ОЦЕНКА ЧИСЛА АБОНЕНТОВ ИНФОРМАЦИОННО -УПРАВЛЯЮЩЕЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЛВС ETHERCAT ИЗ УСЛОВИЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТРЕБУЕМОЙ НАРАБОТКИ НА ОТКАЗ СИСТЕМЫ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.398.4.67

Оценка числа абонентов информационно-управляющей вычислительной системы с использованием ЛВС EtherCAT из условия обеспечения требуемой наработки на отказ системы

А.А. ШишкевиЧ

Национальный исследовательский университет «МИЭТ»

Estimation of Maximal Number of Subscribers

of Information-Control Computer System Using LAN EtherCat from Condition Providing Required Operating Time between Failures of System

A'A. Shishkevick

National Research University of Electronic Technology, Moscow

Предложена оценка максимального числа датчиков и исполнительных устройств территориально распределенной информационно-управляющей вычислительной системы реального времени с использованием ЛВС EtherCAT из условия обеспечения требуемой наработки на отказ всей системы.

Ключевые слова: территориально распределенная информационно -управляющая вычислительная система реального времени; ЛВС EtherCAT; интенсивность отказов; наработка на отказ.

The estimation of the maximal number of sensors and executive devices of the geographically distributed information and the control real-time computer system, using LAN EtherCat from the condition of providing the required operating time between the failures of the whole system, has been offered.

Keywords: geographically distributed information and control real-time computer system; LFN EtherCAT; intensity of refusals; operating time between failures.

Введение. В настоящее время характерна тенденция построения территориально распределенных информационно-управляющих вычислительных систем реального времени (ТР ИУВС РВ) с использованием ЛВС Ethernet. При этом для обеспечения в ЛВС Ethernet режима реального времени используется, как правило, топология соединения абонентов сети типа «точка-точка» (рис.1). Однако ТР ИУВС РВ, содержащая большое количество исполнительных устройств и устройств ввода-вывода данных, в этом случае получается излишне громоздкой и дорогой. Для устранения этого недостатка сети Ethernet за последнее десятилетие предложены модификации сети, обеспечивающие функционирование ТР ИУВС РВ в режиме реального времени. Наиболее

© А.А. Шишкевич, 2016

(Д) (иу) (д) (д) @ (Д)

Т^ TS ПГ ТГ г

Рис.1. Пример структурной схемы ТР ИУВС РВ (ВУ - вычислительное устройство; Д - датчик; ИУ - исполнительное устройство; П - устройство преобразования информации между периферийным абонентом (Д или ИУ) и ВУ; ПК - кабель связи абонента (Ethernet, CAN, RS-485,...); АК - кабель

приборного интерфейса)

часто используются сеть Ethernet Powerlink [1] и сеть EtherCAT [2], имеющая наилучшие показатели по быстродействию. Сеть EtherCAT (Ethernet Control Automation Technology) - локальная сеть реального времени, предложенная фирмой Beckhoff, для подключения к универсальной сети Ethernet (или Internet) различных устройств ввода-вывода, например: АЦП, ЦАП, датчиков релейных сигналов, интерфейсов периферийных устройств, двигателей и т.п.

Использование сети EtherCAT обусловливается следующими ее свойствами:

- сеть (без мостов) объединяет одно ведущее устройство типа «master» и до нескольких сотен ведомых устройств типа «slave»;

- скорость передачи информации 100(200) Мбит/с в одном (двух) направлениях, планируется переход на скорость 1(2) Гбит/с;

- обмен информацией кадрами по стандарту IEEE 802.3, содержащими от одной до нескольких сотен телеграмм устройствам типа «slave»;

- гальваническая развязка обеспечивается использованием развязывающих трансформаторов;

- длина кабеля между устройством типа «master» и устройством типа «slave» до 100 м, между двумя устройствами типа «slave» до 100 м для IEEE 802.3ae и до 10 м для EBUS;

- поддерживается синхронизация по времени абонентов сети и гарантированная задержка при передаче сообщений;

- возможность реконфигурации сети при однократном отказе кабельного сегмента сети;

- обеспечение режима «hot-plug-and-play».

Сеть EtherCAT в простейшем случае представляет собой сеть c одним абонентом сети Ethernet, выполняющим роль устройства типа «master», и несколькими устройствами типа «slave», соединенными в цепочку кабелями Ethernet (рис.2).

Абонент Ethernet/Internet

Т R «Master»

Абонент 1 А Абонент 2 Абонент N л

R Т

Порт 0 Порт I

Т R

«Slave» 1

R Т

Порт 0 Порт I

Т R

«Slave» 2

>

R Т

Порт 0 Порт 1

Т R

«Slave» N

Рис.2. Пример сети EtherCAT

Устройство типа «master» посылает кадр EtherCAT (тип 0x88A4h) [2-4], который последовательно проходит через все устройства типа «slave» и возвращается к устройству типа «master». При прохождении кадра через устройство типа «slave» последнее считывает адресуемые через него устройству ввода-вывода данные от устройства типа «master» из общей дейтаграммы или записывает данные от устройства ввода-вывода через соответствующее устройство «slave» в общую дейтаграмму для устройства типа «master». Кадр «пролетает» по всей цепочке устройств типа «slave» и обратно за короткое и фиксированное время, поскольку обработка пакета в устройстве типа «slave» выполняется аппаратурно, что, по существу, и обеспечивает режим реального времени.

Формулировка задачи исследования. С использованием ЛВС EtherCAT структурная схема ТР ИУВС РВ, приведенная на рис.1, существенно упрощается (рис.3). Особенности синтеза структурной схемы ТР ИУВС РВ с использованием ЛВС EtherCAT как оптимизационной процедуры рассмотрены в работе [5]. Но при формулировке целевой функции оптимизации наряду с другими ограничениями не учитывается такой важный показатель, как надежность.

В настоящей работе предпринята попытка сформулировать ограничения, связанные с надежностью ТР ИУВС РВ, с использованием технологии EtherCAT. В частности, предлагается оценка максимального числа датчиков и исполнительных устройств сегмента ЛВС EtherCAT системы из условия обеспечения требуемой наработки на отказ всей нерезервированной системы.

При оценке надежности ТР ИУВС РВ с использованием технологии EtherCAT будем считать, что:

- в целом система рассматривается как псевдоневосстанавливаемая, т.е. предполагается, что время программного обнаружения отказа и подключения резервного элемента системы пренебрежимо мало по сравнению с временем исправной работы системы и не влияет на работу системы в целом;

- используется программное обнаружение отказа элемента сети и автоматическая реконфигурация сети EtherCAT при использовании многопортовых «slave»-контроллеров;

Рис.3. Пример структурной схемы ТР ИУВС РВ с использованием технологии EtherCAT (ВУ - вычислительное устройство, содержащее устройство «master»; SC - «slaves-контроллер периферийного

абонента (Д или ИУ)

- возможен только горячий ( нагруженный) резерв;

- восстановление элементов системы невозможно (параметры потолков восстановления равны = 0);

- потоки отказов элементов системы простейшие (Х* = const);

- число ВУ в системе пВУ, общее число периферийных абонентов п (Д или ИУ), максимальное число периферийных абонентов na (Д или ИУ), подключаемых к одному <«^е»-контроллеру, максимальное число <«^е»-контроллеров ns в одном сегменте сети EtherCAT, общее число <«^е»-контроллеров Ns в системе, число сегментов ms в системе, число проводов в кабеле EtherCAT пк, максимальная длина L стороны квадрата площади, на которой размещается система (в случае плоской модели размещения).

В предположении, что интенсивности отказов всех пВУ ВУ одинаковы и равны ХВУ, интенсивности отказов всех п периферийных абонентов (Д или ИУ) одинаковы и равны Ха, интенсивности отказов всех ns «slave»-контроллеров в системе одинаковы и равны Xs, интенсивности отказов всех Ethernet-кабелей в системе одинаковы и равны Хк интенсивности отказов всех кабелей периферийных абонентов (Д или ИУ) в системе одинаковы и равны Хк'. Надежностная схема ТР ИУВС РВ без резерва может быть представлена на рис.4

Рис.4. Надежностная схема ТР ИУВС РВ без резерва

Результаты исследования. Наработка на отказ системы без резерва в целом Тс может быть оценена соотношением

1

п п

Пка + —Х , + пВУ Х ВУ + Пк К Ь-+ 4)1

Па 2пЛ

_ т-гс _

" о "Х

1

где Хс - суммарная интенсивность отказов системы в целом; Х^ - интенсивность отказа одного провода кабеля на единицу длины.

Из условия, что наработка на отказ системы Тос не меньше требуемого значения

тс

1

тр

I* с

(1)

тр

можно определить соотношение, когда выполняется условие (1):

> 1.

Г с | тр ПВУ - ВУ

п

X

- а + + ¿пк хк (-

1

кк

Па 2па ns

♦ 4)

п

(2)

Задаваясь значениями параметров ТР ИУВС РВ и показателями надежности всей системы и отдельных ее элементов, можно оценить область их допустимых значений /, удовлетворяющих условию (2), т.е. область допустимых значений структурных и надежностных параметров системы и ее элементов, в которой наработка на отказ системы в целом не меньше требуемого значения.

На основе экспертных оценок в работе примем, что требуемая интенсивность отка-

_^ _|

зов системы в целом |*с|тр находится в пределах (0,33-1,0)-10 ч , а интенсивности отказов отдельных ее элементов находятся в пределах: ХВУ ~ (5-10)-10-5 ч-1, Ха ~ (1-10)-10-5 ч-1, Ъ ~ (1-2)-10-5 ч-1, Х'к ~ 2-10-8 (ч-м)-1.

Тогда, например, для пВУ =3, па = 4, пк = 4, ХВУ = 5-10-5 ч-1, Ха =1-10-5 ч-1, Хц = 1 -10 5 ч-1, Х^ = 2-10-8 (ч-м)-1, Ь = 100 м и при изменении общего числа периферийных абонентов п в пределах от 10 до 100, максимального числа «81ауе»-контроллеров в одном сегменте сети ЕШегСАТ п - в пределах от 5 до 30 область допустимых значений имеет вид, приведенный на рис.5.

Анализ соотношения (2) при принятых пределах изменений параметров ТР ИУВС РВ и интенсивностей отказов элементов и всей системы в целом показывает, что область допустимых значений несущественно зависит от максимального числа «Б1ауе»-контроллеров в одном сегменте сети ЕШегСАТ п (см. рис.5) и от максимальной длины

с

Ь стороны квадрата площади, на которой размещается система. С учетом этого соотношение (2) упрощается:

Г с 1тр ПВУ К ВУ

п(Ка ) П

Из соотношения (3) можно оценить максимально допустимое количество абонентов ишах (датчиков и исполнительных устройств), обслуживаемых ТР ИУВС РВ при известных структурных и надежностных параметрах системы:

> 1.

г с |тр ПВУ К ВУ

п <---

тах _

К +

к

(4)

п

(3)

На рис.6 представлена зависимость максимально допустимого количества абонентов ишах (датчиков и исполнительных устройств) от требуемой интенсивности от-

казов системы в целом |хс|тр и от максимального числа периферийных абонентов па (Д или ИУ), подключаемых к одному «81ауе»-контроллеру.

Из рисунка видно, что максимально допустимое количество абонентов птах (датчиков и исполнительных устройств) одного сегмента существенно зависит лишь от требуемой интенсивности отказов системы в целом |^с|тр.

Отметим, что эффективное повышение надежности, в частности наработки на отказ сегмента сети, возможно при применении поэлементного нагруженного дублирования или троирования многопортовых «Б1ауе»-контроллеров.

В работе [4] показано, что при нагруженном поэлементном дублировании наработка на отказ сегмента сети БШегСАТ оценивается как

~ к=П 2{п-к) .

ТГ = | рэд (= ^ (-1) * * . (5)

к!{п - к )!(п + к)Х,,

к=0

При нагруженном поэлементном троировании наработка на отказ сегмента сети EtherCAT оценивается как

^ ^ i=n I к=n—i /■ _ \ I

ст=jрэт(t)dt=j[Pm(i)^3(n—i)—-pm(t)у (n.i)- (—i)kpmmt, (6) 0 0 1=0 i!(n—1)! k=0 k(n—i—k)!

где Pm (t) = e sm ; Xsm и n - интенсивность отказов одного «Б1ауе»-контроллера и их число в сегменте сети EtherCAT.

Расчеты показывают, что при нагруженном поэлементном дублировании наработка на отказ сегмента сети EtherCAT с числом абонентов до 30 увеличивается более чем в 5 раз, а при предлагаемом нагруженном поэлементном троировании - более чем на порядок.

Заключение. Предложенная оценка максимального числа датчиков и исполнительных устройств ТР ИУВС РВ с использованием ЛВС EtherCAT (4) из условия обеспечения требуемой наработки на отказ всей системы позволяет учитывать требования к надежности при синтезе ТР ИУВС РВ. При этом вводятся ограничения на максимально допустимое количество абонентов nmax (датчиков и исполнительных устройств) одного сегмента при синтезе системы [5].

Литература

1. Ethernet POWERLINK. Communication Profile Specification. EPSG DS301.vl.l.0, 2008.

2. EtherCAT IEC 61158 Type 12.

3. Шишкевич А.А. Интерфейсы ЭВМ и систем: учеб. пособие. Ч. 2. - М.: МИЭТ, 2012. - 256 с.

4. Шишкевич А.А. Резервирование ЛВС реального времени EtherCAT // Изв. ТулГУ. Сер.: Технические науки. - 2014. - Вып. 12. - С. 244-251.

5. Куденко И.В., Скляров С.В., Шишкевич А.А. Методика синтеза структурной схемы территори-ально-распределенной информационно-управляющей вычислительной системы реального времени на базе ЛВС Ethernet и EtherCAT // Изв. вузов. Электроника. - 2013. - Вып.6. - С. 52-61.

Статья поступила 29 сентября 2015 г.

Шишкевич Александр Адамович - кандидат технических наук, профессор кафедры вычислительной техники МИЭТ. Область научных интересов: разработка ин-формационно-упрявляющих вычислительных систем.

0