CC BY
41
УДК 681.5.09
А. В. Аверьянов, А. М. Барановский, К. А. Эсаулов
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРЕДЕЛОВ АППАРАТНОЙ ИЗБЫТОЧНОСТИ ИНФОРМАЦИОННЫХ УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ
Рассматривается типовая структура информационной управляющей системы, основу которой составляет микропроцессор. Представлены результаты анализа выигрышей в надежности функционирования многоканальных управляющих систем.
Ключевые слова: автоматизированная управляющая система, резерв, микропроцессор, информационные управляющие системы, надежность.
Системы автоматизированного дистанционного управления являются распределенными микропроцессорными управляющими системами. Под понятием „микропроцессорная система" (МПС) подразумевается любая вычислительная или информационная управляющая система, в которой устройством обработки информации является микропроцессор, выполняющий, таким образом, системообразующую функцию. Использование МПС позволяет обеспечить децентрализованное управление технологическим процессом, что должно приводить к повышению надежности функционирования системы автоматизированного дистанционного управления.
Рассмотрим типовую структуру информационной управляющей системы (ИУС), основу которой составляет микропроцессор, входящий в состав микропроцессорного контроллера (МПК) [1]. Структура ИУС представлена на рис. 1.
МПК
Микропроцессор
Таймер
Абонент 1 ИКА 1
Ч|-к -ч-^
Абонент N
ИКА N
БСВДР 1-й
БСВДР 2-й
БСВДР 3-й
ИФ МПК
Рис. 1
Микропроцессорный контроллер взаимодействует со своими абонентами через системный интерфейс (ИФ МПК). Подключение N абонентов к системному интерфейсу производится через интерфейсные карты абонентов ИКА1, ..., ИКА^ Входящие в состав ИУС три блока синхронизации и восстановления достоверного результата (БСВДР) воспринимают интерфейсные сигналы МПК.
24
А. В. Аверьянов, А. М. Барановский, К. А. Эсаулов
Система автоматизированного дистанционного управления реализует выполнение задач по управлению технологическими процессами, например подготовкой и проведением пуска ракет и космических аппаратов. При этом к самой системе предъявляются высокие требования по надежности, для выполнения которых применяют, как правило, трехканальную систему, содержащую три МПК. В этом случае каждый из БСВДР воспринимает интерфейсные сигналы МПК своего канала и двух других МПК и обеспечивает синхронизацию работы каналов.
На рис. 1 показана структура одного канала — первого, второй и третий каналы представлены только БСВДР (показаны пунктирными прямоугольниками) и их информационными связями с аналогичным блоком первого канала и его системным интерфейсом.
Мажоритирование информационных потоков осуществляется в БСВДР всех трех каналов. Блоки восстанавливают достоверное значение передаваемых кодов по правилу „2 из 3". Интерфейсные сигналы каждого из каналов выдаются в аналогичные БСВДР двух других каналов. Если в трехканальной системе отсутствуют БСВДР второго и третьего каналов, то сигналы с выходов отдельных каналов поступают на единственный (первый) БСВДР, который выполняет функции мажоритарного элемента (МЭ). На его выходе появляется сигнал при совпадении сигналов с выходов двух каналов из трех. Выход из строя одного из трех каналов не приводит к искажению выходного сигнала системы автоматизированного дистанционного управления.
Следует отметить, что отказ одного канала приводит к снижению надежности системы до уровня Рс = Р1ХР1 , где Рс и Р1 — вероятности безотказной работы (ВБР) всей трехканальной системы и одного канала соответственно. Управление технологическим процессом требует постоянного поддержания высокой надежности, поэтому при отказе одного из каналов крайне необходимо обеспечить повышение надежности системы в период восстановления хотя бы до уровня Р1.
Другой особенностью трехканальной системы автоматизированного дистанционного управления с одним БСВДР (МЭ) являются высокие требования, предъявляемые к его надежности. Вероятность безотказной работы такого мажоритарного элемента должна практически равняться единице.
Включение в систему трех БСВДР (см. рис. 1) позволяет снизить требования к ВБР мажоритарного элемента. Использование такого показателя, как выигрыш в надежности функционирования многоканальной системы по сравнению с одноканальной, рассчитываемый по формуле
Ж = Рс/Рь
позволяет оценить целесообразность многоканальной реализации системы автоматизированного дистанционного управления для достижения требуемых уровней надежности.
Замечание. При Р1=0 не происходит деления на нуль в формуле (1), так как числитель формируется в виде произведения сомножителей, одним из которых является Р1.
В соответствии с представленными в работах [2, 3] рассчитанными значениями Ж для двухканальной системы, трехканальной с одним МЭ и трехканальной с тремя МЭ можно сформулировать следующие выводы:
— при Рс = 0,999.. .0,9999 использование в системе (см. рис. 1) трех МЭ позволяет достичь уровня надежности двухканальной системы;
— трехканальная система с единственным МЭ при Р1<1 уступает по уровню надежности двухканальной системе, а на малых временных интервалах функционирования порядка 1,5 ч — даже одноканальной системе.
На рис. 2 представлены графики изменения значения Ж (см. формулу) в зависимости от Р1, где Ж2 — выигрыш в надежности функционирования двухканальной системы; Ж3 — то же
для трехканальной системы с одним МЭ при Р\=\; Ж3,3 — то же для трехканальной системы с тремя МЭ при Рх= Р2= Р3= 0,99; Ж5 — то же для пятиканальной системы с одним МЭ при Р1=1. (На рисунке приведены четыре кривые, соответствующие выигрышам, но графики для Ж3 и т3,3 практически неразличимы.)
т 2,0
1,5
1,0 0,5 0,0
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Р1
Рис. 2
Как видно из представленных диаграмм, максимальные значения W5, W3 и W3,3 (для пятиканальной и трехканальных систем) достигаются при Р1=0,75 и равны соответственно W5 =1,1953, W3 =1,1250, W3,3 =1,1249, что меньше выигрыша W2 (двухканальной системы), равного W2 =1,2500. Очевидно, что вероятность безотказной работы Р1=0,75 характеризует недопустимо низкий уровень надежности одного канала, и построение на таких каналах многоканальных систем автоматизированного дистанционного управления неприемлемо.
При Р1 > 0,9 значения Wi для различных систем становятся практически одинаковыми: например, при Р1=0,95 получаем W5 =1,0514, W3 =1,0450, W33 =1,0449 и W2 =1,0500.
Из полученных результатов следует, что трехканальная структура системы автоматизированного дистанционного управления (см. рис. 1) уступает в надежности двухканальной системе. Таким образом, типовые структуры информационных управляющих систем, основу которых составляет микропроцессорный контроллер (подобные рассмотренной в данной статье), обладают аппаратной и программной избыточностью и нерациональны при многоканальной реализации.
Решение проблемы надежности функционирования таких систем заключается, прежде всего, в необходимости повышения безотказности работы одного канала управления, а не в увеличении количества каналов, не соответствующих заданным требованиям к надежности.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Автоматизированные системы управления подготовкой и пуском ракет космического назначения / В. И. Полянский, А. В. Аверьянов, А. И. Данилов и др. СПб: ВИКА им. А. Ф. Можайского, 1997. 332 с.
2. Аверьянов А. В. Оценивание надежности автоматизированных систем управления подготовкой и проведением пуска космического аппарата // Изв. вузов. Приборостроение. 2009. Т. 52, № 4. С. 62—65.
3. Басыров А. Г., Гончаренко В. А., Забузов В. С., Кремез Г. В., Эсаулов К. А. Повышение устойчивости функционирования бортовых вычислительных систем по результатам космических экспериментов // Изв. вузов. Приборостроение. 2009. Т. 52, № 4. С. 70—74.
Сведения об авторах
Алексей Васильевич Аверьянов — канд. техн. наук, доцент; Военно-космическая академия им. А. Ф. Мо-
жайского, кафедра информационно-вычислительных систем и сетей, Санкт-Петербург; E-mail: [email protected]
26
О. И. Лисов, Чжо Зо Е, Пайе Тэт Наинг
Анатолий Михайлович Барановский
Константин Андреевич Эсаулов
канд. техн. наук, доцент; Военно-космическая академия им. А. Ф. Можайского, кафедра автоматизированных систем подготовки и пуска ракет космического назначения, Санкт-Петербург; E-mail: [email protected]
канд. техн. наук; Военно-космическая академия им. А. Ф. Можайского, кафедра информационно-вычислительных систем и сетей, Санкт-Петербург; E-mail: [email protected]
Рекомендована кафедрой информационно-вычислительных систем и сетей
Поступила в редакцию 24.04.13 г.
УДК 621.311:681.5
О. И. Лисов, Чжо Зо Е, Пайе Тэйн Наинг
МЕТОДИКА ОПТИМИЗАЦИИ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ СИСТЕМ
Рассматривается задача организации эффективного управления распределенными системами, в частности энергетическими комплексами, с учетом динамики процессов выработки, распределения, аккумулирования и потребления энергетических ресурсов. Представлено решение задачи, базирующееся на теории линейного программирования, методе аналитической идентификации и мульти-графовых моделях.
Ключевые слова: оптимизация, управление, газотранспортный комплекс, граф, линейное программирование, процессно-ролевые модели.
В последние годы при производстве, транспортировке и потреблении энергоносителей возникает множество проблем, связанных с достоверностью управления технологическими процессами. Уровень развития современной техники и разработанные математические методы теории оптимизации процессов управления обеспечивают возможность решения большинства задач, возникающих в различных ситуациях.
В настоящей статье рассматривается решение задачи оптимального управления газотранспортными комплексами на основе линейного программирования, метода аналитической идентификации и мультиграфовых моделей. Газотранспортные комплексы (ГТК) представляют собой сложные производственные системы, включающие подсистемы выработки, распределения, аккумулирования и потребления энергетических ресурсов, в том числе вторичных энергоресурсов металлургического производства (доменный газ, отработанный пар и пр.) [1].
В настоящее время в России в среднем около 14 % газотранспортных комплексов находятся в эксплуатации более 30 лет, 56 % — от 10 до 30 лет и только 30 % — до 10 лет. Такая ситуация приводит к необходимости выполнения масштабных и дорогостоящих диагностических и ремонтных работ. Необходимость обеспечения приемлемого уровня эффективности функционирования ГТК определяет идентификацию множества его технических состояний как одну из наиболее важных научных проблем [2].
Контроль технического состояния ГТК осуществляется в основном относительно отдельных повреждений, которые в соответствии с системой методов безопасной эксплуатации причисляются к критическим и потенциально опасным. Оценка эксплуатирующими организациями технического состояния ГТК по результатам внутритрубной диагностики позволяет
