Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ методов построения и проектирования АСК 12
1.1 Вводные замечания 12
1.2 Принципы построения АСК 14
1.3 Анализ методов проектирования АСК 22
1.3.1 Основные методы проектирования АСК 22
1.3.2 Проектирование аппаратной части АСК 23
1.3.3 Проектирование программного обеспечения АСК 30
1.3.4 Характеристика БАО 32
1.3.5 Результаты анализа методов проектирования АСК 38
1.4 Общая постановка задачи 41
1.4.1 Особенности постановки задачи проектирования АСК 41
1.4.2 Показатели оценки эффективности проектирования АСК 44
1.4.3 Этапы проектирования АСК 45
1.5 Выводы 45
2 Построение АСК как аппаратно-программной системы 47
2.1 Вводные замечания 47
2.2 Принципы модульности АСК 48
2.2.1 Функции модуля 48
2.2.2 Уровни модульности АСК 51
2.2.3 Определение принципов модульности 55
2.3 Принципы построения аппаратно-программных модулей 57
2.3.1 Свойства АПМ 57
2.3.2 Технические характеристики АПМ 58
2.3.3 Входные данные АПМ 60
2.3.4 Уровни управления АПМ 62
2.3.5 Классификация АПМ 63
2.4 Комплексное построение АСК на основе АПМ 65
2.4.1 Задачи комплексного построения АСК 65
2.4.2 Унифицированный набор операций управления АПМ 68
2.4.3 Структура комплексного построения АСК 69
2.4.4 Возможности по характеристикам построения АСК 72
2.5 Выводы 76
3 Проектирование БАО 81
3.1 Вводные замечания 81
3.2 Принципы полноты и совместимости БАО 82
3.2.1 Принципы полноты БАО 82
3.2.2 Принципы совместимости БАО 85
3.3 Методика разработки БАО 86
3.3.1 Задачи реализации методики разработки БАО 86
3.3.2 Схема методики разработки БАО 86
3.3.3 Анализ исходных требований к разработке БАО 90
3.3.4 Постановка задачи синтеза БАО 94
3.3.5 Этапы реализации методики БАО 96
3.4 Разработка методов измерения контролируемых параметров 98
3.4.1 Вводные замечания 98
3.4.2 Контроль параметров на основе цифровой обработки сигналов... 99
3.4.3 Контроль несущей частоты СВЧ радиоимпульсного сигнала 113
3.4.4 Контроль аварийно-опасных параметров 117
3.5 Обоснование исходного множества АПМ для решения задачи
проектирования БАО 123
3.5.1 Принципы формирования исходного множества АПМ 123
3.5.2 Процедура формирования исходного множества АПМ 124
3.6 Постановка задачи синтеза БАО 128
3.7 Обоснование метода решения задачи синтеза БАО 130
3.8 Реализация принципов модульности и разработанных задач проектирования БАО в комплексах КАСАК-85 и КАСАК-М 135
3.9 Выводы
4 Проектирование АСК как аппаратно-программной системы 139
4.1 Вводные замечания 139
4.2 Методика проектирования АСК как аппаратно-программной системы 140
4.2.1 Этапы проектирования АСК 140
4.2.2 Задачи синтеза АСК 149
4.3 Разработка исходного множества АПМ для проектирования АСК... 150
4.4 Постановка задачи проектирования АСК для множества ОК 152
4.4.1 Исходная постановка 152
4.4.2 Расчет показателей для синтеза 155
4.4.3 Математическая формулировка задачи синтеза 158
4.5 Обоснование метода решения задачи проектирования АСК 159
4.6 Постановка задачи проектирования АСК для одного ОК 165
4.7 Реализация разработанных задач проектирования АСК 168
4.8 Выводы 170
Заключение 171
Список литературы 176
Приложения
- Принципы построения АСК
- Принципы модульности АСК
- Принципы полноты и совместимости БАО
- Методика проектирования АСК как аппаратно-программной системы
Введение к работе
Актуальность темы. Автоматизированные системы контроля (АСК), являющиеся одним из видов информационно-измерительных систем, предназначены для оценки технического состояния контролируемых объектов и принятия соответствующего решения. Современные контролируемые объекты (ОК) - вооружение и военная техника (ВВТ) представляют собой сложные изделия, производство и эксплуатация которых требуют больших затрат и существенным образом зависит от средств контроля, находящихся в эксплуатирующих организациях и заводах изготовителях.
По оценке отечественных и зарубежных специалистов трудоемкость контрольных операций при производстве сложного радиоэлектронного оборудования составляет более 30%. Также и в эксплуатации ВВТ для поддержания его работоспособности и готовности необходим большой объем работ по контролю технического состояния. Применение АСК позволяет значительно снизить стоимость эксплуатации, в несколько раз уменьшить трудоемкость контрольно-измерительных операций при производстве. Поэтому актуальной является задача обеспечения ВВТ современными эффективными средствами контроля.
Современное состояние средств контроля, вопросы их проектирования для большинства видов ВВТ, в частности, бортового оборудования самолетов, вертолетов, наземных систем управления зенитных ракетных комплексов и др., характеризуется применением большого разнообразия частных узкоспециализированных аппаратур, эксплуатационно-ремонтных пультов, привязанных практически к каждому конкретному изделию, использованием приборов общего назначения. Создание АСК осуществляется, как правило, в виде законченных специализированных аппаратур «под ключ», их проектирование проводится на основе аппаратных средств. Средства программного обеспечения для реализации процесса контроля строго привязываются к аппаратным средствам, т.е. являются узкоспециализированными. Технология проектирования АСК, как правило, характеризуется направлением «движения» от аппаратных средств к программному обеспечению и получению системы. При построении и проектировании АСК не учитывается, что функции АСК выполняются как аппаратными, так и программными средствами, т.е. что АСК является аппаратно-программной системой. Отсутствует единообразие методов и средств контроля на всех стадиях жизненного цикла ВВТ, что создает серьезные трудности при их эксплуатации и ремонте.
Такой подход приводит к большим затратам на создание АСК, высокой их стоимости, не обеспеченности современных требуемых технических характеристик АСК, не обеспеченности производства и эксплуатации ВВТ эффективными средствами контроля.
Для решения данной проблемы необходимо построение и проектирование АСК реализовать как аппаратно-программной системы и обеспечить на этой основе повышение уровня ее характеристик, а также сокращение сроков и затрат на проектирование. В частности, это разработка новых принципов модульности построения АСК и на основе них оптимальное проектирование базового аппаратного обеспечения (БАО) и оптимальный синтез АСК как аппаратно-программной системы на основе БАО.
Поэтому решение задач по построению и проектированию АСК, отвечающих требованиям качественного контроля ВВТ и обеспечивающих их эффективное производство и эксплуатацию является актуальной задачей.
Вопросам построения и создания АСК посвящено много работ, основные из которых принадлежат Н.Н. Пономареву, Б.К. Карандееву, И.В. Кузьмину, МП. Цапенко, В.М. Шляндину, А.Ф. Страхову, Г.М. Гнедову, П.П.Пархоменко, Е.Ю. Барзиловичу, И.Я. Каверкину, Э.И. Цветкову, Г.Ф. Верзакову, М. Краусу и др. [2, 10, 13, 16, 41, 42, 43, 48, 59, 76, 89, 97, 101].
В работах перечисленных авторов рассматриваются вопросы теории автоматического контроля, эффективности АСК, общие вопросы построения и организации АСК, характеристики АСК, вопросы построения составных частей АСК, методы контроля параметров контролируемых изделий.
Исследования вопросов проектирования АСК содержится в работах Г.М. Гнедова, И.С. Фрумкина, П.И. Кузнецова, А.С. Сердакова, И.С. Гусинского, Г.П. Шибанова, И.В. Чулкова, В.Д. Иванова, СМ. Латинского и др. [2, 16,45,47,57,76,83,90].
Эти публикации решают отдельные вопросы построения АСК, формализации этапов проектирования, синтеза структуры АСК, оценки эффективности, построения программного обеспечения АСК и др. Однако они не отражают принципы построения современной АСК как аппаратно-программной системы. АСК может быть представлена как совокупность аппаратных и программных средств, в которых алгоритмы контроля параметров ОК, преобразования контролируемых и выдачи стимулирующих сигналов, обработки информации для получения результатов контроля реализуются как аппаратными, так и программными средствами. В принципе несущественно, выполняется та или иная функция аппаратными или программными средствами. Главное использовать АСК как инструмент для решения задач контроля. Поэтому АСК следует рассматривать как комплексную аппаратно-программную систему, обладающую некоторыми свойствами, реализуемыми совокупностью аппаратных и программных средств. При существующем проектировании АСК этапы разработки аппаратных и программных средств разделяются — сначала определяются состав и структура аппаратных средств, их разработка независимо от программного обеспечения, а затем осуществляется разработка программных средств. Вопросы взаимосвязи аппаратных и программных средств, их оптимального соотношения при реализации функций контроля не учитываются. Методы синтеза, обеспечивающие комплексный подход к проектированию АСК на основе взаимосвязи этапов разработки методов контроля, структуры АСК и программного обеспечения не созданы.
Таким образом, проблемы построения и проектирования АСК как аппаратно-программной системы для обеспечения контролем ВВТ с минимальными затратами являются актуальными.
Цель и задачи работы. Целью работы является построение и проектирование АСК как аппаратно-программной системы в интересах обеспечения средствами контроля ВВТ.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи: - анализ принципов построения и методов проектирования АСК; обоснование необходимости построения и проектирования АСК как аппаратно-программной системы; разработка принципов модульности АСК как аппаратно-программной системы; разработка структуры и номенклатуры показателей модулей АСК; разработка структуры и комплексного построения АСК на основе разработанных принципов модульности; проектирование и оптимальный синтез БАО на основе разработанных принципов модульности; - проектирование и оптимальный синтез АСК как аппаратно- программной системы на основе разработанных принципов модульности.
Научная новизна. В работе получены следующие новые научные результаты.
Разработаны принципы модульности АСК как аппаратно-программной системы с определением модуля (составной части АСК) как аппаратно-программного средства — аппаратно-программного модуля.
Разработаны структура аппаратно-программного модуля, алгоритм его функционирования в системе, классификация модулей по принципу функционального назначения, предложены показатели оценки аппаратно-программного модуля.
Предложена функциональная структура АСК как совокупность аппаратно-программных модулей.
Разработано комплексное построение АСК на основе аппаратно- программных модулей с учетом взаимосвязи аппаратных и программных средств.
5 Разработана методика проектирования БАО. Сформулирована и решена задача синтеза БАО на основе аппаратно-программных модулей.
Разработаны методы измерения ряда параметров контролируемых сигналов.
Разработан метод определения исходного множества аппаратно-программных модулей для синтеза АСК.
8 Разработана методика проектирования АСК. Сформулированы и решены задачи синтеза АСК для одного и множества объектов контроля на основе аппаратно-программных модулей.
Практическая ценность работы. Представленные в работе принципы модульности АСК как аппаратно-программной системы с определением модуля как аппаратно-программного средства, принципы полноты и совместимости, разработка методики проектирования БАО, формулировка и решение задачи синтеза БАО позволят с минимальными затратами и требуемыми характеристиками создавать базовое аппаратное обеспечение автоматизированного контроля для заданной предметной области по контролю различных ВВТ.
Разработанные предложения по структуре АСК как совокупности аппаратно-программных модулей, по комплексному построению АСК на основе аппаратно-программных модулей с учетом взаимосвязи аппаратных и программных средств, разработка методики проектирования АСК, формулировка и решение задач синтеза АСК позволят обеспечить проектирование АСК для контроля различных ВВТ с минимальными затратами, сроками и заданными характеристиками.
Основные положения, выносимые на защиту.
1 Принципы модульности АСК с определением модуля (составной части АСК) как аппаратно-программного средства, обеспечивающего модульное проектирование АСК на уровне функций системы и разработку программ контроля по входным данным о стимулирующих и контролируемых сигналах, что сокращает сроки их разработки по сравнению с существующими методами в 3-4 раза.
2 Методика проектирования базового аппаратного обеспечения с решением задачи синтеза его состава на основе аппаратно-программных модулей, обеспечивающая создание комплексов БАО с минимальной стоимостью и уровнем функциональной полноты не менее 0,9, что сокращает объем оборудования по сравнению с комплексами БАО, построенными на основе аппаратных модулей, в 1,5 - 2 раза.
3 Методика проектирования АСК с решением задачи синтеза ее состава на основе аппаратно-программных модулей, позволяющая по сравнению с существующими методами обеспечить сокращение затрат на разработку АСК в целом (включая разработку конструкторской, программной документации, системное построение АСК, изготовление образцов) в 2-3 раза.
Реализация и внедрение. Предложенные в диссертации решения внедрены на ОАО «РКБ «Глобус» при разработке БАО автоматизированного контроля - комплексов агрегатных средств автоматизированного контроля КАСАК-85, КАСАК-М, а также при разработке АСК различного назначения, поставляемых предприятиям: ОАО «Корпорация «ТРВ», ОАО «ГНПП «Регион», ОАО «Дукс», ОАО «ГосМКБ «Вымпел», ОАО «СМАЗ», ГУП «КБП», а также организациям и войсковым частям МО РФ, в страны инозаказчика.
Также предложенные в диссертации решения реализованы в виде научно-технических отчетов при выполнении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, проводимых в ОАО «РКБ «Глобус», 13 ГНИЙ МО РФ, 32 НИИ МО РФ, 46 НИИ МО РФ, ОАО «ОКБ «СУХОГО», ОАО «ГосМКБ «Радуга», ННИПИ «Кварц» и др.
Методы исследований и достоверность результатов. В работе использованы методы структурного синтеза, вычислительной математики, методы нелинейного программирования. Достоверность результатов и выводов диссертации подтверждается результатами работ по созданию нескольких поколений Б АО, а также по результатам проектирования и внедрения множества типов АСК для контроля различного ВВТ, в том числе в ОАО «РКБ «Глобус», соответствующими актами внедрения и испытаний.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались: на научно-технических конференциях «Состояние и перспективы развития основных направлений радиотехнологии и спецмашиностроения», Казань, 1989; «Проблемы военно-технической политики в области эксплуатации и ремонта ВВТ», Люберцы, ГНИЙ ЭР AT МО РФ, 2000; на XVI военно-научной конференции «Проблемы теории и практики развития войсковой ПВО в современных условиях», Смоленск, ВА ВПВО ВС РФ, 2008.
Публикации. По теме диссертации опубликована 31 работа: 21 статья, 3 тезисов докладов на конференциях, 7 патентов и авторских свидетельств, кроме того представлены разделы в 20 отчетах по НИР и ОКР.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (106 источников), 6 приложений, изложенных общим объемом на 217 стр., в том числе 133 стр. основного текста, содержит 22 рисунка и 5 таблиц.
Принципы построения АСК
АСК как один из видов информационно-измерительных систем предназначена для оценки технического состояния контролируемых изделий и принятия соответствующего решения.
Процесс оценки технического состояния ОК представляет собой совокупность действий, связанных с преобразованием информации при взаимодействии контролируемого оборудования и АСК. Проверка технического состояния ОК осуществляется, как правило, по значениям физических характеристик сигналов ОК, называемых контролируемыми характеристиками ОК. Для процесса контроля параметра ОК характерна следующая обобщенная последовательность действий [76]:формирование и выдача на ОК в заданной временной последовательности необходимых стимулирующих воздействий (сигналов);- восприятие, преобразование ответных контролируемых реакций (сигналов);- обработка полученных значений характеристик контролируемых сигналов с учетом априорной информации для повышения достоверности контроля;- формирование суждения о техническом состоянии контролируемого параметра.
Таким образом, АСК реализует передачу и преобразование различных сигналов, а также обработку данных в виде информативных характеристик этих сигналов.
Характерной особенностью АСК является древовидная структура иразвертывание процесса контроля во времени и пространстве. Структура АСКоснована на нескольких ступенях преобразования информации, когдаразличные контролируемые сигналы трансформируются в сигналыограниченного круга (унифицированные), а конечный этап проверки — окончательная обработка и анализ производится после преобразования всех сигналов в один вид (цифровой код) в центральном устройстве обработки информации (рисунок 1.1). Для стимулирующих сигналов характерна обратная последовательность преобразования информации.
Учитывая важность проблемы контроля и поиска неисправностей при производстве и эксплуатации сложных технических систем в настоящее время выполнено много работ по ее решению [2, 10, 13, 30, 41, 42, 43, 45, 48, 52, 53, 57, 76, 83, 89, 90, 97]. В частности в указанных работах разработаны вопросы теории контроля и технической диагностики, основные принципы построения систем контроля и диагностирования, взаимодействия с объектами контроля и диагностирования, методы контроля основных параметров систем, методы построения составных частей систем контроля и диагностирования и т.п. Однако разработанные методы построения и проектирования не отражают принципы построения и характеристики современных АСК.
Основными признаками современной АСК являются [73, 76]:- использование в качестве центрального устройства программного управления и обработки информации персональных ЭВМ;- применение стандартных интерфейсов для передачи цифровой информации;- реализация функций осуществляется аппаратными и программными средствами, особенно по алгоритмам контроля параметров, измерению контролируемых сигналов и выдаче стимулирующих сигналов;- применение принципа агрегатирования для построения аппаратной части;- применение развитого программного обеспечения.
Современную АСК можно рассматривать как комплекс средств аппаратного и программного обеспечения, который может выполнять автоматизированный контроль в двух режимах работы: программного управления и диалога (рисунок 1.2) [76].
В режиме программного управления АСК осуществляет параметрическую оценку технического состояния ОК, используя для этого исполнительную систему АСК [73, 76].
Исполнительная система содержит аппаратные и программные средства, которые обеспечивают выполнение программ контроля ОК и самой АСК в режиме программного управления при участии оператора АСК или директив, задаваемых через диалоговую систему [73, 76]. Диалоговая система состоит из программных и аппаратных средств (в основном программных), которые совместно с соответствующими средствами исполнительной системы реализуют режим диалога под управлением инженера-разработчика.
Пакет исполняемых программ контроля ОК и АСК составляет специальное программное обеспечение.
Основное назначение исполнительной системы АСК - это параметрическая оценка технического состояния ОК в режиме программного управления. Признаки технического состояния — контролируемые параметры в виде событий или значений физических величин, выраженных через информативные характеристики контролируемых и стимулирующих сигналов, - преобразуются в данные, обрабатываемые для получения результата контроля и выдачи человеку-оператору необходимой информации.
Диалоговая система включает развитое программное обеспечение, которое состоит из ряда комплексов программ. Для организации хранения и использования развитого программного обеспечения в состав АСК входит комплекс программ управления (организации) памятью. В состав диалоговой системы входит комплекс программ диалоговой операционной системы, обеспечивающей реализацию всех исполнений режима диалога.
АСК реализуют магистрально-модульное построение аппаратной части с центральной управляющей ЭВМ [3, 52, 56, 98, 102, 105, 106]. Для реализации этого принципа используется, как правило, трехуровневая система интерфейсов: системный интерфейс (интерфейс используемой управляющей ЭВМ); межприборный интерфейс; внутриприборный (межмодульный интерфейс).
АСК обеспечивает выполнение следующих функций автоматизированного контроля:- хранения, ввода и вывода информации, в том числе программ контроля, данных и инструкций, обеспечивающих взаимодействие АСК с человеком-оператором;- математической обработки информации, включая масштабирование и преобразование формы представления данных в прямом и обратном потоках информации между человеком-оператором и ОК, вычисление значений параметров, стимулирующих и контролируемых сигналов, связанных между собой математическими зависимостями, в том числе статистическими, определение допусковых оценок контролируемых параметров и оценки технического состояния ОК в целом;- управления средствами формирования и выдачи на ОК стимулирующих сигналов, приема и преобразования контролируемых сигналов;- формирования, преобразования, передачи между ОК и средствами АСК стимулирующих и контролируемых сигналов.
Проектирование АСК как самостоятельного изделия на системном, функциональном и конструктивном уровне представляет собой многостадийный процесс, в котором можно выделить четыре взаимосвязанных этапа [74, 76]:- внешнее проектирование, при котором формулируются требования к АСК;- разработка методик и алгоритмов проверки параметров;- аппаратное проектирование, при котором разрабатываются структурная и принципиальная схемы АСК, конструкция АСК и ее составных частей;- проектирование программ общего (системного) и специальногопрограммного обеспечения (программ контроля ОК и самоконтроля АСК).
Схема проектирования АСК (рисунок 1.3) включает следующие этапы: 1 Проектирование АСК обычно начинается еще при разработке ОК, когда решаются вопросы его метрологического обеспечения: контроль, техническое обслуживание, ремонт и т.п. На этом этапе формируются требования к составу
Принципы модульности АСК
Построение и проектирование АСК, как любой системы, существенным образом зависит от принципов модульности системы. Модульный принцип (принцип агрегатирования) проектирования технических систем основан на делении системы на части — модули.
Существующая методология разработки АСК на модульном принципе, рассмотренная в п.п. 1.2, 1.3. основана на представлении модуля АСК как функционально и конструктивно законченного устройства, выполняющего определенное функциональное преобразование (несколько преобразований) над определенным сигналом. При этом разработка БАО сводится к разработке совокупности базовых аппаратных средств, а проектирование АСК осуществляется на основе аппаратных средств, что, как уже отмечалось, не отражает способы реализации функций в современной АСК, в которой алгоритмы измерения контролируемых и выдачи стимулирующих сигналов, обработки информации для получения результатов контроля реализуются комбинацией аппаратных и программных средств.
Проблема разделения АСК как аппаратно-программной системы на отдельные модули (агрегатные средства) и их последующего сопряжения имеет "сущёстоенные особенности по сравнению с делением АСК на агрегатные аппаратные средства, обусловленные наличием программной части, взаимосвязи между аппаратными и программными средствами, оценкой технических характеристик модулей, включением их в АСК [18, 70, 71].
Модуль как часть АСК, выполняющий определенную функцию, должен быть аппаратнб-проТртммным средством, содержащим как аппаратные, так и программные средства [18, 21, 22, 80, 81]. Только в этом случае модуль АСК может рассматриваться как функциональный модуль, реализующий функции АСК как аппаратно-программной системы.
Для определения понятия модуля, его структуры и характеристик рассмотрим функции АСК, реализуемые при выполнении контроля объектов. Основными функциями АСК на уровне системы в целом являются [35]: - выдача (снятие) стимулирующего сигнала; - измерение характеристики контролируемых сигналов; - имитация нагрузки на выходные сигналы ОК; - контроль цифровых устройств; - синхронизация процессов выдачи и измерения сигналов; - обработка результатов измерений характеристик контролируемых сигналов; - оценка результата измерения и формирование суждения о техническом состоянии контролируемого параметра; - вывод информации о результатах контроля; - ввод информации. Функции выдачи стимулирующих и измерения контролируемых сигналов, синхронизации и имитации нагрузки делятся на функциональные преобразования (функции низкого уровня) в виде цепочечной структуры, реализующие измерительные процедуры. В частности функция выдачи стимулирующего сигнала делится на следующие функции низкого уровня:- установка измерительного канала в требуемое состояние (например, установка частоты генератора, установка амплитуды сигнала и т.п.);- формирование сигнала с заданными характеристиками;- соединение измерительного канала с ОК.
Для функции снятия стимулирующего сигнала характерны обратные функции низкого уровня: разъединение канала, сброс установленного состояния.
Функция измерения контролируемого сигнала делится на следующие функции низкого уровня [35]: - установка измерительного канала в требуемое состояние (например, установка диапазона преобразователя, установка входного сопротивления и т.п.); - соединение измерительного канала с ОК; запуск измерительного канала на начало преобразования контролируемого сигнала; - выполнение преобразования сигнала аппаратными средствами; - чтение данных преобразования с аппаратных средств и запоминание в памяти ЭВМ АСК; - вычисление результата измерения; - разъединение измерительного канала с ОК; - сброс установленного состояния измерительного канала. Функции низкого уровня также реализуются аппаратными и программными средствами. При этом функции высокого уровня реализуются совокупностью средств (измерительным каналом АСК в целом). С учетом изложенных функций можно определить уровень модульности АСК, т.е. уровень функционального разбиения АСК. При этом можно рассматривать два варианта [32]: - на уровне функций низкого уровня; - на уровне функций системы. При первом варианте аппаратно-программные модули реализуют функции на уровне отдельных устройств - т.е. являются объединением устройств и программ управления ими. Выигрыш при проектировании АСК из таких аппаратно-программных модулей по сравнению с проектированием из аппаратных модулей несущественен. При втором варианте аппаратно-программные модули создаются на уровне контрольно-измерительных каналов АСК и включают совокупность устройств канала и программу, реализующую функцию АСК в целом. При таком подходе АСК компонуется из модулей на уровне функций системы [18, 30, 32, 70, 71]. В этом случае проектирование АСК резко упрощается. При наличии унифицированных модулей работы, связанные с разработкой методик контроля, структуры контрольно-измерительных каналов, состава аппаратных средств, структурно-методических вариантов контроля не проводятся, что дает существенный выигрыш в затратах на проектирование АСК.
Таким образом, для построения и проектирования АСК аппаратно-программные модули должны реализовывать ее функции на уровне системы [18, 21, 70, 71]. Такие функциональные аппаратно-программные модули не физические модули - они состоят не из одного физического устройства (самостоятельное изделие, имеющее автономную документацию на изготовление, полностью собранное, прошедшее функциональную проверку и
Принципы полноты и совместимости БАО
БАО в соответствии с изложенным в главе 2 подходом должно содержать совокупность аппаратно-программных (АПМ) и аппаратных модулей [22, 32].
Соответствие БАО функциональному назначению и совокупности решаемых задач должно достигаться обеспечением свойств его функциональной, структурной и параметрической полноты [22, 60, 76] .
Функциональная, структурная, параметрическая полнота — взаимозависимые свойства БАО, обусловленные его составом и характеристиками составных частей в трех плоскостях - функциональной, структурной, параметрической.
Свойства полноты БАО, как уже отмечалось, необходимо рассматривать на уровне аппаратно-программных модулей.
Свойство функциональной полноты характеризует наличие в составе БАО аппаратных и программных средств, обеспечивающих реализацию полных функциональных возможностей, необходимых для решения задач контроля, во внешних по отношению к АСК сечениях.
В соответствии с содержанием процесса контроля БАО на уровне Свойство структурной полноты БАО обозначает наличие в его составе базовых средств, реализующих перечисленные типы функций для конкретных видов сигналов и обеспечивающих возможность синтеза различных по структуре АСК в соответствии с требованиями конкретных задач контроля. Структурной единицей является АПМ, реализующий определенную функцию для конкретного вида сигнала. Например, измеритель напряжения постоянного тока, источник (генератор) высокочастотного сигнала. Каждая структурная единица представляет собой класс АПМ (тип АПМ), выполняющих функцию над сигналом конкретного вида и не имеющих конкретных значений технических характеристик. Структурная полнота БАО определяется объемом реализуемых функций, определяемых составом реализуемых стимулирующих и контролируемых сигналов. При этом все сигналы реализуемые (принимаемые, передаваемые, формируемые, преобразуемые и т.п.) средствами БАО, следует определить как унифицированные контролируемые и стимулирующие сигналы, для которых могут быть созданы унифицированные методы измерения и выдачи сигналов. Таким образом, при создании БАО возникает задача выбора состава и характеристик унифицированных контролируемых и стимулирующих сигналов с учетом возможности их реализации средствами БАО [68]. Понятие полноты БАО на основе АПМ существенно отличается от понятия полноты БАО на основе аппаратных средств, которая предполагает набор функциональных и структурных преобразований. Введенные типы функций над сигналами позволяют описать и разрабатывать БАО на уровне функций внешних сечений АСК, что существенно повышает пользовательский уровень комплекса БАО. Свойство параметрической полноты БАО предполагает создание параметрических рядов (модификаций) АПМ, соответствующих каждому типу (структурной единице) АПМ, отличающихся значениями основных характеристик, таких, как погрешность, быстродействие, характеристики входного (выходного) сигнала, уровень описания входных данных, объем памяти и т.п. Единицей параметрического ряда является АПМ с полным набором характеристик. Параметрические ряды АПМ должны создаваться на основе синтеза как экономически целесообразная совокупность АПМ с определенными техническими характеристиками. Постановка и решение задачи синтеза БАО по определению состава унифицированных АПМ приводятся далее в п. 3.5.
Состав базовых аппаратных средств получается на основе реализации АПМ.образом, принципы полноты БАО заключаются в обеспечении функциональной и структурной, параметрической полноты на уровне АПМ.
Важным для средств БАО являются требования к совместимости, обеспечивающей возможность непосредственного применения без разработки дополнительных средств. Применительно к построению БАО на основе АПМ основными видами совместимости являются программная и метрологическая совместимости АПМ и различные виды совместимости аппаратных средств [22, 76].
Программная совместимость АПМ определяется согласованностью характеристик АПМ с характеристиками программ контроля и операционных систем контроля. Программная совместимость АПМ должна достигаться созданием единой системы программного обеспечения, в котором должны работать АПМ.
Метрологическая совместимость АПМ должнаобеспечиваться согласованностью нормируемых метрологическиххарактеристик АПМ, единством методов их оценки.
Аппаратные средства как составная часть АПМ должны удовлетворять определенным видам совместимости [60, 76].
Кроме того, к аппаратным средствам должны быть предъявлены требования к программной совместимости, которая должна обеспечиваться согласованностью аппаратных и программных средств АПМ. Программная совместимость достигается регламентацией характеристик управления аппаратными средствами на основе рационального соотношения программной и аппаратной части.
Таким образом, для БАО на основе АПМ основными видами совместимости являются программная и метрологическая совместимости АПМ, программная совместимость аппаратных средств.
Введенные понятия полноты БАО и совместимости средств БАО позволят обеспечить разработку БАО (состава АПМ, аппаратных средств) на основе подхода, предложенного в главе 2. С учетом разработанного построения АСК как аппаратно-программной системы методика разработки БАО включает в себя последовательное решение следующих задач [20]: - разработка исходного перечня функций и требований к ним для заданной области применения; - разработка обобщенных требований по функциям БАО; - разработка методов выполнения функций (функций измерения контролируемых сигналов, выдачи стимулирующих сигналов, функции нагрузки, монитора событий и т.п.) по обобщенным требованиям; - оптимизация исходного множества совокупностей требований; - разработка исходного множества АПМ, аппаратных и программных средств АПМ; - синтез состава АПМ; - непосредственная разработка АПМ (аппаратных и программных средств), выбранных при синтезе. Схема методики разработки БАО приведена на рисунке 3.1. Разработка исходного перечня функций и требований к ним осуществляется исходя из требуемой области применения средств БАО. Разработка перечня функций БАО выполняется из условий обеспечения функциональной полноты комплекса с учетом предполагаемых моделей АСК, которые будут создаваться на основе БАО [22]. Для обеспечения функциональной полноты в перечень функций включаются все типы функций, необходимые для построения будущих
Методика проектирования АСК как аппаратно-программной системы
Представление АСК как аппаратно-программной системы накладывает особенности на процесс проектирования и определяет особенности и совокупность задач, решение которых необходимо для разработки АСК. При этом проектирование АСК должно осуществляться как целостной аппаратно-программной системы и должно включать следующие этапы [64]:1 Сначала, исходя из требований по характеристикам контролируемых и стимулирующих сигналов ОК с учетом заданной модели ОК определяется исходное множество АПМ. В исходное множество для каждого контролируемого и стимулирующего сигнала включаются все возможные АПМ из базового аппаратного обеспечения, которые могут обеспечить характеристики данного сигнала. Под сигналом понимается стимулирующий или контролируемый сигнал на определенном контакте ОК. Для формализации данного этапа характеристики сигналов должны задаваться в формализованном виде, например, в виде записей операторов на языке программирования АСК, содержащих наименование сигнала, наименования характеристик сигналов, значения характеристик сигналов. Технические характеристики базовых АПМ также должны быть представлены в формализованном виде. Процедура формирования исходного множества АПМ из состава БАО приведена в подразделе 4.3.2 Для сигналов, требования по которым не обеспечиваются базовыми АПМ, разрабатываются варианты специальных АПМ. Разработка вариантов специальных АПМ осуществляется в соответствии с методикой, изложенной в подразделе 3.3 и представленной на рисунках 3.1 и 3.2. Полученные варианты специальных АПМ включаются в исходное множество. Схема методики разработки АСК приведена на рисунке 4.1.3 На следующем этапе из исходного множества АПМ для заданного перечня контролируемых и стимулирующих сигналов и алгоритмов контроля проводится синтез состава АПМ, исходя из критериев эффективности проектируемой АСК - обеспечения минимальной стоимости при обеспечении заданных требований по достоверности контроля, продолжительности контроля, объему памяти АСК. В результате для каждого контролируемого и стимулирующего сигнала определен конкретный АПМ.
По результатам синтеза состава АПМ формируются: - состав базовых аппаратных модулей; - состав базовых программных модулей; - состав специальных АПМ. 4 На этапе выбора стандартных решений выбирается на основе БАО ЭВМ АСК, система интерфейсов, исходя из требований к АСК, условий эксплуатации АСК, общее программное обеспечение. 5 Для выбранных в результате синтеза состава специальных АПМ и на основании требований, определенных при разработке методов измерения и выдачи специальных сигналов разрабатываются специальные аппаратные средства и программы специальных АПМ. После этого формируется полный состав аппаратных модулей и полный состав программных модулей АПМ для построения АСК. 6 На основании полного состава аппаратных средств проводится аппаратное проектирование АСК, разрабатывается схема соединений АСК, разрабатывается схема размещения аппаратных средств, в конструкции АСК и кабельные соединения АСК. 7 На основании полного состава программных модулей АПМ проводится разработка исходных программ контроля ОК на языке программирования с учетом разработанных при проектировании БАО унифицированных описаний сигналов, унифицированных описаний задач контроля, унифицированных операций управления АПМ, а также программ самоконтроля АСК.
Как уже отмечалось в п. 2.4, программы контроля разрабатываются на основе программ АПМ, в которых реализуются все данные по управлению аппаратными модулями. А программы контроля в этом случае содержат данные по характеристикам стимулирующих и контролируемых сигналов ОК, что позволяет существенно упростить работу пользователя с системой. Это реализовано в патенте № 2150730 «Автоматизированные системы контроля» [4]. Кроме работы с сигналами в программе контроля реализуются алгоритмы оценки контролируемых параметров. В патенте № 2150729 «Система контроля параметров» реализована оценка контролируемых параметров по регулировочным допускам. Структурная схема системы представлена на рисунке 4.2. Система контроля параметров отличается тем, что в нее введены переключатель, второй блок обработки параметров, третий формирователь сигналов, четвертый формирователь сигналов.
В соответствии с программой контроля, заложенной в блок 6 управления, на объект контроля 1 через коммутатор 2 подаются стимулирующие сигналы а с объекта контроля 1 через коммутатор 2 подаются контролируемые сигналы на блок преобразователей 4. Результат преобразования поступает в первый блок обработки параметров 5, куда предварительно из блока управления 6 заносятся необходимые исходные данные и значения нижнего и верхнего допусков проверяемого параметра. Блок 5 производит логическую оценку результата проверки и формирует сигнал на выходе 15, если параметр находится в пределах допуска, или на выходе 14, если параметр находится за
