АССОЦИАТИВНЫЙ ИДЕНТИФИКАТОР СОБЫТИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ
ASSOCIATIVE IDENTIFIER OF EVENTS, TECHNOLOGICAL

Область техники
Изобретение относится к области электронной техники, сочетает в себе функции вычислительной техники, в части обработки информации потока данных, и к способу идентификации первичных данных. Изделие является универсальным устройством, ориентированным и адаптированным для создания систем автоматического управления технологическими процессами. Изделие не относится к области вычислительной техники, так как не осуществляет вычислительных процедур и не имеет в своем составе элементов для их осуществления и синхронизации. В то же время в изделии используются функциональные возможности процессорных систем, в плане организации ассоциативного поиска информации и построения безадресного пространства памяти одновременного доступа.
Предшествующий уровень техники
В плане построения безадресной памяти, на которой базируется построение структуры изделия, информации нет.
Решения в плане ассоциативного поиска информации вычислительных систем, управляемых потоком данных, известны давно и наиболее близким (по функции идентификации) является известная система ЕР 0295876 А2 от 21.12.1988, построенная на основе ассоциативной памяти, позволяющая почти мгновенно выявлять данные путем их сравнения с хранимыми в памяти данными на основе одной или нескольких баз данных.
Данная система содержит в себе, как минимум, два коммутатора, один из которых обеспечивает передачу данных из модулей ассоциативной памяти в исполнительные устройства, другой коммутатор - из исполнительных устройств в модули ассоциативной памяти (см. Optical associative memory for high performance digital computers with nontraditional architectures, V.S.Burtsev and V.B.Fyodorov, Optical Computing and Processing, 1991, volume 1, number 4, pages 275-288). Система предполагает централизованное управление и синхронизацию процессов идентификации и выдачи кодов управления.
Применение множества модулей ассоциативной памяти позволяет увеличить скорость выполнения операций поиска, так как поиск в различных модулях ассоциативной памяти осуществляется одновременно. Недостатком известной вычислительной системы и реализованного в ней способа является относительно высокая потребляемая мощность и сложность системы, необходимость иметь ассоциативную память большого объема для хранения промежуточных результатов вычислений и эксплуатационная ненадежность, и низкая защищенность от негативного влияния внешних условий. Для обеспечения работоспособности данного изделия необходимо проведение специальных мероприятий по созданию определенных «комфортных» условий эксплуатации: климат-контроль, фиксированное заземление, экранирование, источник питания и т.д.
Рассматриваемое изделие позволяет сохранить функциональные возможности процессорных систем (включая вышерассмотренные) и устранить недостатки систем управления в плане живучести, надежности и доверительности.
Изделие является универсальным продуктом для систем, предусматривающих идентификацию показаний внешних параметров состояния контролируемого объекта с одновременной (и мгновенной) выработкой проектных решений по управлению без использования программно-процессорных ресурсов, где предусмотрен автоматический запуск/останов исполнительных устройств (без использования средств вычислительной техники) при достижении граничных, контролируемых значений (либо комплекса значений) внешних параметров.
Изделие позволяет эффективно решать задачи, связанные с построением автоматических систем защиты и блокировок технологических процессов и оборудования, решать задачи управления и идентификации в системах управления при отсутствии технического обслуживания и возможности создания «комфортных» условий эксплуатации. Позволяет создавать пассивные системы с высокой степенью защиты от вмешательства извне (климатическое воздействие, экстремистские и хакерские атаки) с минимальным энергопотреблением с гарантированной реализацией всех проектных решений.
Технический результат по обеспечению высоких показателей живучести изделия и соответственно систем управления, повышение показателей надежности, доверительности и достоверности, неуязвимости от внешнего вмешательства как по объективным, так и субъективным факторам внешнего воздействия, включая климатические и хакерские атаки, удешевление проектирования системы, производство и ее обслуживание, достигается следующим:
- изделие является абсолютно пассивным, асинхронным элементом системы управления и не содержит в себе устройства синхронизации и тактирования внутренних процессов;
- изделие абсолютно независимо от программных и вычислительных процессов и не содержит их в себе;
- изделие адаптировано для работы в вычислительной среде, способно принимать и выдавать цифровые коды для дальнейшей процессорной обработки;
- изделие предназначено только для идентификации наступления определенных событий и выработки кода управления, в соответствии с проектными решениями по управлению;
- изделие не хранит, в явном виде, информации о том, где и на каком блоке (секторе) сравнения расположена та или иная информация и тем самым обеспечивает защиту информации от несанкционированного доступа.
Данные решения достигаются тем, что изделие: «Ассоциативный идентификатор событий (технологический)» представляет собой устройство, архитектура и схемотехнические решения реализуют следующие свойства:
- архитектура обеспечивает создание безадресного пространства памяти, обеспечивает одновременный доступ входящей информации ко всем проектным решениям управления без использования средств коммутирования, мультиплексирования и синхронизации;
- схемотехническое решение обеспечивает ассоциативное сравнение поступающей информации с хранимыми проектными решениями по факту абсолютного совпадения (физического совпадения исходной с хранимой информацией) и по факту «теневого» (логического) сравнения, когда значимые показания первичных датчиков завуалированы общим массивом поступающей информации.
Ассоциативный идентификатор событий, технологический включает в себя следующие электронные и архитектурные компоненты:
многослойную (с числом i слоев) архитектуру изделия, организующую безадресное пространство памяти и обеспечивающую равный и асинхронный доступ входной информации к каждому слою, по отношению к входящим данным;
все слои изделия реализуют единое схемотехническое и конструкторское решение и представляют собой взаимосвязанные ячейки памяти с элементами сравнения данных и контроля процедуры записи;
каждый слой изделия содержит в себе следующие электронные компоненты:
схему защиты от нагрузок, связанную с приемом входных данных;
блок памяти хранения первичных (проектных) данных, N-разрядный регистр входных данных (N - целое);
схему физического сравнения, осуществляющую поразрядное сравнение известных данных с входными данными, связанную с блоком памяти входных данных и содержащую электронный вентиль, открывающий доступ изделия к данным, находящимся в регистре физических данных;
схему логического сравнения, осуществляющую поразрядное сравнение известных данных с входными данными, связанную с блоком памяти входных данных и содержащую электронный вентиль, открывающий доступ изделия к данным, находящимся в регистре логических данных;
схему сравнения на «0» входной информации, предназначенную для осуществления контроля корректной процедуры записи новых данных;
схему разрешения и блокировки записи, обеспечивающую корректность записи новых данных в свободный от данных сектор с электронным вентилем, блокирующим запись нулевых данных и данных, ранее записанных,
при условии положительной идентификации входных данных устройство вырабатывает выходные данные непосредственного управления и диагностики контролируемого технологического процесса.
При этом схема защиты от нагрузок выполнена в виде триггеров Шмитта и диодных сборок, а электрические характеристики поразрядных сигналов данных регистров достаточны для открытия электронных вентилей (тиристоров) для активизации силовой автоматики и обработки вычислительными системами.
В данном документе понятия физического и логического сравнения подразумевают:
- результат логического сравнения вырабатывается при условии совпадения значимых разрядов (ЛОГИЧЕСКАЯ «1»), хранимых в памяти изделия, с соответствующими разрядами данных внешней информации, вне зависимости от состояния и значения других разрядов поступающей информации, т.е. входная информация содержит разряды, соответствующие логической «1», и хранимая информация им соответствует. В этом случае изделие выдает сигнал (и соответственно код управления) логического совпадения независимо от значений прочих разрядов входной информации;
- сигналы физического сравнения вырабатываются при условии физического и абсолютного совпадения значений сигналов, поступающих от внешних датчиков, комбинация которых соответствует комбинации ранее запомненной проектной информации.
Устройство поясняется следующими чертежами.
- Фиг.1 - структурная схема Ассоциативного Идентификатора Событий (Технологический) (АИС(Т)), имеющая «I» блоков сравнения (на фиг. обозначены слоями).
- Фиг.2 - общая схема выполнения одного из слоев (блока сравнения) Ассоциативного Идентификатора Событий (Технологического).
- Фиг.3 - пример использования изделия в автоматических системах управления.
Структурная схема построения ассоциативного идентификатора событий (технологического), показанная на Фиг.1, представляет собой «шахтную» организацию с наличием i слоев (где i - целое). Каждый слой представляет собой блок сравнения и блок контроля записи новых данных, структурная схема которого представлена на Фиг.2. Все слои изделия имеют одинаковое схемотехническое и конструкторское решения и содержат в себе следующие узлы.
1. Блок контроля записи (на фиг.2 - схема разрешения и блокировки записи), который определяет состояние блока сравнения (свободен/занят), вырабатывает сигнал записи новых данных одновременно во все регистры свободного сектора (так как, по сути, изделие является безадресным устройством). Блок построен на принципе использования одноразрядной ячейки памяти, выполняющей роль «флажка». Открытый «флажок» обозначает сектор свободный для записи. После процедуры записи «флажок» закрывается и переводит в открытое состояние «флажок» следующего сектора.
2. Блок памяти входных данных, предназначенный для хранения значимых и ожидаемых комбинаций сигналов входной информации. Ожидаемые значения определяются проектными решениями.
3. Схема физического сравнения - поразрядное сравнение проектных данных с входными. Положительный результат сравнения - выдача разрешающего сигнала сброса данных из регистра Ф на соответствующую общую шину Ф и выдача сигнала для блокировки сигнала "записи". Данная блокировка исключает возможность записи дополнительных, новых данных, если таковые уже были запомнены ранее.
4. Схема логического сравнения - поразрядное сравнение проектных данных с входными. Положительный результат сравнения - выдача разрешающего сигнала сброса данных из регистра Л на соответствующую общую шину Л.
5. Схема сравнения на «0» входной информации. Положительный результат сравнения - блокировка сигнала "запись", блокировка физической и логической схем сравнения, выполненная по логическому элементу &(И). Данная схема запрещает производить все операции, если входная информация является не значимой.
6. К - разрядный регистр физических данных, осуществляющий хранение альтернативной информации, соответствующей проектным решениям управления.
7. J - разрядный регистр логических данных, осуществляющий хранение альтернативной информации, соответствующей проектным решениям управления.
Регистры памяти выполнены на ячейках с функциями, соответствующими функциям S триггера. Энергонезависимость ячеек памяти обеспечивается за счет использования технологий от «пережога перемычек» до использования FROM.
Схемы сравнения реализуют следующие состояния карт Карно.
Физическое сравнение
Логическое сравнение
Сравнение на «0»
Вход
Хранение
Результат
Вход
Хранение
Результат
Вход
Хранение
Результат
0
0
1
0
0
1
0--0
XX
1
0
1
0
0
1
1
x---x
XX
0
1
0
0
1
0
0
1
1
1
1
1
1
Каждый сектор (слой) изделия реализует одинаковые функции, одновременно получает доступ к внешней информации, хранит ее, анализирует (сравнивает) в асинхронном режиме и выполнят следующие процедуры:
- хранение известных (проектных) данных, предназначенных для последующего сравнения;
- хранение кодов управления, соответствующих проектным решениям;
- выделение из внешнего потока массовых входных данных информации, идентифицированной как соответствующая известным (проектным) данным;
- выработка результирующего сигнала совпадения/идентификации внешней и хранимой информации и выдача на общие шины альтернативных кодов;
- формирование сигнала доступа для записи новых/первичных данных на конкретный блок сравнения, свободный для записи.
Внешний поток данных воспринимается АИС(Т) (и каждым блоком (сектором) сравнения соответственно) как поразрядная информация в параллельном цифровом коде, соответствующая логическому «0» или логической «1».
Результирующим сигналом идентификации может быть как единичный сигнал результата сравнения, так и комплекс управляющих сигналов, которые должны быть сформированы и переданы в, по меньшей мере, одно исполнительное устройство.
Изделие АИС(Т) представляет собой безадресное ассоциативное запоминающее устройство, в котором запись первичных данных осуществляется не управляемо по принципу определения первого свободного сектора - блок (сектор) сравнения заполнен и блок сравнения открыт для записи. Подготовка каждого сектора к процедуре записи и его блокировка от записи осуществляются автоматически по принципу бегущей строки без использования процессорных и программных ресурсов и контролируются блоком контроля записи в каждом блоке сравнения отдельно.
Новые входные данные для идентификации могут быть записаны только в свободный блок сравнения (при наличии такового) как непосредственно оператором управления конкретным технологическим процессом, так и средствами компьютерных систем.
Управляющей командой «записи» для изделия является только одна команда - запись новых входных данных, все прочие операции сравнения, формирование сигнала результатов идентификации и т.д. выполняются автоматически в асинхронном режиме без внешнего управления и синхронизации.
Для исключения возможности внешнего вмешательства в работу изделия все схемы блоков (секторов) сравнения выполнены таким образом, что не позволяют производить операции с изменением, корректировкой и удалением записанных данных. Корректировка хранимых известных данных для идентификации возможна только при условии полного уничтожения всех данных в изделии и формирования нового блока идентификационной информации для всего устройства либо физического уничтожения устройства.
Общие технические характеристики изделия АИС(Т) приведены ниже:
- вид обработки информации: асинхронный, нетактируемый, код обработки -параллельный;
- число одновременно обрабатываемых данных: определяется целесообразностью решения технологических задач и возможностями современного производства микросхем, но не менее 16 разрядов;
- число одновременно вырабатываемых идентификационных данных: определяется целесообразностью решения технологических задач и возможностями современного производства микросхем, но не менее 16;
- время идентификации входной информации, в условиях считывания информации: не более 100 нс;
- потребляемая мощность: не более 100 мВт;
- условия эксплуатации: соответствуют условиям эксплуатации пассивных логических микросхем;
- техническое сопровождение: не обслуживаемое на протяжении всего срока службы;
- срок службы: не менее 30 лет;
- зависимость от программных и процессорных ресурсов: независимо;
- возможность совместной работы с компьютерными системами: предусмотрено;
- вид исполнения: микросхема.
Новизна потребительских качеств
В ряде электронных устройств, предусматривающих обработку входных сигналов контроля технологического процесса и выработку управляющих воздействий, изделие АИС(Т) занимает промежуточное место между релейными логическими схемами и системами, основанными на программно-процессорной обработке данных. Изделие сочетает в себе все положительные характеристики релейной техники (надежность, неприхотливость к условиям эксплуатации и обслуживанию, высокое быстродействие, автономность и т.д.) и функциональность процессорных систем в части задания параметров идентификации первичных данных, их идентификации и выработки сигналов управления. Отличительной чертой АИС(Т) является его универсальность и наличие минимальных электрических связей и радиоэлементов, что делает устройство высоконадежным, быстродействующим и серийно изготавливаемым.
Кроме того, системы, построенные на данном элементе, практически не требуют осуществление новых разработок и соответственно проведений дополнительных испытаний, сертификации и т.д., сокращают сроки проведения пусконаладочных работ на объектах внедрения системы, повышают ремонтопригодность и сроки эксплуатации изделия. Все это значительно снижает стоимость системы в целом.
Основное отличие предложенного изделия перед аналогами в стране и за рубежом состоит в том, что многообразие комбинаций входных сигналов не обрабатывается, не анализируется на предмет возможных перекрытий, дрейфов и т.д. Кроме того, изделие не имитирует проектные решения ни на техническом, ни на программном уровнях, а принимает их как факт, ранее установленный. И на каждый факт совершения конкретного события существуют определенные решения, которые также определены заранее.
Изделие одновременно идентифицирует всю значимую и ранее зафиксированную информацию в массовом потоке внешних поступающих данных, вне зависимости от их объема, не требует предварительной процессорной обработки каждого поступающего сигнала и его анализа по взаимодействию и зависимости от смежных данных.
Изделие предусматривается для использования в системах, где выработка внешних сигналов контроля определенного технологического объекта жестко связана с конкретным набором и последовательностью выработки управляющих сигналов, и в системах, где важно выделить из неопределенного и массового потока информации составляющую, ранее определенную как эталон.
Пример построения системы идентификации данных
Технологический процесс управления подразумевает два варианта управления: управление при нормальном протекании технологического процесса и управление/принятие решений при нарушении нормальных условий эксплуатации. Нормальное условие эксплуатации однозначно определяет соответствие значений первичных датчиков контроля процесса и алгоритма принятия решений по управлению. Нарушение процесса предполагает возможность скрытия закономерности показаний первичных датчиков с сигналами управления механизмов. В этом случае предусматривается механизм выявления значимых «теневых» сигналов контроля на общем фоне неопределенности показаний датчиков.
Рассмотрим простой пример автоматизации заполнения жидкостью некоторой емкости с использованием изделия АИС(Т).
В данном случае контролируемыми являются следующие параметры:
- высокий уровень жидкости в емкости;
- низкий уровень жидкости в емкости;
- аварийно низкий уровень жидкости;
- питательный насос включен (контролируется либо по давлению, либо по напряжению);
- питательный насос выключен.
Для управления данным процессом требуется всего две команды:
- включить питательный насос;
- выключить питательный насос.
Для диагностики обозначаем параметры, которые должны диагностироваться вне зависимости от протекания технологического процесса:
- выход из строя датчиков уровня;
- аварийная ситуация: низкий уровень жидкости и питательный насос выключен.
Задаем параметры управления в табличной форме.
Датчики контроля
Комбинации входных/выходных сигналов
Номер контакта изделия
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Контролируемые входные параметры
Блок 1
Высокий уровень жидкости в емкости
1
1
И т.д.
1
Низкий уровень жидкости в емкости
1
1
1
1
И т.д.
2
Аварийно низкий уровень жидкости
1
1
И т.д.
3
Питательный насос включен
1
И т.д.
4
Питательный насос выключен
1
1
1
И т.д.
5
И т.д.
И т.д.
И т.д.
И т.д.
И т.д.
И т.д.
И т.д.
Используемый регистр
Ф
Ф
Ф
Л
Л
И т.д.
Ячейки регистра физического сравнения
Блок 2
Исполнительные механизмы
Включить питательный насос
1
1
17
Выключить
1
18
Ячейки регистра логического сравнения
Блок 3
Выход из строя датчиков уровня
1
И т.д.
33
Аварийная ситуация
1
И т.д.
34
И т.д.
И т.д.
И т.д.
И т.д.
И т.д.
И т.д.
И т.д.
Блок 1 определяет контролируемые показания первичных датчиков, предназначенных для нормального управления процессом и диагностики системы. В нашем примере к нормальному управлению относятся следующие показания:
- высокий уровень в емкости и насос включен;
- низкий уровень в емкости и насос выключен.
Данные параметры требуют принятие решений, которые отражены в блоке 2. В первом случае выключить насос, во втором - включить.
Однако даже при отказе одного из датчиков контроля, случайного или закономерного, вся хронология событий управления процессом может быть нарушена. Для предотвращения последствий этого фактора в изделии предусмотрена функция отслеживания фоновых/теневых событий. Данная функция реализуется в конструкции изделия и исполняется параллельно с заданной программой управления изделия (логическое соответствие).
Логическое соответствие предполагает выявления значимых либо критических параметров (либо комплекса параметров), предопределяющих отклонение протекания технологического процесса, вне зависимости от общих показаний первичных датчиков. Задание критических комбинаций входных сигналов осуществляется при вводе первичных данных и кодов управления (отражено в столбцах 6, 7 блока 1, данного примера). Столбец 6 определяет диагностическую операцию, столбец 7 - аварийную. Принятие решений по данным показаниям определяется значениями, заданными в логическом регистре (блок 3), которые могут быть переданы на пульт оператора либо в систему компьютерной диагностики, либо на вход аналогичного изделия АИС(Т) для автоматической обработки.
По данной схеме реализованы все системы управления, начиная от релейных схем и кончая процессорными системами. Предложенный вариант удешевляет систему, повышает ее надежность, снижает энергозависимость и затраты на обслуживание системы.
Все функции изделия реализуются в едином конструкторском исполнении, выполненном в виде микросхемы, соответствующей принятым ГОСТам.