Міністерство освіти і науки України

Національний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського

«Харківський авіаційний інститут»

Бовчалюк Станіслав Ярославович

УДК 681.5

МОДЕЛІ, МЕТОДИ ТА ЗАСОБИ

ІНФОРМАЦІЙНОЇ ТЕХНОЛОГІЇ

ПАРАЛЕЛЬНОГО ЛОГІЧНОГО КЕРУВАННЯ

ОБ’ЄКТАМИ ЗАЛІЗНИЧНОЇ АВТОМАТИКИ

05.13.06 – інформаційні технології

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків – 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському національному технічному університеті сільського господарства ім. Петра Василенка Міністерства аграрної політики України.

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор

Фурман Ілля Олександрович,

Харківський національний технічний університет

сільського господарства ім. Петра Василенка,

завідувач кафедри автоматизації

та комп’ютерних технологій.

Офіційні опоненти: - заслужений винахідник України,

доктор технічних наук, професор

Харченко В’ячеслав Сергійович

Національний аерокосмічний університет

ім. М. Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут»,

завідувач кафедри комп’ютерних систем та мереж;

- кандидат технічних наук, доцент

Чепцов Михайло Миколайович

Донецький інститут залізничного транспорту

Української державної академії залізничного транспорту,

проректор з наукової роботи

Захист відбудеться « 6 » червня 2008 р. о 1200 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .062.01 у Національному аерокосмічному університеті ім. М. Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут» за адресою: 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17, радіотехнічний корпус, ауд. 232.

З дисертацією можна ознайомитись у науково-технічній бібліотеці Національного аерокосмічного університету ім. М. Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут» (61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17).

Автореферат розісланий « 5 » травня 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради М. О. Латкін

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Одним із перспективних напрямків автоматизації об'єктів залізничної автоматики є розробка і застосування інформаційних технологій з використанням універсальних мікропроцесорних засобів.

Практичне застосування зазначених технологій виявило не тільки безумовні їхні переваги у порівнянні із застосовуваними раніше, але й істотні недоліки, головним з яких є послідовний принцип дії, в результаті чого і швидкодія логічного керування і ймовірність появи збоїв стають істотно залежними як від кількості контрольованих і керованих об'єктів, так і від довжини керуючої програми, внаслідок чого мікропроцесорні контролери, що мають високі показники безвідмовності, при керуванні об'єктами залізничної автоматики часом не забезпечують необхідного рівня вірогідності обробки інформації і тому для безпосереднього керування виконавчими механізмами використовуються вкрай обмежено.

У роботах Е. О. Якубайтіса, І. В. Прангішвілі, А. Д. Закревського, С. І. Баранова, В. А. Склярова та ін. авторів були показані значні переваги регулярних мікроелектронних структур при розв’язанні завдань логічного керування, доведена принципова можливість побудови надшвидкодіючих («однотактних») логічних автоматів паралельної дії та створення на їхній основі високоефективних інформаційних технологій.

У 90-х роках минулого сторіччя в інституті ВНДІТЕЛЕКТРОМАШ (м. Харків) була здійснено спробу реалізації зазначеної ідеї і створена перша версія інформаційної технології паралельного логічного керування, що показала її переваги не тільки у швидкодії, але й у можливості використання для безпосереднього програмування технологічних мов користувачів. Однак, зазначена технологія базувалася на використанні мікросхем малого та середнього ступеня інтеграції й тому мала обмежені функціональні можливості, а також не дозволяла використовувати для програмування автоматизовані інструментальні засоби.

В останні роки для реалізації функцій логічного керування почалося активне застосування інформаційних технологій, що базуються на використанні ПЛІС, в яких повною мірою реалізовані переваги регулярних мікроелектронних структур.

У зв'язку із зазначеним представляється актуальним розв’язання науково-прикладної задачі розробки та реалізації моделей, методів та засобів інформаційної технології паралельного логічного керування об'єктами залізничної автоматики.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана на кафедрі автоматизації та комп'ютерних технологій Харківського національного технічного університету сільського господарства ім. Петра Василенка відповідно до плану науково-дослідних робіт з тем: АіКТ-2 «Дослідження і розробка високоефективних мікроелектронних обчислювальних і керуючих пристроїв з нетрадиційною архітектурою» (ДР № 0104U005149), АіКТ-3 «Розробка програми та інтерфейсу технологічного візуального програмування мікропроцесорних керуючих пристроїв промислового призначення» (ДР № 0104U005151), АіКТ-5 «Розробка і дослідження логічних керуючих автоматів паралельної дії» (ДР № 0107U001629) і АіКТ-8 «Розробка трансляторів технологічних мов у стандартні мови програмування ПЛК» (ДР № 0107U001632) у рамках галузевих програм Міністерства транспорту України і Укрзалізниці за напрямком «Розробка заходів щодо підвищення надійності засобів автоматики і телемеханіки», а також при розробці у ДВО «Моноліт» (м. Харків) апаратно-програмної платформи нового покоління для створення ПТК ефективних АСК ТП для енергетики України.

У зазначених науково-дослідних роботах здобувач брав участь у якості виконавця.

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення швидкодії та вірогідності реалізації функцій логічного керування об'єктами залізничної автоматики шляхом розробки та дослідження моделей, методів та засобів інформаційної технології паралельного логічного керування. Відповідно до зазначеної мети необхідно розв’язати наступні часткові задачі дослідження:

1. Провести аналіз інформаційних технологій, що застосовуються для логічного керування об'єктами залізничної автоматики.

2. Розробити математичну модель, алгоритм функціонування і синтезувати структуру логічного керуючого автомата паралельної дії (ЛКА ПД).

3. Розробити і дослідити HDL-модель логічного керуючого автомата паралельної дії.

4. Розробити мову та інформаційну технологію програмування алгоритмів паралельного логічного керування.

5. Провести експериментальні дослідження і промислові випробування розробленої інформаційної технології.

6. Розробити метод порівняльної оцінки технологій послідовного і паралельного логічного керування та визначити зону раціонального використання створеної інформаційної технології.

Об'єкт дослідження – процеси логічного керування об'єктами залізничної автоматики.

Предмет дослідження – моделі, методи та засоби інформаційної технології паралельного логічного керування об'єктами залізничної автоматики.

Методи досліджень. При розв’язанні загальних і часткових наукових задач використані: елементи абстрактної алгебри, теорія кінцевих автоматів, теорія матриць – при розробці математичної моделі та синтезі структури ЛКА ПД, теорія паралельного програмування – при розробці універсального алгоритму функціонування ЛКА ПД, імітаційне моделювання – при дослідженні, тестуванні та верифікації елементів створеної інформаційної технології, теорія надійності – при виконанні порівняльної оцінки класичної і пропонованої інформаційних технологій.

Наукова новизна одержаних результатів:

- вперше одержано математичну модель логічного керуючого автомата паралельної дії, який на відміну від відомих керується потоком станів входів, що дозволяє підвищити швидкодію і вірогідність реалізації функцій логічного керування;

- удосконалено метод програмування алгоритмів паралельного логічного керування, що забезпечує автоматичну трансляцію створеної технологічної мови у мову програмування ПЛІС-контролерів і дозволяє знизити кількість можливих помилок при розробці керуючих програм;

- дістав подальший розвиток метод оцінки інформаційних технологій, який дозволяє робити порівняння створеної технології з традиційними і визначити зону раціонального використання інформаційної технології паралельного логічного керування.

Практичне значення одержаних результатів полягає у доведенні теоретичних положень дисертації до конкретних інженерних методик, конструкторських розробок, рекомендацій, інструментальних засобів та їхнього безпосереднього використання при створенні систем керування об'єктами залізничної автоматики.

Результати дисертаційних досліджень використані при проектуванні мікроелектронної системи централізації для депо «Московське» Харківського метрополітену (акт впровадження від 16.11.2007 р.), а також при розробці в ДВО «Моноліт» (м. Харків) апаратно-програмної платформи нового покоління для створення ПТК ефективних АСК ТП для енергетики України в частині реалізації функцій програмно-логічного керування, технологічних захистів і блокувань (акт впровадження від 11.12.2007 р.). Результати дослідження використовуються також у навчальному процесі в Українській державній академії залізничного транспорту (акт впровадження від 17.01.2008 р.) і Харківському національному технічному університеті сільського господарства ім. Петра Василенка (акт впровадження від 21.12.2007 р.).

Достовірність нових наукових положень і висновків дисертаційної роботи підтверджується:

- коректним використанням математичного апарату при розробці моделі, алгоритму функціонування і синтезі структури логічного керуючого автомата паралельної дії, а також при розробці мови, інструментальних засобів та інформаційної технології паралельного логічного керування;

- результатами моделювання, верифікації та експериментальних досліджень ЛКА ПД й інформаційної технології паралельного логічного керування у цілому на спеціально створених універсальних полігонах та у промислових умовах;

- результатами проведеної порівняльної оцінки технологій послідовного і паралельного логічного керування та визначенням зони раціонального використання створеної інформаційної технології.

Особистий внесок здобувача складається у розробці нових моделей, алгоритмів і структур ЛКА ПД; розробці автоматизованої технології програмування алгоритмів паралельного логічного керування, а також розробці та практичній реалізації експериментального зразка ПЛІС-контролера паралельної дії. Отримані наукові та практичні результати забезпечують розв’язання поставлених у дисертації завдань. Всі основні результати отримані автором особисто. Роботи [9, 17, 20] опубліковані без співавторів. У роботах, опублікованих у співавторстві, здобувачеві належать: моделі, структура, універсальний алгоритм функціонування ЛКА ПД [1]; методи реалізації ЛКА ПД і ПЛІС-контролера паралельної дії [2]; результати удосконалення математичної моделі та архітектури ЛКА ПД [3]; результати удосконалення алгоритму функціонування ЛКА ПД [4]; математична модель паралельного керуючого автомата підвищеної надійності [5]; методологія побудови, синтаксис і семантика мови програмування паралельного логічного керування [6]; HDL-модель програмованого керуючого автомата паралельної дії [7]; технологія програмування промислових ПЛІС-контролерів із паралельною архітектурою [8]; результати розробки програмованого полігона для моделювання обчислювальних і керуючих пристроїв із нетрадиційною архітектурою [10]; аналіз відомих мов і технологій програмування ПЛК [11]; засоби моделювання на ПЛІС контролерів і процесорів із паралельною архітектурою [12]; результати удосконалення архітектури ПЛІС-контролера паралельної дії [13]; схемотехніка передачі інформації у мережах ПЛІС-контролерів паралельної дії [14]; алгоритм функціонування ПЛІС-контролера паралельної дії [15]; розробка концепції, синтаксису та семантики мови програмування алгоритмів паралельного логічного керування [16]; результати реалізації функцій контролю заборонених комбінацій команд керування ЛКА ПД [18]; результати розширення представлення і обробки логічних функцій в ЛКА ПД [19]; метод порівняльної оцінки інформаційних технологій послідовного і паралельного логічного керування [21].

Апробація результатів дисертації. Основні наукові положення і результати досліджень, отримані автором при виконанні дисертаційної роботи, доповідалися й обговорювалися на наступних міжнародних науково-технічних конференціях і семінарах: «Гарантоспроможні (надійні та безпечні) системи, сервіси і технології «DeSSert» (2006 р., м. Полтава, 2007 р., м. Кіровоград); «Інтегровані комп'ютерні технології в машинобудуванні ІКТМ» (2005, 2007 рр., м. Харків); «Проблеми енергозабезпечення та енергозбереження в АПК України» (2003–2007 рр., м. Харків); «Енергетика в АПК» (2006, 2007 рр., м. Мелітополь); «Критичні комп'ютерні технології та системи», Національний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського «ХАІ» (2005, 2007 рр.); «Молода наука Харківщини – 2004» (2004 р. м. Харків).

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані у 21 друкованій праці, з яких 2 монографії, 6 статей у науково-технічних журналах і 8 статей у збірниках наукових праць, які включені у перелік фахових видань ВАК України, 1 стаття у міжнародному технічному журналі, 2 публікації у тезах доповідей наукових конференцій. За матеріалами дисертаційної роботи отримано 2 патенти України.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота включає вступ, чотири розділи, висновки, і додатки. Повний обсяг дисертації становить 203 аркуша, з яких: 51 рисунок і 3 таблиці (у тому числі: 26 рисунків на 18 окремих аркушах); 3 додатки на 19 аркушах; 197 найменувань використаних джерел на 20 аркушах.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані мета, задачі дослідження, наукова новизна і практична значимість отриманих наукових результатів, показаний зв'язок роботи з науковими програмами й планами, відображені результати апробації та публікації результатів досліджень.

У першому розділі розв’язано першу задачу дослідження. Виконано аналіз інформаційних технологій логічного керування об'єктами залізничної автоматики. Проведений огляд дозволив виявити наступні недоліки застосовуваних інформаційних технологій: 1) використання послідовного принципу обробки потоку команд і даних, у результаті чого і швидкодія логічного керування об'єктами й імовірність появи збоїв істотно залежать як від кількості контрольованих датчиків і керованих механізмів, так і від довжини керуючої програми; 2) недостатнє використання методів явно вираженої паралельної обробки інформації; 3) недооцінка переваг у швидкодії та живучості регулярних мікроелектронних структур і в першу чергу такої перспективної елементної бази як ПЛІС;

Виконано аналіз методів, що застосовуються для розпаралелювання алгоритмів логічного керування, і показано, що найбільш перспективними є методи, орієнтовані на явно виражену паралельну реалізацію алгоритмів логічного керування і які базуються на використанні регулярних мікроелектронних структур, зокрема ПЛІС.

На підставі проведеного аналізу сформульована мета дисертаційного дослідження – підвищення швидкодії та вірогідності реалізації функцій логічного керування об'єктами залізничної автоматики шляхом розробки та дослідження моделей, методів та засобів інформаційної технології паралельного логічного керування.

Основні результати розділу опубліковані у працях [1, 2, 11].

Другий розділ роботи присвячений розробці математичної моделі, алгоритму функціонування і синтезу структури ЛКА ПД.

Сформульовано принцип, який покладений в основу методології розробки структури і технології програмування ЛКА ПД, і який складається у раціональному поєднанні та практичному використанні властивостей регулярності, приналежним об'єктам керування дискретної циклічної дії, технологічним мовам опису алгоритмів керування такими об'єктами та регулярним мікроелектронним структурам.

У роботі запропонований узагальнений формалізований опис поведінки технологічних агрегатів дискретної циклічної дії (ТАДЦ), циклограма роботи якого може бути представлена двома прямокутними матрицями кінцевих розмірів: матрицею станів датчиків |MA| і матрицею станів механізмів |MC| із детермінованим розміщенням у них векторів-рядків, причому кожному i-му рядку матриці |MA| однозначно відповідає i-й рядок матриці |MC|:

, ,

де k – число контрольованих датчиків;

m – число керованих механізмів;

s – кількість рядків (кроків) циклограми.

При побудові математичної моделі логічного автомата, що керує такими об'єктами, використана концепція уявлення керуючих автоматів, в основі якої лежить їх диференціація за принципом взаємодії з керованим об'єктом. Зазначені автомати у загальному вигляді можна характеризувати тривалістю циклу однократного обслуговування контрольованих входів і керованих виходів:

Тц= t(I) + t(II), (1)

де Тц – тривалість циклу однократного обслуговування всіх входів-виходів керуючого автомата в одиницях дискретного автоматного часу;

t(I) – дискретний автоматний час аналізу станів входів;

t(II) – дискретний автоматний час формування команд керування.

До логічних керуючих автоматів послідовної дії будемо відносити такі, в яких використовується послідовний принцип обслуговування контрольованих входів і керованих виходів:

, (2) . (3)

Логічними керуючими автоматами паралельної дії будемо називати такі, в яких використовується паралельний принцип обслуговування входів-виходів, при якому на кожному кроці технологічного циклу одночасно (за 1 такт дискретного автоматного часу) обробляється весь обсяг вхідної та вихідної інформації:

, (4) . (5)

Для формального опису функціонування автомата розглянемо взаємодію наступних векторів:

- вектор а – станів (станів детермінованих входів);

- вектор b – умов (станів стохастичних входів);

- вектор c – керування (команд керування механізмами);

- вектор d – адреси переходу ( початкової адреси підпрограми);

- вектор е – забороненої комбінації станів (забороненої комбінації команд керування).

Для опису функціонування ЛКА ПД використовується сукупність зазначених векторів у вигляді множини матриць: |MA| – станів, |MC| – команд, |MB| – адрес переходів і |ME| – заборонених комбінацій станів:

Матриця |MB| – адрес переходів розміром q Ч u складається з рядків, кожен з яких є умовою переходу до підпрограми і кількість яких визначається алгоритмом функціонування технологічного агрегату. Кількість стовпців матриці визначається розміром вектора в.

Для недопущення видачі керуючим автоматом комбінації вихідних сигналів, які можуть призвести до аварії, використовується матриця |ME| – заборонених комбінацій станів. Число рядків і стовпців матриці визначається алгоритмом функціонування керованого об'єкта і у загальному випадку дорівнює r Ч m, де m – кількість керуючих сигналів, а r – кількість заборонених їх комбінацій.

, (6)

. (7)

За допомогою виразу (6) здійснюється аналіз стану зовнішнього середовища і при наявності збігу з комбінацією, запрограмованою у матриці |MB|, а також при наявності додаткових сигналів або переривань відбувається перехід на початкову адресу технологічної або аварійної підпрограми (7).

Для поточного рядка керуючої програми I = g(р-1) виконується формування вектора керувань (cj(tp) = Сij, якщо еp=0) і паралельно виконується його контроль на збіг із забороненими комбінаціями, запрограмованими у матриці |ME| – . При наявності такого збігу видача керуючих сигналів блокується, а робота автомата припиняється.

Вираз (8) описує контроль збігу із запрограмованими для даного кроку в матриці |MA| значеннями сигналів датчиків детермінованих входів, при цьому за значенням ознаки Fp аналіз виконується у кон’юнктивній або диз'юнктивній формі. Якщо має місце збіг, то виконується перехід до наступного кроку циклу (9).

, (8)

. (9)

Відповідно до математичної моделі розроблений універсальний алгоритм функціонування ЛКА ПД, для формального опису якого використаний удосконалений метод паралельних гілок (базовий метод описаний В. Є. Котовим), що дає найбільш просте, наочне і зручне уявлення паралельного логічного керування, для якого характерне значне число операцій типу присвоєння і логічних, виконуваних паралельно, асинхронно та незалежно одна від одної.

Рис.1. Структура ЛКА ПД

В основу вдосконаленого методу паралельних гілок покладений принцип «необхідної й (або) достатньої інформації» для реалізації паралельних ділянок алгоритмів як при кон’юнктивній, так і при диз'юнктивної формах розходження (розгалуження) і сходження (злиття) гілок. Запропонований метод передбачає два послідовних етапи розробки алгоритму: на першому розробляється функціонально повна кількість макрооператорів паралельних гілок, а на другому – їхнє об'єднання у загальну блок-схему алгоритму.

На базі зазначених моделей і алгоритму синтезовано структуру ЛКА ПД (рис. 1), що на відміну від відомих керується не імпульсами тактового генератора і не потоком команд, а потоком станів входів, тобто потоком, що формують в асинхронній послідовності інтервалів дискретного автоматного часу фактичні комбінації станів керованого об'єкта і зовнішнього середовища. Використовуваний метод ке-рування дозволяє поєднувати ЛКА ПД у мережі довільної конфігурації без будь-яких спеціальних протоколів і пристроїв синхронізації.

Пропонований автомат може розглядатися як універсальний пристрій логічного керування, оскільки дозволяє керувати об'єктами дискретної циклічної дії з постійною і змінною, детермінованою й стохастичною послідовністю виконуваних операцій. При паралельній реалізації операцій над булевими векторами з'являється можливість побудови автомата, що оперує машинними словами довільної довжини. Застосування паралельного принципу логічної обробки потоку станів входів дозволяє ефективно використовувати метод часової надмірності для підвищення вірогідності функціонування автомата.

Таким чином, розв’язана друга задача дослідження і отриманий перший результат наукової новизни. Основні результати розділу опубліковані у працях [3–5, 13–15, 17–19].

Третій розділ присвячений розробці мови й інформаційної технології програмування алгоритмів паралельного логічного керування.

З метою ефективної реалізації інформаційної технології паралельного логічного керування розроблена удосконалена мова програмування ЯПЛК-М, що являє собою слабоформалізовану версію технологічної мови, при створенні якої в якості метамови використані універсальні металінгвістичні формули індуктивно-породжуючої мови, що є узагальненням нормальної форми Бекуса (НФБ). При розробці ЯПЛК-М були враховані недоліки базової мови програмування, а саме: обмежені можливості формального уявлення та обробки логічних функцій, відсутність можливості реалізації функції контролю заборонених комбінацій вихідних керуючих сигналів, а також відсутність можливості автоматичного формування, введення, синтаксичного контролю, налагодження і верифікації керуючих програм. На рис. 2 представлений фрагмент формального опису мови ЯПЛК-М за допомогою НФБ.

Метамова

Базова операція Si (б1 б2... бi)= б1, б2, …, бi

Метасимволи S1 S2 S4 S5 S6 S16 S20 S26 S34 Sk Sl Sm Sn Sh SP SN SQ ( ) ::= |

Виділений метасимвол <програма>.

Синтаксис

Алфавіт

Букви <буква> ::= S1(A); <буква> ::= S1(a) …

Цифри <цифра> ::= S1(0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9).

Символи <пробіл> ::= S1( ); <символ> ::= S1(0 | 1 | & | <пробіл>); <символ> ::= S2(<символ> <символ>).

Числа <число> ::= S1(<цифра>); <число> ::= S2(<цифра> <число>).

…

Семантика

Змістовне значення слів у кадрі умови й стану | Змістовне значення слів у кадрі керування

10 – активний стан входу (включений стан датчика);

01 – неактивний стан входу (виключений стан датчика);

00 – стан входу (датчика), несуттєвий для даного рядка програми;

11 – використовується для «викреслювання» рядка при корегуванні програми. | 10 – збудження виходу (видача команди на включення механізму);

01 – дезбудження виходу (видача команди на вимикання механізму);

00 – керуючий вплив для даного виходу не змінюється;

11 – заборонена комбінація (невизначеність).

Зміст слова у кадрі ознаки переходу | Зміст слова у кадрі виконуваної операції

0 – переривання ПР1 відсутнє;

1– наявність аварійного переривання ПР1. | & – обробка логічних функцій у кон’юнктивній формі;

1 – обробка логічних функцій у диз'юнктивній формі.

Рис.2. Формальний опис мови ЯПЛК-М

У дисертації запропоновано автоматизовану технологію програмування алгоритмів паралельного логічного керування (рис. 3), в основу якої покладена автоматична трансляція розробленої технологічної мови користувачів ЯПЛК-М у HDL-код, що дозволяє виключити програміста із процесу розробки керуючих програм і знизити ймовірність появи помилок у них.

Рис. 3. Автоматизована технологія програмування алгоритмів паралельного логічного керування

Запропонована технологія передбачає два основні етапи. На першому етапі інженером-тех-нологом заповнюються дві таблиці, в одну з яких (табл. 1) заносять комбінації станів зовнішнього середовища і керованого об'єкта, що визначають переходи до технологічних або аварійних підпрограм. а в іншу (табл. 2) – безпосередньо підпрограми відпрацьовування окремих ділянок технологічного циклу.

Таблиця 1

Програмування адрес переходів

Таблиця 2

Програмування підпрограм

На другому етапі здійснюється власне автоматична трансляція складеної технологічної циклограми у програмний код контролера. Для реалізації описаної технології в середовищі Delphi розроблений програмний продукт TVP (Technology of the Visual Programming), версія TVP-II, з яким технолог працює в інтерактивному режимі. Програмування кристалів ПЛІС здійснюється за допомогою пакета MAX+PLUS II 10.0 або Quartus II фірми Altera. Сгенерований проект складається з усіх необхідних файлів ієрархічної структури проекту мовою AHDL (з розширенням *.tdf). Далі в середовищі MAX+PLUS II 10.0 або Quartus II проект компілюється під конкретний тип ПЛІС. Середовище TVP-II побудоване із застосуванням багатовіконного графічного інтерфейсу користувача і функціонує на базі платформи Win32.

Таким чином, розв’язана четверта задача дослідження і отриманий другий результат наукової новизни. Основні результати розділу опубліковані у працях [6, 8, 16, 20].

У четвертому розділі відображені результати експериментальних досліджень і промислових випробувань розробленої інформаційної технології паралельного логічного керування.

Рис. 4. HDL-модель ЛКА ПД

На базі описаної вище структури ЛКА ПД і відповідно до його математичної моделі розроблена HDL-модель (рис. 4) і виконано імітаційне моделювання його функціонування, що дозволило здійснити перехід від абстрактних моделей до практичного втілення цих моделей інструментальними засобами розробки і моделювання.

На основі виконаних теоретичних досліджень розроблена структура ПЛІС-контролера паралельної дії як функціонально завершеного керуючого пристрою. Для експериментальних досліджень і відпрацювання прийнятих рішень створені ПЛІС-полігони, що є універсальним засобом для моделювання різних керуючих і обчислювальних пристроїв із нетрадиційною архітектурою.

При особистій участі автора створений експериментальний зразок ПЛІС-контролера паралельної дії, промислові випробування якого у депо «Московське» Харківського метрополітену, у складі інформаційної технології паралельного логічного керування, підтвердили його працездатність і доцільність використання для керування об'єктами залізничної автоматики.

У роботі запропонований новий метод порівняльної оцінки технологій послідовного і паралельного логічного керування за сукупністю параметрів: швидкодії та ймовірності беззбійної роботи у деяких узагальнених координатах, у якості яких обрані кількість входів-виходів використовуваних контролером N і довжина циклограми L, тобто координати, які не залежать від типу і структурної організації контролерів, що забезпечує об'єктивний характер порівняння класичної та пропонованої технологій. У якості типопредставника ПЛК послідовної дії при виконанні порівняльної оцінки був обраний контролер Simatic S7-400 фірми Siemens.

Швидкодія ПЛК оцінюється тривалістю t відпрацьовування циклограми зі змінними значеннями N і L, тобто t=ft(N,L). Чисельні значення t можуть бути визначені за формулами: і , де t1 – тривалість відпрацювання одного рядка циклограми у ПЛК послідовної дії; t2 – тривалість відпрацювання одного рядка циклограми в ПЛІС-контролері паралельної дії.

Тривалість t1 визначається, через максимальний час реакції контролера на зміну стану вхідних сигналів, тобто

, (10)

де – час реакції ПЛК послідовної дії;

tPII – тривалість передачі сигналу зі входу контролера до його пам'яті;

tUP – тривалість обробки програми користувача;

tPIQ – тривалість формування вихідних сигналів (команд);

tSCC – час, затрачуваний на обслуговування операційної системи;

tЗАП – час запізнювання у модулях введення-виведення.

Максимальний час реакції з урахуванням додаткових витрат процесорного часу на обслуговування периферійних пристроїв і службових процесів операційної системи

(11)

де tPII+PIQ – сумарний час обробки вхідної і вихідної інформації;

K– коефіцієнт комунікаційного завантаження;

tINT – час, затрачуваний на обробку переривань;

tEC – час, затрачуваний на обробку помилок.

Час передачі вхідних і формування вихідних сигналів відновлення може бути розрахований за формулою , де t – час основного завантаження процесора; t – час запису-читання сигналів входів-виходів центрального процесорного блоку; tITF – час запису-читання сигналів входів-виходів в інтерфейсних пристроях; n – число байт вхідного (вихідного) вектора. Тривалість обробки програми користувача може бути розрахована як сума тривалостей виконання окремих інструкцій програми, тобто , де tOP – тривалість виконання елементарної інструкції; i – число елементарних інструкцій програми користувача.

Задамо ряд обмежень для ПЛК послідовної дії, а саме tITF =0, tINT =0, tEC =0. Тоді аналітичний вираз для побудови сімейства кривих t1=ft(N,L) для ПЛК послідовної дії Simatic S7-400, з урахуванням побайтного обслуговування входів-виходів, має вигляд:

(12)

Ймовірність беззбійної роботи пристрою у загальному випадку може бути обчислена за формулою , де Pзб(t) – ймовірність беззбійної роботи пристрою; л – інтенсивність збоїв пристрою. Для експоненційного характеру потоку збоїв, ймовірність беззбійної роботи Pзб(t) пов'язана з параметром л залежністю . При різному числі тактів, затрачуваних на виконання фіксованого завдання контролерами обох класів, припустимо, що:

або (13)

де Qпосл. – ймовірність появи збоїв у ПЛК послідовної дії;

Qпар. – ймовірність появи збоїв у ПЛІС-контролері паралельної дії;

NТпосл. – число тактів, затрачуване ПЛК послідовної дії на відпрацювання фіксованого завдання;

NТпар. – число тактів, затрачуване ПЛІС-контролером паралельної дії на відпрацювання фіксованого завдання;

Kзб – коефіцієнт, що визначає відношення NТпосл. до NТпар..

Тоді, з урахуванням (13), ймовірність беззбійної роботи ПЛК послідовної дії для фіксованого часу спостереження t може бути розрахована як:

. (14)

З урахуванням структурної організації контролера Simatic S7-400 сумарну кількість тактів, затрачуваних процесором на обслуговування входів-виходів можна розрахувати за формулою:

. (15)

Як відзначалося раніше, ПЛІС-контролер паралельної дії може обслуговувати практично необмежене число входів-виходів за один такт, що дозволяє привести вираз (13) до вигляду . Таким чином, ймовірність беззбійної роботи ПЛК послідовної дії для часу спостереження t може бути визначена як . Тоді ймовірність беззбійної роботи ПЛК послідовної дії протягом часу відпрацьовування одного рядка циклограми дорівнює

(16)

Задаючись фіксованими значеннями величин л і Pзб(t) для виразу (6), а також тривалостями t відпрацювання циклограми і tUP для виразу (12), з урахуванням технічних характеристик контролера Simatic S7-400, побудовані сімейства кривих залежностей t=ft(N,L) (рис. 5) і Pзб(t)=ft(N,L) (рис. 6), які утворюють інформаційну базу для якісного і кількісного аналізу зон раціонального використання ПЛК послідовної дії й ПЛІС-контролерів паралельної дії та інформаційної технології на їх основі.

Накладення кривих, показаних на рис. 5 і 6, на єдину координатну сітку формує зону раціонального використання ПЛК послідовної дії і ПЛІС-контролерів паралельної дії за обома параметрами – t і Pзб(t), утворену непустим перетинанням двох вихідних зон. На рис. 7 і 8 показані результати зазначеного накладення з урахуванням природного обмеження за довжиною циклограми для значень тривалостей відпрацювання одного рядка циклограми t2=1 мс і t2=0,5 мс відповідно.

Рис. 5. Сімейства кривих t=ft(N,L) | Рис. 6. Сімейства кривих Pзб(t)=ft(N,L)

Рис. 7. Зона раціонального використання ПЛІС-контролерів паралельної дії

при t2=1 мс | Рис. 8. Зона раціонального використання ПЛІС-контролерів паралельної дії

при t2=0,5 мс

Проведена комплексна порівняльна оцінка використання традиційних і створеної інформаційних технологій дозволяє зробити висновок про те, що у зоні масового застосування ПЛК (від 32-х входів-виходів і при довжині програми від 32 до 1024 рядків) ПЛІС-контролери паралельної дії та інформаційна технологія на їх основі, мають явні переваги.

Таким чином, розв’язані третя, п'ята і шоста задачі дослідження, а також отриманий третій результат наукової новизни. Основні результати розділу опубліковані у працях [7, 9, 10, 12, 21].

У додатках наведені текстові описи функціональних блоків і компонентів ЛКА ПД мовою AHDL, а також акти впровадження результатів наукових досліджень.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі виконано теоретичне узагальнення і отримано нове розв’язання науково-прикладної задачі, що полягає у розробці та реалізації моделей, методів та засобів інформаційної технології паралельного логічного керування об'єктами залізничної автоматики. Отримані в дисертації наукові та практичні результати дозволяють зробити наступні висновки:

1. Проведено аналіз інформаційних технологій, застосовуваних для логічного керування об'єктами залізничної автоматики, що дозволило виявити істотні недоліки зазначених технологій у частині швидкодії та вірогідності реалізації логічних функцій, а також трудомісткості програмування алгоритмів керування, для усунення яких необхідна розробка нових, більш досконалих моделей, методів та засобів.

2. Вперше одержано математичну модель логічного керуючого автомата паралельної дії, який на відміну від відомих керується потоком станів входів, що дозволяє підвищити швидкодію і вірогідність реалізації функцій логічного керування.

3. Удосконалено метод програмування алгоритмів паралельного логічного керування, що забезпечує автоматичну трансляцію створеної технологічної мови у мову програмування ПЛІС-контролерів і дозволяє знизити кількість можливих помилок при розробці керуючих програм.

4. Розроблено HDL-модель логічного керуючого автомата паралельної дії й на його основі синтезовано структуру ПЛІС-контролера паралельної дії як функціонально завершеного пристрою, що дозволило реалізувати на практиці технологію паралельного логічного керування.

5. Дістав подальший розвиток метод порівняльної оцінки технологій послідовного і паралельного логічного керування та визначені зони їхнього раціонального використання. Доведено, що в області масового застосування ПЛК інформаційна технологія паралельного логічного керування має явні переваги як у швидкодії, так і в ймовірності беззбійної роботи, у загальному випадку – в n раз, де n – число процесорних тактів, затрачуваних на реалізацію алгоритму на кожному кроці технологічного циклу.

6. Створено експериментальний зразок ПЛІС-контролера паралельної дії, промислові випробування якого підтвердили його працездатність і доцільність використання для керування об'єктами залізничної автоматики.

7. Результати дисертаційних досліджень використані при проектуванні мікроелектронної системи централізації для депо «Московське» Харківського метрополітену і при розробці в ДВО «Моноліт» (м. Харків) апаратно-програмної платформи нового покоління для створення ПТК ефективних АСК ТП для енергетики України в частині реалізації функцій програмно-логічного керування, технологічних захистів і блокувань, а також у навчальному процесі в Українській державній академії залізничного транспорту і Харківському національному технічному університеті сільського господарства ім. Петра Василенка.

8. Економія, що утворюється за рахунок виключення програміста з процесу розробки керуючих програм на одному об'єкті із загальним числом механізмів і датчиків до 100, становить не менш 50 тис. грн. Економічний ефект від комплексного використання створеної технології визначається масштабами можливої та відверненої аварії й може вимірюватися тисячами і мільйонами гривень.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Мікроелектронні засоби програмного керування / І. О. Фурман, М. Л. Малиновський, С. Я. Бовчалюк та ін.; Під загальною редакцією І. О. Фурмана. – Харків: Факт, 2007. – 486 с.

2. Малиновский М. Л., Фурман И. А., Бовчалюк С. Я. Проектирование цифровых устройств на ПЛИС. – Харьков: Факт, 2006. – 164 с.

3. Фурман И. А., Бовчалюк С. Я. Совершенствование математической модели и архитектуры логических управляющих автоматов параллельного действия // Інформаційно-керуючі системи на залізничному транспорті. – 2006. – № 3 (59). – С. 72–76.

4. Фурман І. О., Бовчалюк С. Я. Вдосконалення алгоритму функціонування програмованого логічного контролера паралельної дії // Інформаційно-керуючі системи на залізничному транспорті. – 2007. – № 2 (64). – С. 38–42.

5. Фурман І. О., Бовчалюк С. Я. Математична модель паралельного керуючого автомата підвищеної надійності // Радіоелектронні і комп’ютерні системи. – 2006. – № 6 (18). – С. 71–74.

6. Фурман И. А., Бовчалюк С. Я. Методология построения, синтаксис и семантика языка программирования ПЛИС-контроллеров параллельного действия // Інформаційно-керуючі системи на залізничному транспорті. – 2007. – № 4 (66). – С. 38–44.

7. Фурман І. О., Бовчалюк С. Я. HDL-модель програмованого логічного керуючого автомата паралельної дії // Радіоелектронні і комп’ютерні системи. – 2007. – №6 (25). – С. 202–205.

8. Фурман И. А., Малиновский М. Л., Бовчалюк С. Я., Аллашев А. Ю. Перспективная технология программирования промышленных ПЛИС-контроллеров с параллельной архитектурой // Мир техники и технологий. – 2007. – № 6 (67). – С. 60–62.

9. Бовчалюк С. Я. Новая информационная технология логического управления в энергетике и на транспорте // Системи управління, навігації та зв’язку. – К.: Центральний науково-дослідний інститут навігації і управління, 2007. – Вип. 3. – С. 47–51.

10. Фурман І. О., Бовчалюк С. Я., Малиновський М. Л. Програмований полігон для моделювання обчислювальних та керуючих пристроїв з нетрадиційною архітектурою // Проблеми енергозабезпечення та енергозбереження в АПК України: Вісник ХДТУСГ, вип. 19, том II. – Харків, 2003. – С. 86–88.

11. Фурман І. О., Бовчалюк С. Я., Малиновський М. Л. Аналіз сучасних мов та технологій програмування ПЛК // Проблеми енергозабезпечення та енергозбереження в АПК України: Вісник ХДТУСГ імені Петра Василенка, вип. 27, том 2. – Харків, 2004. – С. 218–221.

12. Фурман И. А., Краснобаев В. А., Малиновский М. Л., Кошман С. А., Бовчалюк С. Я. Концепция, методы и средства моделирования на ПЛИС контроллеров и процессоров с параллельной архитектурой // Автомобильный транспорт: Сб. научных трудов, вып. 16. – Харьков, 2005. – С. 338–341.

13. Фурман І. О., Бовчалюк С. Я., Малиновський М. Л. Вдосконалення архітектури програмованих логічних контролерів паралельної дії // Проблеми енергозабезпечення та енергозбереження в АПК України: Вісник ХНТУСГ імені Петра Василенка, вип. 37, том 2. – Харків, 2005. – С. 164–168.

14. Фурман И. А., Малиновский М. Л., Святобатько А. В., Бовчалюк С. Я., Тихонравов С. Н. Методы, схемотехника и протоколы передачи информации в сетях ПЛИС-контроллеров параллельного действия // Праці Таврійської державної агротехнічної академії, вип. 43. – Мелітополь, 2006. – С. 3–10.

15. Фурман І. О., Бовчалюк С. Я. Алгоритм функціонування програмованого логічного контролера паралельної дії // Проблеми енергозабезпечення та енергозбереження в АПК України: Вісник ХНТУСГ імені Петра Василенка, вип. 43, том 2. – Харків, 2006. – С. 143–147.

16. Фурман І. О., Бовчалюк С. Я. Концепція розробки технологічної мови для програмування ПЛІС-контролерів паралельної дії // Проблеми енергозабезпечення та енергозбереження в АПК України: Вісник ХНТУСГ імені Петра Василенка, вип. 57, том 2. – Харків, 2007. – С. 133–138.

17. Бовчалюк С. Я. Модели, методы и информационная технология параллельного логического управления объектами критического применения // Праці Таврійського державного агротехнічного університету, вип. 8, том. 2. – Мелітополь, 2008. – С. 71–80.

18. Пат. 71200 Україна, МПК (2006) G 05 В 19/05, G 06 F 9/00. Програмований логічний контролер. Фурман І. О., Бовчалюк С. Я., Малиновський М. Л. (Україна) – № 20031210864; Заявл. 01.12.2003; Опубл. 15.05.2006, Бюл. №5 – 4 с.:ил.

19. Пат. 77886 Україна, МПК (2006) G 05 В 19/18 G05В 19/05. Програмований логічний контролер. Фурман І. О., Бовчалюк С. Я., Малиновський М. Л. (Україна) – № а200506855; Заявл. 11.07.2005; Опубл. 15.01.2007, Бюл. №1 – 4 с.:ил.

20. Бовчалюк С. Я. Вдосконалення архітектури, мови програмування та технічної реалізації ПЛК паралельної дії // Міжнародна науково-технічна конференція «Інтегровані комп’ютерні технології в машинобудуванні ІКТМ-2005». – Харків: Національний аерокосмічний університет «Харківський авіаційний інститут», 2005. – С. 290.

21. Фурман И. А., Малиновский М. Л., Бовчалюк С. Я., Аллашев А. Ю. Оценка эффективности информационной технологии параллельного логического управления объектами критического применения // Міжнародна науково-технічна конференція «Інтегровані комп’ютерні технології в машинобудуванні ІКТМ-2007». – Харків: Національний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут», 2007. – С. 388–390.

АНОТАЦІЯ

Бовчалюк С. Я. Моделі, методи та засоби інформаційної технології паралельного логічного керування об'єктами залізничної автоматики. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.06 – інформаційні технології. Національний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут», Харків, 2008.

Дисертаційна робота присвячена розв’язанню науково-прикладної задачі розробки та реалізації моделей, методів та засобів інформаційної технології паралельного логічного керування об’єктами залізничної автоматики.

Проведено аналіз інформаційних технологій, застосовуваних для логічного керування об'єктами залізничної автоматики, що дозволив виявити істотні недоліки зазначених технологій у частині швидкодії та вірогідності реалізації логічних функцій, а також трудомісткості програмування алгоритмів керування. Вперше одержано математичну модель логічного керуючого автомата паралельної дії, який на відміну від відомих керується потоком станів входів, що дозволяє підвищити швидкодію і вірогідність реалізації функцій логічного керування. Розроблено універсальний алгоритм функціонування і синтезовано структуру логічного керуючого автомата. Запропоновано концепцію створення, розроблені синтаксис і семантика вдосконаленої мови програмування паралельного логічного керування ЯПЛК-М. Удосконалено метод програмування алгоритмів паралельного логічного керування, що забезпечує автоматичну трансляцію створеної технологічної