Технические науки/12.Автоматизированные системы управления на производстве

Юрченко О.В.¹⁾, Юрченко Ю.Б.²⁾,

¹⁾ ХНПУ им. Г.С. Сковороды, ²⁾ХНАУ ‘ХАИ’ им.Н.Е. Жуковского, Украина

Проблемы когерентности приема информации в системах с активно резервированными каналами связи

При построении высоконадежных комплексов автоматизированных систем управления (АСУ) особо важными задачами есть обеспечение детерминизма функционирования на уровнях подключения удаленных периферийных блоков по линиям связи [1], а так же своевременности определения отказов [2]. Эти задачи усложняются при построении системы связи на основе законченных функциональных узлов [3], а особенно при использовании параллельных и не связанных между собой каналов связи с асинхронным функционированием. Принимая во внимание, что процессы у абонентов исполняются в масштабе реального времени, а взаимодействие абонентов происходит посредством поканальных, не связанных между собой модулей обеспечения сетевого взаимодействия с недетерминированным временем асинхронизма, то поддержание когерентности обменов есть одной из основных задач.

Цель статьи – анализ причин фиксации ложных отказов на основе асимметрии информации, причин возникновения лавинообразного нарастания процесса ложных отказов в параллельных каналах передачи информации.

Прежде всего, отметим, что пересылка цифровой информации в АСУ происходит путем преобразования параллельного кода в последовательный и обратно, а время процесса трансляции байта зависит от скоростных характеристик канала связи. При этом, стремление повысить скорость ограничивается реальностью физических свойств линии связи, что, в свою очередь, приводит к ограничению максимального расстояния между передатчиком и приемником. Таким образом, для построения информационного канала связи между двумя удаленными компьютерами АСУ необходимо устанавливать системы ретрансляторного оборудования, которое обеспечивает поддержание протокола связи на каждом сегменте автономно.

Выделим основные особенности в структуре связи такого типа:

· приемопередатчики каналов связи у компьютеров и у ретрансляторов независимы, асинхронны относительно соседних каналов связи;

· в состав ретранслятора входит интеллектуальное оборудование контроллера связи с подключением к приемопередающему оборудованию сети;

· передача и прием модулем конвертора происходит в рамках собственных тактовых сеток, заданных скоростью передачи и независимо от тактовых сеток шины компьютера или контроллера ретранслятора.

Анализируя информационное сопряжение контроллера с модулем конвертора кода, заметим, что внутренняя синхронизация событий происходит в соответствии с: а) тактовой сеткой внешнего оборудования конвертора, определяемой скоростью последовательной приемо-передачи; б) длительностью цикла обращения по системной шине со стороны контроллера. Как следствие, в процессе передачи, перезапись информации из буфера системной шины, подключенной к процессору, в передающий регистр конвертора предварительно синхронизируется тактовой сеткой формирования сигнала выдачи со сдвигового регистра приемопередатчика. При этом, время начала передачи, то есть непосредственно момент выдачи первого бита колеблется относительно момента выдачи команды на передачу от процессора в пределах длительности такта, определяемого частотой последовательной передачи, то есть времени передачи одного бита. Таким образом, на каждом сегменте линии связи постоянно происходит пресинхронизация информационного потока тактовыми сетками: 1) контроллера при считывании данных с источника, 2) передатчика при получении данных от контроллера, 3) приемника при захвате данных от передатчика, 4) контроллера при определении наличия данных в приемнике. При этом, имея независимые частотные сетки с типовой девиацией частоты задающих генераторов (100 ppm), между каналами, с определенной периодичностью будет складываться ситуация, когда в процессе пресинхронизации информации в одном из каналов передачи все максимально возможные времена выстроятся в последовательную цепочку суммарного отставания, а в остальных ‑ процесс будет происходить согласованно. Оценивая разность времен прихода одного пакета информации к конечному абоненту, получаем:

, (1)

где  ‑ девиация времени пресинхронизации,  ‑ девиация времени прохождения информационного пакета по последовательному каналу.

Для девиации времени по пресинхронизации при прохождении одного пакета имеем

, (2)

где N – число сегментов сети; Baud – скорость последовательной передачи; MIPS – быстродействие контроллера; t – индекс оборудования передатчика;
r – индекс оборудования приемника.

Для девиации времени прохождения пакета и нестабильности задающих генераторов в 100ppm

, (3)

где  ‑ полное количество бит в пакете,  ‑ скорость передачи.

Расчет времени для каждого сегмента показывает линейное нарастание девиации в зависимости от количества сегментов трансляций. При этом, для пакета в 2К бит до 6-го ретранслятора основной вклад в девиацию привносится составляющей времени прохождения пакета. Однако, при сетевом взаимодействии, происходит обмен множеством пакетов различной информационной длины и для данного случая необходимо иметь целостное представление о временных соотношениях процесса трансляции на всех сегментах [4].

Выводы:

· При построении АСУ с распределенной сетевой структурой в контролирующем оборудовании необходимо учитывать дополнительное время асинхронности функционирования каналов связи.

· Существует оптимальное количество пакетов для одного сеанса связи, при этом обеспечивается девиация в пределах менее +1% от типового времени передачи пакета для любой производительности сетевого оборудования.

· Основная составляющая асинхронизма процесса параллельной трансляции привносится взаимодействием оборудования внутри ретрансляторов на фазах «готовность информации ‑ начало передачи» и «окончание приема – считывание информации» при различных частотных источниках для процессора и для приемо-передатчика линии связи.

· Применение единого генератора с кратным распределением частот процессору и приемо-передатчику, позволит улучшить показатель межканальной девиации.

Литература:

1. Avizieniis Algirdas: Toward Systematic Design of Fault-Tolerant Systems // www.md.kth.se/RTC/SC3S/papers/avizienis.pdf

2. Hagbae Kim; Shin, K.G.: Evaluation of fault tolerance latency from real-time application's perspectives // Computers, IEEE Transactions on , Volume: 49 Issue: 1 , Jan. 2000 p. 55 –64.

3. Powell D., Arlat J., Beus-Dukic L. at al.: GUARDS: a generic upgradable architecture for real-time dependable systems // Parallel and Distributed Systems, IEEE Transactions on , Vol.: 10 Issue: 6 , June 1999, p.580‑599.

4. Юрченко Ю.Б.: Анализ взаимодействия квнвлов SIFT-HIFT компьютеров в системе информационно-вычислительного комплекса с межканально- асинхронной распределенной сетевой структурой оборудования //Радіоелектронні і комп’ютерні системи, 2008, №7(34), с.38-42