КОНТРОЛЬНЫЙ ПРОЦЕССОР С ИНФОРМАЦИОННЫМ РЕЗЕРВИРОВАНИЕМ Российский патент 2000 года по МПК G05B23/00 

Изобретение относится к технике автоматизированного контроля и может быть использовано для контроля параметров и сбора информации о функционировании управляющего устройства и объекта управления. Предлагаемое устройство может быть использовано, например, в автоматизированной системе учета электрической энергии, учета и регулирования тепловой энергии, в системах управления технологическим процессом и прочих информационных системах.

Известно "Устройство для контроля параметров" по описанию к изобретению а. с. СССР N 1820362, кл. G 05 В 23/02, G 06 F 15/46, опубликовано в БИ N 21 07.03.93 г. (1).

Это устройство осуществляет лишь контроль параметров и не имеет запоминающего устройства для хранения промежуточной информации о параметрах регулирования объекта управления в течение определенного промежутка времени. Устройство контролирует лишь уровни сигналов и допустимые приращения сигналов. Устройство не запоминает информацию в заданные и определенные моменты времени (секунды, минуты, часы, сутки, недели и т.п.).

Целью предлагаемого изобретения "Контрольный процессор с информационным резервированием" является:
1. снижение объема искаженной информации;
2. создание контрольного процессора, который помнит важнейшие параметры и состояние объекта управления в определенные моменты времени:
3. создать такой контрольный процессор, который выявляет отклонения в параметрах системы в процессе эксплуатации и блокирует выполнение программы на время отклонения параметров от номинальных или переводит систему в безопасное состояние.

Указанная цель достигается путем информационного резервирования, то есть обеспечения требуемой надежности всей системы.

В предлагаемом устройстве "Контрольный процессор с информационным резервирование" содержатся два блока информационного резервирования: первый блок энергонезависимой памяти, выполненный, например, на основе микросхемы флэш-памяти фирмы AMD (Advanced Micro Devieces inc) Am 29F016 или статического КМОП ОЗУ с батарейным питанием; второй блок, выполненный на основе микросхемы энергонезависимого однократно-программируемого запоминающего устройства АТ27С080 фирмы "ATMEL".

В предлагаемом устройстве содержатся активные средства защиты, которые выявляют отклонения в параметрах системы в процессе эксплуатации, например, уменьшение напряжения питания, просадка сетевого напряжения и т.п., а также блокируют выполнение программы на время отклонения параметров от номинальных или переводят ее в безопасное состояние.

Микропроцессорное устройство предлагаемого контрольного процессора содержит микропроцессор, например AT mega 103 фирмы "ATMEL" И ПЛИС, Например, ЕРF10K20RC208 фирмы "Altera".

Использование ПЛИС на основе программно-перестраиваемых структур позволяет оперативно контролировать параметры управляющего устройства и объекта управления без изменения электрической схемы.

В традиционных системах информационное резервирование осуществляют внутри управляющего устройства со всеми вытекающими отсюда негативными последствиями, то есть запись осуществляют или на магнитный диск (винчестер) или непосредственно в память (в статическое ОЗУ или динамическое ОЗУ).

Использование технологии сохранения данных внутри управляющего устройства не гарантирует их 100%-ную сохранность в процессе функционирования системы (компьютерные вирусы, аварийные отключения, аварийные ситуации в блоках питания устройств и т.п.).

В качестве отдаленного аналога предлагаемому изобретению "Контрольный процессор с информационным резервированием" можно принять "Устройство для контроля параметров" по а.с. СССР N 1820362 (1).

Вместе с тем в результате изучения доступной зарубежной и отечественной патентной и научно-технической информации, можно сделать вывод о том, что близкого аналога предлагаемому изобретению в мире не существует.

На фиг. 1 изображена схема системы управления, содержащая объект управления, управляющее устройство и контрольный процессор. На фиг.2 изображена схема предлагаемого контрольного процессора с информационным резервированием.

Предлагаемый "Контрольный процессор с информационным резервированием" состоит (фиг. 1 и 2) из блока энергонезависимой памяти, выполненной, например, на основе микросхемы флэш-памяти фирмы AMD (Advanced Micro Devieces Inc) Am29F016 или статического КМОП ОЗУ с батарейным питанием, который подсоединен к микропроцессорному устройству контрольного процессора и блоку активных средств защиты, который предотвращает порчу информации в энергонезависимой памяти при переходных процессах или в случае неправильного функционирования устройства; также содержит блок энергонезависимого однократно-программирующего запоминающего устройства, подсоединенного к микропроцессорному устройству контрольного процессора и к блоку активных средств защиты, который также предотвращает порчу информации в энергонезависимой памяти при переходных процессах или в случае неправильного функционирования контрольного процессора.

Блок энергонезависимого однократно-программируемого запоминающего устройства выполнен на основе микросхемы АТ27С080 фирмы "ATMEL".

Предлагаемое устройство содержит также блок активных средств защиты, выполненный на основе двух микросхем: первой микросхемы супервизора питания ADN 691, которая отслеживает все переходные процессы в цепях питания контрольного процессора и предотвращает порчу информации в блоках энергонезависимой памяти и подает сигнал прерывания микропроцессорному устройству контрольного процессора в случае просадки сетевого напряжения питания для нормального (безаварийного) завершения управляющей программы контрольного процессора; и второй микросхемы ЕРМ9320RC208 фирмы "Altera" для контроля цифровых сигналов управления, правильности работы протоколов обмена и т.п.

Предлагаемое устройство содержит также микропроцессорное устройство контрольного процессора, выполненное на основе двух микросхем: микросхемы восьмибитового RISC микроконтроллера ATmega 103, который подключен к дополнительному батарейному питанию и в котором разрешена работа нулевого таймера-счетчика в асинхронном режиме (таймер реального времени) и, который, в свою очередь, управляет операциями записи чтения в блоках энергонезависимой памяти, осуществляет программный контроль управляющего устройства и объекта управления, их тестирование и реализацию функций информационного резервирования; вторая микросхема EPF10K20RC208 фирмы "Altera" осуществляет аппаратный контроль управляющего устройства и объекта управления, а также диагностику управляющего устройства и объекта управления и является своеобразным "окном" между контрольным процессором и управляющим устройством с объектом управления.

Загрузка программы функционирования ПЛИС производится посредством микроконтроллера ATmega 103.

Предлагаемый "Контрольный процессор с информационным резервированием" осуществляет:
1) контроль источников вторичного питания: выявляет флуктуации питающих напряжений, высоковольтные, кратковременные, маломощные сигналы (помехи), пропадание напряжений питания; контроль осуществляется встроенным на кристалле микроконтроллера АЦП (аналого-цифровым преобразователем);
2) контроль интерфейсных сигналов (их последовательности), передачи адресов, команд, данных, прерываний, запросов ПДП и т.п.; эту функцию на двух различных уровнях реализуют две микросхемы: на уровне контрольного процессора - ЕPM932ORC208, а на уровне управляющего устройства с объектом управления - ЕPF10K20RC208;
3) контроль доступа в различные области памяти, регистровых внешних устройств; защита от записи, чтения в определенные моменты времени, в зависимости от выполняемой задачи. Эту функцию на двух разных уровнях реализуют две микросхемы: на уровне контрольного микро процессора - EPM9320RC208, а на уровне управляющего устройства с объектом управления - ЕPF10K20RC208;
4) контроль выполнения программы: отслеживаются контрольные точки, контроль за трассой программы, контроль временных интервалов выполнения программы; эту функцию на двух различных уровнях реализуют две микросхемы: на уровне контрольного процессора - ЕРМ9320RС208, а на уровне управляющего устройства с объектом управления - EPF10K20RC208;
5) контроль выполнения задачи, который основывается на логике решения задачи.

Предлагаемый "Контрольный процессор с информационным резервированием" функционирует (работает) следующим образом.

Любая управляющая система может быть описана при помощи систем уравнений следующего вида:
z = f (x,y,t),
где z - выходы системы (n - мерный вектор);
y - внутреннее состояние системы (n - мерный вектор);
t - время.

В определенный момент времени контрольный процессор вычисляет значение функции P_k = P_k (x,y,z,t) и записывает ее в определенные поля флэш-памяти,
где P_k - это "k" - тый образ системы в определенный момент времени.

При достижении определенного события s_i (x,y,z,t) производится расчет функции V_i = P_k (t^*),
где t^* - время (дискретное) для дискретных управляющих процессов;
V_i - количественные характеристики объекта в определенный момент времени.

И наконец V_i= ΣP_k(t^*)dt для непрерывных технологических процессов.

Возможен расчет V_i по другим формулам.

После вычисления V_i (безаварийные процессы) производится запись V_i в определенные поля памяти энергонезависимого однократнопрограммируемого запоминающего устройства.

Ячейки (поля памяти) в энергонезависимой памяти, зарезервированные для хранения P_k, стираются. Процесс в дальнейшем продолжается аналогичным образом.

Предлагаемый "Контрольный процессор с информационным резервированием" разработан, изготовлен и испытан с положительными результатами в г. Омске в системе поддержания заданных температур в техпроцессе вулканизации резины.

Функциональная схема контрольного микропроцессора с информационным резервированием упомянутого вулканизатора изображена на фиг. 3. Данная функциональная схема является частью всей схемы вулканизатора.

В данном случае рассматривается работа лишь контрольного процессора.

Разработанная система (вулканизатор) обеспечивает:
- регулирование температуры;
- реализацию циклограммы работы устройства;
- ведение статистики работы системы;
- диагностику системы.

Устройство (вулканизатор) работает следующим образом.

Пользователь вулканизатора выбирает соответствующее время и температуру вулканизации через ИК порт связи (модуль D₁₅ и ИК светодиод V₁₁) и запускает в работу устройство. В процессе работы устройство реализует заданную циклограмму. После окончания одного цикла работы происходит сброс температуры и разблокирование всего устройства (в соответствии с заданной циклограммой).

Контрольный процессор перехватывает у управляющего устройства (см. фиг. 1) параметры регулирования системы через ПЛИС D₁ и загружает ПЛИС программы контроля параметров (аппаратный, грубый контроль). После этого процессор контрольного процессора (микросхема D₂) высчитывает функцию P_k = P_k(x,y,z, t).

В данном случае время дискретизации будет равно одной секунде. Всего в каждое дискретное время будет вычислено два значения функции P_k.

где Δt - период квантования (в данном случае одна секунда);
T - температура вулканизации нагревательной поверхности прижима вулканизатора,
а T = f(x)
где x - входы системы.

Функция является отображением внутреннего состояния системы (y) и выходов системы (z).

Под внутренним состоянием системы будем понимать байт состояния, который поделен на две тетрады. Одна тетрада является функцией включения-выключения четырех электропневмоклапанов вулканизатора, другая тетрада отображает вершину графа схемы переходов циклограммы работы вулканизатора.

Под выходом системы будем понимать байт, который подается на регистр ШИМ, осуществляющий отображение уровня выходной мощности, которая подается на электроспираль нагревательного элемента.

Каждую секунду контрольный процессор записывает в микросхему флэш-памяти следующую информацию:

- байт внутреннего состояния системы;
- байт уровня выходной мощности нагревательного элемента.

Попутно производится контроль трассы работы программы и логический контроль решения задачи (обмен информации осуществляется через ПЛИС D₁).

Возможны следующие состояния системы:
1) кратковременный сбой;
2) неправильное функционирование устройства (вулканизатора);
3) отключение вулканизатора от сети с потерей информации в управляющем устройстве.

Система при возникновении этих состояний реагирует следующим образом.

1.1. Кратковременный сбой с установкой неправильных выходных данных; этот сбой обнаруживается ПЛИС D₁ на основе информации о вершинах графа переходов и о разрешенности в формировании выходных функций в данных вершинах. Контрольный процессор перезапускает управляющее устройство и отправляет его программу в вершину графа, в которой был сбой. При этом в случае появления неправильных выходных данных, ПЛИС D₁ блокирует их выдачу.

1.2. Кратковременный сбой с переходом в нулевое состояние управляющего устройства (сброс). Управляющее устройство получает информацию из последней "правильно" записанной записи микросхемы D₄ (флэш-память) и управляющее устройство восстанавливает свое предыдущее состояние.

2. Неправильное функционирование вулканизатора отслеживается и в самом управляющем устройстве и в самом контрольном процессоре; в контрольном процессоре информация отслеживается на двух уровнях - программном (микросхема D₂) и аппаратном (микросхема D₁). В зависимости от ситуации происходит перевод сигналов в безопасное состояние, после чего происходит сброс управляющего устройства с последующим переводом его в вершину графа состояния, до определения которого (состояние неправильного функционирования вулканизатора) была найдена "правильная" запись во флэш-памяти.

3. Отключение вулканизатора от сети с потерей информации в управляющем устройстве. В этом случае необходимо провести правильную разблокировку системы после подачи напряжения питания. Контрольный процессор производит поиск номера последней "правильной" записи флэш-памяти, в ячейке которой имеется информация о состоянии, в котором пропало сетевое напряжение. Контрольный процессор определяет текущее состояние системы и переводит управляющее устройство в безопасное состояние.

В случае неправильного функционирования вулканизатора по достижении внешнего или внутреннего состояния s_i (x,y,z,t), например, принудительный останов программы пользователем или окончание времени вулканизации производится расчет (контрольным процессором) интеграла теплоты по следующей формуле (безаварийный процесс):

где V₁ - время вулканизации (интегральный параметр);
Т_зад - заданная температура вулканизации.

На основе полученного V₁ и фактически заданного времени вулканизации делается вывод (как контрольным процессором, так и управляющим устройством) о качестве вулканизируемой резины.

Аналогично можно подсчитать мощность, затраченную на реализацию технологического процесса вулканизации.

Значение V₁, а также

V₂ - время (это фактический параметр)
и V₃ - t₀,
где t₀ - время окончания технологического процесса вулканизации записывается в энергонезависимое однократно- программируемое постоянное запоминающее устройство, при этом поля памяти, в которых записывались P_k, стираются.

Аналогичным образом весь процесс в дальнейшем повторяется. Предлагаемый контрольный процессор позволяет функционировать вулканизатору при одном отключенном температурном датчике на основе информации, полученной во время безаварийного процесса (множества P_k).

При потере информации, например, с верхнего датчика вулканизатора нижний датчик производит нормальный съем информации и на основании этой информации производится нормальное регулирование температуры нижнего прижима.

Множество P_k (для верхнего прижима), соответствующее отображению уровня выходной мощности ко времени, будет соответствовать и множеству P_k, соответствующее выходной мощности, времени и температуре (для нижнего прижима).

Регулирование мощности нагревателя в верхнем прижиме вулканизатора должно осуществляться следующим образом:
1) проводить поиск с нулевой записи в сторону увеличения ее номера, пока T и уровень выходной мощности (в дальнейшем W) не будут меньше по модулю заданного ε (в множестве P_k для нижнего прижима);
2) выдать в верхний прижим нагревателя уровень мощности, соответствующий номеру данной найденной записи для верхнего прижима, сделанной в равных условиях при безаварийном процессе;
3) при поступлении следующего P_k аналогичным образом провести поиск ближайшей пары T и W для нижнего прижима и выдать соответствующий W в верхний прижим.

Система поиска информации соответствующих пар T и W должна быть построена таким образом, чтобы при выборе пары с увеличением в большую сторону номера записи ε искусственно уменьшается, а при уменьшении номера записи ε искусственно увеличивается (так называемая система штрафов-поощрений).

Таким образом, предлагаемая система позволяет осуществить полное информационное резервирование процессов в управляющей системе (вулканизатора). При этом пользователю будет интересно узнать количественные характеристики системы (множество V_i).

Литература:
1. "Устройство для контроля параметров", описание изобретения к а.с.СССР N 1820362, кл. G 05 В 23/02, G 06 F 15/46, опубликовано в БИ N 21, 07.03.93 г.

Изобретение относится к технике автоматизированного контроля и может быть использовано для контроля параметров и сбора информации о функционировании управляющего устройства и объекта управления и может быть использовано, например, в автоматизированной системе учета электрической энергии, учета и регулирования тепловой энергии, в системах управления технологическим процессом и прочих информационных системах. Техническим результатом является снижение объема искаженной информации, создание контрольного процессора, который помнит важнейшие параметры и состояние объекта управления в определенные моменты времени, выявляет отклонения в параметрах системы в процессе эксплуатации и блокирует выполнение программы на время отклонения параметров от номинальных или переводит систему в безопасное состояние. Процессор содержит микропроцессор, соединенный с энергонезависимой памятью и предназначенный для программного контроля в системе управления управляющего устройства с объектом управления, для вычисления значений функции P_к образа системы в определенный момент времени, записи указанного значения функции в энергонезависимую память. 2 ил.

Контрольный процессор с информационным резервированием, содержащий микропроцессор, соединенный с энергонезависимой памятью, отличающийся тем, что процессор содержит энергонезависимое однократнопрограммируемое запоминающее устройство, блок активных средств защиты, а микропроцессор предназначен для программного контроля в системе управления управляющего устройства с объектом управления, для вычисления значений функции P_k образа системы управления в определенный момент времени, записи указанного значения функции в энергонезависимую память, при достижении определенного события микропроцессор производит расчет количественных характеристик V_i объекта управления, запись V_i в определенные поля памяти энергонезависимого однократнопрограммируемого запоминающего устройства и стирание зарезервированных для хранения значений функций P_k из энергонезависимой памяти, а энергонезависимое однократнопрограммируемое запоминающее устройство соединено с указанным микропроцессором и блоком активных средств защиты.