РАСПРЕДЕЛЕННАЯ СЕТЕВАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ

Полезная модель относится к области распределенных сетевых систем управления работой агрегатов машин и механизмов, распределенных информационных систем, находящихся в едином цикле функционирования и может быть использована для синхронизации работы исполнительных устройств агрегатов машин и механизмов, модулей информационных систем, управляемых от разных узлов сетевой системы.
В современных технических системах для обеспечения их функционирования весьма часто стоит задача жесткой синхронизации работы их исполнительных устройств. Данная проблема характерна, например, для распределенных систем связи, в том числе с большим количеством абонентов, зачастую находящихся на значительном расстоянии друг от друга, для сложных технических устройств, используемых в автомобильной, авиационной и других отраслях, например, в системах управления механизацией автомобильных или авиационных двигателей. При функционировании таких систем недопустимо, чтобы их исполнительные устройства получали не скоординированные, не синхронизированные между собой команды управления, а нарушение синхронизации подачи команд на исполнительные устройства может привести к сбою работы системы или аварийной ситуации.
Проблема синхронизации работы исполнительных устройств осуществляется различным образом.
Так, известна электронная система синхронизации зажигания для двигателя внутреннего сгорания, содержащая датчик положения зубцов шестерни двигателя, предназначенный для формирования сигнала при прохождении каждым зубцом шестерни упомянутого датчика, датчик фазы двигателя, предназначенный для формирования сигнала фазы двигателя при каждом цикле работы двигателя, средство формирования опорного сигнала цикла для каждого отдельного цилиндра двигателя для обеспечения синхронизации, формируемого сигналом высокой разрешающей способности и сигналом фазы работы двигателя так, что заранее определенное количество импульсов указанного сигнала вращения двигателя для одного цикла работы двигателя в соответствии с сигналом фазы двигателя разделяется на N равных интервалов синхронизации для каждого цилиндра, причем каждый интервал синхронизации маркируется опорным маркером цикла цилиндров. Система содержит средство для управления синхронизацией процесса сгорания в соответствующих цилиндрах двигателя, в соответствии с упомянутым сигналом вращения двигателя, сигналом фазы двигателя и опорными маркерами цикла цилиндров с возможностью точного управления указанной синхронизацией процесса сгорания. Для совпадения с заданным рабочим положением двигателя электронная система синхронизации зажигания дополнительно содержит средство умножения сигнала о положении зубцов шестерни на целое число, кратное числу цилиндров в двигателе, для получения сигнала разрешающей способности вращения двигателя в виде последовательности импульсов, каждый из которых в этой последовательности указывает заранее определенное угловое смещение двигателя, при этом средство для управления синхронизацией процесса сгорания содержит ряд программируемых синхронизаторов, обеспечивающих программируемую задержку, определяемую по количеству импульсов упомянутых сигналов вращения двигателя, подаваемых к синхронизаторам от средства умножения сигнала для управления синхронизирующим действием для каждого цилиндра с использованием опорных маркеров цикла цилиндров в качестве опорных синхроимпульсов. Система также включает N программируемых синхронизаторов задержки до включения инжектора, каждый из которых обеспечивает программируемую задержку, указывающую на момент в цикле цилиндра, определенный в соответствии с угловым смещением двигателя, в который соответствующий топливный инжектор должен открываться для подачи топлива в этот цилиндр, а средство для управления синхронизацией процесса сгорания дополнительно содержит средство задания последовательности работы цилиндров для формирования синхронизирующих управляющих сигналов для указания отдельных периодов цикла для каждого цилиндра двигателя в точной последовательности в соответствии с сигналом фазы двигателя и опорными маркерами цикла цилиндра.
(см. патент РФ №2121073, кл. F02P 5/15, 1998 г.)
В результате выполнения данной системы синхронизации необходимо отметить, что она чрезвычайно сложна, обрабатывает большое количество параметров, что снижает ее быстродействие и надежность. Область применения ее ограничена двигателями внутреннего сгорания.
Известна система синхронизации узлов распределенной системы управления, в которой ведущий узел системы посылает серию синхронизирующих сообщений ведомым узлам, по которым они настраивают свои внутренние таймеры.
(см. патент США №7114091, кл. G06F 1/12, 2006 г)
Недостатком данной системы является недостаточное ее быстродействие и низкая точность синхронизации, ограничиваемая достаточно длительным временем передачи синхронизирующих сообщений по сетевому каналу.
Известна распределенная система управления, содержащая связанные коммуникационным каналом сетевые узлы, каждый из которых состоит из контроллера узла, управляющего исполнительным устройством, контроллера, связанного с коммуникационным каналом, выход данного контроллера через блок связи соединен с блоком защиты, выход которого через второй блок связи соединен с входом контроллера узла. Блок защиты и первый блок связи дополнительно связаны с исполнительным механизмом.
В процессе работы системы, при отсутствии отказов сетевые узлы посредством коммуникационных контроллеров через коммуникационный канал обмениваются сообщениями, а контроллеры узлов выполняют функции управления исполнительными устройствами. При отказе контроллера узла в одном из сетевых узлов другие сетевые узлы обнаруживают отказ и с помощью посылки аварийных сообщений переводят исполнительное устройство узла с отказавшим контроллером в безопасное для всей системы состояние. Аварийное сообщение распознается блоком связи и блоком защиты и воздействует на исполнительное устройство, минуя отказавший контроллер.
(см. патент США №7023870, МПК H04L 12/56 2006 г.) - наиболее близкий аналог.
В результате анализа данной системы необходимо отметить, что ее недостатком является отсутствие механизма жесткой синхронизации работы исполнительных устройств в сетевых узлах. Момент выдачи управляющего воздействия контроллером узла на исполнительное устройство в каждом узле определяется в соответствии с логикой работы этого узла и не привязан к моментам выдачи управляющих воздействий в других узлах. С учетом того, что некоторые из узлов могут находиться в состояниях сбоя или перезагрузки, разница во временах выдачи управляющих воздействий в разных узлах может достигать существенных значений.
Задачей настоящей полезной модели является разработка распределенной сетевой системы управления, обеспечивающей жесткую синхронизацию работы исполнительных устройств в разных узлах данной системы.
Поставленная задача обеспечивается тем, что в распределенной сетевой системе управления, содержащей связанные коммуникационным каналом узлы каждый из которых состоит из контроллера управления исполнительным устройством узла, коммуникационного контроллера, связанного с коммуникационным каналом, вход контроллера управления исполнительным устройством узла через первый блок связи связан с блоком защиты, с которым через второй блок связи связан коммуникационный контроллер, новым является то, что каждый узел системы оснащен регистром маски подтверждения переданных сообщений, регистром маски принятых сообщений и блоком логики, причем регистры масок переданных и принятых сообщений входами связаны с выходами второго блока связи и блока защиты, а выходами - с первым и вторым входами блока логики, третий вход которого связан с выходом контроллера управления исполнительным устройством узла, а выход блока логики связан с синхронизирующим входом исполнительного устройства узла.
Сущность полезной модели поясняется графическими материалами, на которых представлена схема распределенной сетевой системы управления.
Система состоит из n сетевых узлов У1, У2…Уn (например, агрегатов машины, работающих в едином технологическом цикле), работа которых должна производится в жестко завязанном цикле. Каждый сетевой узел состоит из контроллера 1 управления работой исполнительного устройства, коммуникационного контроллера 2, блока защиты 3, связанного через первый блок связи 4 с контроллером 1 и через второй блок связи 5 с коммуникационным контроллером 2. Исполнительное устройство обозначено позицией 6. Все сетевые узлы связаны в единую систему посредством коммуникационного канала 7. Каждый сетевой узел дополнительно содержит регистр 8 маски подтверждения переданных сообщений, регистр 9 маски принятых сообщений и блок логики 10. Регистры масок переданных 8 и принятых 9 сообщений своими входами связаны с выходами блоков защиты 3 и связи 5, а своими выходами связаны с первым и вторым входами блока логики 10, третий вход блока логики 10 связан с выходом контроллера 1. Выход блока логики 10 связан с синхронизирующим входом исполнительного устройства 6.
Конструктивно система реализована на базе известных средств.
В качестве контроллеров могут быть использованы процессоры Элвис МС-24, Atmel AT91SAM9 или другие встраиваемые микроконтроллеры.
В качестве блоков связи могут быть использованы интерфейсы SPI, RS-485 или другие последовательные или параллельные шины.
В качестве блока защиты и регистров может быть использована программируемая логическая интегральная схема Xilinx или Altera.
В качестве блока логики может быть использована стандартная логическая интегральная микросхема.
Система работает следующим образом.
В процессе работы системы каждый контроллер 1 настраивает свой блок логики 10 на выработку команд синхронизации исполнительного устройства 6 таким образом, что команда синхронизации будет выдаваться блоком логики 10 только при условии поступления из регистров 8 и 9 заданных масок соответственно переданных и принятых сообщений. В процессе работы системы контроллер 1 выдает команду управления на исполнительное устройство 6 и одновременно передает через коммуникационный контроллер 2 сообщение всем узлам сети о выдаче команды на свое исполнительное устройство 6. Исполнительное устройство отрабатывает выданную команду не сразу, а только при поступлении синхронизирующего сигнала от блока логики 10, а блок логики выдаст сигнал синхронизации только тогда, когда все контроллеры узлов выдадут команды управления на свои исполнительные устройства и выдадут в коммуникационный канал соответствующие сообщения. В каждом сетевом узле блоки защиты 3 и связи 5 обрабатывают все принятые и переданные сообщения и устанавливают в регистрах 8 и 9 соответствующие сообщениям биты, которые обрабатываются блоком логики 10. При совпадении комбинации битов, соответствующих переданным и принятым сообщениям, с набором битов, установленных в блоке логики при начале работы системы, блок логики выдает сигнал синхронизации на свое исполнительное устройство. Таким образом, блоки логики всех сетевых узлов выдадут команды синхронизации своих исполнительных устройств строго в момент поступления сообщения от последнего по времени контроллера узла, выдавшего команду на свое устройство управления. Таким образом, сигналы синхронизации исполнительных устройств будут выданы на все исполнительные устройства одновременно с точностью до быстродействия блоков логики.