КОМПЛЕКТ ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫХ СРЕДСТВ ДЛЯ СОЗДАНИЯ МНОГОУРОВНЕВЫХ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ И УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ

February 4, 2013 by admin Комментировать »

Белоус А. И., Власов В. В., Демченко А. И., Емельянов В. А., Сякерский В. С. Научно-производственное объединение «Интеграл» ул. Корженевского, 12, г. Минск, 220108, Республика Беларусь факс: (+375 17) 278-28-22, e-mail: office@bms.by

Аннотация – Представлены результаты работ по решению задачи построения современных микропроцессорных информационных и управляющих систем управления на отечественной элементной базе по функциональным возможностям не уступающих зарубежным. Даны рекомендации по оптимизации выбора аппаратной и программной составляющих функциональных модулей, приведены примеры построения многоуровневых распределенных инфор- мационно-управляющих систем с использованием разработанных программно-аппаратных средств.

1.                                      Введение

Современные системы автоматического управления различного назначения характеризуются высокой сложностью реализуемых алгоритмов, серьезными требованиями по объему информации, скорости передачи и глубине ее обработки.

Архитектура микропроцессорных систем управления является определяющим фактором при разработке аппаратной части системы и ее программного обеспечения.

Резкое уменьшение габаритов современных электронных устройств и повышение их функциональной насыщенности во многом изменило идеологию проектирования крупных систем. В настоящее время наблюдается переход от интегрированных систем, в которых один мощный процессор управляет большим количеством пассивных периферийных устройств, к распределенным – когда каждый элемент системы является активным устройством.

В первом случае в системе используется мощный процессор с большим количеством пассивных устройств, а передача информации осуществляется по параллельной шине (например VME, PCI, ISA, PC/104 и т.д.). Такая организация имеет следующие недостатки:

•            Необходимость применения мощных процессоров. Поскольку все задачи решаются одним процессором при большом количестве периферийных устройств и плат ввода-вывода, то он должен иметь большую производительность. Применение нескольких процессоров, работающих на одной шине без использования стандартных протоколов, усложняет разработку программ.

•            Большие трудности, связанные с расширением системы. При расширении или модернизации требуется замена конструкции и модификация или полная замена программного обеспечения.

•            Низкая надежность. Количество соединений на современной производительной шине достигает 100 и более. Замыкание или обрыв одной из них приводит к отказу всей системы. Ситуация дополнительно осложняется применением разъемов с большим количеством контактов. При дублировании в этом случае требуется применение такой же дополнительной шины, что резко увеличивает габариты, вес и стоимость всей системы, но не решает проблему. Поскольку электронные блоки системы при таком подходе сосредоточены в одном месте, то к ним приходится прокладывать большое количество силовых и сигнальных цепей (от датчиков и исполнительных устройств), что при больших габаритах системы также снижает надежность и увеличивает стоимость (большой расход кабеля).

•            Большие сроки разработки. При разработке системы заново создаются аппаратная и программная части. Применение стандартных конструктивов, плат и блоков облегчает, но не решает проблему.

Достоинством систем с центральной архитектурой является прямая связь микропроцессора с периферийными устройствами связи с объектом (УСО), что в некоторых случаях обеспечивают большую скорость канала управления.

Система управления с распределенной архитектурой представляет собой мультипроцессорную систему, в которой общая решаемая задача, разделена на самостоятельные задачи, решение которых распределено по отдельным электронным модулям, объединенным в единую систему каналом межмодульной связи.

Стыковка элементов распределенной системы управления осуществляется с помощью стандартных сетевых интерфейсов на аппаратном уровне и с помощью стандартных протоколов – на программном. Данный подход стал активно применяться с середины 80-х годов с появлением малогабаритных компьютеров и контроллеров, обладающих невысокой стоимостью. В настоящее время даже активные датчики и исполнительные устройства стали снабжаться сетевыми интерфейсами. Канал межмодульной связи может иметь различную топологию: магистральную структуру, кольцевую структуру, иерархическую или радиально-магистральную структуру.

Распределенные системы обладают следующими преимуществами:

•            Возможность распределения электронных модулей системы по объекту, высокий потенциал для интеграции с механическими элементами, вплоть до создания мехатронных узлов и модулей.

•            Простота организации, возможность расширения и модернизации в условиях эксплуатации путем замены или подкпючением дополнительных устройств. Стандартные протоколы верхнего и нижнего уровней позволяют строить системы с автоконфигурацией, а также обеспечивают совместимость с оборудованием, производимым другими фирмами.

•            Высокая надежность и снижение объема проводных соединений из-за размещения локальных систем управления в непосредственной близости от обслуживаемых периферийных объектов машины. Для подкпючения к сетевому интерфейсу требуется небольшое количество проводов и используются разъемы с небольшим количеством контактов. Например, для подключения к CAN или Profibus необходимо 3 провода – два сигнальных и один общий, если использовать дополнительный канал для резервирования, то требуется 6 проводов и соответствующее количество контактов разъема. При таком количестве сигналов легко обеспечивается гальваническая развязка элементов системы. Ряд сетевых интерфейсов осуществляет коррекцию ошибок на аппаратном уровне, для передачи и приема используются дифференциальные приемопередатчики, которые подавляют синфазные помехи. Поскольку в такой системе все элементы активны, то легко обеспечиваются функции дублирования.

•            Малые сроки и упрощение разработки за счет модульности и распределения задач по отдельным электронным модулям разработки. Большой выигрыш достигается при модернизации систем, поскольку большая часть аппаратных средств и программного обеспечения не требует модификации.

•            Легкость тестирования и отладки, снижение стоимости ремонта и обслуживания. Поскольку все элементы системы активны, легко обеспечить самодиагностику и поиск неисправности.

•            Использование компьютеров и контроллеров меньшей мощности. Задача распределяется по активным элементам системы, и такой метод декомпозиции, активно используется программистами для разработки эффективных программ. Поскольку при решении задачи используется несколько процессоров, каждый из них может иметь небольшую производительность.

Главный недостаток систем с распределенной архитектурой – это ограниченная скорость обмена информацией по последовательным каналам межмодульной связи, поэтому в общем случае БСУ должна быть многоуровневой с использованием для некоторых подсистем центральной архитектуры. При этом, канал межмодульной связи может иметь различную топологию: магистральную, кольцевую, иерархическую или радиальномагистральную.

2.                              Основная часть

Исходя из технологических возможностей, специфики и направленности предприятий НПО «Интеграл», НТЦ «Белмикросистемы», в настоящее время, проводятся работы по решению задач, связанных в той или иной мере с проблемами создания распределенных систем управления различного назначения:

•            Создание нового поколения элементной базы, по своим возможностям, не уступающей зарубежным аналогам. К ним можно отнести новое поколение микроконтроллеров, запоминающих устройств, устройств силовой электроники, устройств интерфейса и т.д.

•            Создание функционально законченных микропроцессорных модулей для построения многоуровневых распределенных систем автоматического управления.

•            Создание типоряда микромодулей управления исполнительными устройствами, интеллектуальных датчиков и чувствительных элементов к ним, в том числе с применением гибридных технологий и технологий МЭМС.

•            Разработка технологий позволяющих повысить существующую в настоящее время степень интеграции.

В основу проводимых нами работ положена техническая идеология, основными принципами которой являются:

•            Преемственность в развитии электронных систем.

•            Высокая степень унификации и интеграции для обеспечения низкой стоимости и возможности серийной реализации с использованием технологических возможностей заводов НПО «Интеграл».

•            Широкое применение микропроцессорных средств для обеспечения универсальности аппаратных средств и возможности быстрой модернизации электронных систем за счет нового программноалгоритмического обеспечения.

•            Развитие функций интеллекта (глубокая обработка сигналов на уровне периферии, самодиагностика, сетевые интерфейсы, адаптивность) и защиты (от КЗ, бросков напряжения и т.д.).

•            Гибкость, обеспечивающая возможность широкого применения.

•            Наличие и доступность комплектующих выпускаемых серийно.

При подобном подходе к созданию систем управления, т.е. подходе, основанном на интеллектуализации периферийных устройств и подсистем, важнейшим элементом является выбор правильного соотношения между программной и аппаратной составляющими системы управления.

При решении такой задачи необходимо обеспечить выполнение главного условия -достаточно продолжительное функционирование аппаратной части при возможности многократной модернизации программного обеспечения.

Для периферийных модулей информационных и исполнительных устройств основной объем программного обеспечения определяется функциональными возможностями соответствующего датчика или исполнительного устройства, поэтому, если провести правильное разбиение глобального алгоритма управления, достаточным для программной модернизации является 10-15% запас в аппаратной части модуля. Учитывая общие тенденции развития датчи- ковой аппаратуры и исполнительных устройств, соответствующие периферийные модули должны быть ориентированы на реализацию локального алгоритма управления и строиться с учетом последующей интеграции непосредственно в датчики и исполнительные устройства.

Несколько другой подход должен быть при создании функциональных управляющих модулей более высокого уровня. В данном случае важнейшим элементом процедуры проектирования является составление эффективного прогноза развития системы управления и его формализации.

Очевидно, что обобщенная методика проведения качественной оценки функциональной достаточности и устойчивости работы устройств любой сложности должна быть формализована и основана на основных физических принципах и постулатах теории устойчивого развития электронных систем.

При таком подходе можно говорить, что правильность функционирования системы и устойчивость ее развития определяется потенциалом, являющемся функцией двух независимых переменных (аппаратной и программной составляющих), и определяемым общим прогнозом развития системы управления в целом или ее составляющих.

в таком случае, в качестве основного исходного момента может быть принято положение, что система эффективна и устойчиво развивается, если она отвечает реальной области фазового пространства выбранных координат, при требовании положительности коэффициентов разложения прогнозного потенциала по обобщенным координатам и с физической точки зрения ее состояние отвечает глобальному минимуму.

Для анализа устойчивости системы, применим общеизвестные постулаты. Представим потенциал системы в виде его полиномиального разложения по обобщенным координатам.

где х^,          –  обобщенные координаты (аппаратная и

программная составляющие), К, – коэффициенты полиномиального разложения, 0(х^, у^) – члены более высокого порядка по х^ и у^, принимаем их малыми величинами если считаем, что ряд (1) сходится. Для последнего утверждения следует заметить, что в произвольном случае в реальной физической системе могут присутствовать члены более высокой степени, но согласно основному постулату теории катастроф потенциал любой системы определяемой двумя независимыми переменными приводится к виду (1) для которого члены 0(х^, у^) – малы.

Как показали расчеты, характеристическое уравнение матрицы устойчивости всегда имеет действительные решения ((K3-K5f+K4^>0). Границы областей устойчивости в фазовом пространстве задаются поверхностями 4КзК5-К4^=0 и Кз+К5=0. Диаграмма фазового состояния приведена на рис.1. и может быть разделена на ряд областей, характеризующихся определенным типом устойчивости системы:

Рис.1. Диаграмма устойчивости развития системы.

Fig. 1 Diagram of system development stability

1)         В области 4КзК5-К4^<0, Кз+К5<0 оба корня характеристического уравнения матрицы устойчивости λΐ2=Κ3+Κ5 ±V(K3-Ksf+K4^<0 отрицательны, потенциальная функция имеет изолированный максимум, что соответствует неустойчивому состоянию, т.е. в данном случае выбор соотношения программной и аппаратной составляющих является не эффективным.

2)         В областях 4КзК5-1<4^<0, Кз+К5<0 и 4К3К5- 1<4^<0, Кз+К5>0 корни характеристического уравнения матрицы устойчивости имеют разные знаки, следовательно потенциальная функция имеет седловую точку, это означает что система устойчива по одной координате и неустойчива по другой. Данная ситуация наиболее часто возникает в процессе развития систем управления и свидетельствует о необходимости проведения их модернизации.

3)         В области 4КзК5-1^^>0, Кз+Кб>0 оба корня характеристического уравнения матрицы устойчивости положительны и потенциальная функция имеет изолированный минимум, что соответствует устойчивому и эффективному развитию системы.

В настоящее время в НТЦ «Белмикросистемы» создан комплект функционально законченных микропроцессорных модулей позволяющих создавать многоуровневые распределенные системы управления на основе отечественной элементной базы. К их числу следует отнести типоряд информационных, управляющих, шлюзовых и диспетчерских функциональных модулей обеспечивающих оптимальное соотношение между программным обеспечением и аппаратной реализацией с 10-летним прогнозируемым потенциалом решения реальных задач систем управления и позволяющих реализовывать ряд типовых режимов управления без участия оператора. К их числу можно отнести:

–           автоматизация выполнения функций отдельных штатных исполнительных устройств и подсистем;

–           автономный анализ показаний датчиков и автономная самодиагностика исполнительных устройств и подсистем.

Разработка модулей проводилась с учетом решения задачи оптимизации аппаратной и программной составляющих. Полученные результаты показали, что созданные микропроцессорные модули не только способны решать широкий круг практических задач. На их основе созданы системы управления микроклиматом в сельскохозяйственных помещениях, ряд систем управления для автотракторной техники (системы управления трансмиссией, электрооборудованием и т.д.). Разработанные модули способны реализовывать различные законы управления исполнительными устройствами (электродвигателями, электрогидравлической аппаратурой), работать с целым спектром датчиков. Анализ перспектив развития объектов, с которыми работают разработанные модули, показывает потенциальную востребованность последних на протяжении не менее 5 лет.

3.                                   Заключение

Исходя из результатов проведенной работы необходимо отметить, что актуальной проблемой дальнейшей реализации концепции развития информационно – измерительных и управляющих систем является создание технологий, позволяющих достичь их сверхплотной компоновки и интеграции. Поэтому необходим системный подход в развитии элементной базы, функциональных электронных модулей и систем управления, позволяющий комплексно решать все возникающие проблемы, первоочередными среди которых являются:

1.         Создание типоряда электронных систем управления на базе унифицированных модулей, в том числе МЭМС.

2.         Создание ряда микроминиатюрных интеллектуальных устройств специального назначения.

3.         Обеспечение высокой степени интеграции, миниатюризации и унификации модулей.

4.         Разработка необходимого программноалгоритмического обеспечения нижнего уровня.

5.         Обеспечение высокого уровня интеллекта, в т.ч. на уровне отдельных модулей.

1.  L. Krasnevski, The Fundamental Aspects of the Structural Theory of Multispeed Transmissions Control. – Paper Offer#: 05P-336 AE 2005 World Congress Session P28

2.  Красневский Л. Г., Луцкий В. И., Шестопалов С. И., Каменка Т. В., Белевич А. В. «Модульные микропроцессорные системы управления гидромеханическими передачами большой мощности». XXXVII конференция ААИ на тему «Развитие аналитических исследований и конструкций автотранспортных средств».

HARDWARE-SOFTWARE SOLUTION FOR THE DEVELOPMENT OF MULTILEVEL DISTRIBUTED INFORMATION-MEASURING AND CONTROL SYSTEMS

A.               I. Belous, V. V. Vlasov, A. I. Demchenko,

V. A. Yemelyanov, V. S. Syakerskiy Integral’ Scientific Production Association 12 Korzhenevsiiogo St., Minsi<, Republic of Belarus Tei.: +375 (17) 2782822; e-maii: office@bms.by

Abstract – The results of efforts focused on the development of up-to-date microprocessor data and control systems using domestic componentry, while offering the same functionality as imported counterparts, are presented. The boards were developed with regard to the issue of optimizing hardware and software components. The available results prove that capabilities of the developed microprocessor boards go beyond a broad range of practical applications. Climate control systems for agricultural facilities or automotive control system solutions (including transmission and electrics control systems, etc.) have also been designed. The boards are capable of implementing various laws of actuating device control (incl. electric motors, electrohydraulic equipment), and operating with a wide range of sensors. Recommendations are given on optimized selection of hardware and software components for functional units.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты