мажоритирование что это такое
Мажоритирование что это такое
Цель и задачи исследования
Целью проводимого исследования является повышение живучести мажоритарно-резервированных систем с тройным резервированием, в состав которых входят резервированные функциональные модули с допустимым уровнем рассогласования параметров. Для достижения поставленной цели решается задача мажоритирования сигналов с допустимым уровнем рассогласования параметров от функциональных модулей различных комплектов. Цель достигается за счет доработки схем контроля мажоритарных элементов и определения алгоритма обработки сигналов контроля работы мажоритарных элементов различных комплектов мажоритарно-резервированной системы.
В работах [1; 3] рассматривается возможность повышения живучести резервированных систем управления, в том числе мажоритарно-резервированных. В работе [1] cинтезирована схема управляемого мажоритарного элемента, позволяющая снизить вероятность отказа узлов с мажоритарным резервированием.
Однако в случае расхождения значений различных комплектов срабатывают схемы контроля работы МЭ, что затрудняет оценку погрешностей обработки сигналов функциональных модулей, таких как, например, аналого-цифровые преобразователи (АЦП).
В ходе проведенного исследования рассматривается вопрос мажоритирования сигналов различных комплектов в случае расхождения их значений в установленных допустимых пределах.
Разработка схемы обработки сигналов контроля мажоритарных элементов
Рис. 1. Структурная схема системы комплексирования комплектов ПУ и КП
Рис. 2. Функциональная схема управляемого мажоритарного элемента
На рис. 1 изображена схема системы комплексирования комплектов пункта управления (ПУ) и контролируемых пунктов (КП) автоматизированной системы управления технологическими процессами, в дальнейшем – АСУ ТП, где А, Б, В – это резервированные комплекты ПУ или КП; МСИ-А, МСИ-Б, МСИ-В – это магистрали системных интерфейсов комплектов А, Б, В соответственно [1].
В качестве исходных данных для схем резервирования введены следующие обозначения:
1) С – сигнал своего комплекта;
2) Л – сигнал левого комплекта;
3) П – сигнал правого комплекта;
4) ПУ – пункт управления;
5) КП – контролируемые пункты.
В работах [2; 4; 5] подробно рассмотрены вопросы синхронизации работы мажоритарных элементов резервированных комплектов.
В работе [1] синтезирована функциональная схема управляемого мажоритарного элемента, представленного на рис. 2.
На входы схемы поступают сигналы своего (С), левого (Л) и правого (П) комплекта (на рис. 2 изображена схема мажоритирования одного из разрядов комплекса).
В результате работы схем мажоритарных элементов на их выходах образуются собственно сигналы – результирующие значения мажоритирования входных величин (МЭ) от своего, левого и правого комплектов, а также соответствующие каждому сигналу на входе разряды контроля работы мажоритарных элементов (МЭ), говорящие о совпадении (КМЭ = 0) или несовпадении (КМЭ = 1) значений сигнала своего комплекта (С) с мажоритарным значением (МЭ). Сигналы КМЭ предполагается использовать в дальнейшем как для диагностики работы аппаратуры комплектов, так и для накопления достоверности в ходе их работы.
В работе [1] описано, как с помощью программно задаваемых признаков резервирования можно следить за работой каждого из комплектов комплекса в отдельности, т.е. обращаться к резервированным функциональным модулям комплектов как к нерезервированным с дальнейшей программной обработкой накопленной информации, т.е. реализовать программно режимы 1002,1003 работы комплектов. Основным недостатком в этом случае является то, что не всегда удается повысить достоверность полученных результатов по сравнению с мажоритарным режимом работы.
В ходе проведенного исследования авторы столкнулись с проблемой мажоритирования сигналов получаемых с выходов функциональных модулей аналого-цифровых преобразователей различных комплектов (А, Б, В), в дальнейшем – АЦП, так как значения параметров различных комплектов могут быть отличны друг от друга. Эта проблема возникает в режимах работы 2002, 2003 резервированных комплектов.
В ходе проведенного исследования решена задача мажоритирования сигналов с допустимым уровнем рассогласования параметров от функциональных модулей различных комплектов.
В качестве примера может быть рассмотрена схема мажоритирования сигналов с выходов функциональных модулей аналого-цифровых преобразователей, в дальнейшем – АЦП. При этом в качестве исходного требования примем – допустимый разброс параметров АЦП различных комплектов.
Например, в случае допустимого разброса параметров в один квант (для простоты изложения предположим, что на выходе АЦП восьмибитные данные) и значения комплектов А, Б, В соответственно равны 01000000, 00111111, 00111111. В результате мажоритирования получим значение 00111111. В этом случае сработают схемы контроля работы мажоритарных элементов в комплекте А разрядов с шестого по нулевой (КМЭ6-КМЭ0 = 1), т.е. будут зафиксированы несовпадения данных комплекта А с данными результатов мажоритирования в семи разрядах, хотя разница значений параметров сигналов не превысила один квант. Чтобы исключить наличие некорректности в работе комплекта А, задача мажоритирования может быть решена следующим образом.
Комплект А с помощью цепей коррекции инвертирует свои разряды с пятого по нулевой (5-0) прежде чем передать их значения соседним комплектам Б и В, что позволит уйти от ложных срабатываний цепей контроля мажоритарных элементов разрядов с пятого по нулевой.
Однако рассмотренное решение имеет ряд недостатков, таких как:
1) добавляется схема цепей коррекции сигналов подаваемых на входы мажоритарных элементов соседних комплектов;
2) в случае расхождения значений параметров сигналов различных комплектов, подлежащих мажоритированию, более чем в один кван, усложняется схема цепей коррекции сигналов подаваемых на входы мажоритарных элементов соседних комплектов, а также усложняется алгоритм обработки сигналов КМЭ.
Эти недостатки ограничивают применение в мажоритарно-резервированных системах функциональных модулей с допустимым, практически любым разбросом параметров, что особенно важно в АСУ ТП.
Для устранения этих недостатков в случае превышения уставки допустимого разброса значений параметров сигналов на входах мажоритарных элементов от различных комплектов будем фиксировать это в регистре состояния комплекта.
В ходе исследования предложен алгоритм обработки сигналов на выходе мажоритарных элементов. При этом необходимо доработать схему мажоритарной системы в части контроля ее работы, как показано на рис. 3.
Рис. 3. Схема мажоритарной системы в части контроля ее работы
Рис. 4. Функциональная схема управляемого мажоритарного элемента с доработкой
Основное назначение схемы заключается в определении превышения значений параметров сигналов заданной уставки допустимого рассогласования результатами мажоритирования различных комплектов ПУ или КП. Максимальный размер уставки рассогласования ограничивается только разрядной сеткой шины данных комплектов.
На рис. 3 приняты следующие обозначения:
1) СМЭ – схема собственно мажоритарных элементов;
2) РУР – регистр хранения значения допустимой уставки рассогласования сигналов своего комплекта с сигналами на выходе МЭ;
3) КМЭ10, КМЭ01 – регистры фиксирующие сигналы контроля работы МЭ;
4) СОРК – схема определения рассогласования кодов, поступающих от регистров КМЭ10, КМЭ01;
5) ССУ – схема сравнения кодов сигналов рассогласования с допустимой уставкой с выхода регистра РУР, задаваемой программно;
6) СПУР – сигнал превышения заданной уставки рассогласования.
Функциональная схема мажоритарного элемента, доработанная в части формирования сигналов контроля его работы, соответствующая схеме, представленной на рис. 3, приведена на рис. 4.
Здесь К10 – сигнал контроля работы мажоритарного элемента, означающий, что в этом разряде мажоритарный сигнал равен единице, а сигнал своего комплекта равен нулю; К01 – сигнал контроля работы мажоритарного элемента, означающий, что в этом разряде мажоритарный сигнал равен нулю, а сигнал своего комплекта равен единице. Дополнительно введем регистры для хранения результатов контроля работы мажоритарных элементов КМЭ10 и КМЭ01.
Рассмотрим работу схемы изображенной на рис. 3, при этом примем следующие допущения, упрощающие описание ее работы – будем оперировать с восьмибитными данными.
В качестве примера рассмотрим следующий. Предположим, что сигнал на выходе мажоритарной системы равен 00010101, а сигнал своего комплекта – 00001100 (т.е. расхождение значений своего комплекта с мажоритарным равно –9 = 12–21). В этом случае сработают цепи контроля работы мажоритарных элементов разрядов 4, 3, 0.
Таким образом, на входы схемы СОРК поступят двоичные коды чисел 17 и 8, а на выходе схемы СОРК в результате получим 8 – 17 = – 9, т.е. значение кода сигнала рассогласования комплектов. Этот код поступит на вход схемы ССУ, где сравнится с кодом допустимой уставки рассогласования, заданной программно, и поступающего с выхода регистра РУР.
В случае если значение этого кода превышает значение уставки рассогласования, поступающей с выхода регистра РУР, будет сформирован активный сигнал – СПУР, который может быть записан в регистр состояния комплекта, доступного в программном режиме.
Наличие активного значения сигнала СПУР говорит о превышении заданной уставки рассогласования значений параметров сигналов, поступающих на входы мажоритарных элементов различных комплектов.
Выводы
Предложенный алгоритм обработки сигналов рассогласования может быть использован при обработке сигналов с выходов не только функциональных модулей АЦП, используемых при обработке сигналов ТИТ – телеизмерений текущих, но и любых других, например сигналов ТИИ – телеизмерений интегральных, сигналов ТУ – телеуправления и ТР – телерегулирования, в том числе в диагностических целях аппаратных средств систем резервирования.
В результате проведенного исследования предложена схема доработки мажоритарного элемента в части контроля его состояния, а также разработана схема анализа сигналов рассогласования в мажоритарно-резервированной системе со схемой резервирования – 2003, удовлетворяющая предложенному алгоритму обработки сигналов контроля работы мажоритарных элементов резервированных комплектов в режимах работы 1002, 1003, 2002, 2003.
Мажоритирование что это такое
В работах [1–3] рассматривается возможность повышения живучести резервированных систем управления, в том числе мажоритарно-резервированных. В работе [1] cинтезирована схема управляемого мажоритарного элемента, позволяющая снизить вероятность отказа узлов с мажоритарным резервированием в соответствии с расчетами, приведенными в работах [4, 5].
Однако не рассмотрены вопросы связанные с синхронизацией работы функциональных блоков различных комплектов, таких как УСАПП.
В ходе проведенного исследования рассмотрен вопрос мажоритирования сигналов различных комплектов в случае, когда в их состав входят УСАПП – устройства синхронно-асинхронных приемо-передатчиков (USART) и разработана функциональная схема обработки сигналов УСАПП.
Целью проводимого исследования является повышение эффективности мажоритарно-резервированных систем с тройным резервированием, в состав которых входят резервированные функциональные модули с устройствами синхронно-асинхронных приемо-передатчиков (УСАПП). Для достижения поставленной цели решается задача мажоритирования сигналов УСАПП от функциональных модулей различных комплектов. Цель достигается за счет разработки функциональной схемы УСАПП различных комплектов мажоритарно-резервированной системы.
Разработка схемы обработки сигналов УСАПП
Рис. 1. Структурная схема системы комплексирования комплектов ПУ и КП
Рис. 2. Структурная схема комплекта
На рис. 1 изображена схема системы комплексирования комплектов ПУ и КП, где А, Б, В – это резервированные комплекты ПУ или КП; МСИ-А, МСИ-Б, МСИ-В – это магистрали системных интерфейсов комплектов А, Б, В соответственно [1].
В качестве исходных данных для схем резервирования введены следующие обозначения:
1) С – сигнал своего комплекта;
2) Л – сигнал левого комплекта;
3) П – сигнал правого комплекта;
4) ПУ – пункт управления;
5) КП – контролируемые пункты.
При этом для комплектов А, Б, В в качестве своего, левого и правого будут комплекты:
1) для комплекта А: свой – А, левый – В, правый – Б;
2) для комплекта Б: свой – Б, левый – А, правый – В;
3) для комплекта В: свой – В, левый – Б, правый – А.
Обмен сигналами между функциональными частями резервированных комплектов, сигналы которых подлежат мажоритированию, осуществляется как правило по проводным межкомплектным связям, показанным на рис. 1. Мажоритарные связи могут присутствовать между любыми функциональными частями резервированных комплектов, в том числе между задатчиками, функциональными модулями, в том числе УСАПП, подключенными к магистрали резервированного интерфейса комплекта.
В работе [1] синтезирована функциональная схема управляемого мажоритарного элемента, а также представлена структурная схема резервируемого комплекта, изображенная на рис. 2.
На рис. 2 приняты следующие обозначения:
1) МИ – магистраль интерфейса резервируемого комплекта;
2) З – задатчик магистрали интерфейса МИ, включающий в себя как правило процессор, схему системы комплексирования резервированных комплектов и управления межкомплектными связями, мажоритарные элементы, схемы формирования сигналов магистрали интерфейса;
3) И, П, И/П – функциональные модули источники, приемники и комбинированные модули – источники/приемники данных по отношению к магистрали интерфейса резервированного комплекта.
В работах [6, 7] подробно рассмотрены вопросы синхронизации работы мажоритарных элементов резервированных комплектов систем управления, работающих в реальном масштабе времени.
В ходе проведенного исследования решена задача синхронизации работы функциональных модулей УСАПП, различных комплектов, в асинхронном режиме работы при мажоритировании их сигналов в мажоритарно-резервированной системе управления, работающей в реальном масштабе времени.
В качестве примера может быть рассмотрена схема мажоритирования сигналов с выходов функциональных модулей УСАПП, работающих в асинхронном режиме, при этом в качестве примера выбран формат приемо-передатчиков S,8,R (старт, восемь бит данных, один стоповый бит).
Особенностями асинхронного режима является то, что байты в потоке данных УСАПП передаются асинхронно, а биты внутри каждого байта – синхронно. Это, в совокупности с асинхронными системными интерфейсами, работающими в режиме обработки прерываний, может приводить в большинстве случаев к рассогласованию работы резервированных комплектов и накладывает определенные ограничения на время приема, передачи и обработки данных как на передающей, так и на приемной сторонах, что накладывает дополнительные требования к синхронности в работе функциональных модулей УСАПП, расположенных в разных комплектах мажоритарно резервированных комплексов.
При этом в качестве основного режима работы УСАПП выбираем режим прерываний, как наиболее приемлемый для систем управления работающих в реальном масштабе времени.
Сигналы прерывания (INTR-i) от функциональных модулей различных комплектов также предполагается обрабатывать с помощью мажоритарных элементов.
На рис. 3 представлены временные диаграммы работы УСАПП, в частности формирование сигналов запросов на прерывание INTR-А, INTR-Б, INTR-В, поступающих с выходов УСАПП в различных комплектах при их мажоритировании. Для упрощения временных диаграмм рассмотрен временной интервал приема-передачи только стоповых бит, так как сигнал запроса на прерывание формируется именно в этом временном интервале.
Из рис. 3 видно, что при обычном мажоритировании сигналов в режиме резервирования 2003(два из трех), поступающих с выходов УСАПП, мажоритарный сигнал запроса на прерывание INTR-М формируется раньше чем сигнал запроса на прерывание INTR-Б комплекта Б, что приводит к рассинхронизации в работе комплектов, в том числе при обработке сигналов контроля работы мажоритарных элементов.
Рис. 3. Временные диаграммы работы УСАПП в мажоритарно-резервированной системе управления
Наряду с проблемами обработки сигналов УСАПП в резервированном режиме (2003 – два из трех), самые большие проблемы в обработке возникают при работе резервированных комплектов в дублированных режимах (два из двух). Это вызвано проблемой принятия решения при голосовании двух комплектов в дублированном режиме. Для устранения этих недостатков необходимо синхронизировать работу УСАПП различных комплектов при их рассинхронизации в допустимых пределах.
Как правило, при обработке сигналов функциональными модулями УСАПП, наибольшее распространение нашел «метод укороченного контакта» [7].
С учетом того, что функциональные модули УСАПП предлагается использовать в различных режимах резервирования, таких как повторительный или нерезервированный, дублированный, мажоритарный или резервированный, позволяет ввести допустимый разброс временных параметров сигналов УСАПП различных комплектов в пределах половины длительности времени передачи одного бита.
В результате проведенного исследования предложена схема функциональных модулей УСАПП, представленная на рис. 4, работающих в асинхронном режиме в режиме прерываний.
Рис. 4. Функциональная схема модуля передачи УСАПП
На рис. 4. приняты следующие дополнительные обозначения:
1) Тз – временная задержка при передаче данных с выхода УСАПП на вход мажоритарного элемента;
2) МЭ – мажоритарные элементы сигналов с выходов УСАПП, задержанных на время Тз, равное половине длительности времени передачи одного бита;
3) INTR-И, INTR-П – сигналы запросов на прерывание источников и приемников различных комплектов;
4) МЭ-А, МЭ-Б, МЭ-В – резервированные сигналы УСАПП с выходов мажоритарных элементов системы;
5) МИ – магистрали интерфейсов
МИ-А, МИ-Б, МИ-В соответствующих резервированных комплектов А, Б, В;
6) И – источники данных по отношению к магистралям резервированных интерфейсов МИ-А, МИ-Б, МИ-В;
7) П – приемники данных по отношению к магистралям резервированных интерфейсов МИ-А, МИ-Б, МИ-В.
Работа функциональных модулей УСАПП в асинхронном режиме по прерываниям, по отношению к магистральным интерфейсам МИ-А, МИ-Б, МИ-В различных комплектов, ничем не отличается от работы в нерезервированных системах как в режиме приема, так и в режиме передачи данных.
Особенностью схемы (рис. 4) является то, что дополнительно вводятся временные задержки сигналов на выходах передатчиков данных, а также – функциональные модули И-приемников УСАПП (источников данных по отношению к магистрали резервированного интерфейса комплекта), предназначенные для фиксации моментов окончания передачи очередного байта с выхода мажоритарной схемы.
Обработка сигналов INTR-М (результат мажоритирования сигналов INTR-И различных комплектов) совместно с сигналами INTR-П в каждом из резервированных комплектов А, Б, В позволит:
1) синхронно и корректно обрабатывать запросы на прерывание в различных комплектах мажоритарно резервированных систем, в том числе в дублированных режимах 2002 (два из двух);
2) синхронизировать работу функциональных модулей УСАПП различных резервированных комплектов при передаче массивов данных большой длины при работе в асинхронном режиме и режиме прерываний;
3) исключить ложные ошибки, связанные с рассинхронизацией в работе функциональных модулей УСАПП различных комплектов и обработке сигналов КМЭ – контроля работы мажоритарных элементов.
Временные диаграммы формирования сигналов запросов на прерывание в схеме рис. 4. представлены на рис. 5. Для упрощения временных диаграмм на рис. 5, так же как на рис. 3, рассмотрен временной интервал приема-передачи только стоповых бит, так как сигнал запроса на прерывание формируется именно в этом временном интервале.
Рис. 5. Временные диаграммы формирования сигналов запросов на прерывание
На временных диаграммах (рис. 5) Аз, Бз, Вз, Мз показаны сигналы различных комплектов с выходов функциональных модулей УСАПП с учетом временных задержек, введенных на схеме рис. 4. Введение временных задержек в схемы функциональных модулей УСАПП различных комплектов позволяет синхронизировать их работу в составе мажоритарно резервированных систем. Это позволит применять функциональные модули УСАПП в мажоритарно-резервированных системах в режимах повторительном (1002, 1003), дублированном (2002), мажоритарном (2003).
Выводы
В результате проведенного исследования предложена схема функциональных модулей УСАПП, позволяющая организовать повторительный, дублированный, резервированный режимы работы УСАПП, работающих в реальном масштабе времени в асинхронном режиме в режиме прерываний, подключенных к магистральным интерфейсам резервированных комплектов, работающих в составе мажоритарно-резервированных систем управления.
Предложенная схема обработки сигналов УСАПП может быть использована при обработке сигналов функциональных модулей УСАПП не только в режиме передачи, но и в режиме приема данных в режиме прерываний.
Диодно-транзисторные и оптоэлектронные мажоритарные логические элементы
Приведены схемы и описание работы диодно-транзисторных и оптоэлектронных трехвходовых логических элементов «Мажоритарность» и «Мажоритарность-НЕ».
Логический элемент «Мажоритарность» имеет несколько входов и один выход, уровень «лог. 1» на котором появляется только при условии, что уровень «лог. 1» одновременно присутствует на большинстве из его входов. Математически это условие можно выразить как
N – число входов;
M – число задействованных входов;
ROUND – функция округления до целого в большую сторону.
Логический элемент «Мажоритарность-НЕ» можно рассматривать и как логический элемент «Миноритарность». Миноритарный логический элемент имеет несколько входов и один выход, уровень «лог. 0» на котором появляется только при условии, что уровень «лог. 1» одновременно присутствует на большинстве из его входов.
 | ||
| Рисунок 1. | Электрическая схема диодно-транзисторного трехвходового логического элемента «Мажоритарность» («MAJOR») и «Мажоритарность-НЕ» («MAJOR-NOT»). | |
Мажоритарные логические элементы входят в состав промышленно выпускаемых микросхем. Так, например, КМОП-микросхема К561ЛП13 содержит три трехвходовых мажоритарных элемента, эквивалентная схема которых достаточно сложна.
Простые варианты трехвходовых мажоритарных логических элементов «Мажоритарность» и «Мажоритарность-НЕ» можно выполнить на основе дискретных элементов. На Рисунке 1 представлена схема диодно-транзисторного трехвходового логического элемента, выполняющего функции «Мажоритарность» («MAJOR») и «Мажоритарность-НЕ» («MAJOR-NOT»).
При подаче на входы Х1–Х3 сигналов уровня «лог. 1» и/или «лог. 0» на выходе логического элемента в зависимости от положения условного переключателя SA1 можно получить сигналы, отвечающие таблице истинности, приведенной на Рисунке 2. Предполагается, что уровню «лог. 0» соответствует подключение входа логического элемента к общей шине.
Из анализа работы логического элемента, Рисунок 1, следует, что уровень его выходного сигнала переменится в случае, когда на два или более входа логического элемента будут поданы сигналы уровня «лог. 1».
 | ||
| Рисунок 2. | Условные обозначения логических элементов «Мажоритарность» («MAJOR») и «Мажоритарность-НЕ» («MAJOR-NOT») и их таблица истинности. | |
Более простой вариант трехвходового логического элемента «Мажоритарность» («MAJOR») и «Мажоритарность-НЕ» («MAJOR-NOT») можно получить с использованием оптоэлектронных элементов.
 | ||
| Рисунок 3. | Электрическая схема оптоэлектронного трехвходового логического элемента, выполняющего функции «Мажоритарность» («MAJOR») и «Мажоритарность-НЕ» («MAJOR-NOT»). | |
Устройство, Рисунок 3, выполнено с использованием трех оптопар, каждая из которых имеет светодиод и два фотодиода. При отсутствии входных сигналов все фотодиоды находятся в токонепроводящем состоянии. При подаче на один из входов сигнала уровня «лог. 1» фотодиоды, соответствующие этому входу, переходят в токопроводящее состояние, однако этого недостаточно для того, чтобы на выходе логического элемента сменился выходной уровень. Для того чтобы выходной уровень логического элемента переключился, необходимо подать сигнал уровня «лог. 1» не менее чем на два его входа, Рисунки 1 и 2.
Для защиты светодиодов оптопар от их возможного повреждения обратным напряжением в случае, когда на один из входов подана «лог. 1», а на другой – «лог. 0», для светодиодов каждого из входов рекомендуется использовать отдельный, а не общий гасящий резистор.