Модульные принципы построения систем используется практически во всех сферах деятельности человека: от мебельных конструкций до генной инженерии. Концепция построения многофункциональных модульных систем (МФМС) [1, 2], как частный вариант модульных систем, применима и в разработке автоматизированных систем радиационного контроля (АСРК) для радиационно-опасных объектов и АЭС. Причем данное утверждение относится как к трехуровневым АСРК, состоящим из подсистем нижнего среднего и верхнего уровня, так и к двухуровневым АСРК, включающим в себя только подсистемы нижнего и верхнего уровней. Приведём подтверждения справедливости этого утверждения.
Рассмотрим на рисунке 1 а) упрощённую структурную схему построения типовой подсистемы с элементами нижнего и среднего уровней трехуровневой АСРК, характерную для любых ее подсистем накопления и обработки информации радиационного контроля. А затем детализируем (см. рисунок 1 б)) структуру устройства накопления и обработки (УНО) этой подсистемы. При этом выделим на схемах элементы, присущие МФМС, в соответствии с принципами её построения [2].
Рисунок 1. Структурные схемы: а) типовой подсистемы трёхуровневой АСРК; б) устройства накопления и обработки
Прежде всего, определимся с функциональными модулями. К этой категории, согласно их определению [2], можно отнести все детекторы и датчики, объединенные в исследуемую систему и решающие для нее элементарные задачи. Как правило, подсистема АСРК имеет от одного до десяти однотипных или разнотипных блоков детектирования (БД) и от 0 до нескольких единиц разнотипных датчиков параметров среды (ДПС). Для удобства рассмотрения данного вопроса будем условно считать, что подсистема объединяет разнотипные БД и ДПС с количеством, в соответствии с этим условием, NБД > 1 и MДПС > 1.
Внутрисистемные связи (ВСС) функциональных модулей в подсистемах трехуровневых АСРК до недавнего времени традиционно выполнялись оригинальными шинами, где для электропитания и каждого сигнала управления, сигналов детекторов и датчиков были выделены отдельные линии. И эти линии связи не были ни как стандартизованы. Поэтому на схеме (см. рисунок 1 а)) они представлены отдельными шинами.
Теперь рассмотрим структуру УНО (см. рисунок 1 б)). Ядром системы [2], несомненно, является модуль центрального процессора УНО (МЦПУНО), выполняющий всю необходимую обработку данных и формирование команд управления БД. К МЦП УНО подводятся шины ВСС как функциональных, так и базовых модулей.
Базовыми (сервисными) модулями [2], представляющими собой устройства, обеспечивающие работоспособность системы, являются:
- модуль связи с «Верхним уровнем» (МСВУ) для передачи в устройства верхнего уровня данных радиационной обстановки, а также приема команд управления и информации (о пороговых уставках, поправочных коэффициентах и т.п.);
- модуль электропитания всех устройств системы (МЭП) через шины связи;
- модуль внутренней и внешней световой и звуковой сигнализации, если таковые функции назначены УНО;
- модуль расширения памяти команд – постоянное запоминающее устройство и/или памяти данных – оперативное запоминающее устройство, если такие операции необходимы МЦПУНО;
- модуль ввода и вывода (отображения) информации (МВВ), если таковые операции требуются УНО.
Как правило, первые два модуля устанавливаются в УНО в обязательном порядке, последние три модуля и возможные дополнительные базовые модули, не приведённые на схеме (см. рисунок 1), могут входить в состав системы при необходимости, и показаны на схеме штриховыми линиями.
ВСС базовых модулей, таких как МЭП и МС, обычно выполняются оригинальными линиями, а таких как МП и МВВ – стандартными, но специфичными и отличными друг от друга интерфейсами, поэтому на схеме (см. рисунок 1 б)) они выделены в отдельные шины.
Рисунок 2. Структурная схема подсистемы трёхуровневой АСРК, представленная в виде МФМС
Результатом проведённого структурного анализа является схема, представленная на рисунке 2, на которой показаны с одной стороны элементы АСРК:
- устройства «Нижнего уровня» – блоки детектирования α, β, γ излучений контролируемой среды – БД и датчики параметров (температуры, давления и т.п.) этой среды – ДПС;
- устройство «Среднего уровня» – устройство накопления и обработки –УНО, полученных от БД данных радиационного контроля исследуемой среды, выполненных с учетом её параметров, полученных от ДПС.
С другой стороны, элементы МФМС обособленны в группы модулей по следующим признакам [2]:
- функциональные модули, решающие элементарные задачи радиационного контроля и измерения параметров контролируемой среды;
- ВСС функциональных модулей, обеспечивающие их электропитание, передачу измерительных сигналов и команд управления;
- ядро МФМС, выполняющее все командные и вычислительные операции в соответствии с алгоритмом решения макрозадачи подсистемой радиационного контроля;
- ВСС базовых модулей, обеспечивающие их электропитание, передачу информации ввода-вывода и обмена с внешними системами;
- базовые (сервисные) модули, обеспечивающие работоспособность системы – электропитание, хранение данных и информационный обмен с внешними системами и оператором.
Проведённый анализ схемы, приведённой на рисунке 2, вне всяких сомнений и наглядно позволяет идентифицировать АСРК как МФМС, в соответствии с принципами построения последней [2].
Теперь детально разберём структурную схему (см. рисунок 2) на соответствие свойствам [1] МФМС. Надобность в такой ревизии продиктована необходимостью удостоверится в действительном и полном соответствии свойств МФМС применительно к АСРК.
Макрозадача МФМС — это системное решение множества элементарных задач функциональных модулей. В нашем случае, это получение представления о радиационной обстановке в результате обработки информации, полученной от БД и ДПС. Таким образом, подтверждается наличие многозадачности, и совместимости полных аналогов модулей [1] исследуемой системы, но на этом всё и ограничивается. Имеется, правда, возможность аппаратного и программного резервирования, но такие свойства МФМС как изменяемость, преемственность и автоподстройка остаются нереализованными.
Всё дело в том, что оригинальные линии связи в исследуемой системе не поддерживают и вообще не могут поддерживать изменяемое разнообразие модульной функциональности. Для преодоления этих трудностей требуется всего лишь применение в качестве ВСС – стандартных интерфейсов, позволяющее реализовать такое важное свойство как замещаемость модулей и, как следствие, привести исследуемую систему к виду, соответствующему МФМС.
Построение АСРК по трехуровневой схеме, в своё время, было продиктовано рядом объективных обстоятельств, в числе которых дороговизна и громоздкость применения вычислительных средств непосредственно в элементах нижнего уровня. А для применения стандартных интерфейсов в подсистемах нижнего уровня необходима оцифровка сигналов БД.
Появление широкой линейки недорогих микроконтроллеров различных, в том числе и отечественных фирм, обладающих обильной функциональной насыщенностью, привело к возможности создания двухуровневой концепции построения АСРК. Её структура с элементами МФМС приведена на рисунке 3.
Функциональными модулями являются те же БД, преобразованные вместе с УНО в моноблочные устройства детектирования, а также устройства управления механизмами и устройства измерения параметров среды – собранные в комплекс метрические приборы.
В качестве ВСС функциональных модулей целесообразно использовать интерфейс RS-485 и линии электропитания со стандартным напряжением + 24 В, универсальным для DC/DC-преобразователей функциональных модулей. Подобным же образом построены каналы ВСС, только в качестве интерфейса выбран более высокоскоростной Ethernet, а в линии электропитания подается переменное напряжение 220 В частотой 50 ÷ 60 Гц.
Рисунок 3. Структура двухуровневой АСРК, представленная в виде МФМС
Все мнения о большей надежности параллельных линий связи в АСРК беспочвенны при организации резервирования каналов ВСС как стандартных интерфейсов, так и линий электропитания. Причём количество резервных каналов ВСС (кратность резервирования) в МФМС можно наращивать.
Роль ядра МФМС выполняют серверы АСРК – промышленные вычислительные системы с накопителями информации. Организация работы серверов имеет возможность как резервирования модулей серверов для выполнения определённых функций, так и распределение одновременного решения задач между несколькими модулями серверов.
Базовыми модулями, прежде всего, являются устройства бесперебойного электропитания. Они относятся к одной категории, но территориально могут располагаться в наиболее удобных для своих выполняемых функций местах. Поэтому на схеме (см. рисунок 3) УБП1, УБП2 относятся к устройствам верхнего уровня и располагаются в чистой зоне, а УБП3, УБП4 относятся к устройствам нижнего уровня и могут располагаться в любой требуемой локальной зоне. При этом количество УБП ничем не ограничено кроме потребляемого тока и месторасположения функциональных модулей.
К базовым модулям относятся автоматизированные рабочие места (АРМ) оператора, представляющие собой устройства ввода и отображения информации. А также к ним относят устройства индикации, наглядно отображающие мониторинг радиационной обстановки исследуемого объекта, выполненные как в виде цветовых светосигнальных панелей, так и в виде крупноформатных дисплеев.
Концепция построения МФМС позволяет включать в свой состав любое количество функциональных и базовых модулей, ограниченное только количеством адресов и каналов интерфейсов ВСС.
АСРК как МФМС имеет возможность включать в себя и подсистемы в виде МФМС. Ярким примером такой подсистемы среди устройств верхнего уровня является АРМ оператора, а среди устройств нижнего уровня можно выделить расходомеры воздуха, которые в настоящее время выпускаются в комплексе с датчиками давления и температуры.
Подводя итоги можно сделать следующие выводы:
- и двух- и трехуровневые АСРК представляют собой МФМС;
- свойства [1] и принципы [2] построения МФМС позволяют создать оптимальную и реконфигурируемую структуру АСРК.
Список литературы
1 Скляр А.В., Мережин Н.И. Основные свойства модульных многофункциональных систем. Евразийский Союз Ученых (ЕСУ). Ежемесячный научный журнал № 4 (13) / 2015, часть 5, с. 41 – 43.
2 Скляр А.В., Мережин Н.И. Особенности построения модульных многофункциональных систем. Евразийский Союз Ученых (ЕСУ). Ежемесячный научный журнал №3 (12) / 2015,часть 5, с. 6 – 8.[schema type=»book» name=»ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫХ МОДУЛЬНЫХ СИСТЕМ РАДИАЦИОННОГО КОНТРОЛЯ» description=»В статье представлены особенности создания автоматизированных систем радиационного контроля на объектах с повышенной радиационной опасностью, выполненных с учетом принципов построения многофункциональных модульных систем, описанных в предыдущих статьях авторов.» author=»Скляр Андрей Вадимович, Мережин Николай Иванович, Скляр Вадим Фёдорович» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-01-13″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_30.12.16_33(2)» ebook=»yes» ]