1989. - 208с., ил.

36. Дроздов В.Н., Мирошник И.В., Скорубский В. И. Системы автоматического управления с микроЭВМ. -Л.: Машиностроение, 1989. 284 с. ил.

37. Щербаков Н.С. Достоверность работы цифровых устройств. М.: Машиностроение, 1989. -224 е.: ил.

38. Гразунов Л.П., Грабовецкий В.П., Щербаков О.В. Основы теории надежности автоматических систем управления: Учебное пособие для вузов.- Л.: Энергоавтомиздат, 1984. 208 е., ил.

39. Хвощ С.Т., Дорошенко В.В., Горовой В.В. Организации последовательных каналов систем автоматического управления. Л.: Машиностроение. Ленингр. Отд-ние, 1989. - 271 е., ил.

40. Новиков Ю.В., Карпенко Д.Г. Аппаратуры локальных сетей: функции, выбор, разработка. М.: ЭКОМ, 1998. - 288с.: ил.

41. Шубинский И.Б., Николаев В.И., Колганов С.К., Заяц A.M. Активная защита от отказов управляющих модульных вычислительных систем. С.-Пб.: Наука, 1993. - 284 е.: ил.

42. Калявин В.П. Основы теории надежности и диагностики: Учебник. -С.-Пб.: Элмор, 1998. 172 е.: ил.

43. Дудник Б.Я., Овчаренко В.Ф., Орлов В.К. Надежность и живучесть систем связи. М.: Радио и связь, 1984.

44. Павлов И.В. Статические методы оценки надежности сложных систем по результатам испытаний. М.: Радио и связь, 1982.

45. Флинт Д. Локальные сети ЭВМ: Пер. с англ. М.: Финансы и статистика, 1986.-357 с.

46. Дженнингс Ф. Практическая передачи данных: Модемы, сети и протоколы: Пер. с англ. М.: Мир, 1989. - 272 с.

47. Блэк Ю. Сети ЭВМ: Протоколы, стандарты, интерфейсы: Пер. с англ. М, 1990. - 506 с.

48. Организация локальных сетей на базе персональных компютеров. М.: "И.В.К. - СОФТ", 1991. - 190 с.

49. Spurgeon Ch. Ethernet Configuration Guidelines. Peer-to-peer Communications, Inc., 1996. - 178 p.

50. Новиков Ю.В., Калашников O.A., Гуляев С.Э. Разработка устройств сопряжения для персональных компьютеров типа IBM PC. Под общ. ред. Ю.В. Новикова. М.: ЭКОМ, 1997. - 224 с.

51. Райншке К., Ушаков И.А. Оценка надежности систем с использованием графов. М.: Радио и связь, 1988.

52. Ушаков И.А. Задачи оптимального резервирования и универсальная производящая функции//Изв. АН СССР. Техн. Кибернетика. 1986. - N6. с.16-19

53. Цвиркун А. Д. Основы синтеза структурных систем. М. : Наука, 1982. - 200 е.: ил.

54. Липаев В.В. Надежность программного обеспечения АСУ. М.: Энергоиздат, - 1989.- 240с.:ил.

55. Цвиркун А. Д., Акинфиев В.К., Соловьев М.М. Моделирование развития крупномасштабных систем. -М.: Экономика, 1983.

56. Цвиркун А. Д., Акинфиев В.К., Филиппов В.А. Имитационное моделирование в задачах синтеза структуры сложных систем. М.: Наука, -1985.

57. Franke D., Purvis М. Hardware/software codesign. Proc. 13th intern. Conf. Software Eng.//IEEE PS Pres. -1991. p. 344-352

58. Рябинин И.А., Черкесов Т.Н. Логико-вероятностные методы исследования надежности структурно-сложных систем. М.: Радио и связь, -1981. - 216 с.109

59. Клюев Д.С., Колесников А. А. Оптимизация автоматических систем управления по быстродействию. М.: Энергоиздат, -1982. - 240 с.

60. Kalavade К., Lee Е.А. The extended partitioning problem: hardware/software mapping and implementation-bin selection.//IEEE conference on rapid system prototyping. 1995. - p. 12-18

61. Mursaev A. Ch., Shishow O.V. Logical-linquistic approch to structural synthesis of mixed systems//Proceedings of the Int. Conf. On Computer-aided design of discreewe devices. Minsk. - 1995.

62. Смирнов В.А., Соколов В.Г. Системное моделирование надежности плановых решений. Наука. Новосибирск: Сиб. Отд., 1984.

63. Резников Б.А. Системный анализ и методы системотехники. ч.1. -МО СССР, 1990. 522 е.: ил.

64. Калинин В.Н., Резников Б.А., Варакин Е.И. Теория систем и оптимального управления, ч.2. МО СССР, 1987.1.l