автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка системы диагностики и резервирования микропроцессорной схемы управления электропривода летучих ножниц

а з о 1 ? •>

МОСКОВСКИЙ ордена ЛЕНИНА и ордэна ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

ЖИВОДЕРОВ СЕРГЕЙ ВЛАДИСЛАВОВИЧ

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ДИАГНОСТИКИ И РЕЗЕРВИРОВАНИЯ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СХЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА. ЛЕТУЧИХ НОЖНИЦ

Специальность 05.09.03 - Электротахнические комплексы и системы» включая их управление и регулирование

На правах рукописи

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва

1992

Работа выполнена на кафедре .Автоматизированного электропривода Московского ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции энергетического института.

Научный руководитель - кандидат технических наук, с.н.с. ЛАДОШ А.Н.

Официальные оппоненты: доктор технических; наук, профессор Пречиоский В.А.

кандидат технических наук, с.н.с. Поспелова О.Н,

Ведущее предприятие - Мариупольский МК им.Ильича

Защита состоится " " мая 1992г. в аудитории М-214 в 14 час. мин. на заседании специализированного Совета K-053.I6.06 Московского ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции энергетического института.

Отзывы (в двух экземплярах, заверенные печатью) просим направлять по адресу: 105835 ГСП, Москва, Е-250, Красноказарменная ул., 14, Совет МЭИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ.

Автореферат разослан " "апреля 1992г.

Ученый секретарь Специализированного Совета K053.I6.06

к.т.н., доцент — Т.В.АНЧАР0ВА

*

. аи!

)Т£ЦИ1\

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Микропроцессорные средства управления находят широкое применение в системах электропривода целого ряда ответственных и высокопроизводительных агрегатов. Ярким примером подобной системы является электропривод летучих ножниц с микропроцессорной системой управления мерным резом (МП СУМР). Сбой в системе управления или выход ее из строя могут привести не только к потерям дорогостоящей продукции и простою всего технологического агрегата, но и к выходу из строя механической части уникального оборудования. В таких случаях приобретает большое значение надежность системы управления. Имеющийся опыт внедрения микропроцессорных систем управления (МСУ) электроприводов свидетельствует о невозможности нормальной эксплуатации систем без принятия специальных мер, повышающих надежность.

Анализ возможных методов повышения надежности систем управления выявил четыре основных: I) упрощение структурных схем отдельных устройств и системы в целом; 2) применение высоконадежных элементов; 3) снижение нагрузки элементов и стабилизация условий эксплуатации; 4) придание системе отказоустойчивых свойств.

Первые три из них - прямые методы повышения надежности направлены на борьбу с причинами возникновения отказов и сбоев в аппаратуре. Но в настоящее время не существует методов, позволяющих полностью защитить систему от влияния внешних и внутренних факторов. Как показывает опыт, в микропроцессорных системах нередко происходят неожиданные изменения их характеристик, носящие либо временный характер (сбои), либо постоянный характер (отказы). Кроме того, спецификой МСУ является го, что сбои'и отказы в вычислительном процессе становятся очевидными не сразу. Своевременное обнаружение сбоев, отказов и автоматическое восстановление требуемых функций управления обеспечивается только в системах с отказоустойчивыми свойствами. Отказы и сбои могут обнаруживаться средствами контроля и диагностики и устраняются автоматическим вводом резервных средств, как аппаратных, так и программных.

Таким образом,актуальность разработки системы диагностики а резервирования Ш СУМР определяется жесткими требованиями по надежности к системе управления электропривода летучих ножниц л отсутствием известных реализаций активно отказоустойчивых

МСУ электроприводов.

Цель •работы. Целью данной работы является повышение надежности МП СУМР методом придания системе отказоустойчивых свойств. Для достижения указанной цели в работе- поставлены и решены следующие задачи':

1. Выявить основные методы и способы построения системы диагностики и резервирования микропроцессорных устройств;

2. Синтезировать структуру резервирования МП СУМР со средствами диагностики, обеспечивающую вывод диагностической информации в доступной для обслуживавшего персонала форме, позволяющую проводить ремонт отказавших элементов Щ СУМР без остановки агрегата.

3. Разработать аппаратное и программное обеспечение для этой системы.

4. Провести экспериментальную проверку разработанной МП СУМР со средствами диагностики и резервирования в условиях опытно-промышленной эксплуатации.

Научная новизна работы определяется тем, что в ней:

1. Предложен обобщенный алгоритм синтеза отказоустойчивой МСУ при переходе от единичного исходного устройства к отказоустойчивой системе. На основе этого алгоритма синтезирована структура отказоустойчивой МП СУМР.

2. Показано, что рациональным и достаточно эффективным способом повышения надежности МСУ электроприводов является дублирование на уровне устройств с применением средств тестовой и функциональной диагностики.

3. Предложены и практически реализованы методы придания устойчивости к сбоям МСУ позиционного электропривода.

4. Разработаны алгоритмы и программное обеспечение функциональной диагностики импульсных датчиков положения и блоков микропроцессорной системы управления электропривода летучих ножниц.

Практическая ценность.

Результаты работы использованы при создании и внедрении микропроцессорной системы управления электропривода летучих ножниц агрегата поперечной резки АПР-2 листопрокатного цеха ЛПД-1700 Мариупольского металлургического комбината им.Ильича.

Они также могут быть использованы при разработке высоконадежных систем электропривода для целого ряда подобных агрегатов, требующих высокой надежности.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались:

1. На научно-технической конференции "Динамические решай электрических машин и электроприводов", г.Бишкек, октябрь,1991г. .

2. На заседании кафедры Автоматизированного электропривода МЭИ 12 ноября 1991г.

Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано две печатные работы.

СОДЕЕКАБИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, определены ее цель и задачи, приведена краткая аннотация работн по разделам. .

В первой главе проведен обзор методов построения отказоустойчивых систем. Отмечено, что отказоустойчивость МСУ обеспечивается введением избыточности: временной, алгоритмической, информационной и структурной. Избыточными являются средства контроля и резервное оборудование.

Успешное решение задачи повышения надежности МСУ путем своевременного включения резервных средств или корректировки сбоя невозможно без эффективных средств контроля и диагностики. Выделено два направления в развитии средств и методов контроля МСУ -тестовый и функциональный. По признаку применяемых средств контроль разделяется на аппаратный, программный и смешанный.

В связи с тем, что более актуальным является создание средств контроля и диагностирования МП СУМР с минимальными аппаратными затратами, в обзоре большое место занимают программные средства контроля цифровых управляющих систем. Дана классификация этих средств и описаны методы реализации. Программный контроль основан на реализации специальных программ, контролирующих работу системы в целом или отдельных ее устройств и э. ементов. В зависимости от способа организации программный контроль подразделяется на программно-логический, логический, алгоритмический и тестовый. В МСУ, выполняющих ограниченное число функциональных программ, преимущественно применяется контроль правильности выполнения программ, называемый программно-логическим контролем, и включающий в себя методы контроля хода программы, контроль повторил счетом. При контроле хода программы проверяется правильность выполнения отдельных функциональных участков программы.

При контроле повторным счетом многократно повторяются отдельные действия по передаче данных, переработке информации и т.д., и полученные при этом результаты сравниваются между собой. Правильным результатом считается тот, который дает большее число совпадений.

Логический контроль заключается в проверке искусственно созданных контрольных соотношений. Например, для контроля правильности пересылки информации между устройствами применяют контрольное суммирование. При этом же методе переменные могут проверяться на соответствие физичег^тму смыслу, когда выявляется физическая особенность данной переменной и проверяется выполнение этой особенности.

Алгоритмические методы контроля, так же как и логические, предусматривают проверку контрольных соотношений и проверку попадания в область ответа. Но в этом методе контрольные соотношения определяются непосредственно математическим особенностями решаемых задач. Проверка контрольных соотношений заключается в нахождении косвенных соотношений между переменными, участвующими в вычислениях, и проверке соблюдения этих соотношений. Проверка попадания в область ответа заключается в том, что для определенных этапов вычислений заблаговременно рассчитывается область возможных ответов при заданных ограничениях на значения исходных данных.

Тестовый контроль применяют для автоматизации обнаружения неисправностей. При этом средства тестового контроля последовательно выполняют следующие функции: подачу тестовых воздействий на вход проверяемого блока и регистрация его реализации; сравнение полученной реакции с ожидаемой (эталонной); анализ и индика-щя результата. В работе дан краткий анализ трех современных методов тестирования микро-ЭВМ. ' - метод сквозного сдвигового регистра, предполагает включение в структуру каждого устройства специальных элементарных сдвиговых элементов памяти. -встроенный контроллер логических блоков, относится к разновидности • компактного тестирования, является одним из удачных методов автономного самотестирования. М'кгобН- микропроцессорные встро енные средства тестирования. Для реализации перечисленных методо тестового контроля аппаратная избыточность, которая строится на элементной базе, специально разработанной для целей тестирования компьютеров.

Отмечены две современные тенденции в развитии средств контроля микропроцессорных систем.

- При конструировании микропроцессорных устройств центром внимания стала проблема создання контролепригодных устройств

и встроенных схем самоконтроля. Для этого разрабатываются пакеты прикладных программ, назначение которых - помочь инженерам -разработчикам в создании систем с большим процентом обнаружения ошибок при тестировании.

- Новая элементная база для построения микропроцессорных систем разрабатывается с расчетом на самотестирование.

Программные методы контроля требуют временной избыточности -запаса времени контроля (ЗВК) на интервале дискретности МСУ для решения задач контроля и диагностики. Применение методов аппаратного контроля требует значительных дополнительных аппаратных средств - аппаратной избыточности, однако позволяет практически мгновенно определить сбой или отказ.

При построении !£СУ по модульному принципу (принцип сменных блоков) широкое распространение для контроля работоспособности блоков находит метод схем встроенного контроля (СВК). Если СВК обладают свойствами обнаружения собственных неисправностей, то такие СВК называют самопроверяемыми (ССВК).

К методу диагностирования ССВК иногда относят метод диагностирования с помощью самопроверяемого"дублирования, а иногда выделяют его в самостоятельный метод. Метод заключается в том, что в сменный блок вводится дублирующая аппаратура, а выходные сигналы параллельно работающих устройств сравнивается в самопроверяемой схеме сравнения (ССС). Диагностирование с ССВК и дублировалиег-позволяет контролировать блоки как в тестовых режимах, так и функционально.

Использование программного диагностирования в совокупности с аппаратным снгпсаег объем аппаратных затрат и позволяет проводить более полное и глубокое диагностирование.

Для восстановления работоспособности системы в случае отказов, обнаруженных средствами контроля, используется введение резервных средств. При анализе возможных 'структур резервирования были выделены два направления в построении таких структур.

1. Структуры с К1 -кратной ( N ^ 3) избыточностью, в кото-jhx верный сигнал на выходе системы определяется мажоритарным органом.

2. Структуры, образующие класс самопроверяемых избыточных систем (СИС). Строятся из N^S-2 идентичных устройств, содержащих самопроверяемые схемы встроенного контроля. Дальнейшим развитием СИС являются гибридные СИС (ГСИС), при N = 2 - ГСИС2.

В отказоустойчивых системах применяют практически все виды избыточных структур. Это объясняется тем, что различные виды избыточных структур обеспечивают разную корректирующую способность, имеют разные по сложности коммутаторы, обеспечивают разную задержку прохождения сигнала. Но наиболее перспективными являются. СИС структуры. Мажоритарные структуры применяют в случаях, когда не допустима даже кратковременные перерывы в работе системы.

Методы контроля и диагностирования вычислительных систем изначально опираются на надежное программное обеспечение и предполагают выход из строя только аппаратной части системы. Поэтому в работе наши отражение вопросы, посвященные надежности программного обеспечения. Анализ принципов и методов повыпения надежности программного обеспечения показал, что их делят на три группы: предупреждение ошибок; обнаружение ошибок; обеспечение устойчивости к ошибкам.

На количество ошибок в программе влияет много факторов, но точная постановке;, задач, предьявляемых к программному продукту, и правильный стиль программирования позволяют существенно их снизить. На основе анализа работ, посвященных проблеме надежности программного обеспечения, предложен алгоритм процессов проектирования программных систем.

Обнаружение ошибок возлагается на процесс тестирования программ. Роль тестирования, при решении проблемы построения надежного программного обеспечения, состоит в том, чтобы определить местонахождение немногочисленных ошибок в хорошо спроектированной программе.

Устойчивость к ошибкам придает N - версионное (при N =2 ■ дуальное) программирование. Сущность которого заключается в том, что задача решается по N неэависмым алгоритмам и программам.

Во второй главе решается задача синтеза структуры отказоустойчивой МП СУМР (0:,Ш СУМР). На основании проведенного в первой главе обзора предложен обобщенный алгоритм синтеза отказоустойчивой системы управления для случая, когда синтез проводится с целью повышения надежности известной микропроцессорной системы. Алгоритм предполагает следующую последовательность действий: формулировка требований к системе; определение критериев синтеза; анализ структуры исходной системы; определение конкретных видов избыточности и кратности резерва; выбор способа реализации отказоустойчивости системы; формулировка требований к си-

зтеме диагностики; анализ вариантов построения системы диагностики; синтез аппаратного и программного обеспечения отказоустойчивой системы.

Требования, предъявляемые к ОМП СУМР, были сформулированы следующим образом: - устойчивость к сбоям; - сохранение работо-:пособности при выходе из строя электронных блоков системы; - возможность замены и ремонта отказавших блоков МП СУМР без останова технологического процесса; - отображение информации о зостоянии системы в доступной для обслуживающего персонала форме.

Критериями при разработке ОМП СУМР являлись следующие положения: - минимум затрат при переходе от исходной МП СУМР к отказоустойчивой; - минимальная аппаратная избыточность; - простота эксплуатации и обслуживания; - функционирование МП СУМР дслжно полностью исключить аварийные ситуации на агрегате поперечной резки полосы по вине системы управления электропривода.

Анализ структуры исходной системы показал, что резервирование в Ш СУМР долкно строиться на уровне устройств. Рассмотрены следующие возможные варианты структуры ОМП СУМР:

1) Отказоустойчивость МП СУМР по принципам мажоритарной логики. Три МСУ функционируют одновременно. Мажоритарное "голосование" на выходе производит коррекцию ошибок и определяет неисправную МСУ.

2) Функционируют три МСУ, результаты двух сравниваются, третья находится в резерве и подключается вместо неисправной или неисправных. При этом, .обнаружение ошибок обеспечивается сравнением результатов, неисправная МСУ определяется тестированием.

3) Каждая МСУ (минимум N = 2) строится на основе принципов толпой самопроверяемости блоков со встроенной аппаратурой. Все устройства'функционируют одновременно. При обнаружении средства-ян самоконтроля ошибок функционирования, соответствующая МСУ юключается из процесса управления.

4) МСУ, входящие в МП СУМР (минимум N =2), снабжаются средствами самоконтроля. Средства с. »контроля опираются на минимальную аппаратную избыточность, используя программные методы сонтроля, которые опираются на временную, информационную и алгоритмическую избыточность.

В результате анализа преимуществ и недостатков всех четырех вариантов сделан вывод о том, что четвертый вариант построения )тказоустойчивой системы наиболее эффективен для ОМП СУМР, т.к.

реализация активной отказоустойчивости в структуре ГСЙС^ более полно отвечает требованиям и критериям, предъявляемым к 0Ш1 СУЫР.. Показано, что вероятность безотказной работы структуры ГСИС^ ( N = 2) выше, чем у троированной мажоритарной структуры ТИС (N=3).

При анализе требований к системе диагностики рассмотрена структурная схема преобразования информации в МП СУМР. На ее основе сформулированы следующие требования к системе контроля и диагностики: - контролировать наличие всех последовательностей от импульсных датчиков пололсенкл полосы (ВДГСП) и ножей (ИДПН); - контролировать блоки вычисления координат электропривода летучих ножниц; - контролировать передачу информации по магистралям; -контролировать достоверность хранения промежуточной информации в ОЗУ; - контролировать сохранность программного обеспечения в ПЗУ; - конгролировать достоверность вычисленного кода сигнала задания на скорость Ы$С ; - контролировать формирование аналогового сигнала Иле ; - подчеркивать технологический процесс мерного реза в допустимых нормах в условиях сбоев МСУ'.

В работе определена допустимая величина периода контроля Ш СУЫР. Период дискретности Т0 исходной Ш СУМР составлял (2,5+2,7)»10~^с. Максимальная величина периода дискретности по условиям допустимого качества отработки заданий по полокению составляет 8*10~^с. Что позволяет введение временной избыточности в МП СУЫР и проведение контроля системы на каждой дискрете. Т0 = Тр + Тд, где: Т^ - время расчета управляющего воздействия, Тд - время решения задач функциональной диагностики.

В МП СУМР для синхронизации двух ЫСУ было определено целесообразным введение таймера с периодом Т0. Таймер должен выполнять следующие функции: - синхронизация двух МСУ; - синхронизация аппаратных средств контроля и диагностики; - аппаратная поддеркка средств функциональной диагностики и алгоритмической избыточности программного обеспечения ОМП СУМР при функционировании системы в условиях сбоев.

Предложенная ОМП СУМР показана на рис Л. В состав ОЫП СУМР входят две ЫСУ ШСУ1, МСУ2); коммутатор аналоговых сигналов ^Ы (VI, V2); внешняя, по отношению к МСУ, магистраль (ЕМ); схема сравнения выходных сигналов VI и V 2 (СС) ¡таймер; информационное табло (ИТ). На вход ОМП СУМР поступают сигналы: -?п - последовательность импульсов от ИДПП; - от ИДПН; -¿П - сигнал от фотодатчика (наличие полосы). Выходом является аналоговый сигнал 'Ы-зс) от какой-либо МСУ. Переключение коммутатора воз-

Структура отказоустойчивой МП СУМР

Рис. I.

можно либо от сигнала, поступившего по ВЦ, либо от сигналов ¿"¿П, £32 схемы сравнения. Ввод задания на рез мерной длины £?3 в обе МСУ производится через В1Л. Через ВЫ обе МСУ выводят сообщения на ИТ; обмениваются между собой информацией; управляют коммутатором; считывают слова состояния коммутатора и СС.

Во второй главе такке била проанализирована организация контроля и диагностики. Были рассмотрены возможные варианты разрешения требований, предъявляемых к системе контроля и диагностики, и выработаны конкретные рекомендации для синтеза аппаратного ип программного обеспечения отказоустойчивой МП СУМР.

В третьей главе рассмотрены вопросы разработки аппаратной части и программного обеспечения ОМП СУМР с оценкой ее надежности. При разработке учитывалось, что^основной элементной базы исходной Ш СУМР является микропроцессорный комплект 1801.

На рис.2 представлена функциональная схема ОМП СУМР. В состав каждой МСУ входят блоки: интерфейсный (И); процессорный (ПРЦ); оперативное запоминающее устройство (ОЗУ); перепрограммируемые ПЗУ (ППЗУ); повторного запуска (ПЗ); цифро-аналоговый преобразователь (ЦДЛ); диагностики (Д); вывода релейных сигналов (ВРС); связи с импульсными датчиками ИДПП, ИДПН (СИД); ввода релейных сигналов (ВвРС); дешифратор (Дп); датчик скорости полосы (ДС); . модель (М); пульт контроля и отладки (ПКО); блок питания (БП). В пульте технологическом (ПТ) расположены: прибор индикаторный универсальный (ПИУ); индикация цифровая; клавиатура; блок связи с пультом (СП); блок логического коммутатора (ЛК).

При сс здании системы диагностики и резервирования были разработаны блоки: ПЗ, Д, И, ЛК. В блок СИД была встроена схема контроля (СК).

Известный опыт эксплуатации микропроцессорных систем управления свидетельствует, что большая часть ошибок функционирования (около 75$5) вызывается сбоями. Поэтому первой, при разработке средств контроля ОМП СУМР, решалась задача создания эффективных антисбойных средств, как аппаратных, так и программных. Принцип работы этих средств базируется на том, чтобы зафиксировать ситуации "зависания" процессора и выхода программы функционирования МСУ из требуемого алгоритма управления электроприводом.

В качестве таких аппаратных средств в МСУ введен блок повторного запуска. На этот блок возложены две функции: начального запуска МСУ, перезапуска ЫСУ при "зависании" процессора. При работе микропроцессора формируется определенная временная диаграмма управляющих сигналов. Нарушение этой временной диаграммы сви-

Функциональная схема отказоустойчивой М1 СИР

С

МАГИСТРАЛЬ МСУ N НГУ1

цц.ц.и и пппп п п п.тг

Рис. 2.

детельствует о "зависании" процессора. Для этих целей в блоке ПЗ используется сигнал RPLY. Если в течение 60*10"^с не поступил сигнал RPLY , то средства контроля фиксируют это, и блок ПЗ фор,ырует сигналы перезапуска процессора. Время аппаратного перезапуска не превышает 2'10~^с.

Предложены специальные антисбойные программные средства. Программное обеспечение (ПО) МСУ хранящееся в ППЗУ, по своему функциональному назначали делится на системное и прикладное. Системное ПО включает в себя мониторы ПКО и ПТ, программы ручного тестирования блоков, программу программирования ППЗУ и др. Прикладное ПО содержит программы управления электроприводом: начальной установки ноней, управления технологическим процессом мерного реза. При сбое возможны следующие ситуации: I) процессор обращается к свободной зоне адресного пространства; 2) процессор считывает код несуществующей команды; 3) программа переходит на другой участок, и ЫСУ начинает работать по программе, не соответствующей технологическому циклу.

В микропроцессоре I80IBMI ситуации 1и 2 легко фиксируются -наступает прерывание по векторам 4 и 10. Была разработана программа обработки сбоев, которая вступает в дейстьие при аппаратном запуске процессора в рекиме технологического функционирования МСУ и по прерыванию по вектора;,! 4 и 10. При обработке сбоя в пультовом-режиме на индикаторах пульта высвечивается адрес сбоя и вектор. При обработке сбоя в технологическом режиме программа обработки сбоев делает возврат на нужный участок прикладного ПО. Существовал ; проблема фиксации ситуации 3 и возврата на нужный участок прикладного ПО. В данной работе это было разрешено следующим образом.

ПО управления мерным резом (ПО УМР) структурировано относительно координат ножей. Для этого вся траектория движения ножей поделена на три зоны: А - зона слежения за точкой реза и разгона ножей до синхронной с полосой скорости; Б - зона выхода ножей из металла на синхронной с полосой скорости; В - зона останова ножей в фиксированном положении. В каждой зоне движение ножей обслуживает своя программа, которая выставляет соответствующий фшаг. Програлма обработки сбоев анализирует флаг и делает возврат в соответствующую зону ПО. На каждой дискрете Т0 расчет ■Ц-ЗС заверпается переходом к программе функциональной диагностики. В программу ¡функциональной диагностики введен "администратор флагов", который на каждой дискрете Т перевыставляет

флаги относительно координат ножей. Что исключает аварийные ситуации при переходе программы при сбое из зоны А в зоны Б и В. Наиболее эффективным устранением сбоя в ситуации 3 является применение таймера. Каждые 4-10~^с таймер обеспечивает аппаратное прерывание любой программы, возврат на нужный участок ПО, после обработки прерывания, осуществляется согласно флагов.

Далее рассматривается аппаратная часть, обеспечивающая общую диагностику и резервирование си с теш, описаны функциональные возможности блоков: и, Д, схемы контроля в блоке СКД, ЛК.

Блок И предназначен для интерфейса МСУ с внешними устройствами, расположенными в ИГ, и с дублирующей 1.1СУ.

Блок Д выполняет следующие функирм: - контроль работоспособности ЦАП, контроль осуществляется методом дублирования и сравнения аналоговых сигналов двух ЦАП; - контроль питания аналоговой части МСУ; - контроль по нечетности передачи информации по магистрали ПТ; - формирование сигналов Я Р Ь , К Р С подтверждения работоспособности МСУ; - программной переход ПСУ в регт работы с моделью.

Схема контроля, встроенная в блок СИД, выставляет определенные биты состояния. Анализируя эти биты, программа функциональной диагностики контролирует поступление всех последовательностей в МСУ от ВДПП и ИДПН, работоспособность блоков СЙД и ДС,.

Ключевым блоком системы резервирования является блок ЛК. При разработке ЛК в данной работе первоначально были определены функции, возлагаемые на этот блок, составлены таблицы истинности логических состояний блока, проанализированы возможные сигналы управления ЛК, выведены уравнения (I), задающие логику работы коммутатора. В результате была разработана принципиальная схема ЛК, близкая к оптимальной по количеству аппаратных затрат. Блок ЛК выполняет следующие функции.

1) Контроль цикла технологической программы. После расчета 111С обе МСУ через блок Д формируют сигнал ЯРЬ . Если через

4 интервала таймера ЯР и не поступает, то выставляется сигнал запрета Ф1.1 для МСУ1, $1.2 для МСУ2, используемые для управления коммутатором.

2) Сравннние сигналов "ЦзС от МСУ1 и ИСУ2. Схема сравнения при разбалансе сигналов более 0,5В выставляет сигналы' Ф2.1 (МСУ1), $2.2 (МСУ2). Эти сигналы являются предупреждением о неправильной работе одной из МСУ. Если программа функциональной диагностики МСУ1 (МСУ2) не подтвердит правильность своей работы сигналом РРС1

(ЕРС2), то через один интервал-таймера схема сравнения сформирует сигналы запрета Ф2.3 (МСУ1), £2.4 (МСУ2).

3) Автоматическое переключение на резервную МСУ при выходе из строя ведущей - функция коммутации аналоговый сигналов Ujc. Управление коммутацией осуществляется в функции сигналов Ф1.1, И.2, £2.3, 52.4 и дополнительных сигналов блокировки: - Вкл.МСУ1 (Вкл.МСУ2); - включен ли процессор соответствующей МСУ (формируется блоком ПЗ); - fí/OiíCyi Ш/0МСУ2) - находится ли соответствующая МСУ в автономном' режиме работа с моделью (формируется блоком Д); - М/0 - общий для ОМП СУЫР реяим работы с моделью (формируется кнопкой, расположенной на панели ГТГ); - МСУ1 (МСУ2) - разрешение соответствующей МСУ участвовать в управлении электроприводом (формируется кнопками управления). UI = (31.1)л (Ф2.3)л (М/0)Л (Ы/0МСУ1)Л (Вкл.МСУ1)Л(МСУ1) L2 = Ш .2)Л (£2.4)Л (М/0)Л (М/0МСУ2) л (Вкл,МСУ2) А (МСУ2) (I) WI = LIA W2, W2 = W I Л L 2

Только состояние UI = I и. L 2 = -1 соответствует тому, что МСУ I и МСУ2 работоспособны. Состояние Wi = 0 (либо W 2 =0) означает то, что UiC соответствующий МСУ является выходом ОМП СУМР.

В блоке Ж также расположены таймер и схема контроля обра- • щения к магистрали ПТ. Цикл обращения к магистрали ПТ не должен превышать 4-I0~^c. При превышении этого времени схема сбрасывает сигналы занятости магистрали,

При разработке программного обеспечения системы диагностики к резервиро ания ОМП СУМР решалась задача создания систем как ' тестового, гак и функционального диагностирования. Представлен общий алгоритм функционирования ОМП СУМР. При начальном запуске МСУ программа может пойти по трем ветвйм: в рабочем режиме -программа обработки сбоев; в режиме монитора ПКО - тест Дш и далее монитор ПКО; в режиме монитора ПТ - тесты блоков Дш, ОЗУ, ЦАП, ППЗУ и далее монитор ПТ. Приведен также алгоритм начального запуска МСУ и описаны тесты блоков.

При переходе системы в режим технологического функционирования вступает в действие функциональная диагностика. Последовательность выполнения ее программных блоков следующая: "администратор флагов'' - контроль состояния ВДПП, ВДПН - контроль блока СИД - контроль блока ДС- анализ выходного сигнала МСУ ( iUc) -контроль Ц1Ш - контроль ОЗУ - контроль таймера. Приведены оригинальные алгоритмы эт..х программных блоков.

Учитывая то, что средства контроля отдельных элементов не исчерпывают всего множества возможных отказов в системе, был предложен интегральный критерий правильности работы МСУ. Таким критерием является качество выходного сигнала "Из С . В работе получено выражение допустимого качества Изс :

с1изс ^ ¿Олма/'Кря (2)

где: 6)птау - максимальная скорость полосы; Крп - коэффициент регулятора положения. Анализ сСИзс = йИьс на каждом периоде (И = Т0 позволяет сделать выеод о качестве Изс .

Из каждого программного блока, при-обнаружении ошибки функционирования, предусмотрен выход в программу аварийного останова. При этом на ПК/ выводится сообщение о причине отказа, управление электроприводом продолжает исправная МСУ.

В каждой МСУ предусмотрен внешний разъем для подключения портативного ПКО. С помощью этого пульта !.:о:;;ет производиться настройка и ремонт отказавшей МСУ во время технологического функционирования ОМП СУМР. В работе предложены и кратко о писаны сервисные программы для отладки системы в мониторе ПКО.

Анализ показателей надежности разработанной системы выявил следующее: - средства самодиагностики значительно улучшили коэффициент готовности, Кг имеет гарантированное значение близкое к единице; - диагностика и структурное резервирование, при той же интенсивности отказов элементов, повысили вероятность безотказной работы системы на интервале среднего времени наработки ■ на отказ примерно в два раза.

В четвертой главе рассмотрены результаты шедрения и экспериментальных исследований СМП СУМР. Экспериментальные исследования проводились при внедрении О'.-.Ш СУЫР на летучих ножницах АПР2 ЛГЦ-Г700 Мариупольского МК им.Ильича к мели своей целью проверить эффективность выполнения системой следующих функций: диагностика работы ОМП СУМР, восстановление вычислительного процесса при сбоях, отработка отказов в ОМП СУМР.

Выполнение первой и третьей из этих функций непосредственно определяется тем, на сколько успешно система способна решать задачи, связанные с параллельной работой двух МСУ, а именно:

- способность системы осуществлять "безкогеЬликнув" работу с внешними устройствами через общую магистраль ИТ;

- способность обеспечивать параллельную синхронную работу

двух МСУ в режиме управления электроприводом.

Экспериментальные исследования подтвердили эффективность разработанных аппаратных и программных средств связи МСУ с вне!Г ними устройствами в режиме параллатьной работы, а также эффекта ность используемых средств контроля времени доступа к магистрали ПТ. Приведены осциллограммы, иллюстрирующие параллельную работу двух МСУ во время технологического цикла.

Экспериментальные исследования системы диагностики проводились путем имитации отказов отдельных блоков и комплекта МСУ в целом. Приведены результаты исследований по каждому блоку. Экспериментальные исследования позволили сделать следующие выводы:

- система диагностики обнаруживает не всё отказы, которые могут возникнуть в Ш СУМР, но фиксирует все неисправности, которые приводят к аварийным ситуациям на АПР-2;

- система вывода информации о состоянии системы подтвердила свою эффективность при обслуживании ОМП СУМР, сообщения выводятся в удобной для обслуживающего персонала форме.

ОМП СУМР со средствами диагностики и резервирования была сдана в эксплуатацию в апреле 1991г. В период с апреля по декабрь 1991г. был зафиксирован один случай выхода системы из строя с выводом сообщения об отказавшем блоке.

При экспериментальных исследованиях "антисбойной" системы имитировались следующие сбои: I) обращение по несуществующему адресу на каждой дискрете расчета "Ц-ЗС ; 2) введение в программу после расчета "1Л-ЗС не существующей команды, ветвление в монитор ДКО; 3) кратковременное выключение микропроцессора и его аппаратный перезапуск на всех участках траектораии движения ножей.

Во всех случаях система полностью4обрабатывала сбои, и процесс реза не выходил за допустимые рамки технологического режима. В работе приведены осциллограммы, иллюстрирующие функционирование системы при имитации сбоев.

В июле и ноябре 1991г. проводились исследования системы в условиях промышленной эксплуатации. В работе приведены графики количества сбоев в сутки. Сбои фиксировались программой обработки сбоев по количеству обращений к ней. В июле температура воздуха в помещении, где установлена ОМП СУМР, находилась в пределах 40°С, в ноябре - пределах 15°С. В июле количество зафиксированных системой сбоев в сутки составляло 20+30, в ноябре - 2+7, но эти сбои абсолютно не сказывались- на работе агрегата. В исход-

'ной МП СУМР любой сбой приводил к браку. Эти. результаты позволили сделать следующие вывода:

- МСУ, входящие в состав ОМП СУМР, обладают эффективной системой восстановления вычислительного процесса при сбоях;

- "антисбойная" система практически к нулю свела влияние внешних факторов ка работу ОМП СУИР.

Экспериментальные исследования системы резервирования ОМП СУМР имели своей целью - проверить эффективность систе:ы резер-. вирования, - определить допустимое время восстановления ( Тзоп) и проверить возможность проведения ремонта отказавшей МСУ во время работы агрегата.

При имитации отказов принудительно выключался процессор ведущей МСУ. Система отрабатывала этот отказ таким образок,что та-хограмма движения ножей не нгрупалась, и не'было выхода в брак готовой продукции. При включении резервной МСУ во время работы ведущей, система показала способность автоматического входа в синхронизм. На осциллограммах в работе представлены режимы выхода из строя ведущей МСУ, режимы входа в синхронизм, реким параллельной работы обеих МСУ. Допустимое время восстановления Т$оп = 70'10~^с. В работе приведена методика определения Т^оп.

Для проверки возможности проведения ремонта отказавшей МСУ во время работы агрегата, один комплект МСУ переводился в режим функционирования в мониторе ПКО и проводилась проверка блоков программами, при этом ОМП СУМР управляла электроприводом. Нештатных ситуаций в работе агрегата в течение эксперимента зафиксировано не было. Это показывает, что структура ОМП СУМР, ее аппаратная и программная реализация позволяет проводить ремонт отказавшей МСУ без останова технологического процесса.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДУ

1. Рациональным и достаточно эффективным способом повышения надежности микропроцессорных систем управления электроприводов является дублирование на уровне устройств с применением средств тестовой и функциональной диагностики.

2. Предложенные средства контроля и диагностики позволяют перейти от исходной единичной, конструктивно законченной микропроцессорной системы к резервируемой с применением минимальных средств аппаратного дублирования с использованием простого коммутатора.

3. Устойчивость 1.31 CÏIvIP к сбоям может быть обеспечена алгоритмической избыточностью программного обеспечения в совокупности с аппаратной подцер;шой таймера.

4. В отказоустойчивых микропроцессорных системах управления эффективнЕМ ягляется применение таймера для выполнения следующих функций:

- синхронизации. работы дублирующих систем;

- аппаратной поддержки "антисбойных" средств и функциональной диагностики.

5. Установлено, что эффективным методом контроля ЦШ является метод дублирования.

6. Опыт эксплуатации отказоустойчивой Ш СУКР показал:

- каждая МСУ, входящая в систему, должна иметь возможность подключения переносного пульта для автономного тестирования и ремонта;

- применение устройства отображения информации о состоянии системы в слоевсной форма существенно повышает дружественное отношение к системе со стороны обслуживающего персонала.

Основные положения диссертации опубликованы £ следующих работах :

1. Живодеров C.B., Ладыгин А.Н. Повышение отказоустойчивости микропроцессорных систем управления элэктропрИЕОДОЕ механизмов металлургического производства. -Г.4., 1991. -21с. -Деп. е Чарма информации 15.07.91, JJ5777.

2. Живодеров C.B., Ладыгин А.Н. Отказоустойчивая двухпроцессорная система управления для позиционного электропривода// Динамические режимы электрических машин и электроприводов. -Тез. докл.науч.-техн.конф. 1-5 октября 1991г.: Бишкек, 1991. -с.15-16.

Подине,чио к Печати Л—

1!ич- * __Тираж Заказ //&Q Бесплатно.

Типографии МЭИ, Красноказарменная, 13