Изобретение относится к области автоматических устройств, а именно к цифровому оборудованию систем контроля и управления технологическими процессами.
Существует множество сфер применения систем управления объектами, отказы которых могут привести к несчастным случаям или гибели людей, нанесению вреда окружающей среде, потере или серьезному повреждению оборудования. Такие системы управления относятся к системам, важных для безопасности (СВБ). Примерами таких систем могут быть автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП), управляющие системы безопасности (УСБ), критические системы управления (КСУ) и др., применяемые в атомной и тепловой энергетике, химическом производстве и др. Обычно такие системы измеряют множество параметров объекта управления (такие как температура, давление и т.д.), контролируют работу компонентов (клапаны, двигатели и т.д.) и выполняют управляющие функции. Для повышения надежности таких систем используют различные виды избыточности. Например, большинство существующих систем защиты на атомных электростанциях имеют как минимум два комплекта, в каждом из которых реализуются несколько каналов (подсистем или логических цепей управления), которые объединяются мажоритарными схемами.
Известен «Комплекс программно-аппаратных средств автоматизации управления технологическими процессами», по патенту РФ №2279117, МПК G05B 19/418, предназначенный для контроля и управления технологическими процессами. Комплекс содержит объединенные через локальную вычислительную сеть Ethernet рабочие станции и серверы на базе персональных электронных вычислительных машин (ПЭВМ), а также контроллеры, соединенные через локальную вычислительную сеть Ethernet между собой и ПЭВМ. Каждый контроллер содержит модуль центрального процессора (МЦП), предназначенный для управления функциональными модулями и исполнительными механизмами (ИМ), и модули функциональные с конфигурируемой структурой, предназначенные для обработки сигналов от датчиков и формирования сигналов управления ИМ, соединенные через локальную шину VME-bus. Модуль функциональный содержит схему интерфейса VME-bus, мезонины ввода и мезонины вывода переменного количества и структуры. Модуль центрального процессора (МЦП) содержит компьютер с микропроцессором и программным обеспечением. Функциональные модули реализованы с применением ПЛИС. Возможны три варианта построения систем на базе средств комплекса: централизованного управления, локального управления, распределенного управления. При этом функции управления в разных конфигурациях реализуются следующим образом: в конфигурации локального управления -модуль функциональный имеющий мезонины ввода и мезонины вывода способен реализовать в себе алгоритм управления, выдающий команды на исполнительные механизмы (ИМ) на основании данных от датчиков; в конфигурации распределенного управления - модуль центрального процессора через модуль функциональный анализирует входные данные и управляет исполнительными механизмами. Недостатками данного комплекса являются.
Двухуровневая схема организации управляющего и вычислительного процесса приводит к снижению быстродействия из-за дополнительных затрат времени на передачу информации и программной реализации функции управления на верхнем уровне (МЦП); к снижению надежности и безопасности за счет большого объема оборудования, участвующего в реализации функций управления, а также вероятностей сбоев при двухуровневой обработке информации; к снижению функциональной безопасности из-за рисков проектных дефектов в программном обеспечении, которые могут вызвать отказ по общей причине даже при резервировании модулей; совмещение в одной архитектуре возможностей распределенного и локального управления приводит к удорожанию оборудования.
МЦП построен на универсальных микропроцессорах и является изделием на «мягкой» программируемой логике, которому присущи все его недостатки: последовательная обработка данных, цикличность, использование прерываний и т.д.
Для комплекса присуща возможность дистанционного конфигурирования и замены программного обеспечения нижнего уровня, что не исключает возможность кибератаки на технологическое оборудование вирусами типа Stuxnet и др.
Использование стандартных интерфейсов внутренней связи (в шасси, крейте и др.) - шина VME-bus, внутренней связи (между шасси, крейтами и др.) - RS - 232(485), интерфейс межканального обмена MIL-STD 1553D приводит к снижению функциональной безопасности, устойчивости и надежности связи, поскольку они могут являться источником уязвимостей, используемых при атаках на систему.
Отсутствует сеть единого времени и независимые средства диагностики.
Наиболее близким аналогом является «Усовершенствованная логическая система» по патенту US №7870299, МПК G06F 3/00, содержащая входные и выходные цепи встроенные во входные и выходные платы соответственно, логическую схему управления размещенную на печатной плате, соединенные между собой посредством внутренней шины с возможностью резервирования. Интерфейс внутренней связи (в шасси, крейте и др.) - дублированная цифровая шина (основная и тестовая). Внешний интерфейс - RS - 422, RS - 485, Modbus. Принцип построения внутреннего и внешнего интерфейса основан на разделяемой среде с общим доступом.
Данная система имеет недостаточную надежность и функциональную безопасность поскольку:
- использование стандартных интерфейсов между элементами шасси на основе разделяемой среды с общим доступом - является источником уязвимостей при атаках на систему и не исключает «информационные взрывы», характерные для компьютерных систем в аварийных ситуациях и соответственно приводит к снижению безопасности, устойчивости и надежности связи;
- отсутствует возможность межканального обмена, позволяющего локализировать отказавший или сбойный канал (шасси, блок, крейт) и реализовать раздельное резервирование и адаптацию (реконфигурацию).
В системе отсутствует сеть единого времени, активная диагностика входных и выходных цепей, а также независимая диагностика всей системы. В устройствах ввода/вывода отсутствует дублирование каналов входных/выходных цепей, что приводит к влиянию единичного отказа на работу всего устройства. Цепи диагностики и управления в модулях гальванически (физически) не разделены.
Остальные системы описаны в патенте UA 2468 опубликованном №4/2004, в патенте UA 22172 опубликованном №4/2007, и в патенте UA 78477 опубликованном №3/2007, заявка С А №2707373.
В силу изложенного существует необходимость в создании более совершенных и современных систем, важных для безопасности. Как правило, повышение надежности, функциональности, быстродействия, устойчивости к наложению отказов, устойчивости и надежности связи таких систем, приводит к их усложнению и увеличению затрат. Кроме того, специфичность систем, важных для безопасности, требует значительного количества времени на проектирование, разработку и верификацию, что приводит к большим затратам на осуществление проекта.
С другой стороны, технические характеристики первичных датчиков и исполнительных механизмов, применяемых в атомной и тепловой энергетике, химическом производстве и др., в настоящее время практически полностью стандартизированы и остаются без изменений на многих лет. Вследствие этого возможные виды входных и выходных сигналов систем, важных для безопасности, формируют практически стационарное множество типов сигналов, что в свою очередь позволяет унифицировать функции компонентов системы для их многократного использования.
В основу изобретения поставлена задача создания системы логического управления (СЛК) основанной на аппаратно-изменяющейся части, технические и программные средства которой предназначены для построения систем, важных для безопасности, путем комплектации ее из множества вновь (специально) разработанных для многократного использования модулей, каждый из которых реализует унифицированные функции, построения связей между модулями с применением различных схем избыточности и резервирования, разделения сетей контроля, управления и диагностики, для обеспечения необходимой системной функциональности, высокой надежности, быстродействия, устойчивости к наложению отказов, повышения качества и надежности связи.
Поставленная задача решается тем, что в системе логического управления, содержащей множество соединенных между собой функциональных модулей, согласно изобретению модуль входов предназначен для приема и преобразования входных сигналов, модуль выходов предназначен для формирования сигналов управления, логический модуль, модуль диагностики предназначен для сбора, анализа и передачи диагностической информации от функциональных модулей, модуль оптической связи предназначен для обеспечения межканальных связей, модули соединенны между собой посредством индивидуальных цифровых линий связи стандарта LVDS, при этом каждый модуль содержит, по меньшей мере, один индивидуальный двунаправленный цифровой канал связи, система содержит интерфейс внешних связей - индивидуальные оптические линии связи, каждый модуль содержит независимый узел диагностики, предназначенный для формирования диагностических сообщений по признаку работоспособности с привязкой к единому времени системы, соединенный с модулем диагностики.
В другом варианте, согласно изобретению, система логического управления содержит модуль входов предназначенный для приема и преобразования входных сигналов, модуль выходов предназначенный для формирования сигналов управления, основной и резервный логические модули дополнительно реализующие функции сбора, анализа и передачи диагностической информации от функциональных модулей, модуль оптической связи предназначенный для обеспечения межканальных связей, модули соединены между собой посредством индивидуальных цифровых линий связи стандарта LVDS, при этом каждый модуль содержит, по меньшей мере, один индивидуальный двунаправленный цифровой канал связи, система содержит интерфейс внешних связей - индивидуальные оптические линии связи, каждый модуль содержит независимый узел диагностики предназначенный для формирования диагностических сообщений по признаку работоспособности с привязкой к единому времени системы, соединенный с каждым логическим модулем.
В системе логического управления каждый из модулей реализован с применением ПЛИС.
Система логического управления содержит несколько модулей входов, выходов, диагностики, оптической связи и логических модулей.
Система логического управления реализует функции выполняемые модулями в рамках одного или нескольких каналов.
Модуль входов содержит множество дублированных каналов приема входных сигналов, узел логической обработки и преобразования, узел диагностики, узел формирования сигналов визуальных сообщений, узел цифровых каналов связи с логическим модулем и модулем диагностики, дублированный узел электропитания.
Модуль выходов содержит множество дублированных каналов выдачи сигналов управления, узел логического преобразования цифровой выходной информации, узел диагностики, узел формирования сигналов визуальных сообщений, узел цифровых каналов связи с логическим модулем и модулем диагностики, дублированный узел электропитания.
Логический модуль содержит множество цифровых каналов для связи с модулями входов и выходов, узел диагностики, узел формирования сигналов визуальных сообщений, узел цифровых каналов связи с модулем диагностики и логическим модулем, узел цифровых каналов взаимной синхронизации работы с другими каналами СЛУ при построении двух-, трех- и четырехканальных сложных систем, узел цифровых каналов для передачи сигналов в сервер архивирования, узел приема сигналов и синхронизации единого времени, дискретные входные/выходные узлы прямого приема/выдачи сигналов внутреннего и внешнего управления, дублированный узел электропитания.
Модуль диагностики содержит множество цифровых каналов для связи с входными, выходными и логическим модулями, узел диагностики, узел формирования сигналов визуальных сообщений, узел цифровых каналов для передачи сигналов в сервер архивирования, дискретные входные/выходные узлы прямого приема/выдачи сигналов внутреннего и внешнего управления, входные цепи и узлы приема сигналов датчиков температуры, задымления и контроля доступа к СЛУ, узел приема сигналов и синхронизации единого времени, дублированный узел электропитания.
Модуль оптической связи содержит каналы связи с каждым логическим модулем, узел логической обработки и распределения потоков информации, узел диагностики, узлы цифровых каналов связи с внешними модулями оптической связи, установленными в других шасси и шкафах при построении сложных многоканальных систем, дублированный узел электропитания. Модули устанавливаются в шасси, крейт, субблок с использованием системы механической кодировки посадочных мест посредством разъемных соединений, где однотипные разъемы на стойке кодируются набором механических штифтов для однозначного определения места установки соответствующего модуля.
Каждый логический модуль и модуль диагностики при установке в шасси получают IP-адреса посредством набора электрически-коммутируемых перемычек на кросс-плате.
При построении на базовом шасси система включает следующие комплектации: простая и дублированная.
Система логического управления основана на совместной работе модулей, образуя:
- локальное ядро, предназначенное для построения одноканальных простых систем;
- дублированное локальное ядро, предназначенное для построения одноканальных простых систем с резервированием;
- разделенное ядро, предназначенное для построения отказоустойчивых многоканальных систем;
- дублированное разделенное ядро, предназначенное для построения отказоустойчивых многоканальных систем с резервированием;
- гибридное ядро, предназначенное для построения несложных многоканальных систем;
- дублированное гибридное ядро, предназначенное для построения несложных многоканальных систем с резервированием.
В зависимости от комплектации и количества каналов СЛУ включает следующий отбор конфигураций:
- одноканальная, одноканальная дублированная;
- двухканальная, двухканальная дублированная;
- трехканальная, трехканальная дублированная;
- четырехканальная, четырехканальная дублированная.
Структура СЛУ во всех конфигурациях основана на вертикальной иерархической структуре: «вход - логика - выход» с множеством параллельных индивидуальных цифровых линий связи между каждыми связанными уровнями для независимой параллельной передачи информации. Система логического управления использует цифровые линии связи по электрическим проводникам кросс - платы в пределах шасси и/или оптические линии связи между модулями разных шасси. Цифровые линии связи содержат, по крайней мере, один индивидуальный двунаправленный полнодуплексный канал связи для каждого модуля. Каждый модуль содержит, по меньшей мере, один индивидуальный двунаправленный цифровой полнодуплексный канал связи с модулем диагностики и, по меньшей мере, один индивидуальный двунаправленный цифровой полнодуплексный канал связи с логическим модулем. Каждый модуль содержит, по меньшей мере, один индивидуальный двунаправленный цифровой полнодуплексный канал связи с основным логическим модулем и, по меньшей мере, один индивидуальный двунаправленный цифровой полнодуплексный канал связи с резервным логическим модулем.
Логический модуль и модуль диагностики содержат, по меньшей мере, один индивидуальный двунаправленный цифровой полнодуплексный канал связи между собой.
Основной логический модуль и резервный логический модуль содержат, по меньшей мере, один индивидуальный двунаправленный цифровой полнодуплексный канал связи между собой.
Связь между модулями шасси реализована посредством индивидуальных независимых двунаправленных каналов типа "точка-точка", при этом каждый модуль содержит, по крайней мере, одну независимую гальванически развязанную от других пару "приемник-передатчик". Модули соединяются с каждым логическим и диагностическим модулями системой печатных проводников кросс-платы, при этом для передачи данных используют последовательный протокол на базе UART с отказоустойчивым избыточным кодированием/декодированием 8b/10b/8b и контролем достоверности принятой и передаваемой информации на основе циклических контрольных сумм (CRC).
Физический уровень индивидуальных линий связи основан на последовательной связи по двоичным кодам.
Физический уровень линии связи основан на дифференциальной связи согласно стандарту LVDS.
Физический уровень сети связи шины основан на топологии "приемник-передатчик" для каждой пары связанных модулей, индивидуальные цифровые двунаправленные линии связи передают данные от одного модуля к другому.
Принцип построения компьютерных сетей внутреннего и внешнего интерфейса - стянутые в точку магистрали на специальных серверах (технологический, диагностический).
Физическая основа интерфейса между шасси и внешнего интерфейса - индивидуальные оптические каналы связи типа «точка-точка», при этом каждый оптический канал «точка-точка» включает, по меньшей мере, один полнодуплексный канал связи.
Каждый логический и диагностический модули независимыми оптическими каналами подключаются к двум компьютерным сетям, в которых два сервера независимо друг от друга осуществляют сбор технологической и диагностической информации и записывают ее в энергонезависимую память. Поканальные входные и выходные цепи ввода/вывода гальванически отделены друг от друга и от корпуса модуля.
Цепи диагностики и управления в каждом модуле гальванически разделены, вплоть до отдельного модуля диагностики шасси и отдельной компьютерной диагностической сети в системе.
Каждый из модулей для хранения алгоритмов работы содержит энергонезависимую память.
Система содержит один, два одновременно или один из двух резервированных вводов электрического питания.
СЛУ включает модули расширения, посредством которых система может быть реорганизована в сложную вертикальную систему с входными электрическими сигналами и выходными цифровыми сигналами для работы в одно- и многоканальной системе.
СЛУ включает модули расширения, посредством которых система может быть реорганизована в сложную вертикальную систему с входными цифровыми сигналами и выходными электрическими сигналами для работы в одно- и многоканальной системе.
СЛУ включает модули расширения, посредством которых система может быть реорганизована в избыточную систему для применения в критических системах управления, управляющих системах безопасности, автоматизированных системах управления технологическими процессами на основе параллельной работы двух и более каналов.
СЛУ включает модули расширения, посредством которых система может быть реорганизована в избыточную систему для применения в критических системах управления, управляющих системах безопасности, автоматизированных системах управления технологическими процессами, в которых выходные сигналы формируются на основе мажоритарной логики "1/2", "2/2", "2/3", "2/4", "3/4".
Предлагаемая система логического управления отличается наличием нового состава элементов и связей между ними, т.е. новой совокупностью признаков, которые обеспечивают новые технические свойства системы. Технический результат - обеспечение необходимой системной функциональности, возможности многократного использования модулей платформы на основе ПЛИС для построения различных систем резервирования, высокой надежности, безопасности, быстродействия, устойчивости к наложению отказов, устойчивости и надежности связи, отделения сети контроля и управления от сети диагностики.
Модульный принцип построения СЛУ и реализация алгоритмов в ПЛИС позволяет практически безизбыточно проектировать системы простой и дублированной комплектации. Вместе с тем СЛУ содержит необходимые средства позволяющие создавать системы расширяемостью - до 2-х, 3-х или 4-х каналов на основе «локального», «разделяемого» или «гибридного» ядра системы.
Построение системы основанной на вертикальной структуре прохождения сигналов без пересечения входных и выходных потоков по цепи «вход, логическая обработка, выход» показывает, что все сигналы имеют независимые параллельные пути прохождения. Такое построение позволяет отделить цепи контроля и управления от цепей диагностики, чтобы повреждение или выход из строя любого из элементов диагностики не влияли на способность системы выполнять управляющие функции.
В дублированной комплектации используется два одинаковых логических модуля (основной и резервный) с функциями основного, которые абсолютно автономны. Каждый из модулей выполняет функции диагностики в полном объеме. При этом цепи диагностики и цепи контроля и управления физически (гальванически) разделены.
Построение системы таким образом, что входные сигналы от каждого модуля входов поступают в каждый из логических модулей (основной и резервный), прохождение сигналов двумя независимыми параллельными путями в каждом шасси показывает, что выход из строя одного из логических модулей не влияет на способность системы выполнить свои функции, т.е. модули резервируют друг друга, при этом каждый из них в полном объеме выполняет функции контроля и управления и функции диагностики.
Организация внутренних и внешних связей основанная на индивидуальных линиях связи обеспечивает безопасность, максимальную «живучесть», т.е. способность выполнять сетью свои функции в условиях неблагоприятных внешних воздействий, т.к. при единичном отказе максимально отказывает связь между двумя модулями.
Интерфейс внутренней связи между модулями шасси основан на дифференциальной технологии согласно стандарту LVDS (low-voltage differential signaling) использующей индивидуальные линии для передачи сигнала.
Использование маломощных, низковольтных линий связи стандарта LVDS - обеспечивает высокую скорость передачи при не большом потреблении электрической энергии.
Цифровые шины внутри шасси построены без использования разделяемой среды передачи данных.
Использование стянутых в точку магистралей (collapsed backbone) на специальных серверах (информационный, диагностический) совместно с фиксированными по времени и размеру пакетами данных исключает «информационные взрывы», характерные для компьютерных сетей на основе разделяемой среды с общим доступом.
Использование в предлагаемой системе оптических каналов связи типа «точка-точка» без использования разделяемой оптической среды для организации сетевого взаимодействия, решает проблему общего доступа, так как каждая линия сети находится в полном владении обоих каналов (полнодуплексная связь), что обеспечивает максимально возможную скорость. Структура каналов связи существенно повышает устойчивость и надежность связи.
Использование электрических и оптических линий связи большой пропускной способности и фиксированной мощности приводит к тому, что в сети отсутствуют «информационные взрывы», например в случае аварийной ситуации, когда требуется передать большое количество информации.
Использование принципа реализации модулей на элементах «жесткой» логики на ПЛИС (FPGA), интегральных микросхемах средней и высокой степени интеграции позволяет обеспечить простоту структуры, компактность основании входных/выходных данных, которые основываются на технологических алгоритмах объекта автоматизации.
Реализация алгоритмов в программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС) позволяет с помощью специальных средств разработки и программирования жестко зафиксировать необходимые элементы схемотехники в структуре ПЛИС для одновременной и параллельной обработки всех необходимых алгоритмов за один цикл работы.
Использование «жесткой» логики ПЛИС вместо микропроцессора гарантирует отсутствие прерываний программ и параллельную обработку информации.
При реализации модулей с использованием ПЛИС отсутствует возможность дистанционного конфигурирования системы и замены программного обеспечения, что исключает возможность кибератаки на технологическое оборудование вирусами.
Применение современной базы электронных компонентов позволило уменьшить массу модулей.
Использование дублированных узлов вводов/выводов в каждом канале каждого модуля входов/выходов позволяет резервировать узлы при нормальной работе и автоматически отключать неисправные, при нарушениях в работе или отказах электронных компонент узла, что повышает надежность и живучесть СЛУ.
Использование индивидуальных дублированных узлов электропитания для каждого модуля позволяет при отказе одного из узлов обеспечивать питание внутренних потребителей от исправного узла.
Анализ построения структуры СЛУ позволяет сделать вывод, что принцип независимости реализован на должном уровне, поскольку:
- сети контроля и управления физически отделены от сетей диагностики;
- использованы два резервированных логических модуля;
- технические средства модулей физически разделены;
- связь между модулями шасси реализована посредством множества индивидуальных электрических линий;
- связь между шасси реализована посредством множества индивидуальных оптических линий;
интерфейс межканального обмена реализован посредством индивидуальных оптических линий связи;
- дублированы каналы приема/выдачи входных/выходных сигналов в модулях входов/выходов;
- дублированы узлы электропитания модулей;
- система содержит один, два одновременно или один из двух резервированных вводов электрического питания.
Перечень чертежей.
Рис. 1 - структурная схема конфигурирования системы логического управления в режиме: а) «локальное ядро», б) «дублированное локальное ядро».
Рис. 2 - структурная схема конфигурирования системы логического управления в режиме: а) «разделенное ядро», б) «дублированное разделенное ядро».
Рис. 3 - структурная схема конфигурирования системы логического управления в режиме: а) «гибридное ядро», б) «дублированное гибридное ядро».
Рис. 4 - упрощенная функциональная структурная схема модуля входов.
Рис. 5 - упрощенная функциональная структурная схема логического модуля.
Рис. 6 - упрощенная функциональная структурная схема модуля диагностики.
Рис. 7 - упрощенная функциональная структурная схема модуля выходов.
Рис. 8 - упрощенная функциональная структурная схема модуля оптической связи.
Рис. 9 - структурная схема конфигурирования системы логического управления с входными электрическими сигналами и выходными цифровыми сигналами в:
а) одноканальной системе; б) одноканальной дублированной системе;
в) 2-канальной системе; г) 2-канальной дублированной системе;
д) 3-канальной системе; е) 3-канальной дублированной системе;
ж) 4-канальной системе; з) 4-канальной дублированной системе.
Рис. 10 - структурная схема конфигурирования системы логического управления с входными цифровыми сигналами и выходными электрическими сигналами в:
а) одноканальной системе; б) одноканальной дублированной системе;
в) 2х-канальной системе; г) 2х-канальной дублированной системе;
д) 3х-канальной системе; е) 3х-канальной дублированной системе;
ж) 4х-канальной системе; з) 4х-канальной дублированной системе.
Рис. 11 - структурная схема системы логического управления на основе параллельной работы:
а) двух каналов; б) двух каналов - дублированная;
в) трех каналов; г) трех каналов - дублированная;
д) четырех каналов; е) четырех каналов - дублированная.
Рис 12 - схема построения простой одноканальной СЛУ:
а) простая комплектация, б) дублированная комплектация.
Рис 13 - схема построения дублированной одноканальной СЛУ:
а) простая комплектация, б) дублированная комплектация.
Рис 14 - схема построения одноканальной СЛУ расширенной:
а) по входу, б) по выходу.
Рис 15 - схема построения дублированной СЛУ расширенной:
а) по входу, б) по выходу.
Система логического управления (рис. 1, 2) содержит модули 1 входов, логический модуль 2, модуль 3 диагностики, модули 4 выходов, модули 5 оптической связи, соединенные между собой посредством линий 6 связи LVDS. СЛУ содержит оптические линии связи 7.
Модуль 1 входов (AIM, DIM) (рис. 4) содержит множество дублированных каналов 8 приема входных сигналов, узел 9 логической обработки и преобразования (по количеству каналов), узел 10 диагностики работоспособности всех узлов модуля, узел 11 формирования сигналов сообщений на светодиодных индикаторах и знакосинтезирующем устройстве индикации, которое расположено на лицевой панели модуля и доступно для визуального считывания информации, узел 12 коммуникации, узел 13 цифровых каналов связи с логическим и диагностическим модулями, дублированный узел 14 электропитания с возможностью работы от двух разных вводов первичного электропитания.
Логический модуль 2 (LM) (рис. 5) содержит множество цифровых каналов 15 для связи с модулями входов и выходов, узел 16 коммуникации, узел 17 логики, узел 18 диагностики работоспособности всех узлов модуля, узел 19 формирования сигналов сообщений на светодиодных индикаторах и знакосинтезирующем устройстве индикации, которое расположено на лицевой панели модуля и доступно для визуального считывания информации, узел 20 цифровых каналов связи с модулем диагностики и логическим модулем, узел 21 цифровых каналов взаимной синхронизации работы с другими каналами СЛУ при построении двух-, трех- и четырехканальных систем, узел 22 цифровых каналов для передачи сигналов в сервер архивирования (технологический), узел 23 приема сигналов и синхронизации единого времени, дискретные входные/выходные узлы 24 прямого приема/выдачи сигналов внутреннего и внешнего управления, дублированный узел 25 электропитания с возможностью работы от двух разных вводов первичного электропитания.
Модуль 3 диагностики (DM) (рис. 6) содержит множество цифровых каналов 26 для связи с модулями входов и выходов и логическими модулями, узел 27 логики, узел 28 диагностики работоспособности всех узлов модуля, узел 29 коммуникации, узел 30 формирования сигналов сообщений на светодиодных индикаторах и знакосинтезирующем устройстве индикации, которое расположено на лицевой панели модуля и доступно для визуального считывания информации, узел 31 цифровых каналов для передачи сигналов в сервер архивирования (диагностический), дискретные входные/выходные узлы 32 прямого приема/выдачи сигналов внутреннего и внешнего управления, входные цепи и узлы 33 приема сигналов датчиков температуры, задымления и контроля доступа к СЛУ, узел 34 приема сигналов и синхронизации единого времени, дублированный узел 35 электропитания с возможностью работы от двух разных вводов первичного электропитания.
Модуль 4 выходов (АОМ, DOM) (рис. 7) содержит множество дублированных каналов 36 выдачи сигналов управления, узел 37 логического преобразования цифровой выходной информации (по количеству каналов), узел 38 диагностики работоспособности всех узлов модуля, узел 39 формирования сигналов сообщений на светодиодных индикаторах и знакосинтезирующем устройстве индикации, которое расположено на лицевой панели модуля и доступно для визуального считывания информации, узел 40 коммуникации, узел 41 цифровых каналов связи с логическим модулем и модулем диагностики, дублированный узел 42 электропитания с возможностью работы от двух разных вводов первичного электропитания.
Модуль 5 оптической связи (ОСМ) (рис. 8) содержит каналы 43 связи с каждым логическим модулем, узел 44 распределения потоков информации, узел 45 диагностики работоспособности всех узлов модуля, узел 46 цифровых каналов связи с внешними модулями оптической связи, узел 47 формирования сигналов сообщений, дублированный узел 48 электропитания с возможностью работы от двух разных вводов первичного электропитания.
Система логического управления (СЛУ) представляет собой систему основанную на архитектуре платформы с аппаратно-изменяющейся частью, технические и программные средства которой предназначены для построения АСУТП, УСБ, КСУ, предназначенных для выполнения самых разных задач, связанных с автоматизацией промышленности: от простейшей одноканальной нерезервированной системы на базе одного шасси до сложной четырехканальной дублированной системы для критических приложений атомных станций, тепловых станций, а также в нефтегазовой и химической промышленности и др.
Работа СЛУ обеспечивается совместной работой входящих в систему базового набора модулей при их нормальном функционировании и соединении с источниками входных и потребителями выходных сигналов.
Система логического управления основана на совместной работе модулей, разделенных по функциональному назначению, каждый из которых представляет собой многослойную электронную плату с установленным на ней радиоэлектронными компонентами, образующими функционально-законченный узел, который выполняет установленные для него задачи в СЛУ.
Работа СЛУ основана на вертикальной структуре прохождения сигналов без пересечения входных и выходных потоков по цепи: вход, логическая обработка, выход. В соответствии с вертикальной структурой СЛУ имеет в своем составе следующие модули:
- входные;
- логические;
- выходные.
Для построения многоканальных систем в СЛУ включены модули оптической связи, для оперативного определения неисправностей и отказов включены модули диагностики.
СЛУ строится на базовом шасси в двух комплектациях:
- простая: в шасси размещаются один логический модуль и один модуль диагностики;
- дублированная: в шасси размещаются два логических модуля (основной и резервный).
В состав шасси входит максимально 16 модулей. В обязательном порядке должны входить логический(-е) модуль(-и) и модуль диагностики (для шасси с одним логическим модулем).
Синхронная работа логических модулей в дублированной СЛУ обеспечивается каналами прямой цифровой связи (оптической, электрической) между двумя логическими модулями.
Синхронная работа логических модулей в многоканальных СЛУ обеспечивается каналами прямой оптической связи между двумя (тремя, четырьмя) логическими модулями.
Система логического управления основана на совместной работе модулей системы и в зависимости от схемы присоединения модулей к источникам и потребителям внешних сигналов образует следующие конфигурации СЛУ:
- локальное ядро - "local core" (рис. la), предназначенное для построения одноканальных простых систем;
- дублированное локальное ядро - "double local core" (рис. 1б), предназначенное для построения одноканальных простых систем с резервированием;
- разделенное ядро - "divided core" (рис. 2а), предназначенное для построения отказоустойчивых многоканальных систем;
- дублированное разделенное ядро - " double divided core" (рис. 2б), предназначенное для построения отказоустойчивых многоканальных систем с резервированием;
- гибридное ядро - "hybrid core" (рис. 3а), предназначенное для построения несложных многоканальных систем;
- дублированное гибридное ядро - "double hybrid core" (рис. 3б), предназначенное для построения несложных многоканальных систем с резервированием.
Независимо от выбранной конфигурации построения систем алгоритмы управления всегда реализованы в логическом модуле, без применения микроконтроллеров и микропроцессоров.
Система логического управления основана на совместной работе модулей, обеспечивающих необходимую избыточность, которая посредством специальных модулей расширения типа ОСМ может быть реорганизована:
- в сложную вертикальную систему с входными электрическими сигналами и выходными цифровыми сигналами для работы в:
- одноканальной и одноканальной дублированной системе (рис. 9а, 9б);
- 2-канальной и 2-канальной дублированной системе (рис. 9в, 9г);
- 3-канальной и 3-канальной дублированной системе (рис. 9д, 9е);
- 4-канальной и 4-канальной дублированной системе (рис. 9ж, 9з);
- в сложную вертикальную систему с входными цифровыми сигналами и выходными электрическими сигналами для работы в:
- одноканальной и одноканальной дублированной системе (рис. 10а, 10б);
- 2-канальной и 2-канальной дублированной системе (рис. 10в, 10г);
- 3-канальной и 3-канальной дублированной системе (рис. 10д, 10е);
- 4-канальной и 4-канальной дублированной системе (рис. 10ж, 10з);
- в высоконадежную, избыточную систему для применения в УСБ, КСУ, АСУТП на основе параллельной работы:
- двух каналов и двух каналов дублированных (рис. 11a, 11б);
- трех каналов и трех каналов дублированных (рис. 11в, 11 г);
- четырех каналов и четырех каналов дублированных (рис. 11д, 11е).
Система логического управления основана на совместной работе модулей, организованных в высоконадежную, избыточную систему для применения в УСБ, КСУ, АСУТП, в которых выходные сигналы формируются на основе мажоритарной логики "1/2","2/2", "2/3", "2/4", "3/4".
Проектно-компонуемыми средствами СЛУ являются:
- шкафы, шасси (крейты, субблоки), в которые устанавливается переменное количество (зависящее от проекта) модулей, средства электропитания и коммутации;
- модули - функционально законченные технические средства.
Модули устанавливаются в эксплуатационно-автономное изделие - шасси, предназначенное для конструктивного крепления модулей посредством специальных разъемных соединений (без использования монтажных проводов) в процессе совместного выполнения ими функциональных задач в составе СЛУ.
Для исключения ошибочной установки разных типов модулей применяется система механической кодировки посадочных мест посредством разъемных соединений на основе набора механических штифтов.
Для идентификации при работе в составе компьютерных сетей логический модуль и модуль диагностики при установке в шасси получают уникальные IP-адреса от набора электрически-коммутируемых перемычек на кросс-плате.
Каждый из модулей в процессе работы может быть изъят из рабочего места и установлен обратно без отключения электропитания, подстроек и нарушений в работе СЛУ (режим "горячей замены"). Сервер непрерывно контролирует наличие на своих штатных местах всех модулей СЛУ, заявленных при конфигурации. Замена любого модуля на аналогичный приводит к формированию сигнала фиксации замены с записью заводских номеров.
Модули входов различают по типу входных сигналов: цифровые входы, аналоговые входы, входы датчиков температуры, входы ионизационных камер, входы потенциальных сигналов.
Модули входов принимают входные сигналы:
- ток в диапазоне, например 0-20 мА;
- напряжение в диапазоне, например -(минус) 5 -+(плюс) 5 В;
- напряжение в диапазоне, например 0-32 мВ;
- дискретные сигналы типа "сухой контакт".
Модули входов содержат узлы контроля исправности (целостности) входных цепей:
- для активных аналоговых цепей входного тока/напряжения - по наличию тока/напряжения и нахождению их в установленном диапазоне (а также по скорости их изменения);
- для пассивных дискретных цепей - по контролю вспомогательного тока на дополнительно устанавливаемом вблизи источника сигнала резисторе.
Модули выходов различают по типу выходных сигналов: аналоговые выходы, дискретные выходы, управления исполнительными механизмами.
Модули выходов выдают выходные сигналы:
- ток в диапазоне, например 0-20 мА;
- напряжение в диапазоне, например -(минус) 5 -+(плюс) 5 В;
- дискретные сигналы типа "сухой контакт".
Модули выходов содержат узлы контроля исправности (целостности) выходных цепей:
- для активных аналоговых цепей выходного тока/напряжения - по наличию тока/напряжения и нахождению их в установленном диапазоне;
- для пассивных дискретных цепей - по контролю вспомогательного тока, протекающему через нагрузку от внутреннего гальванически развязанного источника.
Модули входов и модули выходов содержат дублированные узлы вводов/выводов в каждом канале каждого модуля входов и выходов.
При обнаружении внутренних неисправностей, препятствующих нормальной работе модуля и невозможности подключения резервных внутренних узлов выходные цепи модуля переводят в неактивное безопасное состояние, что исключает ложные воздействия на исполнительные механизмы.
Поканальные входные/выходные цепи ввода/вывода модулей гальванически отделены друг от друга и от корпуса модуля так, чтобы противостоять электромагнитным помехам, образующимся в процессе работы силового технологического оборудования в технологических помещениях с жесткой электромагнитной обстановкой.
Входные/выходные цепи ввода/вывода модулей выдерживают гальванически развязанное напряжение:
- переменного или постоянного тока, например до 1500 В;
- статических разрядов постоянного тока, например до 6000 В.
Входные/выходные цепи ввода/вывода модулей гальванически отделены друг от друга и от корпуса модуля так, чтобы защитить обслуживающий персонал и внутренние электронные элементы модулей от внешних напряжений (включая наведенное напряжение), которые могут появиться на присоединенных кабелях.
Система логического управления включает независимую сеть диагностики основанную на использовании независимых диагностических узлов на всех функциональных уровнях, которые встроены в модули (с общим покрытием диагностикой 95% технических и программных компонент модуля), но при этом не имеют электрических соединений с функциональными компонентами модуля. В модулях входов и выходов реализована активная диагностика входных/выходных цепей по наличию диагностического выходного импульса тока от внутреннего гальванически развязанного источника тока. Узлы диагностики каждого модуля посредством системы печатных проводников на электронной кросс-плате (motherboard) шасси соединяются с выделенным специальным модулем диагностики (в шасси с простой комплектацией) и с каждым логическим модулем (в шасси с дублированной комплектацией), предназначенными для сбора и обработки информации от диагностических узлов в пределах шасси. Сеть диагностики СЛУ основана на совместной работе множества модулей диагностики и логических модулей, соединенных оптическими каналами связи, основанных на работе стянутой в точку магистрали (collapsed backbone), со специально выделенным для этих целей сервером сбора диагностической информации.
Узел диагностики каждого модуля, собирает диагностическую информацию от внутренних элементов диагностики и по индивидуальным линиям цифровой связи передает ее:
- в шасси с простой комплектацией - в модуль диагностики;
- в шасси с дублированной комплектацией - в каждый из двух логических модулей.
В шасси с простой комплектацией модуль диагностики получает диагностическую информацию от всех модулей шасси, компонует ее в единые диагностические пакеты и каждые 100 мс по оптическим каналам связи передает их в сервер диагностики (далее возможна передача информации в "черный ящик"). В шасси с дублированной комплектацией роль модуля диагностики в полном объеме выполняет каждый из двух логических модулей.
Цепи диагностики и цепи управления гальванически разделены в каждом модуле, вплоть до отдельного модуля диагностики шасси и отдельной компьютерной диагностической сети в системе.
Система логического управления включает сеть единого времени, построенную на основе отдельной гальванически развязанной сети или использующую цифровые сети СЛУ. При этом логические модули и модули диагностики содержат встроенные узлы учета текущего времени. Синхронизация всех узлов отдельного источника выполняется через электрические подключения кросс-платы на внешние клеммы шасси или по цифровым сетям СЛУ.
Каждый из модулей для хранения алгоритмов работы использует энергонезависимую память, которая позволяет каждому модулю включаться в работу и приступать к выполнению своих функций независимо от наличия других модулей и работы цифровых каналов связи.
Каждый логический и диагностический модули независимыми оптическими каналами подключаются к двум компьютерным сетям, в которых два сервера независимо друг от друга осуществляют сбор технологической и диагностической информации и записывают ее в энергонезависимую память с дискретностью 10 мс.
Каждый логический модуль СЛУ в любой конфигурации на каждом цикле работы по прямым оптическим каналам связи передает в технологический сервер (с возможностью последующей передачи в "черный ящик") информацию о:
- полученных входных сигналах;
- сформированных выходных сигналах;
- внутренних командах.
Информация в энергонезависимую память технологического сервера записывается каждые 10 мс или на основе заранее установленных критериев:
- для дискретных сигналов - в момент изменения;
- для аналоговых сигналов - в момент отклонения выше заданной границы (апертуры).
Информация из энергонезависимой памяти диагностического и технологического серверов в любой момент доступна для оперативного отображения на рабочих станциях обслуживающего персонала посредством специального программного обеспечения.
Каждый модуль содержит дублированные узлы электропитания.
Структура СЛУ во всех конфигурациях основана на вертикальной иерархической структуре ядра: «вход - логика - выход» с множеством параллельных индивидуальных цифровых линий связи между каждыми двумя связанными уровнями для независимой параллельной передачи информации. В зависимости от общей структуры аппаратной части в СЛУ используются цифровые линии связи по электрическим проводникам кросс-плат и оптические линии связи между модулями разных шасси.
Связи между модулями шасси производятся по цифровым индивидуальным независимым двунаправленным линиям связи типа "точка-точка", для чего в каждый модуль встроено необходимое количество независимых гальванически развязанных от других пар "приемник-передатчик".
Цифровые каналы связи содержат, по крайней мере, один полнодуплексный канал связи для каждого модуля.
Модули соединяются посредством системы печатных проводников на электронной кросс-плате (mother-board) шасси, предназначенной для электрического соединения электронных компонент разных модулей и являющихся основой для работы LVDS (low-voltage differential signaling) и использующей для передачи данных последовательный протокол на базе UART с отказоустойчивым избыточным кодированием/декодированием 8b/10b/8b и контролем достоверности принятой и передаваемой информации на основе циклических контрольных сумм (CRC).
Структура связей радиальная - каждый логический и диагностический модули связаны с каждым модулем шасси.
Физическая основа интерфейса между шасси и внешнего интерфейса - индивидуальные оптические каналы связи «точка-точка», каждая сетевая линия любого из информационных направлений включает по меньшей мере один полнодуплексный канал связи «точка - точка».
Техническими средствами СЛУ исключена возможность злонамеренного вмешательства в работу системы, для чего:
- исключена возможность удаленного (сетевого) доступа к программам и параметрам настройки модулей;
- исключена возможность удаленного изменения программного обеспечения модулей.
Функции.
В процессе работы система логического управления выполняет предназначенные ей функции, отобранные из следующих групп:
- обработка входных сигналов тока и напряжения;
- обработка входных сигналов термопар и термометров сопротивления;
- обработка входных сигналов детекторов ионизационных камер;
- обработка входных дискретных сигналов «сухой контакт»;
- обработка входных потенциальных дискретных сигналов постоянного и/или переменного напряжения;
- контроль состояния объекта на основе полученной информации и генерирование управляющих и информационных сигналов на исполнительные механизмы и системы управления согласно технологическим алгоритмам;
- формирование выходных аналоговых сигналов тока и напряжения;
- формирование выходных потенциальных дискретных сигналов «сухой контакт»;
- управление исполнительными механизмами;
- диагностика системы;
- электрическая и оптическая связь между системными компонентами.
В СЛУ перечисленные функции реализованы в программируемой интегральной логической схеме (ПЛИС), которая спроектирована для того, чтобы заказчик или разработчик мог ее сконфигурировать после изготовления - отсюда «программируемая».
Модули выполняют функции ввода:
- электрического тока;
- параметров датчиков температуры (термопара, терморезисторы, и др.);
- электрического напряжения;
- параметров резистора.
Модули выполняют функции вывода:
- управление выходом ИМ;
- управление током на выходе;
- управление напряжением на выходе.
Каждый модуль в процессе включения в работу и периодически в процессе работы:
- проверяет исправное состояние энергонезависимой памяти избыточным циклическим кодом;
- проверяет исправное состояние внутренних технических средств;
- проверяет исправное состояние входных/выходных сигналов;
- проверяет исправное состояние линий/каналов связи;
- проверяет правильность цифровых данных принятых по каналам связи;
- проверяет исправность логических узлов собственной ПЛИС;
- проверяет исправное состояние каналов электрического питания и их соответствия установленным значениям.
Логический модуль при условии наличия определенных комбинаций входных дискретных сигналов позволяет:
- блокировать (отключать) от алгоритмов формирования выходных управляющих команд любые входные сигналы (группы сигналов);
- имитировать выход за контролируемые границы любых входных сигналов (групп сигналов);
- изменять в определенных заранее пределах любые граничные условия формирования выходных управляющих команд;
- имитировать формирование любых выходных управляющих команд и/или сигналов.
Принцип действия системы логического управления. Конфигурация «локальное ядро».
Входные сигналы от внешних первичных датчиков или внешних систем поступают в модули входов, оцифровываются и по индивидуальным линиям цифровой связи поступают в логический модуль (в шасси с дублированной комплектацией - в каждый из логических модулей). Каждый логический модуль обрабатывает входные сигналы в соответствии с заложенными алгоритмами и генерирует цифровые сигналы, которые по индивидуальным линиям цифровой связи поступают в модули выходов, которые управляют состоянием выходных ключей или источников тока, в результате чего на выходных клеммах системы генерируются сигналы, которые поступают во внешние системы. Обработка "1 из 2" или "2 из 2" в дублированной комплектации производится в модулях выходов.
Обозначение локального ядра (рис. 1а, 1б) состоит из названия «Одиночное ядро» (или «Двойное ядро» - для шасси с дублированной комплектацией) и цифр, первая цифра обозначает количество модулей входов, вторая - выходов.
Шасси расширения по входу.
Каждый логический модуль принимает сигналы от всех входных модулей, генерирует общий поток цифровых сигналов и по линиям цифровой связи передает в модули оптической связи для последующей передачи в разделенное ядро(-а). Обработка "1 из 2" или "2 из 2" в дублированной комплектации производится в логических модулях разделенного ядра.
Обозначение шасси расширения по входу (рис. 9) состоит из названия «Входное одиночное ядро» (или «Входное двойное ядро» - для шасси с дублированной комплектацией) и цифр, первая цифра обозначает количество модулей входов, вторая - модулей оптической связи.
Шасси расширения по выходу.
Потоки цифровых сигналов для шасси расширения поступают по оптическим линиям цифровой связи от разделенного ядра в модули оптической связи для последующей передачи в каждый логический модуль. В соответствии с заложенными алгоритмами каждый логический модуль генерирует цифровые сигналы, которые по индивидуальным линиям цифровой связи поступают в модули выходных ключей или источников тока, в результате чего выходные клеммы системы генерируют выходные сигналы, которые поступают во внешние системы. Обработка "1 из 2" или "2 из 2" в дублированной комплектации производится в модулях выходов.
Обозначение шасси расширения по выходу (рис. 10) состоит из названия «Выходное одиночное ядро» (или «Выходное двойное ядро» - для шасси с дублированной комплектацией) и цифр, первая цифра обозначает количество модулей оптической связи, вторая - модулей выходов.
Конфигурация «разделенное ядро».
Входные сигналы от внешних первичных датчиков или внешних систем поступают в модули входов шасси расширения по входу, оцифровываются, обрабатываются в каждом логическом модуле и по оптическим линиям связи поступают на входы модулей оптической связи разделенного ядра. Цифровые сигналы от модулей оптической связи по индивидуальным линиям цифровой связи поступают в каждый логический модуль разделенного ядра. Каждый логический модуль в соответствии с заложенными алгоритмами генерирует цифровые сигналы, которые по индивидуальным линиям цифровой связи передает в модули оптической связи для последующей передачи в шасси расширения по выходу, где они управляют состоянием выходных ключей или источников тока, в результате чего выходные клеммы системы генерируют выходные сигналы, которые поступают во внешние системы.
Обозначение разделенного ядра (рис. 2а, 2б) состоит из названия «Разделяемое ядро» (или «Двойное разделяемое ядро» - для шасси с дублированной комплектацией) и цифр, первая цифра обозначает количество входных модулей оптической связи, вторая - модулей выходов.
Конфигурация «гибридное ядро».
Первая группа входных сигналов от внешних первичных датчиков или внешних систем поступает в модули входов шасси ядра, оцифровываются и по индивидуальным линиям цифровой связи поступают в каждый логический модуль гибридного ядра для логической обработки в соответствии с алгоритмами заказчика.
Вторая группа входных сигналов от внешних первичных датчиков или внешних систем поступают в модули входов шасси расширения по входу, оцифровываются и по оптическим линиям связи поступают на входы модулей оптической связи разделенного ядра. Цифровые сигналы от модулей оптической связи по индивидуальным линиям цифровой связи передаются в каждый логический модуль гибридного ядра для обработки соответствии с алгоритмами заказчика.
По результатам обработки входных сигналов в соответствии с заложенными алгоритмами каждый логический модуль генерирует первую группу цифровых сигналов, которые по индивидуальным линиям цифровой связи поступают в модули выходов, где они управляют состоянием выходных ключей или источников тока, в результате чего выходные клеммы системы генерируют выходные сигналы, которые поступают во внешние системы.
По результатам обработки входных сигналов в соответствии с заложенными алгоритмами каждый логический модуль генерирует вторую группу цифровых сигналов, которые по индивидуальным линиям цифровой связи поступают в модули оптической связи для последующей передачи в шасси расширения по выходу, где они управляют состоянием выходных ключей или источников тока, в результате чего выходные клеммы системы генерируют выходные сигналы, которые поступают во внешние системы.
Обозначение гибридного ядра (рис. 3а, 3б) состоит из названия «Гибридное ядро» (или «Двойное гибридное ядро» - для шасси с дублированной комплектацией).
Примеры построения одноканальных систем.
Простая одноканальная СЛУ.
Строится на базе локального ядра в простой или дублированной комплектации (рис. 12а, 12б).
Входные сигналы поступают на вход системы, оцифровываются в модулях входов, обрабатываются по логике приложений в каждом логическом модуле и передаются на выход системы посредством модулей выходов.
Дублированная одноканальная СЛУ.
Строится на базе двух локальных ядер в простой или дублированной комплектации для КСУ и УСБ (рис. 13а, 13б).
Входные сигналы синхронно поступают на вход двух автономных подсистем (локальных ядер), оцифровываются в модулях входов, обрабатываются по логике приложений в каждом логическом модуле и поступают на выход системы посредством модулей выходов.
Объединение выходных сигналов по логике "1 из 2" или "2 из 2" производится в выходных шкафах коммутации или непосредственно на входах приемников сигналов.
Одноканальная СЛУ расширенная по входу и выходу.
Строится на базе двух локальных ядер в простой или дублированной комплектации (рис. 14а, 14б). Используется в случаях, когда количество входных сигналов превышает возможности локального ядра.
Входные сигналы разделяются на два потока и поступают на вход двух автономных подсистем расширения, где оцифровываются в модулях входов и поступают на обработку по алгоритмам приложений в каждый логический модуль разделенного ядра. Выходные управляющие сигналы передаются на две подсистемы расширения по выходу посредством оптических модулей. В каждом логическом модуле шасси расширения по выходу сигналы распределяются по модулям выходов.
Дублированная расширенная по входу и выходу СЛУ.
Строится на базе двух одноканальных разделенных СЛУ (в простой или дублированной комплектации) для КСУ и УСБ (рис. 15а, 15б).
Входные сигналы синхронно поступают на вход двух автономных подсистем расширения по входу, оцифровываются в модулях входов, вводятся в два синхронно и параллельно работающих шасси, обрабатываются по логике приложений и передаются на выход системы посредством шасси расширения по выходу с последующим использованием модулей выходов.
Объединение выходных сигналов по логике "1 из 2" или "2 из 2" производится в выходных шкафах коммутации или непосредственно на входах приемников сигналов.
Работа многоканальных СЛУ.
2-, 3- и 4-канальные СЛУ строятся на основе одноканальных, описанных выше.
2-канальная СЛУ.
Входные сигналы первого канала посредством модулей оптической связи из шасси расширения передаются во второй канал и наоборот (рис. 11а, 11б). Таким образом, в каждом из разделенных ядер имеется полный набор всех входных сигналов.
В алгоритмах обработки входные сигналы обрабатываются по логике "1 из 2" или "2 из 2". Логические модули каждого канала взаимно синхронизируются посредством специальных оптических каналов связи.
Выходные сигналы, сформированные каждым логическим модулем каждого разделенного ядра, посредством оптических модулей связи передаются в каждый из двух шасси расширения, где перед раздачей в модули выходов обрабатываются по логике "1 из 2" или "2 из 2".
3-канальная СЛУ
Входные сигналы каждого из каналов посредством модулей оптической связи из шасси расширения поступают во все три канала (рис. 11в, 11г). Таким образом, в каждом из разделенных ядер имеется полный набор всех входных сигналов.
В алгоритмах обработки входные сигналы обрабатываются по логике "2 из 3", в результате чего система становится устойчивой к отказу одного (любого) канала расширения. Логические модули каждого канала взаимно синхронизируются посредством специальных оптических каналов связи.
Выходные сигналы, сформированные каждым логическим модулем каждого разделенного ядра, посредством оптических модулей связи передаются в каждый из двух (или более) шасси расширения (общее количество шасси расширения по выходу определяется количеством выходных сигналов, которые должна генерировать СЛУ), где перед поступлением в модули выходов обрабатываются по логике "2 из 3", в результате чего СЛУ становится устойчивой к отказу любого разделенного ядра.
4х-канальная СЛУ
Входные сигналы каждого из каналов посредством модулей оптической связи из шасси расширения передаются во все четыре канала (рис. 11д, 11е). Таким образом, в каждом из разделенных ядер имеется полный набор всех входных сигналов.
В алгоритмах обработки входные сигналы обрабатываются по логике "2 из 4", в результате чего система становится устойчивой к отказу двух каналов расширения. Логические модули каждого канала взаимно синхронизируются посредством специальных оптических каналов связи.
Выходные сигналы, сформированные каждым логическим модулем каждого разделенного ядра, посредством оптических модулей связи передаются в каждый из двух (или более) шасси расширения (общее количество шасси расширения по выходу определяется количеством выходных сигналов, которые должна генерировать СЛУ), где перед поступлением в модули выходов обрабатываются по логике "2 из 4", в результате чего СЛУ становится устойчивой к отказу двух разделенных ядер.
Изобретение относится к области автоматических устройств, а именно к цифровому оборудованию систем контроля и управления технологическими процессами. Техническим результатом является повышение надежности. Система логического управления (СЛУ) содержит модуль входов, логический модуль, модуль диагностики, модуль выходов, модуль оптической связи, соединенные между собой с помощью линий связи LVDS. СЛУ содержит оптические линии связи. СЛУ базируется на базовом шасси в двух комплектациях: простая - в шасси размещаются один логический модуль и один модуль диагностики; дублированная - в шасси размещаются два логических модуля (основной и резервный). Система логического управления основана на совместной работе модулей образуя: локальное ядро, разделенное ядро, гибридное ядро. 2 н. и 61 з.п. ф-лы, 41 ил.
1. Система логического управления (СЛУ), содержащая соединенные между собой по меньшей мере один модуль входов для приема и преобразования входных сигналов, по меньшей мере один модуль выходов для формирования сигналов управления, логический модуль, модуль диагностики для сбора, анализа и передачи диагностической информации от функциональных модулей, отличающаяся тем, что она содержит по меньшей мере один модуль оптической связи для обеспечения межканальных связей, модули соединены между собой посредством индивидуальных цифровых линий связи стандарта LVDS, при этом каждый модуль содержит по меньшей мере один индивидуальный двунаправленый цифровой канал связи, система содержит интерфейс внешних связей - индивидуальные оптические линии связи, каждый модуль содержит независимый узел диагностики, предназначенный для формирования диагностических сообщений по признаку работоспособности с привязкой к единому времени системы, соединенный с модулем диагностики.
2. Система логического управления по п. 1, отличающаяся тем что, каждый из модулей реализован с применением ПЛИС.
3. Система логического управления по п. 1, отличающаяся тем, что она содержит несколько модулей входов, выходов, диагностики, оптической связи и логических модулей.
4. Система логического управления по п. 1, отличающаяся тем, что она реализует функции, которые выполняют модули в рамках одного или нескольких каналов.
5. Система логического управления по п. 1, отличающаяся тем, что модуль входов содержит множество дублированных каналов приема входных сигналов, узел логической обработки и преобразования, узел диагностики, узел формирования сигналов визуальных сообщений, узел цифровых каналов связи с логическим модулем и модулем диагностики, дублированный узел электропитания.
6. Система логического управления по п. 1, отличающаяся тем, что модуль выходов содержит множество дублированных каналов выдачи сигналов управления, узел логического преобразования цифровой выходной информации, узел диагностики, узел формирования сигналов визуальных сообщений, узел цифровых каналов связи с логическим модулем и модулем диагностики, дублированный узел электропитания.
7. Система логического управления по п. 1, отличающаяся тем, что логический модуль содержит множество цифровых каналов для связи с модулями входов и выходов, узел диагностики, узел формирования сигналов визуальных сообщений, узел цифровых каналов связи с модулем диагностики, узел цифровых каналов взаимной синхронизации работы с другими каналами СЛУ при построении двух-, трех- и четырехканальных сложных систем, узел цифровых каналов для передачи сигналов в сервер архивирования, узел приема сигналов и синхронизации единого времени, дискретные входные/выходные узлы прямого приема/выдачи сигналов внутреннего и внешнего управления, дублированный узел электропитания.
8. Система логического управления по п. 1, отличающаяся тем, что модуль диагностики содержит множество цифровых каналов для связи с входными, выходными и логическим модулями, узел диагностики, узел формирования сигналов визуальных сообщений, узел цифровых каналов для передачи сигналов в сервер архивирования, дискретные входные/выходные узлы прямого приема/выдачи сигналов внутреннего и внешнего управления, входные цепи и узлы приема сигналов датчиков температуры, задымления и контроля доступа к СЛУ, узел приема сигналов и синхронизации единого времени, дублированный узел электропитания.
9. Система логического управления по п. 1, отличающаяся тем, что модуль оптической связи содержит каналы связи с каждым логическим модулем, узел логической обработки и распределения потоков информации, узел диагностики, узел цифровых каналов связи с внешними модулями оптической связи, установленными в других шасси и шкафах при построении сложных многоканальных систем, дублированный узел электропитания.
10. Система логического управления по п. 1, отличающаяся тем, что модули устанавливаются в шасси, крейт, субблок с использованием системы механической кодировки посадочных мест посредством разъемных соединений, где однотипные разъемы на стойке кодируются набором механических штифтов для однозначного определения места установки соответствующего модуля.
11. Система логического управления по п. 1, отличающаяся тем, что каждый логический модуль и модуль диагностики при установке в шасси получают IP-адреса посредством набора электрически коммутируемых перемычек на кросс-плате.
12. Система логического управления по п. 1, отличающаяся тем, что при построении на базовом шасси система включает следующие комплектации: простая и дублированная.
13. Система логического управления по п. 1 или 12, отличающаяся тем, что система основана на совместной работе модулей, образуя:
- локальное ядро, предназначенное для построения одноканальных простых систем;
- дублированное локальное ядро, предназначенное для построения одноканальных простых систем с резервированием;
- разделенное ядро, предназначенное для построения отказоустойчивых многоканальных систем;
- дублированное разделенное ядро, предназначенное для построения отказоустойчивых многоканальных систем с резервированием;
- гибридное ядро, предназначенное для построения несложных многоканальных систем;
- дублированное гибридное ядро, предназначенное для построения несложных многоканальных систем с резервированием.
14. Система логического управления по п. 1 или 12, отличающаяся тем, что в зависимости от комплектации и количества каналов система включает следующий отбор конфигураций:
- одноканальная, одноканальная дублированная;
- двухканальная, двухканальная дублированная;
- трехканальная или трехканальная дублированная;
- четырехканальная или четырехканальная дублированная.
15. Система логического управления по п. 1 или 12, отличающаяся тем, что структура системы во всех конфигурациях основана на вертикальной иерархической структуре: «вход-логика-выход» с множеством параллельных индивидуальных цифровых линий связи между каждыми связанными уровнями для независимой параллельной передачи информации.
16. Система логического управления по п. 1 или 12, отличающаяся тем, что система использует цифровые линии связи по электрическим проводникам кросс-платы в пределах шасси и/или оптические линии связи между модулями разных шасси.
17. Система логического управления по п. 1 или 16, отличающаяся тем, что цифровые линии связи содержат по меньшей мере один индивидуальный двунаправленный полнодуплексный канал связи для каждого модуля.
18. Система логического управления по п. 1, отличающаяся тем, что каждый модуль содержит по меньшей мере один индивидуальный двунаправленный цифровой полнодуплексный канал связи с модулем диагностики и по меньшей мере один индивидуальный двунаправленный цифровой полнодуплексный канал связи с логическим модулем, логический модуль и модуль диагностики содержат по меньшей мере один индивидуальный двунаправленный цифровой полнодуплексный канал связи между собой.
19. Система логического управления по п. 1, отличающаяся тем, что связь между модулями шасси реализована посредством индивидуальных независимых двунаправленных каналов типа "точка-точка", при этом каждый модуль содержит по меньшей мере одну независимую гальванически развязанную от других пару "приемник-передатчик".
20. Система логического управления по п. 1, отличающаяся тем, что модули соединяются с каждым логическим и диагностическим модулями системой печатных проводников кросс-платы, при этом для передачи данных используют последовательный протокол на базе UART с отказоустойчивым избыточным кодированием/декодированием 8b/10b/8b и контролем достоверности принятой и передаваемой информации на основе циклических контрольных сумм (CRC).
21. Система логического управления по п. 1, отличающаяся тем, что физический уровень линий связи основан на последовательной дифференциальной связи согласно стандарту LVDS по двоичным кодам.
22. Система логического управления по п. 1, отличающаяся тем, что физический уровень сети связи шины основан на топологии "приемник-передатчик" для каждой пары связанных модулей, индивидуальные двунаправленные линии связи передают данные от одного модуля к другому.
23. Система логического управления по п. 1, отличающаяся тем, что принцип построения компьютерных сетей внутреннего и внешнего интерфейса - стянутые в точку магистрали на серверах.
24. Система логического управления по п. 1, отличающаяся тем, что физическая основа интерфейса между шасси и внешнего интерфейса - индивидуальные оптические каналы связи типа «точка-точка», при этом каждый оптический канал «точка-точка» включает по меньшей мере один полнодуплексный канал связи.
25. Система логического управления по п. 1, отличающаяся тем, что каждый логический и диагностический модули независимыми оптическими каналами подключаются к двум компьютерным сетям, в которых два сервера независимо друг от друга осуществляют сбор технологической и диагностической информации и записывают ее в энергонезависимую память.
26. Система логического управления по п. 1, отличающаяся тем, что поканальные входные и выходные цепи ввода/вывода, цепи диагностики и управления в каждом модуле гальванически разделены друг от друга и от корпуса модуля, вплоть до отдельного модуля диагностики шасси и отдельной компьютерной диагностической сети в системе.
27. Система логического управления по п. 1, отличающаяся тем, что каждый из модулей для хранения алгоритмов работы содержит энергонезависимую память.
28. Система логического управления по п. 1, отличающаяся тем, что система содержит один, два одновременно или один из двух резервированных вводов электрического питания.
29. Система логического управления по п. 1, отличающаяся тем, что СЛУ включает модули расширения, посредством которых система может быть реорганизована в сложную вертикальную систему с входными электрическими сигналами и выходными цифровыми сигналами для работы в одно- и многоканальной системе.
30. Система логического управления по п. 1, отличающаяся тем, что СЛУ включает модули расширения, посредством которых система может быть реорганизована в сложную вертикальную систему с входными цифровыми сигналами и выходными электрическими сигналами для работы в одно- и многоканальной системе.
31. Система логического управления по п. 1, отличающаяся тем, что СЛУ включает модули расширения, посредством которых система может быть реорганизована в избыточную систему для применения в критических системах управления, управляющих системах безопасности, автоматизированных системах управления технологическими процессами на основе параллельной работы двух и более каналов.
32. Система логического управления по п. 1, отличающаяся тем, что СЛУ включает модули расширения, посредством которых система может быть реорганизована в избыточную систему для применения в критических системах управления, управляющих системах безопасности, автоматизированных системах управления технологическими процессами, в которых выходные сигналы формируются на основе мажоритарной логики "1/2", "2/2", "2/3", "2/4", "3/4".
33. Система логического управления, содержащая соединенные между собой по меньшей мере один модуль входов для приема и преобразования входных сигналов, по меньшей мере один модуль выходов для формирования сигналов управления, логический модуль, отличающаяся тем, что она дополнительно включает второй логический модуль, при этом логические модули дополнительно реализуют функции сбора, анализа и передачи диагностической информации от функциональных модулей, по меньшей мере один модуль оптической связи для обеспечения межканальных связей, модули соединены между собой посредством индивидуальных цифровых линий связи стандарта LVDS, при этом каждый модуль содержит по меньшей мере один индивидуальный двунаправленный цифровой канал связи, система содержит интерфейс внешних связей - индивидуальные оптические линии связи, каждый модуль содержит независимый узел диагностики, предназначенный для формирования диагностических сообщений по признаку работоспособности с привязкой к единому времени системы, соединенный с каждым логическим модулем.
34. Система логического управления по п. 33, отличающаяся тем что, каждый из модулей реализован с применением ПЛИС.
35. Система логического управления по п. 33, отличающаяся тем, что она содержит несколько модулей входов, выходов, оптической связи и логических модулей.
36. Система логического управления по п. 33, отличающаяся тем, что она реализует функции, которые выполняют модули в рамках одного или нескольких каналов.
37. Система логического управления по п. 33, отличающаяся тем, что модуль входов содержит множество дублированных каналов приема входных сигналов, узел логической обработки и преобразования, узел диагностики, узел формирования сигналов визуальных сообщений, узел цифровых каналов связи с каждым логическим модулем, дублированный узел электропитания.
38. Система логического управления по п. 33, отличающаяся тем, что модуль выходов содержит множество дублированных каналов выдачи сигналов управления, узел логического преобразования цифровой выходной информации, узел диагностики, узел формирования сигналов визуальных сообщений, узел цифровых каналов связи с каждым логическим модулем, дублированный узел электропитания.
39. Система логического управления по п. 33, отличающаяся тем, что логический модуль содержит множество цифровых каналов для связи с модулями входов и выходов, узел диагностики, узел формирования сигналов визуальных сообщений, узел цифровых каналов связи с логическим модулем, узел цифровых каналов взаимной синхронизации работы с другими каналами СЛУ при построении двух-, трех- и четырехканальных сложных систем, узел цифровых каналов для передачи сигналов в сервер архивирования, узел приема сигналов и синхронизации единого времени, дискретные входные/выходные узлы прямого приема/выдачи сигналов внутреннего и внешнего управления, дублированный узел электропитания.
40. Система логического управления по п. 33, отличающаяся тем, что модуль оптической связи содержит каналы связи с каждым логическим модулем, узел логической обработки и распределения потоков информации, узел диагностики, узел цифровых каналов связи с внешними модулями оптической связи, установленными в других шасси и шкафах при построении сложных многоканальных систем, дублированный узел электропитания.
41. Система логического управления по п. 33, отличающаяся тем, что модули устанавливаются в шасси, крейт, субблок с использованием системы механической кодировки посадочных мест посредством разъемных соединений, где однотипные разъемы на стойке кодируются набором механических штифтов для однозначного определения места установки соответствующего модуля.
42. Система логического управления по п. 33, отличающаяся тем, что каждый логический модуль при установке в шасси получает IP-адрес посредством набора электрически-коммутируемых перемычек на кросс-плате.
43. Система логического управления по п. 33, отличающаяся тем, что при построении на базовом шасси система включает следующие комплектации: простая и дублированная.
44. Система логического управления по п. 33 или 43, отличающаяся тем, что система основана на совместной работе модулей образуя:
- локальное ядро, предназначенное для построения одноканальных простых систем;
- дублированное локальное ядро, предназначенное для построения одноканальных простых систем с резервированием;
- разделенное ядро, предназначенное для построения отказоустойчивых многоканальных систем;
- дублированное разделенное ядро, предназначенное для построения отказоустойчивых многоканальных систем с резервированием;
- гибридное ядро, предназначенное для построения несложных многоканальных систем;
- дублированное гибридное ядро, предназначенное для построения несложных многоканальных систем с резервированием.
45. Система логического управления по п. 33 или 43, отличающаяся тем, что в зависимости от комплектации и количества каналов система включает следующий отбор конфигураций:
- одноканальная, одноканальная дублированная;
- двухканальная, двухканальная дублированная;
- трехканальная или трехканальная дублированная;
- четырехканальная или четырехканальная дублированная.
46. Система логического управления по п. 33 или 43, отличающаяся тем, что структура системы во всех конфигурациях основана на вертикальной иерархической структуре: «вход-логика-выход» с множеством параллельных индивидуальных цифровых линий связи между каждыми связанными уровнями для независимой параллельной передачи информации.
47. Система логического управления по п. 33 или 43, отличающаяся тем, что система использует цифровые линии связи по электрическим проводникам кросс-платы в пределах шасси и/или оптические линии связи между модулями разных шасси.
48. Система логического управления по п. 33 или 47, отличающаяся тем, что цифровые линии связи содержат по меньшей мере один индивидуальный двунаправленный полнодуплексный канал связи для каждого модуля.
49. Система логического управления по п. 33, отличающаяся тем, что каждый модуль содержит по меньшей мере один индивидуальный двунаправленный цифровой полнодуплексный канал связи с основным логическим модулем и по меньшей мере один индивидуальный двунаправленный цифровой полнодуплексный канал связи с резервным логическим модулем, основной логический модуль и резервный логический модуль содержат по меньшей мере один индивидуальный двунаправленный цифровой полнодуплексный канал связи между собой.
50. Система логического управления по п. 33, отличающаяся тем, что связь между модулями шасси реализована посредством индивидуальных независимых двунаправленных каналов типа "точка-точка", при этом каждый модуль содержит по меньшей мере одну независимую гальванически развязанную от других пару "приемник-передатчик".
51. Система логического управления по п. 33, отличающаяся тем, что модули соединяются с каждым логическим модулем системой печатных проводников кросс-платы, при этом для передачи данных используют последовательный протокол на базе UART с отказоустойчивым избыточным кодированием/декодированием 8b/10b/8b и контролем достоверности принятой и передаваемой информации на основе циклических контрольных сумм (CRC).
52. Система логического управления по п. 33, отличающаяся тем, что физический уровень линий связи основан на последовательной дифференциальной связи согласно стандарту LVDS по двоичным кодам.
53. Система логического управления по п. 33, отличающаяся тем, что физический уровень сети связи шины основан на топологии "приемник-передатчик" для каждой пары связанных модулей, индивидуальные двунаправленные линии связи передают данные от одного модуля к другому.
54. Система логического управления по п. 33, отличающаяся тем, что принцип построения компьютерных сетей внутреннего и внешнего интерфейса - стянутые в точку магистрали на серверах.
55. Система логического управления по п. 33, отличающаяся тем, что физическая основа интерфейса между шасси и внешнего интерфейса - индивидуальные оптические каналы связи типа «точка-точка», при этом каждый оптический канал «точка-точка» включает по меньшей мере один полнодуплексный канал связи.
56. Система логического управления по п. 33, отличающаяся тем, что каждый логический модуль независимыми оптическими каналами подключаются к двум компьютерным сетям, в которых два сервера независимо друг от друга осуществляют сбор технологической и диагностической информации и записывают ее в энергонезависимую память.
57. Система логического управления по п. 33, отличающаяся тем, что поканальные входные и выходные цепи ввода/вывода, цепи диагностики и управления в каждом модуле гальванически разделены друг от друга и от корпуса модуля, вплоть до отдельной компьютерной диагностической сети в системе.
58. Система логического управления по п. 33, отличающаяся тем, что каждый из модулей для хранения алгоритмов работы содержит энергонезависимую память.
59. Система логического управления по п. 33, отличающаяся тем, что система содержит один, два одновременно или один из двух резервированных вводов электрического питания.
60. Система логического управления по п. 33, отличающаяся тем, что СЛУ включает модули расширения, посредством которых система может быть реорганизована в сложную вертикальную систему с входными электрическими сигналами и выходными цифровыми сигналами для работы в одно- и многоканальной системе.
61. Система логического управления по п. 33, отличающаяся тем, что СЛУ включает модули расширения, посредством которых система может быть реорганизована в сложную вертикальную систему с входными цифровыми сигналами и выходными электрическими сигналами для работы в одно- и многоканальной системе.
62. Система логического управления по п. 36, отличающаяся тем, что СЛУ включает модули расширения, посредством которых система может быть реорганизована в избыточную систему для применения в критических системах управления, управляющих системах безопасности, автоматизированных системах управления технологическими процессами на основе параллельной работы двух и более каналов.
63. Система логического управления по п. 36, отличающаяся тем, что СЛУ включает модули расширения, посредством которых система может быть реорганизована в избыточную систему для применения в критических системах управления, управляющих системах безопасности, автоматизированных системах управления технологическими процессами, в которых выходные сигналы формируются на основе мажоритарной логики "1/2", "2/2", "2/3", "2/4", "3/4".
| Способ восстановления хромовой кислоты, в частности для получения хромовых квасцов | 1921 |
|
SU7A1 |
| Приспособление для суммирования отрезков прямых линий | 1923 |
|
SU2010A1 |
| Способ восстановления хромовой кислоты, в частности для получения хромовых квасцов | 1921 |
|
SU7A1 |
| Аппарат для очищения воды при помощи химических реактивов | 1917 |
|
SU2A1 |
| Аппарат для очищения воды при помощи химических реактивов | 1917 |
|
SU2A1 |
