Одним из основных недостатков резервированных систем управления является сложность системы комплексирования ее резервированных функциональных частей.
Как правило, на практике широко распространены резервированные системы, в которых сигналы широких интерфейсов непосредственно подаются на мажоритарные элементы комплектов. При этом, добиваясь приемлемого быстродействия системы, увеличивается сложность аппаратных средств, особенно системы комплексирования резервированной системы. В ходе исследования авторами предложено введение механизма мультиплексирования сигналов межкомплектного обмена резервированной системы, что значительно упростит работу системы комплексирования.
Целью проводимого исследования является повышение надежности резервированных систем управления с горячим резервированием аппаратных средсв, не обладающих повышенным быстродействием. Для достижения поставленной цели решается задача применения мультиплексирования сигналов на входе мажоритарных элементов (в дальнейшем – МЭ) с последующим демультиплексированием сигналов на выходе последних. Цель достигается в том числе за счет упрощения системы комплексирования функциональных частей системы, которые должны функционировать в различных режимах резервирования, таких как повторительный, дублированный, мажоритарный.
Особенности структурной организации резервированных систем управления, работающих в мажоритарном, дублированном и повторительном режимах и использующих в своем составе аппаратные средства функциональных частей, выполненных по схеме с горячим резервированием, представлены в ряде публикаций [1–3].
Модели и методы расчета надежности технических систем, в том числе резервированных, подробно представлены в публикациях [4, 5]. На практике, как правило в системах управления, работающих в реальном масштабе времени, с применением горячего резервирования, часто отдают предпочтение резервированным системам с дублированием аппаратных средств [3].
В работе [1] было показано, что повышение живучести мажоритарно-резервированной системы обеспечивается тем, что резервируются сигналы системных магистралей комплектов, как правило построенных по трехшинной структуре – шина адреса, шина данных, шина управляющих сигналов. В качестве примера может служить структура, приведенная в [1], изображенная на рис. 1.
Рис. 1. Система комплексирования ПУ-КП
На рис. 1 приведена система комплексирования пунктов управления (ПУ) и контролируемых пунктов (КП) в основе построения которых применяются мажоритарно-резервированные комплекты. Обмен информацией между комплектами осуществляется по межкомплектным связям, использующим в качестве среды передачи сигналов – физические проводные линии связи. Каждый из резервированных комплектов передает свои сигналы соседним комплектам (свой левому и свой правому) и принимает сигналы от соседних комплектов (от левого своему и от правого своему), которые поступают на входы мажоритарных элементов для дальнейшего формирования сигналов управления резервированных интерфейсов.
В работе [1] синтезирована функциональная схема управляемого мажоритарного элемента, а также представлена структурная схема резервируемого комплекта, изображенная на рис. 2.
На рис. 2 приняты следующие обозначения:
1) МИ – магистраль интерфейса резервируемого комплекта;
2) З – задатчик магистрали интерфейса МИ, включающий в себя, как правило, процессор, схему системы комплексирования резервированных комплектов и управления межкомплектными связями, мажоритарные элементы, схемы формирования сигналов магистрали интерфейса;
Рис. 2. Структурная схема комплекта
3) И, П, И/П – функциональные модули источники, приемники и комбинированные модули – источники/приемники данных по отношению к магистрали интерфейса резервированного комплекта.
Синтез схемы резервированного комплекта
Одним из основных недостатков мажоритарно-резервированных магистрально-модульных систем является аппаратная избыточность, обусловленная сложной схемой МЭ и наличием большого количества этих схем.
Решения, предложенные в [1], могут быть использованы при построении резервированных магистрально-модульных систем, в которых предъявляются высокие требования к повышенному быстродействию. При этом возрастает и громоздкость аппаратуры при построении таких систем, вызванная в том числе и наличием большого числа межкомплектных связей.
В том же случае, когда от системы не требуется высокого быстродействия, можно уменьшить аппаратные затраты на резервирование аппаратуры в части уменьшения количества МЭ, а значит, и упрощения межкомплектных связей за счет введения мультиплексирования сигналов на входах МЭ и демультиплексирования сигналов на выходах МЭ. Таким образом, можно перейти от резервирования сигналов широких интерфейсов с большим количеством сигнальных линий, подлежащих резервированию, к резервированию сигналов узких интерфейсов с малым количеством сигнальных линий.
В результате выполнения работы синтезирована схема резервированного комплекта для случая мажоритарного резервирования «2 из 3», представленная на рис. 3.
На схеме (рис. 3) приняты следующие обозначения:
1) ЗМЛ – задатчик магистрали локальный, включающий в себя, как правило, процессор, схему системы комплексирования резервированных комплектов и схему управления межкомплектными связями;
2) МЛИК – магистраль локального интерфейса комплекта;
Рис. 3. Схема резервированного комплекта
3) ФШ-ПЛ, ФШ-ИЛ – формирователи шинные сигналов приемника и источника локального соответственно;
4) МХ – мультиплексоры сигналов на входах МЭ;
5) ДМХ – демультиплексоры сигналов на выходах МЭ;
6) ФШ-ПС, ФШ-ИС – формирователи шинные сигналов приемника и источника системного соответственно;
7) ФМ-ПС, ФМ-ИС – функциональные модули приемника и источника системного соответственно;
8) СЛ-П, СП-П, СЛ-И, СП-И – сигналы приемника и источника своего комплекта, передаваемые/принимаемые правому и левому комплекту соответственно;
9) Л-П, Л-И, П-П, П-И – сигналы приемника и источника от левого и правого комплекта, принимаемые своим комплектом;
10) МСИК – магистраль системного интерфейса комплекта.
Сигналы на входы МЭ подаются последовательно во времени с выхода МХ своего комплекта. В то же время одновременно из соседних комплектов подаются сигналы, одноименные с сигналами своего комплекта. Сигналы, подлежащие мажоритированию на МЭ, поступают от задатчика или от функциональных модулей комплекта.
Основное отличие в системах резервирования магистрально-модульных систем, рассмотренных в [1] и в настоящей статье – в интерфейсах, сигналы которых подлежат голосованию на МЭ. В [1] рассмотрены вопросы мажоритарного резервирования сигналов широких интерфейсов, в настоящей статье – вопросы мажоритарного резервирования сигналов узких интерфейсов.
Основное различие заключается в том, что в первом случае мажоритирование сигналов осуществляется параллельно всех разрядов или локальных групп разрядов во времени, а во втором случае – последовательно всех разрядов или локальных групп разрядов во времени, что приводит к существенному сокращению числа мажоритарных элементов комплектов, работающих в различных режимах резервирования в мажоритарно-резервированных системах в режимах повторительном (1002, 1003), дублированном (2002), мажоритарном (2003).
Временные диаграммы работы схемы резервированного комплекта приведены на рис. 4.
Рис. 4. Временные диаграммы работы схемы резервированного комплекта
Из временных диаграмм работы схемы резервирования комплекта, представленного на рис. 4, видно, что благодаря введению временного мультиплексирования сигналов на передающей стороне и демультиплексирования сигналов на приемной стороне, возможно использование одного мажоритарного элемента для получения мажоритарно-резервированных сигналов, при этом мажоритирование сигналов осуществляется последовательно разряд за разрядом, а с выхода мажоритарных элементов сигналы демультиплексируются и получается параллельный код на выходе системы комплексирования резервированного комплекта. Количество шагов преобразования будет равно количеству разрядов, подлежащих резервированию. При этом существенно уменьшаются аппаратные затраты и упрощается схема межкомплектных связей резервированных комплектов.
Узкие интерфейсы характеризуются, в частности, простотой схемы межкомплектных связей, а значит, и простотой системы комплексирования. Это упрощает работу мажоритарно-резервированной системы, построенной по схеме резервирования «2 из 3», в частности возможность простой реализации межкомплектных связей, использующих, например, беспроводные каналы связи, в том числе радиоканал, оптический канал. В работе показан пример передачи данных между резервированными комплектами с использованием одного канала связи между ними.
При необходимости повышения быстродействия системы число каналов связи между комплектами может быть увеличено, например, до трех в случае, если для передачи адреса, данных и сигналов управления широких интерфейсов использовать отдельные каналы. Аппаратные затраты системы комплексирования резервированных комплектов при этом вырастут, в том числе и за счет усложнения схемы системы синхронизации работы комплектов.
Вопросы синхронизации работы различных комплектов подробно рассмотрены в работах [6, 7] и не рассматриваются в данной публикации с одной целью – упростить изложение и обеспечить доходчивость материала.
Использование мультиплексирования с последующим демультиплексированием сигналов, подлежащих резервированию, позволяет упростить систему комплексирования резервированных комплектов, а также осуществлять резервирование комплектов в распределенных системах управления, в том числе когда резервированные комплекты находятся на значительных и различных расстояниях друг от друга, в том числе размещенных на подвижных объектах.
Выводы
В работе показано, что введение мультиплексирования в мажоритарно-резервированные системы позволит значительно упростить систему комплексирования резервированных комплектов при схеме резервирования «2 из 3» в режимах работы 1001,1002,1003, 2002, 2003, что в свою очередь позволит использовать в качестве межкомплектных связей беспроводные каналы связи, в том числе оптический и радио- канал, а значит, повысить живучесть систем управления работающих в реальном масштабе времени в различных режимах резервирования: в режимах повторительном или нерезервируемом (1001, 1002,1003), дублированном (2002), мажоритарном или резервируемом (2003).