Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Аналитический обзор систем и устройств с кодоимпульсной модуляцией сигналов 32
1.1 Проблематика регистрации сбоев в технических системах 32
1.2 Принципы построения систем и устройств с ко до-импульсной модуляцией сигналов 45
1.3 Анализ цифровых вычислительных систем как средства обработки и преобразования информации на основе кодо-импульсной модуляции сигналов 51
1.4 Системы автоматического управления и регулирования с кодо-импульсной модуляцией сигналов 59
1.5 Режим сбоя. Экспериментальное подтверждение 67
ГЛАВА 2 Исследование и формализация факторов сбоя...82
2.1 Проблема сбоев в соединениях 82
2.2 Анализ работы соединений в цепях БИС и СБИС 88
2.3 Построение электрических моделей сбоя 99
2.3.1 Синтез модели для получения и контроля третьего (сбойного) состояния соединителей 103
2.3.2 Синтез моделей сбоя 111
ГЛАВА 3 Теоретические методы анализа устойчивых к сбоям устройств с кодо-импульсной мо ду ляшей сигналов систем автоматрїческого управления и регулирования 131
3.1 Моделирование объекта управления 131
3.2 Анализ статических характеристик 152
3.3 Анализ частотных характеристик 164
3.4 Расчет идентифицирующих характеристик объекта с дополнительным управлением в паузах кодо-импульсных сигналов (модифицированное кодо-импульсное управление). 75
ГЛАВА 4 Методы регистрации сбоев в эвм 186
4.1 Бесконтактный и радиоизмерительный методы в задачах контроля и диагностики сбоев высокопроизводительных вычислительных систем 186
4.2 Стенд для регистрации сбоев высокопроизводительных вычислительных систем 199
4.3 Регистрация сбоев в локальных вычислительных сетях 210
4.4 Регистрация сбоев в многослойных печатных платах 219
4 ГЛАВА 5 Построение устойчивых к сбоям систем управления с кодо-импульсной модуляцией сигналов ...226
5.1 Автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП) 226
5.1.1 Системы управления электрической мощностью объекта 228
5.1.2 Электрические системы контроля и диагностики 236
5.2 Системы телевизионного и оптического контроля 259
5.3 Прецизионные цифровые системы .271
ГЛАВА 6 Разработка датчиков и приборов для регистрации сбоев . 283
6.1 Требования к датчикам и приборам, фиксирующих сбои в устройствах 283
6.2 Бесконтактный датчик и прибор для регистрации сбоев 296
6.3 Система батарейного зажигания двигателя внутреннего сгорания с регистрацией сигналов сбоя 301
6.4 Измерение параметров фиксирующих сбои в электрических цепях и системах. 308
5 ГЛАВА 7 Экспериментальное исследование и регистрация сбоев в системах. и устройствах, с кодо-импульсной, модуляцией сигналов 321
7.1 Сервопривод аналитического фотограмметрического прибора с кодо-импульсной модуляцией сигналов 321
7.2 АСУ ТП выработки стекловолокна .326
7.3 Регистрация режима сбоя соединителей высокопроизводительных вычислительных систем 351
7.3.1 Определение информативных параметров режима сбоя 351
7.3.2 Экспериментальное исследование режима сбоя 361
7.4 Экспериментальное исследование бесконтактного датчика сбоев 376
7.5 Внедрение приборов и средств бесконтактной регистрации сбоев в технических системах 377
7.5.1 Высокопроизводительные вычислительные системы... 377
7.5.2 Локальные вычислительные сети 378
7.5.3 Системы автоматического управления и регулирования 379
Заключение 381
Литература 386
- Анализ цифровых вычислительных систем как средства обработки и преобразования информации на основе кодо-импульсной модуляции сигналов
- Расчет идентифицирующих характеристик объекта с дополнительным управлением в паузах кодо-импульсных сигналов (модифицированное кодо-импульсное управление).
- Регистрация сбоев в локальных вычислительных сетях
- Бесконтактный датчик и прибор для регистрации сбоев
Анализ цифровых вычислительных систем как средства обработки и преобразования информации на основе кодо-импульсной модуляции сигналов
Широкая компьютеризация является одной из наиболее актуальных проблем современного общественного прогресса, технической основой решения которой является наличие высококачественных ЭВМ, позволяющих создавать эффективные информационно-вычислительные сети различного уровня и назначения. Сегодня количество компьютеров в мире превышает 300 миллионов единиц и продолжает удваиваться в среднем каждые три года [217]. Развиваемое с 1997 г. и по настоящее время 4-ое поколение ЭВМ имеет в качестве конструктивно-технологической основы большие (БИС) и сверхбольшие (СБИС) интегральные схемы, содержащие десятки и сотни тысяч транзисторов на одном кристалле и позволяющие обеспечивать производительность более 3-107 9%. Характерными типами ЭВМ данного поколения является суперЭВМ, персональные компьютеры или ЭВМ (ПЭВМ), специальные, общие, сети ЭВМ [218]. На этом этапе развития ЭВМ появилась возможность создавать многопроцессорные комплексы на новой транспьютерной или транспьютероподобной основе.
Среди отечественных проектов суперЭВМ можно отметить работы по созданию серии "Эльбрус", использующие многие идеи и архитектурные решения зарубежных суперЭВМ, транспьютероподобные процессоры серии «Квант» и др. [25], [26], [126].
Согласно проекту разработки ЭВМ 5-го поколения должны удовлетворять качественно новым функциональным требованиям, в частности по интеллектуализации ЭВМ, выражающиеся в возможности обучаемости, а также по высокой надежности, одним из главных требований которой будет частота сбоев.
В зависимости от формы представления информации в ЭВМ различают аналоговые, цифровые и гибридные вычислительные машины, причем последние включают как аналоговую, так и дискретную части обработки информации. По целому ряду причин и, в первую очередь, благодаря своим возможностям именно дискретное представление информации определяет на сегодня лицо всей вычислительной техники, основу которой составляют ЭВМ различных классов и типов: специальные, микроЭВМ, ПЭВМ, миниЭВМ, ЭВМ общего назначения, суперЭВМ и ЭВМ нетрадиционной архитектуры (рис. 1.4).
Специальные ЭВМ ориентированы, на решение специальных вычислительных либо задач управления, решаемых в режиме реального ЭВМ нетрадиционной архитектуры
Классификация цифровых вычислительных систем с кодо-импульсной модуляцией сигналов времени. Спектр специальных ЭВМ чрезвычайно широк, чему способствуют три основных предпосылки: 1 - успехи микроэлектроники, 2 - многоуровневая организация систем контроля и управления, допускающая элементарные детализации и 3 - наличие многообразия стабильных классов задач и отдельных процедур обработки информации (ввод/вывод, сортировка, кодирование/декодирование, поиск и др.). Поэтому спектр специальных ЭВМ лежит в весьма широком диапазоне - от простейших управляющих микропроцессоров, встроенных в миниатюрную и робототехнику, до больших управляющих вычислительных комплексов, поддерживающих АСУ, АСУ ТП, гибкое автоматизированное производство (ГАП) и др. В классе микроЭВМ особое место занимают ПЭВМ, использование которых носит сугубо индивидуальный (персональный) характер и определяется, прежде всего: режимом эксплуатации, диапазоном решаемых задач и внешними устройствами. Подчиненная связь от микроЭВМ к ПЭВМ на рис. 1.4 показана пунктиром.
МиниЭВМ (малые ЭВМ) составляют достаточно массовый класс, занимающий промежуточное положение между классами микроЭВМ (ПЭВМ) и ЭВМ общего назначения; миниЭВМ имеют оперативную память порядка от 100 Мбайт до нескольких гигабайт, приближаясь по вычислительным возможностям к ЭВМ общего назначения.
Особо эффективны миниЭВМ в комплексных интегрированных системах управления (КИСУ). В настоящее время КИСУ сложными технологическими объектами позволяют координировать решение следующих основных задач: автоматизации контроля и измерений, САПР, АСУ ТІЇ, АСУП и др. ЭВМ общего назначения обладают значительно большим быстродействием и вычислительными возможностями, чем миниЭВМ и составляют основу крупных вычислительных центров и вычислительных центров коллективного пользования.
СуперЭВМ, как следующий представитель класса дискретной (цифровой) вычислительной техники (рис.1.4), занимают в ней самую правую позицию и обладают производительностью, достигающей 101]оп/с и выше. Такие ВС могут не только удовлетворительно решать сложнейшие научно-технические задачи, требующие огромного объема вычислении, но и обеспечивать работу более чем с 10000 отдельных рабочих станций, для чего им требуется в качестве координатора системы ввода/вывода специальные мини- или ЭВМ общего назначения.
Другим подходом к созданию суперЭВМ высокой производительности является использование параллельных архитектур, базирующихся на большом числе относительно медленных, но простых микропроцессоров. Данный подход позволяет достигать производительности, в миллиарды операций в секунду при значительно большем уровне распараллеливания. Типичным примером таких архитектур может служить суперЭВМ типа МРР фирмы Goodyear Aerospace, созданная по заказу Центра управления космическими полетами НАСА (США). В настоящее время модели МРР-серии успешно применяются при решении таких задач, как обработка изображений (достигая на них быстродействия порядка 50 млрд. оп/с); расчет прогноза погоды; моделирование аэродинамических процессов и генерация, машинных изображений; скоростная обработка символьной информации; моделирование ВС, молекулярных и крупномасштабных вихревых процессов; разложение на множители больших чисел и др. Опыт разработки и эксплуатации в высокой степени параллельности МРР показал практическую значимость такого типа архитектуры суперЭВМ, позволяющий получать существенный временной выигрыш (на ряде классов важных задач) на три порядка выше, чем в случае других типов ЭВМ. ЭВМ нетрадиционной архитектуры (рис 1.4) относятся к перспективным направлениям цифровой ВТ, включая проблематику ЭВМ 5-го и последующих поколений.
Расчет идентифицирующих характеристик объекта с дополнительным управлением в паузах кодо-импульсных сигналов (модифицированное кодо-импульсное управление).
Модифицированное кодо-импульсное управление (КИУ) основано на идее использования динамического торможения в паузах между импульсами кода (рис.3.2) и первоначально было разработано и применено для регулирования скорости электрических двигателей и являлось логическим развитием схем динамического торможения асинхронными трехфазными и двухфазными двигателями. Реализация схем динамического торможения имеет ряд преимуществ, в частности, в работе показано, что динамическое торможение по сравнению с торможением противовключением достаточно эффективно и отличается большей экономичностью и быстродействием. В работе динамическое торможение осуществляется путем подключения в зоне нечувствительности обмотки управления к низковольтному источнику постоянного напряжения и образование, вследствие этого, демпфирующего момента. В работе приведены схемы для осуществления динамического торможения в случае отсутствия входного сигнала и основанные на подключении обмотки управления к нерегулируемому выпрямительному устройству.
При одновременном наличии в асинхронном двухфазном двигателе (АДД) постоянного магнитного поля и двух (или одного) пульсирующих, на ротор 176 двигателя действуют два момента - вращающий и тормозной. Однако вращающий момент при подмагничивании постоянным током одной из обмоток оказывается резко ослабленным вследствие уменьшения коэффициента взаимоиндукции, а тормозной момент - усиленным от взаимодействия постоянного магнитного поля с токами, трансформируемыми в роторе от другой обмотки. Качественный анализ взаимодействия магнитных полей в асинхронных двигателях показывает, что при определенных их соотношениях можно получить величину тормозного момента в несколько раз превышающую пусковой момент для данного типа двигателя. Анализ результатов испытаний АДД при динамическом торможении показывает, что эффект торможения увеличивается с ростом управляющего напряжения и тока подмагничивания. Возможность применения и использования динамического торможения при управлении с КИМ сигналов рассмотрена в работе и основана на изменении постоянной времени (уравнениями, 3.11, 3.12) ТМ2 в паузах между импульсами кода. Рассматриваемое до сих пор КИУ характеризовалось тем, что паузы между импульсами кода питающего напряжения (переменного или постоянного), подаваемого на объект, были неуправляемыми и вследствие этого постоянная, времени Тм2 не изменялась для всего диапазона ко до-импульсных сигналов (т = 0 -п). При этом значение Тмг в общем случае определяется параметрами самого объекта, а в частном случае, при использовании в качестве объекта АДД - его схемой замещения и способом включения обмотки управления двигателя в паузах между импульсами кода (обмотка либо замыкается накоротко, либо отключается от внешнего усилителя). Рассмотрим случай изменения величины ТМ2 за счет изменения степени подмагничивания обмотки управления постоянным током в паузах между импульсами кодового сигнала. Ограничимся рассмотрением случая, когда значение ТМ2 постоянно во всех паузах между импульсами кода на периоде Тс (рис 3.2). В работе показано, что в случае нагрузки в виде апериодического звена первого порядка эквивалентная постоянная времени Тм (Добудет иметь вид Рассмотрим влияние изменений величины Тм2 на значение эквивалентной для ко до-импульсных сигналов с одинаковыми х и ТМ1 величина Тм: вариацию АТМ2, например, (ТМ2-АТМ2), причем АГМ2 0. Тогда постоянной времени Тм (N) при КИУ, используя последнее выражение. Пусть для ко до-импульсных сигналов с одинаковыми х и ТМ1 величина ТМ2 имеет новое TM(N)= (тТш{їт2\иГ\т (3 33а) -м\ значение постоянной времени Тм (N) согласно выражения (3.33) примет вид Сравним (3.33) с (3.33А), оценим разницу Нетрудно видеть, что она будет положительной и, следовательно, переходной процесс с уменьшением величины Тм2 при прочих равных условиях (т = const, Тм1 - const)будет иметь меньшую продолжительность.
Предлагаемое управление в отличие от рассмотренного КИУ в дальнейшем будем называть модифицированным кодо-импульсным управлением (МКИУ). Нетрудно показать в частности, используя уравнения для установившихся значений основного параметра при КИУ (3.5), (3.7), что среднее значение ОП при одинаковых т и Тш при КИУ и МКИУ будут не равны. Вследствие того, что при МКИУ для тех же комбинаций сигналов, что и при КИУ, возможно еще регулирование напряжения в паузах между импульсами сигнала, плавность регулирования ОП при МКИУ будет выше, чем при КИУ. При анализе переходных и установившихся процессов, в частности, в электрических двигателях, при наличии динамического торможения считают, что кривая изменения скорости при торможении имеет тот же вид, что и при разгоне. Для принятой идеализации (см. 3.1, уравнения 3.1 и 3.2) такой кривой при КИУ является экспонента. Тогда при МКИУ в паузах между импульсами кода скорость также будет изменяться по закону экспоненты, как и при разгоне (т.е. при действии импульсов напряжения кодового сигнала), но с другим показателем экспоненты и. следовательно, с другой электромеханической постоянной времени ТМ2.
Оценим степень влияния подмагничивания на величину ТМ2 на примере АДД. Для этого будем считать, что обмотка возбуждения АДД питается от сети, а в обмотку управления подается напряжение вида рис.3.13, причем коэффициент "х" характеризует степень подмагничивания и меняется от 0 до 1 (х = О 4- 1)Как известно сопротивление ротора асинхронного двигателя в схеме замещения при торможении постоянным током равно у
Регистрация сбоев в локальных вычислительных сетях
Для построения эффективной отказоустойчивой с регистрацией сбоев вычислительной системой необходимо знать, какие причины могут вызвать сбои в работе локальной вычислительной сети (ЛВС). Причины возникновения сбоев в работе ЛВС могут находиться как внутри самой системы, так и вызываться внешними источниками. К внешним причинам возникновения сбоев в первую очередь следует отнести причины, связанные с. качеством электроснабжения технических средств ЛВС [231]. Источниками сбоев при этом являются провалы, выбросы, прерывания напряжения и другие помехи сети питания. Достаточно надёжную защиту технических средств ЛВС, в первую очередь компьютеров, обеспечивают источники бесперебойного питания [232].
В настоящее время распространены следующие виды источников бесперебойного питания (ИБП).
1. Резервные ИБП. Данные ИБП питают нагрузку от внешней электрической сети, осуществляя только фильтрацию высокочастотных помех. При исчезновении входного напряжения или при достижении им порога перехода на питание от батарей, ИБП переходит на питание нагрузки от встроенных аккумуляторов. Существенным недостатком такого ИБП является то, что он не обеспечивает автономного автоматического закрытия операционных систем. Резервные ИБП подходят по этой причине для защиты оборудования, некритичного к потерям данных (принтеры, сканеры и др.).
2. Интерактивные ИБП. Принцип их действия аналогичен резервным ИБП, но интерактивные ИБП обеспечивают не только фильтрацию высокочастотных помех, но и стабилизацию напряжения. Наличие устройств, стабилизирующих напряжение, позволяет ИБП реже переключать нагрузку на питание от аккумуляторных батарей. Интерактивные ИБП имеют элементы интеллектуальности, поскольку могут обеспечить автоматическое закрытие операционных систем без вмешательства оператора. Для этого на компьютер (ПЭВМ) необходимо установить специальное программное обеспечение. Интерактивные ИБП могут применяться для защиты ПЭВМ, а также небольших компьютерных сетей без повышенных требований к их надёжности.
3. Активные ИБП. Эти источники преобразуют поступающий на вход переменный ток в постоянный, а затем выполняют обратное преобразование. Это обеспечивает гальваническую развязку между защищаемым оборудованием и сетью электропитания. ИБП данного типа считаются интеллектуальными и могут применяться при защите оборудования компьютерных сетей с высокими требованиями по надёжности.
На основе ИБП возможно построение систем бесперебойного питания. Построение систем бесперебойного питания (СБП) для комплекса потребителей может производиться по следующим основным схемам: децентрализованная СБП, централизованная СБП, комбинированная СБП.
Децентрализованная СБП. Децентрализованная СБП может быть полностью децентрализованной. В этом случае каждый потребитель защищается отдельным ИБП. При построении такой системы, как правило, используется резервные и интерактивные ИБП, которые имеют отмеченные выше недостатки. Децентрализованная система также характеризуется нерациональным распределением ресурсов аккумуляторных батарей. Данная СБП может применяться для зашиты ПЭВМ и другого оборудования. Для защиты технических средств ЛВС применение таких систем не желательно. Другая разновидность децентрализованной СБП - децентрализованная СБП с несколькими ИБП. Необходимость в такой СБП может возникнуть в случае, когда для построения СБП использовалась централизованная система с одним ИБП, но мощность нагрузки (например, в процессе развития предприятия) стала больше номинальной мощности ИБП, экономически целесообразно применение децентрализованной системы с двумя ИБП. В таком случае распределительная сеть разбивается на сегменты (по числу ИБП). Каждый ИБП питает свой сегмент. Переход к такой СБП является вынужденной мерой. Для защиты технических средств ЛВС желательно применять централизованную СБП.
Централизованная СБП. Имеет варианты простой централизованной СБП и централизованной СБП с параллельной работой ИБП. Простая централизованная система бесперебойного питания предлагает применение одного активного ИБП, рассчитанного по максимальной нагрузке с необходимым коэффициентом нагрузки (рекомендуемая загрузка ИБП 70 -75% от номинальной мощности). Основной недостаток такой системы -переключение нагрузки на внешнюю цепь электропитания при отказе единственного ИБП на всё время его восстановления. Повысить надёжность электроснабжения при такой схеме бесперебойного питания можно, применив централизованную СБП с параллельной работой ИБП. При установке дополнительного блока ИБП можно питание нагрузки от ИБП одинаковой мощности, работающих параллельно. Применение такой схемы повышает надёжность электроснабжения потребителей. В случае выхода из строя одного ИБП часть нагрузки продолжает питаться от действующего ИБП.
Комбинированные СБП. В этом случае, кроме установки одного активного ИБП (или комплекса параллельно функционирующих ИБП), отдельные наиболее ответственные потребители защищаются с помощью локальных ИБП меньшей мощности. Целью резервирования является защита такого оборудования, как, например, файловые серверы и наиболее важные рабочие станции, коммуникационное оборудование и т. д. от возможных отказов централизованных СБП.
Необходимость дальнейшего увеличения надёжности электроснабжения наиболее ответственных потребителей приводит к созданию систем гарантированного электропитания. Для этого СБП дополняют автономным источником электроэнергии, например, дизель-генератором. При этом переключение основного ввода от трансформаторной подстанции на резервный ввод от дизелей генератора осуществляет автоматика ввода резерва.
Бесконтактный датчик и прибор для регистрации сбоев
Для экспериментальной проверки теоретических положений главы 4 (4.1) [207], по бесконтактному диагностированию сбоев в аппаратуре был спроектирован и разработан датчик электрических сигналов на базе соединителя типа РППМ[202], [209]. Датчик (рис.6.5а) содержит корпус 1, в котором размещены розетка 2 и вилка 3, электрического многоконтактного соединителя, регулировочный винт 4, две пружины (пружинная пара) 5, а также съемная крышка 6. Розетка 2 крепится в корпусе 1 неподвижно, вилка 3 может перемещаться возвратно-поступательно относительно розетки 2 с помощью регулировочного винта 4 и пружин сжатия 5, что позволяет установить и зафиксировать рабочее состояние контактной пары (розетка 2, вилка 3), выполняющей функции приемника электрических сигналов.
Подключение приемника к измерителю (измерительной аппаратуре) осуществляется через коаксиальные соединители (на рис.6.5а не показано). Съемная крышка 6 обеспечивает доступ к элементам приемника при техническом обслуживании. Регулировочный винт 4 на торцевой стороне датчика обозначен РЕГ. На рис.6.5б показано подключение контактной пары 7 через линию связи 8 к измерителю 9. На рис. 6.5в представлена схема подключения датчика 13 (ДБС-1) к фрагменту работающей аппаратуры, включающей источник сигналов (например, выход интегральной микросхемы) 10, линию связи с контактной парой 11, имеющей скрытый дефект в виде сбоя в работе данной контактной пары, и приемник сигналов (например, вход интегральной микросхемы) 12. Обозначения 4, 5, 9 те же, что и на рис.6.5а,б.
Настройка датчика происходит следующим образом. Перемещением винта 4 добиваются получения промежуточного (между положениями ЗАМКНУТО и РАЗОМКНУТО) состояния контактной пары 7 датчика 13. Данное промежуточное состояние контактной пары 7 может быть зафиксировано на измерителе (например, осциллографе) 9 посредством преобразования сигналов в датчике 13. Сигналы от источника 10, в качестве которого может быть использован стандартный генератор частоты или импульсов, поступают на датчик-приемник 13 через источник сбоев 11, работающий в режиме излучения, бесконтактным путем. Преобразованные датчиком 13 сигналы, поступая на входной канал измерителя 9 через линию связи 8, визуально сравниваются с эталонными сигналами (поступающими например от источника сигналов 10 непосредственно на второй канал измерителя-осциллографа и на рис.6.4в не показанных). Полученное промежуточное состояние датчика-приемника 13 фиксируется пружинной парой 5, которая помимо этого выполняет и другое функциональное назначение — обеспечивает перемещение розетки 2 относительно вилки 3 при их разъединении винтом 2. Такое построение датчика обеспечивает длительную и стабильную его работу не только в нормальных (например, неподвижном состоянии) условиях, но и в случае внешнего воздействия на него механических факторов - ускорения, вибраций, перемещений и т.п. С целью снижения усилий при сочленении-расчленении контактной пары 7, а также повышения надежности нормального функционирования рабочие поверхности данной пары покрывают золотом. Описанный датчик бесконтактного обнаружения скрытых дефектов и сбоев (ДБС-1) экспериментально проверялся при индикации (регистрации) скрытых дефектов многослойных печатных плат (МПП), а также при регистрации электромагнитного излучения от ПЭВМ и несанкционированных закладок, работающих в диапазоне частот порядка 100 МГц. Датчик бесконтактного обнаружения сбоев, снабженный электроникой для обработки и индикации (регистрации) сигналов, снабженный при необходимости регулировкой принимаемых сигналов образует прибор бесконтактного обнаружения сбоев. В следующем разделе рассматривается один из примеров построения такого прибора в зависимости от предъявляемых требований и решаемых задач.
