Обеспечение надежности микропроцессорных систем управления автоматизированным технологическим оборудованием путем актуализации связей между аппаратными и программными средствами

Качественное совершенствование изделий, увеличение объемов выпускаемой продукции, снижение ее себестоимости в современных условиях невозможно без разработки и внедрения средств автоматизации производства /1,2/.

Быстрое моральное старение изделий, многономенклатур-ность современного производства требует высокой мобильности и универсальности средств производства в условиях как массового, так и мелкосерийного производства. Это, а также требование повышения экономической эффективности производства, обусловило применение гибких производственных систем (ГПС) /3,4/.

Увеличения эффективности использования ГПС можно достичь за счет роста производительности гибких производственных систем и надежности технологического процесса при условии ограничения роста затрат на их обеспечение.

Рост производительности ГПС возможен за счет уменьшения времени простоев из-за отказов системы, то есть за счет повышения надежности автоматизированного технологического оборудования /2,5/. Надежность технологического процесса является функцией надежности автоматизированного технологического оборудования.

Автоматизированное технологическое оборудование представляет собой сложную систему из объекта управления и системы управления /5/. Надежность системы управления определяет надежность оборудования ГПС.

Следовательно, увеличения эффективности использования гибких производственных систем можно достичь путем повышения надежности систем управления автоматизированным технологическим оборудованием.

Расширение номенклатуры и увеличение числа функций систем управления достигается за счет использования микропроцессоров и микроконтроллеров в системах числового программного управления (ЧПУ).

Основные принципы построения систем числового программного управления и повышения их надежности рассматриваются в работах В. А. Ратмирова /4,6/, В. М. Валькова /7/, В. Л. Сосонкина /8/, методы повышения надежности микропроцессорных систем рассмотрены в работах Ю. П. Журавлева, Л. А. Конопелько, К. А. Иыуду /9−11/, вопросы надежности аппаратных средств систем ЧПУ и их элементов нашли отражение в монографиях В. Л. Кошкина, В. Н. Горшкова, Е. С. Согомоняна, Ю. Н. Арсеньева /12−15/. Методам повышения надежности программного обеспечения микропроцессорных систем управления (МПСУ) посвящены работы В. В. Липаева, А. А. Штрик /16,17,18/. Среди зарубежных ученых можно отметить работы В. Фритча (W.Fritzsch) — рассмотрено применение и эффективность микропроцессорных систем управления (МПСУ) /19/, Р. Лонгботтома (R.Longbottom) — вопросы обеспечения надежности микропроцессорных систем на этапах жизненного цикла /20/, Вопросам обеспечения и оценки надежности программного обеспечения посвящены работы Г. Майерса (G.Myers) /21/, Р. Гласса (R.Glass) /22/, М. Холстеда (M.Halstead) /23/. Невозможно привести полный список, поэтому, не умаляя заслуг остальных, следует ограничиться данным перечислением.

Уровень надежности МПСУ закладывается на этапе проектирования. Наибольший рост надежности дает применение методов повышения надежности, основанных на введении избыточности в систему.

Введение

избыточности увеличивает затраты, снижает эффективность использования гибких производственных систем.

Следовательно, для повышения надежности микропроцессорных систем управления нужно использовать малоизбыточные методы повышения надежности.

Проведенный автором анализ существующих методов повышения надежности и технических решений на их основе позволил сделать вывод о том, что известные методы используют не все резервы повышения надежности, в частности:

1) взаимосвязь аппаратных средств и программного обеспечения;

2) многофункциональность современной элементной базы;

3) возможность динамичного использования ресурсов.

МПСУ.

Актуализация связей аппаратных и программных средств — обновление информации о взаимодействии элементов микропроцессорной системы, связанное с развитием науки и необходимостью решать новые задачи, — позволит использовать эти резервы для обеспечения надежности систем управления с меньшими затратами.

Таким образом, важнейшей составной частью проблемы увеличения эффективности гибких производственных систем является решение задачи обеспечения надежности микропроцессорных систем управления.

Решению этой задачи на основе разработки и исследования методов и методик обеспечения надежности путем актуализации связей между аппаратными и программными средствами посвящена данная работа.

Диссертация отражает результаты исследований, полученные автором при выполнении ряда госбюджетных и хоздоговорных научно-исследовательских работ:

1) грант/10 «Исследование возможности совершенствования микропроцессорных устройств для управления сложным технологическим оборудованием путем варьирования фундаментальных принципов их построения» ;

2) 53/10 «Разработка малоизбыточных методов повышения надежности электронных устройств обработки информации и управления сложными техническими объектами» ;

3) «Разработка микропроцессорной системы управления автоматизированной секцией крепи» (заказчик ЦНКБ НИХТИ, г. Москва);

4) «Разработка устройства числового программного управления станком для изготовления печатных плат» (заказчик МНПП «АИР», г. Рыбинск).

Предметом исследования диссертационной работы являются методы обеспечения надежности микропроцессорных систем управления автоматизированным технологическим оборудованием, создающие эффект повышения надежности при минимизации вводимой избыточности.

Цель работы — обеспечение надежности микропроцессорных систем управления автоматизированным технологическим оборудованием путем разработки методов и методик повышения и анализа надежности, учитывающих взаимодействие между аппаратными и программными средствами.

Методы исследования. Решение основной задачи диссертационной работы базируется на использовании методов системного анализа, теории надежности, математического аппарата теории графов, теории марковских цепей, методики синтеза вычислительных устройств по алгоритму функционирования.

Научная новизна. Задача обеспечения надежности МПСУ решена с учетом реальных связей между интегрированными аппаратными и программными элементамимногофункциональности современной элементной базывозможности динамичного использования ресурсов МПСУ.

1. Предложена классификация методов повышения надежности .

2. Разработаны методы обеспечения надежности: метод использования естественной функциональной и информационной избыточности МПСУметод повышения регулярности и однородности структуры МПСУ.

3. Разработаны методики:

— синтеза устройств по критерию минимизации интенсивности отказов элементов;

— анализа надежности микропроцессорных систем управления;

— повышения надежности устройств МПСУ путем использования их естественной избыточности.

4. Разработаны эффективные архитектурные решения элементов аппаратных средств и программного обеспечения микропроцессорных систем управления автоматизированным технологическим оборудованием.

Новизна результатов диссертации подтверждена полученными патентами Российской Федерации.

На основе проведенных исследований сформулированы научные положения, которые выносятся на защиту:

— классификация методов повышения надежности;

— методы обеспечения надежности за счет использования.

О V с-' V <-> ^ естественной функциональной и информационной избыточности МПСУповышения регулярности и однородности структуры МПСУ;

— методика синтеза устройств по критерию минимизации интенсивности отказов элементов, позволяющая увеличить надежность микропроцессорной системы управления за счет рационального выбора ее элементов, повышения их надежности, а также регулярности структуры системы;

— методика анализа надежности микропроцессорной системы, позволяющая определить надежность с учетом алгоритма функционирования системы, реальных связей между аппаратными и программными элементами и выявить естественную избыточность МПСУ;

— методика повышения надежности устройств МПСУ путем использования их естественной избыточности;

— архитектурные и алгоритмические решения запоминающего устройства, операционного узла, устройства ввода/вывода и программного обеспечения, являющиеся основными компонентами микропроцессорных систем управления автоматизированным технологическим оборудованием.

Практическая ценность. Предложенные в работе методы и методики представляют практическую ценность для разработчиков систем управления и микропроцессорных систем.

Методика синтеза устройств по критерию минимизации интенсивности отказов может быть применена при проектировании новых систем управления.

Методики анализа и повышения надежности путем использования естественной избыточности могут быть использованы как при создании новых, так и для обеспечения надежности существующих систем управления автоматизированным технологическим оборудованием.

Разработанные архитектурные и алгоритмические решения запоминающих устройств, операционных блоков могут быть использованы при создании цифровых вычислительных устройств, использующихся в составе верхних иерархических уровней управляющей части гибких производственных систем. Предложенный способ кодирования чисел в формате с плавающей запятой и алгоритмические решения на его основе представляют практическую ценность для разработчиков программного обеспечения МПСУ автоматизированным оборудованием.

Технические решения, реализованные с применением предложенных методов и методик, нашли практическое применение при выполнении ОКР «Разработка контроллера технологического оборудования для автоматизации взрывоопасных технологических процессов» и «Разработка устройства числового программного управления станком для изготовления экспериментальных печатных плат», на что получены акты о внедрении результатов исследований в ЦНКБ НИХТИ (г. Москва) и МНПП «АИР» (г. Рыбинск).

Результаты исследований используются в учебном процессе при преподавании дисциплин: «Цифровые устройства и микропроцессоры», «Управление качеством электронных средств», «Технология разработки программных средств», а также в дипломном проектировании.

Достоверность результатов диссертационных исследований подтверждаются корректностью исходных данных, использованием адекватного математического аппарата, совпадением ожидаемых результатов с данными практического проектирования.

Материалы диссертации прошли апробацию на российских научно-технических и научно-практических конференциях:

-" Методы и средства оценки повышения надежности приборов, устройств и систем", г. Саратов, 1994 г.;

-" Наукоемкие технологии в машиностроении и приборостроении", г. Рыбинск, РГАТА, 1994 г.;

— «Статистические методы управления качеством продукции», г. Ярославль, 1997 г.

По материалам диссертации опубликовано 6 печатных работ, в том числе: патенты — 2 /24,25/, тезисы докладов — 3 /26,27,28/, статьи — 1 /29/.

Диссертационная работа состоит из четырех глав.

В первой главе анализируется задача увеличения экономической эффективности ГПС, производится определение пути решения этой задачи на основе обеспечения надежности микропроцессорных систем управления автоматизированным технологическим оборудованием. Анализируется специфика микропроцессорных систем управления. Определяются основные характеристики надежности МПСУ, выявляются основные источники отказов и рассматриваются меры обеспечения надежности.

Во второй главе разрабатывается методика оценки эффективности применения методов повышения надежности, производится оценка и исследование известных методов повышения надежности на основе разработанной методики, определяются эффективные методы повышения надежности и перспективные направления исследований.

В третьей главе производится разработка функционально-структурной модели надежности МПСУ, которая предназначена для оценки надежности систем и разработки новых малоизбыточных методов повышения надежности. На основе анализа разработанной функционально-структурной модели надежности предлагается метод повышения надежности путем использования естественной функциональной и информационной избыточности МПСУ и метод на основе повышения регулярности и однородности структуры МПСУ. Разрабатываются методика синтеза устройств по критерию минимизации интенсивности отказов элементов, позволяющая повысить надежность и регулярность структуры устройстваметодика анализа надежности МПСУ, позволяющая определить надежность с учетом алгоритма функционирования системы и выявить естественную избыточность МПСУметодика повышения надежности устройств путем использования их естественной избыточности.

В четвертой главе производится разработка технических решений основных элементов систем управления автоматизированным технологическим оборудованием, основанная на использовании предложенных методов и методик обеспечения надежности. Производится исследование и оценка предложенных технических решений по критерию эффективности.

Выводы по главе 4.

1. Применение предложенных методов повышения надежности использованием естественной функциональной избыточности, введения избыточности для повышения регулярности структуры системы и разработанных методик синтеза, анализа и повышения надежности устройств позволило разработать архитектурные и алгоритмические решения отказоустойчивого оперативного запоминающего устройства и операционного узла, имеющие повышенную надежность и большее значение критерия эффективности.

2. Увеличена надежность автоматизированной секции крепи за счет повышения надежности интерфейса устройства ввода/вывода информации, разработанного на основе проведенного анализа естественной информационной избыточности.

3. Для автоматизации технологического процесса изготовления печатных плат разработано программное обеспечение системы числового программного управления станком для сверления печатных плат. Повышение надежности программного обеспечения достигнуто за счет естественной избыточности системы команд микропроцессора и естественной избыточности способа представления чисел в формате с плавающей запятой.

4. Эффективность разработанных технических, структурных, алгоритмических решений основных устройств микропроцессорных систем управления технологическим оборудованием подтверждает справедливость теоретических положений диссертационной работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации решена задача обеспечения надежности микропроцессорных систем управления автоматизированным технологическим оборудованием путем актуализации связей между аппаратными и программными средствами.

В процессе выполнения исследований получены следующие основные результаты.

1. Предложена систематизация методов повышения надежности.

2. Предложены малоизбыточные методы обеспечения надежности:

— метод использования естественной функциональной и информационной избыточности МПСУ;

— метод на основе повышения регулярности и однородности структуры МПСУ.

3. Разработана методика синтеза устройств по критерию минимизации интенсивности отказов элементов, позволяющая увеличить надежность микропроцессорной системы управления за счет рационального выбора ее элементов, повышения их надежности, а также регулярности структуры системы.

4. Разработана методика анализа надежности микропроцессорной системы, учитывающая реальные связи между аппаратными и программными средствами и позволяющая определить надежность с учетом алгоритма функционирования системы и выявить естественную избыточность МПСУ.

5. Разработана методика повышения надежности устройств МПСУ путем использования их естественной избыточности.

6. На основе предложенных методов и методик разработаны эффективные архитектурные и алгоритмические решения основных элементов аппаратных средств и программного обеспечения систем управления автоматизированным технологическим оборудованием.

Применение разработанных методов в сочетании с традиционными позволяет существенно (на 20 ч- 250%) улучшить показатели надежности устройств МПСУ, что способствует, в конечном итоге, повышению экономической эффективности автоматизированного производства.

Положительные результаты экспериментального проектирования дают основание надеяться, что разработанные методы и методики найдут применение в практике проектирования.