CC BY
13
ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫХ МОДУЛЬНЫХ СИСТЕМ
РАДИАЦИОННОГО КОНТРОЛЯ_
Скляр Андрей Вадимович
Аспирант 2-го курса ИРТСиУ ИТА ЮФУ, г. Таганрог E-mail: sklyar.andrey@mail.ru Мережин Николай Иванович к.т.н., доцент, зав. кафедрой ТОР ИРТСиУ ИТА ЮФУ, г. Таганрог
Скляр Вадим Фёдорович нач. отдела МП систем ООО «НКБ Импульс» г. Таганрог
Аннотация
В статье представлены особенности создания автоматизированных систем радиационного контроля на объектах с повышенной радиационной опасностью, выполненных с учетом принципов построения многофункциональных модульных систем, описанных в предыдущих статьях авторов.
Abstract
The article presents the features of creation of the automated systems of radiation control at high radiation hazardous objects which made with regard to the principles of construction of modular multifunction systems described in previous articles by authors.
Ключевые слова: радиационный контроль; модульная концепция; многофункциональная система.
Keywords: radiation monitoring; modular concept; multifunctional system.
Модульные принципы построения систем используется практически во всех сферах деятельности человека: от мебельных конструкций до генной инженерии. Концепция построения многофункциональных модульных систем (МФМС) [1, 2], как частный вариант модульных систем, применима и в разработке автоматизированных систем радиационного контроля (АСРК) для радиационно-опасных объектов и АЭС. Причем данное утверждение относится как к трехуровневым АСРК, состоящим из подсистем нижнего среднего и верхнего уровня, так и к двухуровневым АСРК, включающим в себя только подсистемы нижнего и верхнего уровней.
Приведём подтверждения справедливости этого утверждения.
Рассмотрим на рисунке 1 а) упрощённую структурную схему построения типовой подсистемы с элементами нижнего и среднего уровней трехуровневой АСРК, характерную для любых ее подсистем накопления и обработки информации радиационного контроля. А затем детализируем (см. рисунок 1 б)) структуру устройства накопления и обработки (УНО) этой подсистемы. При этом выделим на схемах элементы, присущие МФМС, в соответствии с принципами её построения [2].
Устройства «Нижнего уровня»
Илок детектирования ^/Щина сдязи (ЬД-Ц J\|-—-
о о о
Ьлок ^тмтщышуШ К
(БД /V) ^щина связи ьд-i^/
Датчик параметра ЪА
среды (ДПС-1) {Щина связи ДПС-М
о о о
о о о
Датчик параметра
среды (ДПС-M) ^на связи ДПС-МЛ
Устройство «Среднего уровня»
Устройство накопления и обработки (УНО)
Устройство накопления и обработки (УНО)
Модуль центрального процессорного устройства
А
ГIII
J\
кШина связи МСВС/i N- -I/L
Модуль связи
Лина связи МзИМодуЛЬ электЕо—\ \|- -1/1.-
Шина связи МС Модуль сигнализации
(МС)
____г I
Шина связи МП
Модуль памяти )
Шина связи МП
с Шшвяй мвв>' гыв°да~ \----___(МВВ)___
а) б)
Рисунок 1. Структурные схемы: а) типовой подсистемы трёхуровневой АСРК; б) устройства
накопления и обработки
Прежде всего, определимся с функциональ- датчики, объединенные в исследуемую систему и ными модулями. К этой категории, согласно их решающие для нее элементарные задачи. Как пра-определению [2], можно отнести все детекторы и вило, подсистема АСРК имеет от одного до десяти
однотипных или разнотипных блоков детектирования (БД) и от 0 до нескольких единиц разнотипных датчиков параметров среды (ДПС). Для удобства рассмотрения данного вопроса будем условно считать, что подсистема объединяет разнотипные БД и ДПС с количеством, в соответствии с этим условием, Мвд > 1 и Мдпс > 1.
Внутрисистемные связи (ВСС) функциональных модулей в подсистемах трехуровневых АСРК до недавнего времени традиционно выполнялись оригинальными шинами, где для электропитания и каждого сигнала управления, сигналов детекторов и датчиков были выделены отдельные линии. И эти линии связи не были ни как стандартизованы. Поэтому на схеме (см. рисунок 1 а)) они представлены отдельными шинами.
Теперь рассмотрим структуру УНО (см. рисунок 1 б)). Ядром системы [2], несомненно, является модуль центрального процессора УНО (МЦПУНО), выполняющий всю необходимую обработку данных и формирование команд управления БД. К МЦП УНО подводятся шины ВСС как функциональных, так и базовых модулей.
Базовыми (сервисными) модулями [2], представляющими собой устройства, обеспечивающие работоспособность системы, являются:
• модуль связи с «Верхним уровнем» (МСВУ) для передачи в устройства верхнего
Результатом проведённого структурного анализа является схема, представленная на рисунке 2, на которой показаны с одной стороны элементы АСРК:
• устройства «Нижнего уровня» - блоки детектирования а, в, у излучений контролируемой среды - БД и датчики параметров (температуры, давления и т.п.) этой среды - ДПС;
• устройство «Среднего уровня» - устройство накопления и обработки -УНО, полученных от БД данных радиационного контроля исследуемой среды, выполненных с учетом её параметров, полученных от ДПС.
уровня данных радиационной обстановки, а также приема команд управления и информации (о пороговых уставках, поправочных коэффициентах и т.п.);
• модуль электропитания всех устройств системы (МЭП) через шины связи;
• модуль внутренней и внешней световой и звуковой сигнализации, если таковые функции назначены УНО;
• модуль расширения памяти команд - постоянное запоминающее устройство и/или памяти данных - оперативное запоминающее устройство, если такие операции необходимы МЦП УНО;
• модуль ввода и вывода (отображения) информации (МВВ), если таковые операции требуются УНО.
Как правило, первые два модуля устанавливаются в УНО в обязательном порядке, последние три модуля и возможные дополнительные базовые модули, не приведённые на схеме (см. рисунок 1), могут входить в состав системы при необходимости, и показаны на схеме штриховыми линиями.
ВСС базовых модулей, таких как МЭП и МС, обычно выполняются оригинальными линиями, а таких как МП и МВВ - стандартными, но специфичными и отличными друг от друга интерфейсами, поэтому на схеме (см. рисунок 1 б)) они выделены в отдельные шины.
С другой стороны, элементы МФМС обособленны в группы модулей по следующим признакам [2]:
• функциональные модули, решающие элементарные задачи радиационного контроля и измерения параметров контролируемой среды;
• ВСС функциональных модулей, обеспечивающие их электропитание, передачу измерительных сигналов и команд управления;
• ядро МФМС, выполняющее все командные и вычислительные операции в соответствии с алгоритмом решения макрозадачи подсистемой радиационного контроля;
Устройства «Нижнего уровня»
Функциональные модули системы
Блок детектирования (БД-1)
Блок детектирования (БД-N)
Датчик параметра среды ДпС-1)
Датчик параметра среды (ДПС-M)
Внутрисистемные связи функциональных модулей
И N
С Шина связи БД-1 > Шина связи БД-1
Ш
Шина связи БД-N
А
Г III,
¡> С^
\Шина связи ДПС-1 л
г-ятнИ
л
\
и >
\Шина связи ДПС-M л
Ш к
Устройство «Среднего уровня»
Устройство накопления и обработки (УНО)
Ядро
многофункциональной модульной системы
Ш /i
Модуль центрального процессора устройства накопления и обработки (МЦП УНО)
\Шина связи МСВУ л
Ш к
Внутрисистемные связи базовых модулей
Шина связи МЭП
Модуль электропитания
J\
DV >
/I
,IN
Шина связи МС у
\|----1/
/I____lN
Шина связи М
\1 /I
I/ i\
Базовые модули системы
И
Линии СЭП электропитания
Модуль связи с Верхним уровнем (МСВУ)
Модуль сигнализации
Шина связи МВВ \1 I/
Модуль памяти
(МП)
Модуль ввода и вывода
Устройства «Верхнего уровня»
Система
А \
Интерфейс
Серверы
7s
Система ввода и вывода информации
Рисунок 2. Структурная схема подсистемы трёхуровневой АСРК, представленная в виде МФМС
• ВСС базовых модулей, обеспечивающие их электропитание, передачу информации ввода-вывода и обмена с внешними системами;
• базовые (сервисные) модули, обеспечивающие работоспособность системы - электропитание, хранение данных и информационный обмен с внешними системами и оператором.
Проведённый анализ схемы, приведённой на рисунке 2, вне всяких сомнений и наглядно позволяет идентифицировать АСРК как МФМС, в соответствии с принципами построения последней [2].
Теперь детально разберём структурную схему (см. рисунок 2) на соответствие свойствам [1] МФМС. Надобность в такой ревизии продиктована необходимостью удостоверится в действительном и полном соответствии свойств МФМС применительно к АСРК.
Макрозадача МФМС - это системное решение множества элементарных задач функциональных модулей. В нашем случае, это получение представления о радиационной обстановке в результате обработки информации, полученной от БД и ДПС. Таким образом, подтверждается наличие многозадачности, и совместимости полных аналогов модулей [1] исследуемой системы, но на этом всё и ограничивается. Имеется, правда, возможность аппаратного и программного резервирования, но такие свойства МФМС как изменяемость, преемственность и автоподстройка остаются нереализованными.
Всё дело в том, что оригинальные линии связи в исследуемой системе не поддерживают и вообще не могут поддерживать изменяемое разнообразие модульной функциональности. Для преодоления этих трудностей требуется всего лишь применение
в качестве ВСС - стандартных интерфейсов, позволяющее реализовать такое важное свойство как за-мещаемость модулей и, как следствие, привести исследуемую систему к виду, соответствующему МФМС.
Построение АСРК по трехуровневой схеме, в своё время, было продиктовано рядом объективных обстоятельств, в числе которых дороговизна и громоздкость применения вычислительных средств непосредственно в элементах нижнего уровня. А для применения стандартных интерфейсов в подсистемах нижнего уровня необходима оцифровка сигналов БД.
Появление широкой линейки недорогих микроконтроллеров различных, в том числе и отечественных фирм, обладающих обильной функциональной насыщенностью, привело к возможности создания двухуровневой концепции построения АСРК. Её структура с элементами МФМС приведена на рисунке 3.
Функциональными модулями являются те же БД, преобразованные вместе с УНО в моноблочные устройства детектирования, а также устройства управления механизмами и устройства измерения параметров среды - собранные в комплекс метрические приборы.
В качестве ВСС функциональных модулей целесообразно использовать интерфейс RS-485 и линии электропитания со стандартным напряжением + 24 В, универсальным для DC/DC-преобразователей функциональных модулей. Подобным же образом построены каналы ВСС, только в качестве интерфейса выбран более высокоскоростной Ethernet, а в линии электропитания подается переменное напряжение 220 В частотой 50 - 60 Гц.
Устройство детектирования (УД-1)
Устройства «Нижнего уровня»
Функциональные модули системы
о о
Устройство детектирования (УД-N)
Датчик параметров среды (ДПС-1)
о о о
Датчик параметров среды (ДПС-M)
Устройство управления механизмами (УУМ-1)
о о о
Устройство управления механизмами (УУМ-К)
Внутрисистемные связи функциональных модулей
1_М" yi__к
> А—
Устройства «Верхнего уровня»
Ядро системы
Сервер-1
Сервер-L
Базовые модули системы
Устройство бесперебойного электропитания (УБП-1)
Устройство бесперебойного k электропитания (УБП-2)
Устройство бесперебойного электропитания (УБП-3)
Устройство бесперебойного электропитания (УБП-4) ,
Внутрисистемные связи базовых модулей
Л_К/ yi_N
Базовые модули системы
Устройство сопряжения (УС-1)
Устройство сопряжения (УС-P)
Автоматизированное рабочее место (АРМ-1)
Автоматизированное _рабочее_место_(АРМ-0)
Устройство индикации (УИ-1)
Устройство индикации (УИ-R)
Рисунок 3. Структура двухуровневой АСРК, представленная в виде МФМС
Все мнения о большей надежности параллельных линий связи в АСРК беспочвенны при организации резервирования каналов ВСС как стандартных интерфейсов, так и линий электропитания. Причём количество резервных каналов ВСС (кратность резервирования) в МФМС можно наращивать.
Роль ядра МФМС выполняют серверы АСРК -промышленные вычислительные системы с накопителями информации. Организация работы серверов имеет возможность как резервирования модулей серверов для выполнения определённых функций, так и распределение одновременного решения задач между несколькими модулями серверов.
Базовыми модулями, прежде всего, являются устройства бесперебойного электропитания. Они относятся к одной категории, но территориально могут располагаться в наиболее удобных для своих выполняемых функций местах. Поэтому на схеме (см. рисунок 3) УБП1, УБП2 относятся к устройствам верхнего уровня и располагаются в чистой зоне, а УБП3, УБП4 относятся к устройствам нижнего уровня и могут располагаться в любой требуемой локальной зоне. При этом количество УБП ничем не ограничено кроме потребляемого тока и месторасположения функциональных модулей.
К базовым модулям относятся автоматизированные рабочие места (АРМ) оператора, представляющие собой устройства ввода и отображения информации. А также к ним относят устройства индикации, наглядно отображающие мониторинг радиационной обстановки исследуемого объекта, выполненные как в виде цветовых светосигнальных панелей, так и в виде крупноформатных дисплеев.
Концепция построения МФМС позволяет включать в свой состав любое количество функциональных и базовых модулей, ограниченное только количеством адресов и каналов интерфейсов ВСС.
АСРК как МФМС имеет возможность включать в себя и подсистемы в виде МФМС. Ярким примером такой подсистемы среди устройств верхнего уровня является АРМ оператора, а среди устройств нижнего уровня можно выделить расходомеры воздуха, которые в настоящее время выпускаются в комплексе с датчиками давления и температуры.
Подводя итоги можно сделать следующие выводы:
• и двух- и трехуровневые АСРК представляют собой МФМС;
• свойства [1] и принципы [2] построения МФМС позволяют создать оптимальную и рекон-фигурируемую структуру АСРК.
Список литературы
1 Скляр А.В., Мережин Н.И. Основные свойства модульных многофункциональных систем. Евразийский Союз Ученых (ЕСУ). Ежемесячный научный журнал № 4 (13) / 2015, часть 5, с. 41 - 43.
2 Скляр А.В., Мережин Н.И. Особенности построения модульных многофункциональных систем. Евразийский Союз Ученых (ЕСУ). Ежемесячный научный журнал №3 (12) / 2015,часть 5, с. 6 -8.
