МНОГОПРОЦЕССОРНЫЙ КОНТРОЛЛЕР ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ СЛОЖНЫМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ОБЪЕКТОМ

Полезная модель относится к вычислительной технике, в частности, к системам автоматизации управления технологическими процессами крупных промышленных объектов с требуемой степенью резервирования и производительностью.
Сложный объект автоматизации является совокупностью технологических подсистем, которые, в свою очередь, состоят из более мелких технологических функциональных узлов. Разбиение объекта на функциональные узлы основано на выделении отдельной технологической задачи либо нескольких тесно связанных задач в единый узел, вследствие чего каждый функциональный узел достаточно автономен. Интенсивность его взаимодействия с остальной системой на порядки ниже, чем внутри него.
Для автоматизации управления такими объектами необходимы сложные многопроцессорные системы с распределенной обработкой сигналов и управлением.
Известен многопроцессорный контролер, описанный в патенте РФ №2210104 на изобретение «Многопроцессорная информационно-управляющая система релейной защиты и автоматики» по классу G06F 15/16, Н01Н 83/00, Н02Н 7/00, заявленном 28.06.2001 г., и опубликованном 10.08.2003 г.
Известная многопроцессорная информационно-управляющая система содержит N устройств обработки и N узлов связи, причем каждое устройство обработки содержит блок обработки и два узла сопряжения с магистралью, причем выход b-го узла связи (где b=1...N-1) соединен со входом (b+1)-го узла связи, при этом в нее введен микропроцессорный
преобразователь, причем информационные входы-выходы первой группы каждого N-го устройства обработки соединены с информационными входами-выходами соответствующего N-го узла связи, информационные входы-выходы второй группы каждого N-го устройства обработки являются первой группой входов-выходов системы, вторая группа входов-выходов которой является группами входов-выходов N-ых блоков обработки, первая и вторая группы входов которых являются группой входов системы, выход N-го узла связи соединен со входом микропроцессорного преобразователя, выход которого соединен со входом первого узла связи, группа входов-выходов микропроцессорного преобразователя является третьей группой входов-выходов системы, причем микропроцессорный преобразователь состоит из двух усилителей, микропроцессора, набора элементов ИЛИ, элемента И, преобразователя электрических сигналов в оптические и преобразователя оптических сигналов в электрические, причем группа входов-выходов микропроцессорного преобразователя является входом первого усилителя и выходом второго усилителя, вход которого соединен с выходом элемента И, первый вход которого соединен с третьим входом набора элементов ИЛИ и с первым выходом микропроцессора, вход которого соединен с выходом первого усилителя, второй выход микропроцессора соединен с первым входом набора элементов ИЛИ, второй вход которого соединен со вторым входом элемента И и с выходом преобразователя оптических сигналов в электрические, вход которого является входом микропроцессорного преобразователя, выход которого является выходом преобразователя электрических сигналов в оптические, вход которого соединен с выходом набора элементов ИЛИ.
Недостатком данной системы является ее сложность и аппаратная избыточность, приводящая к неоправданному удорожанию системы.
Наиболее близким к заявляемому является многопроцессорный контроллер, описанный в патенте РФ №2263952 на изобретение «Многопроцессорный
контроллер для управления сложным технологическим объектом» по классу G06F 15/16, заявленном 22.10.2003 г., опубликованном 10.11.2005 г.
Данный многопроцессорный контроллер содержит процессорные модули, состоящие из соединенных внутренней шиной процессора, снабженного интерфейсом последовательной связи и интерфейсом локальной сети, блока памяти, блока логического управления, субмодулей ввода-вывода, интерфейса измерения и управления объектом, при этом процессорные модули объединены дублированной детерминированной локальной сетью нижнего уровня в кластеры посредством первой и второй последовательных системных шин, причем каждый процессорный модуль имеет возможность сопряжения с локальной сетью верхнего уровня через интерфейс локальной сети и дополнительно содержит формирователь географического адреса, связанный с блоком логического управления, первый и второй интерфейсы последовательной системной шины, соединенные соответственно с первой и второй последовательными системными шинами и внутренней шиной.
Недостатком описанного выше многопроцессорного контроллера для управления сложным технологическим объектом является аппаратная, программная и функциональная избыточность, обусловленная n-кратным резервированием функций в кластере вследствие идентичности применяемых n процессорных модулей, снабженных интерфейсом локальной сети для сопряжения с локальной сетью верхнего уровня и объединенных С другими процессорными модулями в кластеры с помощью дублированной детерминированной локальной сети нижнего уровня в виде двух последовательных системных шин.
Оснащение всех процессорных модулей интерфейсами локальной сети для сопряжения с локальной сетью верхнего уровня излишне, так как на практике к локальной сети верхнего уровня можно подключить не
более двух модулей из кластера, кроме того, при использовании локальных сетей верхнего уровня иных стандартов требуются процессорные модули с другими интерфейсами локальной сети, что приводит к необходимости содержать в номенклатуре контроллера модули, отличающиеся лишь интерфейсами локальной сети верхнего уровня и при этом идентичные по всем остальным функциям и параметрам.
Проектная компоновка в описанном многопроцессорном контроллере осуществляется за счет подбора субмодулей ввода-вывода, причем функции ввода-вывода жестко фиксированы в рамках каждого отдельного модуля и каждый субмодуль имеет несколько каналов одного направления, что приводит к большой избыточности, широкой номенклатуре субмодулей, и не оптимальности компоновки сигналов ввода-вывода. Номенклатура субмодулей определяется также типами подключаемых к ним сигналов (аналоговые, дискретные, импульсные) и электрическими характеристиками самих сигналов (токи, напряжения, сопротивления различных уровней), что приводит к тому, что в один модуль подключаются сигналы из разных функциональных узлов, но имеющие один тип сигнала (например, ток), что приводит к излишним перекрестным информационным потокам внутри контроллера.
Все это требует применения мощных и дорогих процессоров и приводит к неоправданному усложнению и удорожанию программного и аппаратного обеспечения каждого процессорного модуля а, следовательно, и всего многопроцессорного контроллера.
Таким образом, известный многопроцессорный контроллер излишне сложен и дорог.
Задачей заявляемой полезной модели является упрощение и снижение стоимости многопроцессорного контроллера для управления сложным технологическим объектом путем минимизации аппаратной, программной и функциональной избыточности.
Техническим результатом, позволяющим решить указанную задачу, является специализация процессорных модулей, составляющих многопроцессорный контроллер, по назначению и выполняемым функциям и унификация трактов связи с объектом.
Указанный результат достигается тем, что в многопроцессорном контроллере для управления сложным технологическим объектом, содержащем процессорные модули, объединенные детерминированной локальной сетью нижнего уровня в виде последовательной системной шины, причем каждый из процессорных модулей содержит соединенные внутренней шиной процессор и связанный с ним формирователь географического адреса, блок памяти и интерфейс последовательной системной шины, СОГЛАСНО ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ, процессорные модули выполнены в виде магистральных, координирующих модулей и модулей связи с объектом, при этом магистральные модули дополнительно снабжены интерфейсами локальной сети верхнего уровня, а модули связи с объектом дополнительно имеют унифицированные тракты связи с объектом, каждый из которых связан с адаптером связи с объектом и состоит из канала ввода, канала вывода и их переключателя, причем канал ввода содержит преобразователь «частота-код», канал вывода - преобразователь «код-частота», а адаптер связи с объектом соответственно этому содержит последовательно соединенные входной каскад преобразования входного сигнала в унифицированное напряжение, преобразователь «напряжение-частота» и устройство гальванической развязки, или последовательно соединенные выходной каскад управляющего сигнала, преобразователь «частота-напряжение» и устройство гальванической развязки.
Осуществление в многопроцессорном контроллере специализации процессорных модулей в виде магистральных, координирующих модулей и модулей связи с объектом, являющихся полностью равноправными абонентами одноранговой сети, позволяет избежать n-кратного резервирования
функций и минимизировать аппаратную, программную и функциональную избыточность за счет создания с помощью этих модулей системы с двумя уровнями управления: первого уровня - измерения, контроля и управления приводами исполнительных устройств, и второго уровня - уровня функционально-группового управления и координации.
Первый уровень управления, построенный на модулях связи с объектом, предназначен для реализации достаточно простых стандартных алгоритмов обработки сигналов с датчиков объекта и управления приводами исполнительных механизмов объекта автоматизации, что позволяет использовать в этих модулях более простые и недорогие процессоры. Уровень функционально-группового управления и координации, построенный на более сложных и мощных координирующих модулях, позволяет автоматизировать сложные и уникальные для каждого объекта процессы, реализовать последовательность пусков агрегатов и всего объекта в целом и решать задачи оптимизации хода технологического процесса.
Кроме того, снабжение магистральных модулей дополнительно интерфейсами локальной сети верхнего уровня для обеспечения возможности работы контроллера в составе программно-технического комплекса, состоящего из нижнего и верхнего уровня, а введение в модули связи с объектом унифицированных трактов связи с объектом, каждый из которых связан с адаптером связи с объектом и состоит из канала ввода, канала вывода и их переключателя, причем канал ввода содержит преобразователь «частота-код», канал вывода - преобразователь «код-частота», и выполнение соответственно этому адаптера связи с объектом содержащим последовательно соединенные входной каскад преобразования входного сигнала в унифицированное напряжение, преобразователь «напряжение-частота» и устройство гальванической развязки, или последовательно соединенные выходной каскад управляющего сигнала, преобразователь «частота-напряжение» и устройство гальванической развязки, позволяет
унифицировать тракты связи с объектом, сократив номенклатуру модулей связи с объектом за счет обеспечения возможности использования одного тракта в режиме ввода или вывода и, в конечном счете, создать более простой и дешевый контроллер, укомплектованный необходимым набором процессорных модулей, состав и конкретная модификация которых определяется информационно-управляющей емкостью объекта управления и номенклатурой информационно-управляющих сигналов.
В результате многопроцессорный контроллер становится более простым и дешевым.
Заявляемый многопроцессорный контроллер для управления сложным технологическим объектом обладает новизной по сравнению с прототипом, отличаясь от него тем, что процессорные модули выполнены в виде магистральных, координирующих модулей и модулей связи с объектом, при этом магистральные модули дополнительно снабжены интерфейсами локальной сети верхнего уровня, а модули связи с объектом дополнительно имеют унифицированные тракты связи с объектом, каждый из которых связан с адаптером связи с объектом и состоит из канала ввода, канала вывода и их переключателя, причем канал ввода содержит преобразователь «частота-код», канал вывода - преобразователь «код-частота», а адаптер связи с объектом соответственно этому содержит последовательно соединенные входной каскад преобразования входного сигнала в унифицированное напряжение, преобразователь «напряжение-частота» и устройство гальванической развязки, или последовательно соединенные выходной каскад управляющего сигнала, преобразователь «частота-напряжение» и устройство гальванической развязки.
Заявляемый многопроцессорный контроллер предназначен для автономного или системного использования при создании систем автоматизации технологических объектов управления и может найти широкое применение в системах автоматического управления технологическими
процессами крупных промышленных объектов, поэтому он соответствует критерию «промышленная применимость».
Заявляемая полезная модель иллюстрируется чертежами, где представлены на:
Фиг.1. Структурная схема многопроцессорного контроллера для управления сложным технологическим объектом,
Фиг.2. Схема унифицированного тракта связи с объектом и адаптера связи с объектом.
Многопроцессорный контроллер для управления сложным технологическим объектом, представленный на чертеже (см. Фиг.1), содержит процессорные модули трех видов, а именно, магистральные модули 1, координирующие модули 2 и модулей 3 связи с объектом, объединенные детерминированной локальной сетью нижнего уровня в виде последовательной системной шины 4.
м
м
м
м
Магистральный модуль 1 содержит соединенные внутренней шиной 5 процессор 6 и связанный с ним формирователь географического адреса 7, блок памяти 8, интерфейс 9 последовательной системной шины и интерфейс 10 локальной сети верхнего уровня.
к
к
к
к
Координирующий модуль 2 содержит соединенные внутренней шиной 5 процессор 6 и связанный с ним формирователь географического адреса 7, блок памяти 8 и интерфейс 9 последовательной системной шины.
с
с
с
с
Модуль 3 связи с объектом содержит соединенные внутренней шиной 5 процессор 6 и связанный с ним формирователь географического адреса 7, блок памяти 8, интерфейс 9 последовательной системной шины и унифицированные тракты 11 связи с объектом.
Каждый из унифицированных трактов 11 связан с адаптером 12 связи с объектом и состоит (см. чертеж на Фиг.2) из канала 13 ввода, канала 14 вывода и их переключателя 15 и может функционировать в режиме
ввода или в режиме вывода, в зависимости от состояния переключателя 15.
Канал 13 ввода содержит преобразователь 16 «частота-код», канал 14 вывода - преобразователь 17 «код-частота». Тип адаптера 12 связи с объектом выбирается пользователем в зависимости от выбранного режима работы тракта 11 и соответственно этому содержит последовательно соединенные, начиная от объекта 18 управления, входной каскад 19 преобразования входного сигнала в унифицированное напряжение, преобразователь 20 «напряжение-частота» и устройство 21 гальванической развязки, или, соответственно, начиная от объекта 18 управления, последовательно соединенные выходной каскад 22 управляющего сигнала, преобразователь 23 «частота-напряжение» и устройство 24 гальванической развязки.
Данный многопроцессорный контроллер предназначен для построения систем автоматизации сложных технологических объектов управления с возможностью его работы, как в автономном режиме, так и в составе автоматической системы управления технологическими процессами в качестве основного или единственного компонента непосредственного управления. Верхний уровень управления при этом представляет собой средства визуализации процесса, фиксации событий и базу данных, неоперативный контур управления, инструментальные средства диагностики и отладки программного обеспечения. Нижний уровень, на котором основным является многопроцессорный контроллер, выполняет функции оперативного управления, сбора данных о состоянии объекта, обработки их и передачи на верхний уровень, а также выработки сигналов, для оперативного управления объектом.
Связь между верхним и нижним уровнем реализована с помощью локальной сети верхнего уровня Ethernet. Детерминированная локальная сеть нижнего уровня выполнена в виде шины CAN-bus.
Работа многопроцессорного контроллера осуществляется следующим образом.
м
к
с
м
к
с
м
к
с
м
к
c
При запуске контроллера в процессорных модулях 1, 2, 3 производится загрузка операционной системы из энергонезависимой памяти блоков 8, 8, 8, считывание процессорами 6, 6, 6 кода позиции в контроллере из формирователей географического адреса 7, 7, 7. Затем загружается соответствующая прикладная задача из энергонезависимой памяти блоков 8, 8, 8, либо через интерфейс 10 локальной сети верхнего уровня магистрального модуля 1 от источника прикладных задач, расположенного на верхнем уровне. При этом, код позиции модуля в контроллере позволяет проводить автоматическую верификацию конфигурации прикладной задачи на соответствие проекту автоматизации (при ее загрузке из памяти модуля) или, при ее загрузке через интерфейс 10, осуществлять загрузку требуемого файла задачи автоматически, в соответствии с кодом позиции модуля.
c
с
В процессе работы модуль 3 связи с объектом выполняет свою часть общей задачи, производя сбор информации в виде сигналов датчиков (на чертеже не показан) на объекте 18 управления. Сигнал датчика поступает через адаптер 12 связи с объектом, содержащий входной каскад 19 преобразования входного сигнала в унифицированное напряжение, преобразователь 20 «напряжение-частота» и устройство 21 гальванической развязки, на преобразователь 16 «частота-код» канала 13 ввода тракта 11 связи с объектом, где происходит окончательное преобразование входного сигнала в цифровой вид. Информация в цифровом виде поступает с выхода унифицированного тракта 11 связи с объектом на вход процессора 6 и/или записывается в оперативную память блока памяти 8.
с
Далее поступившая информация обрабатывается в соответствии с алгоритмом прикладной задачи, в результате чего процессор 6 вычисляет величины управляющих сигналов, значения которых поступают на вход
унифицированного тракта 11 связи с объектом и после подключения его канала 14 вывода, содержащего преобразователь 17 «код-частота», на адаптер 12 связи с объектом, где окончательно происходит преобразование цифрового сигнала в управляющие сигналы соответствующего вида - ток, напряжение, импульсный сигнал, - который с выходного каскада 22 управляющего сигнала поступает на исполнительный механизм (на чертеже не показан) на объекте 18 управления.
с
Для решения более сложных задач в соответствии с алгоритмом прикладной задачи или получения информации о значениях параметров, необходимых для функционирования собственных алгоритмов управления, модуль 3 связи с объектом взаимодействует через интерфейс 9 последовательной системной шины и системную шину 4 с координирующим модулем 2. Координирующий модуль 2 реализует сложные и уникальные для каждого объекта алгоритмы функционально-группового управления и оптимизации.
Заявляемый многопроцессорный контроллер является по сравнению с прототипом более простым и дешевым, он представляет собой многопроцессорную функционально-распределенную сетевую вычислительную систему с магистрально-модульной структурой, обладающую возможностями проектной компоновки и гибкого резервирования, как отдельных функций, так и всего контроллера в целом.