Резервирование ЛВС реального времени EtherCAT Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.398.4.67

РЕЗЕРВИРОВАНИЕ ЛВС РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ ETHERCAT

А.А. Шишкевич

Предлагаются варианты поэлементного нагруженного дублирования и троирования ЛВС реального времени ЕЛегСАТ и аналитические соотношения для анализа количественных показателей надежности (вероятности безотказной работы, наработки на отказ) последних.

Ключевые слова: сеть ЕЛегСАТ, резервирование, поэлементное дублирование и троирование, вероятность безотказной работы, наработка на отказ.

В настоящее время использование ЛВС реального времени EtherCAT один из перспективных путей построения территориально распределенных ИУВС реального времени [1,2,3] и потому исследование возможностей повышения показателей надежности для такой ЛВС весьма актуальна.

Сегмент сети EtherCAT без резерва (рис.1, 2) включает один "master" модуль (ММ) и совокупность n "slave" модулей (SM), подключенных к n устройствам типа датчик/исполнительный механизм (D/E). Каждый "slave" модуль в свою очередь состоит из "slave"микроконтроллера (SmC) и "slave" устройства АЦП/ЦАП с внешним интерфейссом (SD/A). И имеет два порта для подключения к предшествующему и по следующему "slave" модулям сегмента сети кабелем E-bus/Ethernet (CE). На рис. 1 CD -кабель датчика/исполнительного механизма; P и CP - блок и кабель питания.

Рис .1. Сегмент сети EtherCAT без резерва

В настоящей работе при исследовании возможностей по увеличению надежности и оценке показателей надежности сети EtherCAT предполагается, что отказы носят катастрофический характер в виде прострей-шего потока; система (сегмент сети в целом) рассматривается как "псевдо-невосстанавлимая". Т.е. предполагается, что время программной реконфигурации системы много меньше времени работы до отказа всей системы. Восстановление отказавших модулей не предполагается ( параметр потока восстановления msM = 0). Резервирование нагружённое. В работе анализируются практически возможные варианты общего и поэлементного дублирования, общего и поэлементного троирования сети.

Пренебрегая ненадежностью "master" модуля (Imm=0), устройств датчик\испонителный механизм (Iqd = 0), блока питания (1р = 0) поскольку они единственные на n '^1ауе"модулей и ненадежностью кабелей датчика (Icd = 0), питания (1ср = 0), расчетную надежностную схему для нерезервированного варианта сегмента сети EtherCAT можно представить в виде, представленном на рис. 2.

Smn n

Рис. 2. Расчетная надежностная схема для нерезервированного варианта сегмента сети EtherCAT

Наработка на отказ нерезервированного варианта сегмента сети EtherCAT определяется соотношением

T0 =-1—, (1)

n1SM

где IsM = ISfiC + IsAD + Icd - интенсивность отказа одного из n "slave" модуля.

Поскольку наработка на отказ нерезервированного варианта сегмента сети EtherCAT линейно падает с увеличением числа абонентов сети, то уже при практически необходимом числе абонентов n= (10 - 25) она

4 2

становится недопустимо малой (10 - 4х10 )час. в предположении, что

Ism = 10-5-^. Представляется целесообразным исследовать практически

час

осуществимые варианты повышения надежности сегмента сети EtherCAT.

Общее нагруженное дублирование сегмента сети EtherCAT можно пояснить рис.3, где SW - коммутатор.

Рис. 3. Общее нагруженное дублирование сегмента сети Б^вгСАТ

С учетом ранее оговоренных допущений расчетную надежностную схему при общем нагруженном дублировании сегмента сети ЕШегСАТ можно представить в виде, представленном на рис. 4.

Рис. 4. Расчетная надежностная схема общего нагруженного дублирования сегмента сети EtherCAT

Пренебрегая отказами "master" модуля MM (1mm = 0) и коммутатора SM (lew = 0), нетрудно показать, что соотношения для оценки вероятности безотказной работы и наработки на отказ для случая общего нагруженного дублирования имеют вид:

(t) = 2 exp(-lsMt) - exp(-21sMt),

ТОД р°Д (t )dt

о n1SM

Как известно [4], общее нагруженное дублирование увеличивает наработку на отказ в 1,5 раза; троирование добавляет еще 1/3, но такой путь повышения надежности мало эффективен.

Поэлементное нагруженное резервирование сегмента сети EtherCAT обеспечивается возможностями реконфигурации сети при реализации " псевдо невосстанавливаемого режима". Эти возможности под-

держиваются особенностями протокола передачи пакета данных в сети EtherCAT, а именно: пакет, посылаемый "master" модулем, содержит поле значения специального счетчика [2], содержимое которого изменяется каждым "slave" модулем в процессе обращения к нему. Посылаемый пакет возвращается к "master" модулю и содержанием счетчика сигнализирует об ошибочной работе сети. В случае отказа "slave" модуля "master" модуль программно -аппаратно диагностирует работоспособность сети и рекон-фигурирует ее, используя еще одно полезное свойство сети: много порто-вость "slave" модуля.

Фирма "Beckhoff" [5], разработчик и инициатор применения сети EtherCAT, уже в настоящее время производит микрочипы контроллера ET1100 для создания "slave" модулей с числом портов от двух до четырех, что и обеспечивает программно управляемую аппаратурную конфигурацию сети . Управление портами"slave" модуля осуществляет "master" модуль. Следует отметить, что для повышения надежности самого"master" модуль фирмой "Beckhoff" предлагается его дублирование в сочетании коммутатором [5]

Поэлементное нагруженное дублирование сегмента сети EtherCAT c применением 4-портовых "slave" модулей можно пояснить (рис. 5).

Рис. 5. Поэлементное нагруженное дублирование сегмента сети

EtherCAT

С учетом тех же ранее оговоренных допущений о надежности "master" модуля и коммутатора расчетную надежностную схему при поэлементном нагруженном дублировании сегмента сети EtherCAT можно представить в виде, представленном на рис. 6.

Рис. 6. Расчетная надежностная схема поэлементного нагруженного дублирования сегмента сети EtherCAT

В целом сегмент сети при таком резервировании откажет (при учете возможности программной реконфигурации сегмента сети) лишь в том случае, когда отказывают и основной и резервный "slave" модуль одного абонента. Сегмент сети в целом функционирует при отказе до n "slave" модулей. Пренебрегая отказами "master" модуля MM и коммутатора SM, нетрудно показать, что соотношения для оценки вероятности безотказной

работы РЭД (t) и наработки на отказ Г^ от числа абонентов n сегмента

сети для случая поэлементного нагруженного дублирования имеют вид.

i=п i=п i=п i=п 2

Р*Д (t) = п Р (t) = П[1 - Q (t)] = П[1 - QSM; (t)QsMi (t)] = П[1 - Qsm (t)] = i=1 i=1 i=1 i=1

i=n

= П[1 - (1 - PSMi(t))2] = [1 - (1 - Psm(t))2]n = [2Psm(t) - PM(t)]n = i=1

= sTtt^PPsm(t)]n+k(-1)k[Psm(t)]k = if (-1)k P§Mk(t).

k=o k!(n - k)! '=0 k!(n - k)!

С учетом того, что Psm (t) = e~1sMt

рЭД(t) = if (-1)' 2(П-k) n! e-(n+klsMt

k=o k!(n - k)! '

ГЭД=¥ рэд (г ^=^ (-^^пц. .

0 k=0 k!(n - k)!(n + k)1SM

Поэлементное нагруженное троирование сегмента сети EtherCAT с применением 6-портовых " slave" модулей можно пояснить рис.7.

С учетом принятых допущений о надежности "master" модуля и коммутатора расчетную надежностную схему при поэлементном нагруженном троировании сегмента сети EtherCAT можно представить в виде, представленном на рис. 8.

I S Е;

V ^

S Е Е-

Е Е М § S

Е 5

Ssmi

I Е Е !

Е Е М

Е Е 1-Е S Е

3

S Е

Е

0 g

Е Е

М

S I

Е Е Е

5 Е

Е Е S Е

S Е

й 1=

Рис. 7. Поэлементное нагруженное троирование сегмента сети EtherCATс применением 6-портовых "slave"модулей

MM SW

Smi Sm2

Smi* Sm2*

Smi* Sm2*

Smn

Smn*

Smn*

Рис.8. Расчетная надежностная схема при поэлементном нагруженном троировании сегмента сети EtherCAT

В целом, сегмент сети при таком резервировании откажет (при учете возможности программной реконфигурации сегмента сети) лишь в том случае, когда отказывают и основной и оба резервных "slave" модуля одного абонента. Сегмент сети в целом нормально функционирует при отказе до 2n из общего числа 3n "slave" модулей. Пренебрегая отказами "master" модуля (MM) и коммутатора (SM), нетрудно показать, что соотношения для оценки вероятности безотказной работы PЭТ (t) и наработки на отказ тЭД от числа абонентов n сегмента сети для случая поэлементного нагруженного троирования имеют вид

Е

Е

Е

Й

РЭТ (0 = [1 - (1 - р5м (О)Г = РПм (0[3 - Щы (О + 4м (0]п =

1=п |

= РПм (О Е 3( п-2) —^ Р§м (ОР - Р5М М]*^ =

1!(Л - 2)!

1=0 1=п

= РПм(0! 3(п-1)—"Ц- Р2М(!) I-1к!((п-1)!кА-^Р^мС). 1=0 1!(п- 1)! к=0 к!(п-1 - к)!

С учетом того, чтоР$м(!) = ё~1м наработку на отказ ТоТдля случая поэлементного нагруженного троирования можно вычислить как.

¥

тЭТ = | РЭТ (0^=

0

= / Рм (О!" з(п-1) Р$М ('/Т,,(п ~,1')!„, (-1)к Ркм (№

к=п-1

У -к=0 к!(п-1 - к)!'

0 1=0 1!(п -1)! где Рш (!) = е_Лм

Вводя понятие коэффициента выигрыша в надежности при приме-

ТР

нении резервирования Кв = как отношение наработки на отказ при ре-

Т

^Р

зервировании Т0 к наработке на отказ нерезервированного сегмента сети Т0 нетрудно оценить эффективность нагруженного поэлементного дубли-

рования Кв

_ ±о

тЭЭД

Т

-*■ ГЛ

и троирования Кв

о

Т

ЭТ

Т

-*■ ГЛ

в зависимости от числа або-

нентов сегмента сети (рис. 9).

Поэлементное дублирование

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

Рис. 9. Эффективность нагруженного поэлементного дублирования и троирования в зависимости от числа абонентов сегмента

В заключение отметим, что в работе предлагаются, на наш взгляд, оригинальные варианты поэлементного дублирования и троирования сегмента сети EtherCAT и приводятся соотношения для оценки вероятности безотказной работы и наработки на отказ. Из этих оценок следует, что предлагаемый вариант нагруженного поэлементного дублирования увеличивает наработку на отказ сегмента сети EtherCAT с числом абонентов до 30 более чем 5 раз, а предлагаемый вариант нагруженного поэлементного троирования может увеличивает наработку на отказ сегмента сети EtherCAT с числом абонентов до 30 более чем 10 раз. Другими словами, наработка на отказ резервированной сети EtherCAT, объединяющей до 30 абонентов, может составлять 2...4 тысячи часов против 400 часов для нерезервированной сети с тем числом абонентов.

Список литературы

1. Маштаков А. Промышленный Ethernet - особенности применения // «ИСУП». 2009. №4(24).

2. EtherCAT IEC 61158 Type 12.

3. Куденко И.В., Скляров С.В., Шишкевич А.А. Методика синтеза структурной схемы территориально-распределенной информационно-управляющей вычислительной системы реального времени на базе ЛВС ETHERNET И ETHERCAT // Известия вузов. Электроника. Вып.6. М.:МИЭТ, 2013. С. 52-61.

4. Ушаков И. А. Курс теории надежности: учебное пособие для вузов. М.: Дрофа, 2008. 239с.

5. www.beckhoff.ru

Шишкевич Александр Адамович, канд. техн. наук., проф., [email protected], Россия, Москва, Зеленоград, Национальный исследовательский университет «МИЭТ»

RESERVATION OF A LAN OF REAL TIME OF ETHERCAT

A.A. Shishkevich

Options of the bit-by-bit loaded duplication and troirovaniye of a LAN of real time of EtherCAT and analytical ratios for the analysis of quantitative indices of reliability (probability of no-failure operation, a time between failures) of the last are offered.

Key words: EtherCAT network, reservation, bit-by-bit duplication and troirovaniye, probability of no-failure operation, time between failures.

Shishkevich Alexander Adamovich, candidate of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Moscow, Zelenograd, National Research University