СПОСОБ РЕЗЕРВИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОННОГО БЛОКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF ELECTRONIC UNIT BACKUP AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Техническое решение относится к области электротехники, в частности к способам резервирования полупроводниковых объектов, работающих под действием механической вибрации и ударов, в сложных климатических условиях, и может быть использовано в железнодорожном, морском или специальном транспорте, а также в авиации.
Известны электротехнические системы автоматизации, использующие различные варианты резервирования электрических сигналов путем дублирования, троирования, квадрирования и т.п., которые часто базируются на принципе «основной-резервный», «активный-ждущий», «горячий-холодный» и т.п. Как правило, основной - активный объект работает при нормальной для него нагрузке, а идентичный ему резервный объект (один или несколько) выключен или находится в «холодном резерве». При отказе активного объекта его замещают резервным объектом. В этом случае, под замещением понимается последовательность следующих действий: получение сигнала об отказе активного объекта, включение и тестирование резервного объекта, передача информации из замещаемого объекта в резервный или вместо замещаемого объекта и выключение замещаемого активного объекта. Если резервный объект не выключен, но находится в менее нагруженном состоянии, чем основной, то говорят об «облегченном резерве» («теплом резерве») или «горячем резерве» в зависимости от полноты функций, выполняемых резервом.
Системы автоматизации, к которым предъявляются высокие требования по надежности, времени готовности, минимальному времени переключения, должны компенсировать возникающие отказы и непрерывно поддерживать работоспособность системы. Такие системы включают в себя несколько постоянно включенных дублирующих блоков, в которых нагрузка либо распределяется между основным и резервным блоком по принципу «горячий - теплый», либо все блоки выполняют одни и те же функции параллельно. Такие системы характеризуются более сложными средствами контроля состояния блоков и входящих в них электронных модулей.
Известен способ, описанный в изобретении «Способ резервирования полупроводниковых объектов, работающих под действием ионизирующего излучения» (патент РФ №2413281, МПК G06F 11/20, H05K 10/00, опубл. 27.02.2011), выбранный в качестве аналога, состоящий в том, что используют активный объект и идентичный ему выключенный резервный объект и замещают активный объект на резервный при получении сигнала замещения, формируемого при отказе активного объекта, при этом резервный объект сначала нагревают, затем охлаждают, после чего замещают активный объект резервным.
К недостаткам способа следует отнести наличие выключенного резервного объекта, который не используется во время штатной работы. Включение резервного объекта требует наличия отдельной системы контроля, включения и т.п., а также отработки ряда операций во времени, что обуславливает существенную задержку переключения на резервный объект.
Известна система автоматизации, описанная в изобретении «Система автоматизации и способ управления системой автоматизации» (Патент РФ №2510932, МПК G06F 11/20, опубл. 10.04.2014), выбранная в качестве прототипа, содержащая первое и второе (резервное) средства управления автоматизацией, по меньшей мере, один электронный блок и систему шины, которая соединяет оба средства управления автоматизацией и, по меньшей мере, один электронный блок, который подключен к системе шины посредством соответствующего модуля подключения к шине, и модуль подключения к шине, содержащий первый контроллер шины, который связан с первым средством управления автоматизацией и через системы шины соединен с ним, второй контролер шины, который связан со вторым средством управления автоматизацией и через систему шины соединен с ним, и блок переключения для переключения между обоими контролерами.
Способ управления системой заключается в выборе одного из средств управления автоматизацией и подключения соответствующего контролера шины, который связан со средством управления автоматизацией, выбранным для управления. Управление выполняется первым устройством, а в случае его отказа - вторым устройством. При этом доступность и готовность к эксплуатации устройств управления автоматизацией непрерывно контролируются.
Недостатком системы автоматизации является то, что второе средство управления автоматизацией не используется в период исправности первого устройства, при этом оно подвергается воздействию внешних факторов, что ведет к износу и снижению его надежности.
Недостатком способа управления системой автоматизации является непрерывное тестирование готовности резервного средства, которое выключено, что не соответствует полноте (100%) контроля параметров, и связано с временными и энергетическими затратами, которые целесообразно минимизировать. Необходимость включать или переключать резервное и основное устройство и контроллер шины обуславливает наличие задержек переключения на резервный объект, отсутствие же горячего резервирования (реализовано «теплое резервирование») снижает надежность системы и повышает трудоемкость проектирования резервных систем автоматизации.
Техническим результатом заявленных технического решения (устройства) и способа является повышение надежности устройства за счет одновременной работы основного и резервирующего средства управления, представленным в виде группы органов управления и индикации электронного блока и электронного модуля, выполняющих в нормальном режиме различные функции, что обеспечивает рациональное использование ресурсов и уменьшение номинальной нагрузки на каждое средство управления, представленным в виде группы органов управления и индикации электронного блока и электронного модуля, причем за счет обмена данными об объекте управления, представленным в виде электронного блока, обеспечивается минимальное время переключения на резервное средство управления, представленным в виде группы органов управления и индикации электронного блока и электронного модуля.
Технический результат достигается тем, что устройство, содержащее, по меньшей мере, две группы органов управления и индикации электронного блока, а также, по меньшей мере, один электронный блок и систему шин, которая соединяет группы органов управления и индикации электронного блока друг с другом и, по меньшей мере, один электронный блок, подключенный к системе шины посредством электронных модулей, каждый из которых содержит контроллер шины, связанный со своей группой органов управления и индикации электронного блока и соединенный с ней через систему шины, и в котором каждая группа органов управления и индикации электронного блока содержит электромеханический выключатель группы, каждый электронный модуль содержит контроллер шины межмодульного обмена и контроллер шины связанный с, по меньшей мере, одним электронным блоком, при этом контроллеры шины межмодульного обмена связаны друг с другом через систему шины и каждый электронный модуль и связанная с ним группа органов управления и индикации электронного блока подключена к собственному источнику вторичного электрического питания, каждый электронный модуль и связанная с ним группа органов управления и индикации электронного блока выполнены резервными для остальных электронных модулей и связанных с ними групп органов управления и индикации электронного блока.
Техническим результатом заявленного технического решения (способа) является то, что используют способ резервирования электронного блока, описанным выше устройством, в котором электронные модули выполняют контроль соответствующих групп органов управления и индикации электронного блока, а также друг друга на доступность и готовность к эксплуатации и в котором для управления электронным блоком включают все электронные модули, и формируют управляющие сигналы на основании данных, полученных от связанной с ним группы органов управления и индикации электронного блока, а также сигналов, полученных от остальных электронных модулей, при этом управляющие сигналы распределены между электронными модулями и связанными с ними группами органов управления и индикации электронного блока. Все группы органов управления и индикации электронного блока функционируют одновременно, при этом каждый электронный модуль, связанный с одной группой органов управления и индикации электронного блока, управляет частью параметров электронного блока. Таким образом, устройство управляется любой группой органов управления и индикации электронного блока, если она доступна для управления и готова для эксплуатации.
При отказе элементов группы органов управления и индикации электронного блока либо связанного с ней электронного модуля, управление параметрами отказавшей группы органов управления и индикации электронного блока выполняет любой доступный для управления электронный модуль и связанная с ним группа органов управления и индикации электронного блока, при этом управляющие сигналы распределены между доступными и готовыми к эксплуатации электронными модулями и соответствующими группами органов управления и индикации электронного блока. Таким образом, по мере отказа элементов управления внутри групп органов управления и индикации электронного блока, управление параметрами устройства отказавшей группы органов управления и индикации электронного блока передается группе доступной для управления и готовой для эксплуатации.
На Фиг. 1 показана функциональная схема устройства, на Фиг. 2 показана передача управления параметрами системы группе органов управления и индикации электронного блока, доступной для управления и готовой для эксплуатации по мере отказа остальных групп органов управления и индикации электронного блока.
Устройство состоит из:
1 - Группы органов управления и индикации электронного блока
2 - Электронный блок
3 - Система шины
3.1 - шина органов управления и индикации электронного блока
3.2 - шина межмодульного обмена
3.3 - шина электронного блока
3.4 - шина источника вторичного электрического питания
4 - Электронный модуль
5 - Контроллеры шины
5.1 - контроллер шины, связанный с группой органов управления и индикации электронного блока
5.2 - контроллер шины межмодульного обмена
5.3 - контроллер шины, связанный с электронным блоком
6 - Электромеханический выключатель группы органов управления и индикации электронного блока
7 - Источник вторичного электрического питания
Устройство состоит из нескольких (например, трех - группа №1, группа №2, группа №3) средств управления - групп органов управления и индикации 1 электронного блока 2 и связанных с ними идентичных электронных модулей 4 (Фиг. 1). Каждый электронный модуль 4 содержит в своем составе контроллеры шин 5.1, 5.2, 5.3. Контроллер шины 5.1 связан с группой органов управления и индикации 1 электронного блока 2 и соединен с ней шиной 3.1; контроллер шины 5.2 межмодульного обмена соединен шиной 3.2 с контроллерами шины 5.2 аналогичных электронных модулей 4; контроллер шины 5.3 связан с электронным блоком 2 и соединен с ним шиной 3.3. Каждая группа органов управления и индикации 1 электронного блока 2 содержит свой электромеханический выключатель 6. Каждый электронный модуль 4 и связанная с ним группа органов управления и индикации 1 электронного блока 2 соединены с собственным источником вторичного питания 7 системой шин 3.4.
Сигнал от органов управления, входящих в состав любой из групп органов управления и индикации 1 электронного блока 2, через шину 3.1 поступает в соответствующий электронный модуль 4, где контроллером шины 5.1 производится его первичная обработка и формирование сигналов для устройства индикации группы органов управления и индикации 1 электронного блока 2 и сигналов исправности. Устройство индикации, входящее в состав группы органов управления и индикации 1 электронного блока 2, отображает текущее значение параметров управления электронным блоком 2. Из электронного модуля 4 контроллером шины 5.2 межмодульного обмена через шину 3.2 данные о введенных параметрах группы органов управления и индикации 1 электронного блока 2 поступают в другие электронные модули 4. В соответствии с введенными параметрами группы органов управления и индикации 1 электронного блока 2 связанный с ней электронный модуль 4 формирует сигнал управления и передает его через контроллер 5.3 и шину 3.3 в электронный блок 2. В частной реализации устройства, в котором реализуется способ резервирования электронного блока 2, показанной на фиг. 1, электронный блок 2 подключен к каждому электронному модулю 4. В другом варианте реализации электронных блоков 2 может быть несколько, и они могут быть подключены к одному или нескольким электронным модулям 4. В качестве электронного блока может быть подключен, например, автопилот (автоматическая система управления полетом, движением) или система стабилизации технологического процесса, например сварки, лазерной резки, плазмохимического травления и т.п.
При отказе электронного модуля 4, связанного с органами управления или индикации, входящими в состав группы органов управления и индикации 1 электронного блока 2 (Фиг. 2), например группы №1, остальные электронные модули 4 воспринимают сигнал об отказе.
Электронный модуль 4 следующей группы №3, связанный с соответствующей группой органов управления и индикации 1 электронного блока 2, если она доступна и готова к эксплуатации, выполняет функции управления параметрами группы №1. В случае отказа электронных модулей №1 и №3 управление параметрами отказавших групп переходит к группе №2.
Способ осуществляется следующим способом. Электронный блок 2 управляется девятью параметрами, которые равномерно распределены между группами органов управления и индикации 1 электронного блока 2 (См. Фиг. 2 n=k=m=3). Распределение параметров реализуется в электронных модулях 4, например, в зависимости от места установки модуля 4, либо по принятии соответствующего сигнала. В случае отказа отдельных органов управления группы №1, либо электронного модуля 4, связанного с группой №1, либо при ручном отключении электромеханическим выключателем 6 группы №1, сигнал об отказе группы №1 немедленно поступает в соседний электронный модуль 4. В этом случае соседний электронный модуль 4 будет обрабатывать шесть параметров управления блоком 2 (дополнительно к трем «своим» параметрам - три параметра отказавшей группы) с отображением их на связанном с ним устройстве индикации группы №2. В случае отказа еще одной группы №3 все параметры управления передаются оставшейся исправной группе №2. Ручное отключение оператором группы органов управления и индикации 1 электронного блока 2 с помощью переключателя 6 предусмотрено для случаев отказов, не диагностируемых средствами электронного модуля 4 или при возникновении ситуации неопределенности. Электромеханический выключатель 6 отключает соответствующий источник питания 7.
Устройство может быть реализовано приборостроительным предприятием с применением электронных компонентов, выпускаемых промышленностью. В качестве электронного блока может быть использовано, например, электронный блок-система автоматического управления САУ-1Т-2Б самолета Ил-76. В качестве органов управления и индикации могут быть использованы кнопки-лампы фирмы LEACH L-304 или ПКН-542, ПКН-544 ОАО «Смоленский завод радиодеталей», в конструкции которых имеется встроенная световая индикация, а также буквенно-цифровые индикаторы ИПВ72-4/5х7Л, завода «Протон» г. Орел. В качестве задатчика величины управляющего параметра может быть использован энкодер Е33-СТ612-М01Т фирмы ELMA с функцией ввода заданного значения. Электронный модуль может быть выполнен на базе контроллера 1986ВЕ3Т ЗАО «ПКК Миландр» или аналогичного ему, имеющего встроенные контроллеры шин SPI и MIL 1553 и позволяющего использовать энкодер в режиме «грубой» и «точной» установки величины управляющего параметра. Автономный источник питания построен на источниках вторичного электропитания ВР24 или ВРМ24 МПП «Ирбис» г. Москва, электромеханический переключатель - тумблер ПТ-8 УСО.360.056ТУ.
Проведено эскизное проектирование, изготовлен макетный образец пульта управления, реализующий описанный выше способ резервирования.
Повышение надежности систем резервирования полупроводниковых объектов обеспечивается за счет одновременной параллельной работы основного и резервного блоков объектов и равномерного распределения нагрузки между ними в нормальном режиме.
В отличие от прототипа в предложенном техническом решении за счет отсутствия этапа включения резервного средства управления, в качестве которого выступают группа органов управления и индикации 1 электронного блока 2 и связанный с ней электронный модуль 4, наличия во всех электронных модулях 4 актуальных данных обо всех параметрах управления и пренебрежимо малого времени передачи сигналов управления между модулями 4, сокращается время переключения на резервное средство управления, благодаря чему все средства управления фактически находятся в «горячем резерве» по отношению друг другу.
В отличие от прототипа в предложенном техническом решении за счет распределения функций между объектами, уменьшается нагрузка на каждое средство управления в нормальном режиме работы, в отличие от систем, в которых резервное средство управления дублирует все функции основного средства управления, и систем, в которых резервное средство управления включено и простаивает. Таким образом, уменьшается нагрузка на оборудование и обеспечивается рациональное использование ресурсов, при этом обеспечивается полнота тестирования исправного состояния всех средств управления.
Предложенное техническое решение не предполагает жесткого деления на основные и резервные средства управления, состоящие из группы органов управления и индикации 1 электронного блока 2 и электронного модуля 4: по отношению к любому выбранному средству управления оставшиеся средства управления будут резервными, при этом за счет увеличения количества средств управления может быть реализовано резервирование с большой кратностью (3 и более).
Устройством, предложенным в данном техническом решении, обеспечивается возможность управления и формирования управляющих сигналов с индикацией предварительно установленных или текущих значений управляющих параметров, отображаемых устройствами индикации, входящих в состав групп органов управления и индикации 1 электронного блока 2.
Группы органов управления и индикации 1 электронного блока 2 и электронные модули 4 являются аппаратно идентичными, при этом могут располагаться как в виде групп в составе моноблочного устройства, так и в разных устройствах, что существенно упрощает проектирование устройства.
Заявленное техническое решение имеет отличия от наиболее близких аналогов, соответственно, оно удовлетворяет условию патентоспособности изобретения «новизна».
Техническое решение явным образом не следует из уровня техники. Кроме того, в процессе патентного поиска не выявлены технические решения, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками заявленного технического решения.
Заявленное техническое решение технически осуществимо, промышленно реализуемо на приборостроительном предприятии, проведенные испытания подтверждают достижения заявленного технического результата. В связи с этим заявленное техническое решение соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».