Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,916

МАЖОРИТИРОВАНИЕ СИГНАЛОВ USART В МАЖОРИТАРНО-РЕЗЕРВИРОВАННЫХ СИСТЕМАХ

Сыцевич Н.Ф. 1 Кулиев Р.С. 1 Крахмалев Д.В. 2 Жабоев Ж.Ж. 1
1 ФГБОУ ВО «Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова»
2 ФГБОУ ВО «Финансовый университет при Правительстве РФ»
В настоящее время в автоматизированных системах управления технологическими процессами (АСУ ТП) широкое применение нашли мажоритарно-резервированные системы управления. При этом номенклатура функциональных модулей резервируемых комплектов постоянно увеличивается. В этой связи возникает одна из задач, суть которой сводится к мажоритированию сигналов USART-устройств синхронно-ассинхронных приемо-передатчиков функциональных модулей различных комплектов (УСАПП). В работе рассматриваются системы управления с тройным мажоритарным резервированием, работающие в режимах 1002, 1003, 2002, 2003. Целью проводимого исследования является повышение эффективностии мажоритарно-резервированных систем управления, в состав которых входят функциональные модули USART (УСАПП). Решена задача синхронизации работы мажоритарно-резервированных функциональных модулей устройств синхронно- ассинхронных приемо-передатчиков различных комплектов, входящих в состав мажоритирно-резервированного комплекса системы управления и работающих в асинхронном режиме приема-передачи данных в режиме прерываний. Результаты работы могут быть использованы в автоматизированных системах управления технологическими процессами с мажоритарным резервированием аппаратной части с наработкой на отказ, входящих в состав системы управления комплексов порядка 100000 ч.
резервированные системы
мажоритарный элемент
USART
запрос на прерывание
1. Ксенофонтов А.С., Сыцевич Н.Ф., Кулиев Р.С., Сыцевич С.Н. Повышение живучести мажоритарно-резервированных систем управления // Известия КБНЦ РАН. 2015.
Т. II. № 6 (68). C. 100–104.
2. Диденко К.И. Проектирование агрегатных комплексов технических средств для АСУТП. М.: Энергоатомиздат, 1984. 168 с.
3. Анищенко В.А., Мысло Е.Л., Иванова А.Н. Надежность дублированных технических систем с устройствами встроенного контроля // Энергетика. 2013. № 5. С. 5–10.
4. Викторова В.С., Степанянц А.С. Модели и методы расчета надежности технических систем. М.: ЛЕНАНД, 2014. 256 с.
5. Гнеденко Б.В., Беляев Ю.К., Соловьев А.Д. Математические методы в теории надежности, изд.2-е, испр. и доп. М.: Книжный дом «Либроком», 2012. 582 с.
6. Сыцевич Н.Ф., Кулиев Р.С., Москаленко Л.А., Молов М.З. Синхронизация работы мажоритарных элементов резервированных комплектов систем управления // Современные наукоемкие технологии. 2016. № 8 (2). С. 261–264.
7. Сухман С.М., Бернов А.В., Шевкопляс Б.В. Синхронизация в телекоммуникационных системах. Анализ инженерных решений. М., 2003. 272 с.

В работах [1–3] рассматривается возможность повышения живучести резервированных систем управления, в том числе мажоритарно-резервированных. В работе [1] cинтезирована схема управляемого мажоритарного элемента, позволяющая снизить вероятность отказа узлов с мажоритарным резервированием в соответствии с расчетами, приведенными в работах [4, 5].

Однако не рассмотрены вопросы связанные с синхронизацией работы функциональных блоков различных комплектов, таких как УСАПП.

В ходе проведенного исследования рассмотрен вопрос мажоритирования сигналов различных комплектов в случае, когда в их состав входят УСАПП – устройства синхронно-асинхронных приемо-передатчиков (USART) и разработана функциональная схема обработки сигналов УСАПП.

Целью проводимого исследования является повышение эффективности мажоритарно-резервированных систем с тройным резервированием, в состав которых входят резервированные функциональные модули с устройствами синхронно-асинхронных приемо-передатчиков (УСАПП). Для достижения поставленной цели решается задача мажоритирования сигналов УСАПП от функциональных модулей различных комплектов. Цель достигается за счет разработки функциональной схемы УСАПП различных комплектов мажоритарно-резервированной системы.

Разработка схемы обработки сигналов УСАПП

sicev1.tif

Рис. 1. Структурная схема системы комплексирования комплектов ПУ и КП

sicev2.tif

Рис. 2. Структурная схема комплекта

На рис. 1 изображена схема системы комплексирования комплектов ПУ и КП, где А, Б, В – это резервированные комплекты ПУ или КП; МСИ-А, МСИ-Б, МСИ-В – это магистрали системных интерфейсов комплектов А, Б, В соответственно [1].

В качестве исходных данных для схем резервирования введены следующие обозначения:

1) С – сигнал своего комплекта;

2) Л – сигнал левого комплекта;

3) П – сигнал правого комплекта;

4) ПУ – пункт управления;

5) КП – контролируемые пункты.

При этом для комплектов А, Б, В в качестве своего, левого и правого будут комплекты:

1) для комплекта А: свой – А, левый – В, правый – Б;

2) для комплекта Б: свой – Б, левый – А, правый – В;

3) для комплекта В: свой – В, левый – Б, правый – А.

Обмен сигналами между функциональными частями резервированных комплектов, сигналы которых подлежат мажоритированию, осуществляется как правило по проводным межкомплектным связям, показанным на рис. 1. Мажоритарные связи могут присутствовать между любыми функциональными частями резервированных комплектов, в том числе между задатчиками, функциональными модулями, в том числе УСАПП, подключенными к магистрали резервированного интерфейса комплекта.

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;

3) И, П, И/П – функциональные модули источники, приемники и комбинированные модули – источники/приемники данных по отношению к магистрали интерфейса резервированного комплекта.

В работах [6, 7] подробно рассмотрены вопросы синхронизации работы мажоритарных элементов резервированных комплектов систем управления, работающих в реальном масштабе времени.

В ходе проведенного исследования решена задача синхронизации работы функциональных модулей УСАПП, различных комплектов, в асинхронном режиме работы при мажоритировании их сигналов в мажоритарно-резервированной системе управления, работающей в реальном масштабе времени.

В качестве примера может быть рассмотрена схема мажоритирования сигналов с выходов функциональных модулей УСАПП, работающих в асинхронном режиме, при этом в качестве примера выбран формат приемо-передатчиков S,8,R (старт, восемь бит данных, один стоповый бит).

Особенностями асинхронного режима является то, что байты в потоке данных УСАПП передаются асинхронно, а биты внутри каждого байта – синхронно. Это, в совокупности с асинхронными системными интерфейсами, работающими в режиме обработки прерываний, может приводить в большинстве случаев к рассогласованию работы резервированных комплектов и накладывает определенные ограничения на время приема, передачи и обработки данных как на передающей, так и на приемной сторонах, что накладывает дополнительные требования к синхронности в работе функциональных модулей УСАПП, расположенных в разных комплектах мажоритарно резервированных комплексов.

При этом в качестве основного режима работы УСАПП выбираем режим прерываний, как наиболее приемлемый для систем управления работающих в реальном масштабе времени.

Сигналы прерывания (INTR-i) от функциональных модулей различных комплектов также предполагается обрабатывать с помощью мажоритарных элементов.

На рис. 3 представлены временные диаграммы работы УСАПП, в частности формирование сигналов запросов на прерывание INTR-А, INTR-Б, INTR-В, поступающих с выходов УСАПП в различных комплектах при их мажоритировании. Для упрощения временных диаграмм рассмотрен временной интервал приема-передачи только стоповых бит, так как сигнал запроса на прерывание формируется именно в этом временном интервале.

Из рис. 3 видно, что при обычном мажоритировании сигналов в режиме резервирования 2003(два из трех), поступающих с выходов УСАПП, мажоритарный сигнал запроса на прерывание INTR-М формируется раньше чем сигнал запроса на прерывание INTR-Б комплекта Б, что приводит к рассинхронизации в работе комплектов, в том числе при обработке сигналов контроля работы мажоритарных элементов.

sicev3.tif

Рис. 3. Временные диаграммы работы УСАПП в мажоритарно-резервированной системе управления

Наряду с проблемами обработки сигналов УСАПП в резервированном режиме (2003 – два из трех), самые большие проблемы в обработке возникают при работе резервированных комплектов в дублированных режимах (два из двух). Это вызвано проблемой принятия решения при голосовании двух комплектов в дублированном режиме. Для устранения этих недостатков необходимо синхронизировать работу УСАПП различных комплектов при их рассинхронизации в допустимых пределах.

Как правило, при обработке сигналов функциональными модулями УСАПП, наибольшее распространение нашел «метод укороченного контакта» [7].

С учетом того, что функциональные модули УСАПП предлагается использовать в различных режимах резервирования, таких как повторительный или нерезервированный, дублированный, мажоритарный или резервированный, позволяет ввести допустимый разброс временных параметров сигналов УСАПП различных комплектов в пределах половины длительности времени передачи одного бита.

В результате проведенного исследования предложена схема функциональных модулей УСАПП, представленная на рис. 4, работающих в асинхронном режиме в режиме прерываний.

sicev4.tif

Рис. 4. Функциональная схема модуля передачи УСАПП

На рис. 4. приняты следующие дополнительные обозначения:

1) Тз – временная задержка при передаче данных с выхода УСАПП на вход мажоритарного элемента;

2) МЭ – мажоритарные элементы сигналов с выходов УСАПП, задержанных на время Тз, равное половине длительности времени передачи одного бита;

3) INTR-И, INTR-П – сигналы запросов на прерывание источников и приемников различных комплектов;

4) МЭ-А, МЭ-Б, МЭ-В – резервированные сигналы УСАПП с выходов мажоритарных элементов системы;

5) МИ – магистрали интерфейсов
МИ-А, МИ-Б, МИ-В соответствующих резервированных комплектов А, Б, В;

6) И – источники данных по отношению к магистралям резервированных интерфейсов МИ-А, МИ-Б, МИ-В;

7) П – приемники данных по отношению к магистралям резервированных интерфейсов МИ-А, МИ-Б, МИ-В.

Работа функциональных модулей УСАПП в асинхронном режиме по прерываниям, по отношению к магистральным интерфейсам МИ-А, МИ-Б, МИ-В различных комплектов, ничем не отличается от работы в нерезервированных системах как в режиме приема, так и в режиме передачи данных.

Особенностью схемы (рис. 4) является то, что дополнительно вводятся временные задержки сигналов на выходах передатчиков данных, а также – функциональные модули И-приемников УСАПП (источников данных по отношению к магистрали резервированного интерфейса комплекта), предназначенные для фиксации моментов окончания передачи очередного байта с выхода мажоритарной схемы.

Обработка сигналов INTR-М (результат мажоритирования сигналов INTR-И различных комплектов) совместно с сигналами INTR-П в каждом из резервированных комплектов А, Б, В позволит:

1) синхронно и корректно обрабатывать запросы на прерывание в различных комплектах мажоритарно резервированных систем, в том числе в дублированных режимах 2002 (два из двух);

2) синхронизировать работу функциональных модулей УСАПП различных резервированных комплектов при передаче массивов данных большой длины при работе в асинхронном режиме и режиме прерываний;

3) исключить ложные ошибки, связанные с рассинхронизацией в работе функциональных модулей УСАПП различных комплектов и обработке сигналов КМЭ – контроля работы мажоритарных элементов.

Временные диаграммы формирования сигналов запросов на прерывание в схеме рис. 4. представлены на рис. 5. Для упрощения временных диаграмм на рис. 5, так же как на рис. 3, рассмотрен временной интервал приема-передачи только стоповых бит, так как сигнал запроса на прерывание формируется именно в этом временном интервале.

sicev5.tif

Рис. 5. Временные диаграммы формирования сигналов запросов на прерывание

На временных диаграммах (рис. 5) Аз, Бз, Вз, Мз показаны сигналы различных комплектов с выходов функциональных модулей УСАПП с учетом временных задержек, введенных на схеме рис. 4. Введение временных задержек в схемы функциональных модулей УСАПП различных комплектов позволяет синхронизировать их работу в составе мажоритарно резервированных систем. Это позволит применять функциональные модули УСАПП в мажоритарно-резервированных системах в режимах повторительном (1002, 1003), дублированном (2002), мажоритарном (2003).

Выводы

В результате проведенного исследования предложена схема функциональных модулей УСАПП, позволяющая организовать повторительный, дублированный, резервированный режимы работы УСАПП, работающих в реальном масштабе времени в асинхронном режиме в режиме прерываний, подключенных к магистральным интерфейсам резервированных комплектов, работающих в составе мажоритарно-резервированных систем управления.

Предложенная схема обработки сигналов УСАПП может быть использована при обработке сигналов функциональных модулей УСАПП не только в режиме передачи, но и в режиме приема данных в режиме прерываний.


Библиографическая ссылка

Сыцевич Н.Ф., Кулиев Р.С., Крахмалев Д.В., Жабоев Ж.Ж. МАЖОРИТИРОВАНИЕ СИГНАЛОВ USART В МАЖОРИТАРНО-РЕЗЕРВИРОВАННЫХ СИСТЕМАХ // Современные наукоемкие технологии. – 2018. – № 12-2. – С. 366-370;
URL: http://www.top-technologies.ru/ru/article/view?id=37349 (дата обращения: 30.05.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074