Разработка архитектуры и компонентов САУ РВ повышенной надежности тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.13, кандидат технических наук Хамиду Хама Амаду Туджани

• Хамиду Хама Амаду Туджани
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Хамиду Хама Амаду Туджани

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

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка архитектуры и компонентов САУ РВ повышенной надежности»

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

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

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

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

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

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

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

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

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

В рамках поставленной цели решались следующие задачи:

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

2. Разработка методики обеспечения гарантированной доставки информации межмодульного обмена.

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

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

В работе получены следующие научные результаты:

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

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

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

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

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

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

Основные положения, выносимые на защиту:

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

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

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

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

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

Заключение диссертации по теме «Телекоммуникационные системы и компьютерные сети», Хамиду Хама Амаду Туджани

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).

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Хамиду Хама Амаду Туджани, 2000 год

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