Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Автоматизированные системы управления и прогрессивные информационные технологии

Диссертационная работа:

Суханова Наталия Вячеславовна. Совершенствование и повышение эффективности микропроцессорных систем управления оборудованием на основе методов оценки и контроля надежности : диссертация ... кандидата технических наук : 05.13.06 Москва, 2007 100 с., Библиогр.: с. 91-96 РГБ ОД, 61:07-5/4415

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ВВЕДЕНИЕ 5

ГЛАВА 1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И ОСНОВНЫЕ ЦЕЛИ 13

ИССЛЕДОВАНИЯ

1Л .Анализ дублированных и троированных отказоустойчивых

систем управления 13

  1. Математические модели надежности программного обеспечения 18

  2. Выводы по главе 1 21 ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА ДУБЛИРОВАННОГО МИКРОПРОЦЕССОРНОГО УСТРОЙСТВА И КОНТРОЛЬ ЕГО РАБОТОСПОСОБНОСТИ 22

  1. Разработка дублированного микропроцессорного устройства 22

  2. Контроль работоспособности в дублированном микропроцессорном устройстве 25

  3. Анализ способов контроля сигналов 28

  4. Разработка устройства для контроля работоспособности системы управления 31

  5. Построение эмпирической гистограммы распределения контрольного сигнала 37

  6. Результаты моделирования работы устройства контроля работоспособности дублированной схемы 39

  7. Выводы по главе 2 42 ГЛАВА 3. ОЦЕНКА НАДЕЖНОСТИ АППАРАТНОГО КОМПЛЕКСА КОМПЬЮТЕРНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

И ЕГО КОМПОНЕНТОВ 43

3.1.Структура компьютерной системы управления оборудованием
(КСУ) 43

  1. Вероятность необнаруженного отказа КСУ при работе оператора системы 46

  2. Вероятность необнаруженного отказа при передаче 48 сообщения

  3. Вероятность необнаруженного отказа при расчете контрольной суммы сообщения 49

  4. Оценка надежности компьютерной сети 51

  5. Контроль работоспособности и оценка надежности дублированной системы управления 56

  1. Контроль работоспособности дублированной системы управления «два по два» 56

  2. Оценка надежности дублированной системы управления 58

  3. Вероятность необнаруженного отказа в двух комплектах оборудования 59

  4. Вероятность необнаруженного отказа в одном комплекте оборудования 61

  5. Вероятность необнаруженного отказа в процедуре контрольного суммирования ПЗУ 64

3.7. Выводы по главе 3 67
4. ОЦЕНКА НАДЕЖНОСТИ ПРОГРАММНОГО 69
ОБЕСПЕЧЕНИЯ

4.1. Анализ моделей надежности программного обеспечения 69

4.2.Экспериментальные исследования надежности программного
обеспечения 73

4.3. Оценка надежности встроенного программного обеспечения
в компьютерных системах управления оборудованием 76

  1. Исходные данные для оценки надежности встроенного программного обеспечения 77

  2. Характеристики работы программного обеспечения 78 4.6.План проведения испытаний для оценки надежности программного обеспечения 80

  1. Оценка надежности встроенного программного обеспечения 81

  2. Пример оценки надежности встроенного программного обеспечения 82

  3. Результаты испытаний встроенного программного обеспечения на надежность 84

4.10. Выводы по главе 4 88
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ 89
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 91
ПРИЛОЖЕНИЕ 97

Введение к работе:

Надежность является одним из важнейших свойств изделий. Согласно ГОСТ 27.002-83 [16-18] надежность определяется как свойство, обеспечивающее возможность выполнения устройством заданных функций с установленными характеристиками в определенных условиях эксплуатации и в течение требуемого интервала времени.

Аппаратно-программные системы управления комплексами оборудования в машиностроении должны обладать гарантированным уровнем надежности. Аппаратные и программные средства систем управления гибких производственных систем (ГПС) и роботизированных комплексов (РК) являются сложными и уникальными изделиями. Оценка надежности аппаратных и программных средств гибких систем управления и роботизированных комплексов определяется с помощью расчетных методов, с использованием математических моделей.

Разработка и отладка аппаратных и программных средств таких систем управления является дорогостоящим процессом из-за сложности алгоритмов, продолжительных испытаний, необходимости использования уникального технологического оборудования при отладке.

Для повышения надежности устройств используются два основных метода:

- повышение надежности компонентов, из которых строится ап
паратура;

- резервирование, применение отказоустойчивой архитектуры
устройств с избыточностью аппаратуры и программного обеспечения.

Аппаратные и программные средства не являются абсолютно надежными, поэтому к системам управления ответственными технологическими процессами предъявляются дополнительные требования функциональной надежности. Существует класс задач, выполняющих особо

ответственные функции. Для этих задач отказ должен переводить систему в безопасное защитное состояние. Электронные компоненты, на основе которых создаются устройства, не обладают свойством функциональной надежности. Для обеспечения функциональной надежности также вводится избыточность.

Известны три основных варианта архитектуры отказоустойчивых устройств:

-дублированная схема,

-системы с мажоритированием, в том числе троированная схема,

-многопроцессорная система [41,50].

В дублированных схемах и системах с мажоритированием основные и резервные комплекты оборудования выполняют одинаковые задачи. Надежность таких систем управления обеспечивается за счет аппаратного и программного резервирования функций основного комплекта.

В дублированной схеме используются два канала - основной и резервный. Основной канал работает постоянно. Резервный канал может работать параллельно с основным или включаться в работу при его отказе. В дублированных системах управления ответственными технологическими процессами, где необходимо обеспечить высокую надежность, используется отказоустойчивая схема «два по два». Второй канал работает в «горячем» резерве, параллельно с основным. В каждом канале имеются два одинаковых комплекта оборудования и схема контроля. Результаты работы двух комплектов поступают на входы схемы контроля для аппаратного сравнения. Схема контроля сравнивает данные от двух комплектов. В случае, если данные от двух комплектов не совпадают, система обнаруживает отказ канала и переключает его в безопасное защитное состояние.

Известны дублированные системы, где два канала работают син-

хронно. В ряде применений используется дублированная схема с асинхронной работой двух каналов.

В системах с мажоритированием используются 3 и более комплектов аппаратуры. Сравнение результатов производится по методу голосования «большинством голосов». В троированной схеме решение принимается по принципу голосования "2 из 3". При отказе в одном из комплектов троированной схемы, неисправный комплект отключают, и система становится дублированной. Аналогичным образом могут строиться системы с большим количеством резервированных элементов.

При дублированной и троированной архитектуре функциональные возможности устройства, его вычислительная мощность и быстродействие соответствуют однокомплектному устройству без резервирования, а стоимость значительно выше.

Многопроцессорная система содержит несколько процессорных модулей. Отличие от предыдущих вариантов состоит в том, что алгоритм работы разделен на ряд задач, которые распределены между процессорами. В зависимости от конкретного применения, задачи могут распределяться между процессорами различным образом. Известно жесткое разделение задач между процессорами, динамическое разделение задач между процессорами, перераспределение при отказе. В случае отказа одного процессора, его функции выполняют оставшиеся исправные модули. Отказ процессора обнаруживают по результатам проведения программных и аппаратных тестов.

Многопроцессорная архитектура применяется в сложных вычислительных устройствах, где функции контроля, распределения ресурсов процессоров и памяти выполняет операционная система.

В теории надежности рассматриваются две основные проблемы:

- количественная оценка показателей надежности на этапе разработки и проектирования системы;

- контроль надежности в процессе испытаний и эксплуатации системы.

Методы оценки и контроля надежности должны учитывать специфику микропроцессорных систем управления.

  1. Микропроцессорные устройства имеют большой период приработки. Период приработки в начале эксплуатации системы характеризуется высокой интенсивностью отказов из-за выявления и устранения ошибок при проектировании и изготовлении аппаратных средств, исправления ошибок в программном обеспечении. Испытания показали, что постоянная интенсивность отказов достигается после нескольких лет эксплуатации микропроцессорных систем управления.

  2. Оценка надежности микропроцессорных устройств определяется на этапе проектирования с помощью расчетных методов. В аппаратных средствах и программном обеспечении всегда присутствуют ошибки конструирования и ошибки изготовления. Ошибки конструирования аппаратуры и ошибки программного обеспечения можно выявить и устранить только при испытаниях и в процессе эксплуатации системы управления.

  3. Для оценки интенсивности отказов микропроцессорного устройства используются данные об интенсивностях отказов его аппаратных и программных средств.

Аппаратные средства системы управления строятся из большого количества элементов. В оценке надежности сложно учесть влияние отказа отдельного элемента на работоспособность всего устройства. В состоянии отказа на выходах микросхем могут формироваться сигналы как логического "О" так и "1" . Возможны необнаруженные "скрытые" отказы компонентов.

Приближенная оценка надежности аппаратных средств строится на основе хорошо известной модели экспоненциального распределения

времени работы на отказ. Поток отказов элементов считается простейшим. Отказы элементов независимы. При такой модели интенсивность отказов устройства считается постоянной.

Экспоненциальная модель распределения времени работы на отказ применяется для расчета вероятностей внезапных отказов, в том числе при оценке надежности военной и космической техники одноразового применения. При оценке надежности микропроцессорных систем управления, которые эксплуатируются в режиме непрерывного применения, необходимо учитывать параметрические и перемежающиеся отказы.

4. Для подтверждения оценок и контроля показателей надежности
проводят эксплуатационные испытания. Из-за факторов морального ста
рения микропроцессоров, срок службы опытных образцов систем управ
ления исчисляется несколькими годами, а количество отказов измеряет
ся единицами. В процессе эксплуатации конструкция микропроцессор
ных устройств совершенствуется, что также влияет на достоверность
оценок.

Различие в аналитических оценках надежности и данных об отказах системы в процессе эксплуатации приводит к тому, что разработчики микропроцессорной техники и вычислительных систем не всегда объективно оценивают показатели надежности оборудования.

5. Отличительной особенностью микропроцессорных систем
управления является гибкая программируемая логика управления. При
оценке надежности микропроцессорных систем управления необходимо
учесть вероятность отказов программного обеспечения.

Определение отказа программного обеспечения (ПО) дано в работе Шишонка Н.А и Владимирского Э.И. [68]. Под отказом ПО понимается с обытие, заключающееся в нарушении отображения между входными и выходными данными, заложенного в техническом задании на разработку.

Согласно определению проф. Липаева В.В. [ 32,33 ] под надежно-/ стью программы понимается ее безошибочность, и основное внимание он уделяет тестированию и отладке с целью выявления и исправления ошибок. При этом основной причиной отказов программного обеспечения считаются ошибки проектирования.

Программа называется надежной, если корректен алгоритм ее работы, и программа соответствует спецификациям поставленной задачи. Таким образом, надежность ПО включает в себя доказательство корректности алгоритма и его способности решать поставленную задачу, а также тестирование программы, реализующей этот алгоритм. Для тестирования программного обеспечения микропроцессорных систем управления разработаны специальные методики, которые достаточно полно освещены в специальной литературе [33, 35].

Отказы могут возникать и при исполнении отлаженных программ, как следствие аппаратных отказов:

-нарушения кодов записи программ в памяти команд;

-искажения данных в памяти вычислительного устройства;

-изменения последовательности исполнения команд и т.д.

Программные отказы систем управления приводят к прекращению выдачи управляющей информации или к искажению ее содержания, что может привести к отказам в работе микропроцессорной системы управления.

Объем функций, реализуемых с помощью программных средств, имеет тенденцию к увеличению. Усложнение программы делает невозможным ее тестирование с глубиной 100%, для всех возможных сочетаний входных и выходных воздействий. После проведения комплексной отладки и эксплуатационных испытаний в программном обеспечении могут быть ошибки.

В процессе эксплуатации системы управления происходит изме-

нение количества отказов программного обеспечения. Подавляющее число программных ошибок выявляется в течение первых 3-х лет эксплуатации.

Требования к надежности микропроцессорных систем управления устанавливаются в техническом задании. Проектировщик должен обеспечить соответствие характеристик оборудования установленным показателям. При традиционном методе показатели надежности рассчитывались по эксплуатационным данным. Однако, когда создается новое уникальное оборудование, его эксплуатационные показатели, как правило, не известны.

Для подтверждения показателей надежности системы управления необходимо увеличение объема и продолжительности эксплуатационных испытаний. Для сокращения времени испытаний известны два основных способа. Это- проведение ускоренных испытаний и прогнозирование.

Для уникальных опытных образцов ускоренные испытания неэффективны. Время таких испытаний может быть уменьшено либо за счет расширения выборки испытываемых устройств, либо за счет форсированных режимов эксплуатации. Оба эти способа связаны с большими затратами.

Разработчик микроэлектронной системы управления оценивает надежность на основе своего субъективного опыта. Его мнение может не совпадать с результатами, полученными при традиционном экспериментальном методе или в ходе экспертного опроса. При оценке надежности новой техники, которой являются микропроцессорные системы управления, возникают проблемы, связанные с ограниченным объемом исходной информации.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ совершенствование и повышение эффективности микропроцессорных систем управления оборудованием на основе методов оценки и контроля надежности.

Поставленная цель достигается путем решения следующих задач:

создания оригинальной отказоустойчивой дублированной схемы и устройства для контроля ее работоспособности;

оценки вероятности отказа дублированной схемы;

разработки методики оценки надежности программного обеспечения.

Диссертация состоит из введения, 4 глав, основных выводов и результатов и списка литературы

В первой главе выполнен анализ отказоустойчивых схем, в том числе дублированных и троированных систем управления. Проведен анализ надежности аппаратных средств и программного обеспечения.

Во второй главе рассмотрены: исследование, разработка и реализация конструкции дублированного высоконадежного устройства системы управления и разработка аппаратных средств контроля его работоспособности.

Третья глава посвящена теоретическому анализу надежности компьютерной системы управления оборудованием.

В четвертой главе описана методика оценки надежности ПО. Предложена и обоснована математическая модель надежности ПО. Приведен теоретический вывод модели и получена расчетная формула. Проведено испытание модели на встроенных программных средствах, которые показали достаточную адекватность модели.

Подобные работы
Свиридков Иван Васильевич
Повышение эффективности использования гибких производственных систем за счет введения в их состав универсального оборудования с ручным и механическим управлением
Полещенко Дмитрий Александрович
Повышение эффективности управления чашевым окомкователем путем совершенствования алгоритмов экстремального регулирования
Землянухин Михаил Владимирович
Повышение эффективности АСУ противопожарной защитой АЭС на основе совершенствования средств обнаружения пожара
Минаев Михаил Иванович
Повышение эффективности автоматизированных систем управления движением судов на основе модификации функциональных устройств береговых радиотехнических постов
Погодаев Анатолий Кирьянович
Развитие современных информационных технологий для повышения эффективности автоматизированных систем управления качеством
Козак Николай Владимирович
Повышение эффективности процесса разработки систем управления промышленной электроавтоматикой на основе интеграции внешних программных компонентов
Шилов Алексей Вячеславович
Разработка методов расчета и повышения эффективности управления электромеханическими системами прядильного оборудования
Волкова Ольга Рудольфовна
Повышение эффективности испытаний автоматизированных систем на основе конструирования моделей случайных процессов с заданными статистическими характеристиками
Бородин Евгений Владимирович
Повышение эффективности технологии разработки системы управления административными процессами режима "одного окна"
Геращенко Анатолий Николаевич
Разработка методов и средств повышения энергетической эффективности автономных приводных систем управления мобильными объектами

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net