Управляющие вычислительные комплексы СМ1820М

Как уже отмечалось, вычислительные комплексы СМ ЭВМ в 1970-1980-х гг. стали основной технической базой для построения автоматизированных систем управления технологическим процес­сом (АСУТП) и предприятием (АСУП) в разных отраслях промы­шленности. Несмотря на то что эти вычислительные комплексы сегодня устарели морально и физически, они и в настоящее время еще эксплуатируются в тепловой и атомной энергетике и метал­лургии, на железнодорожном транспорте и химических комбина­тах, на машиностроительных заводах и в научных учреждениях.

В последние годы многие предприятия промышленных от­раслей в нашей стране вынуждены были самостоятельно зани­маться модернизацией существующих АСУ (АСУП, АСУТП). Появление на рынке и доступность персональных ЭВМ (ПЭВМ) спровоцировало многих пользователей к применению ПЭВМ в качестве базовых средств для модернизации АСУ производства и технологических процессов. Однако ПЭВМ используют лишь в качестве рабочих станций операторов-технологов и диспетчеров. Не удается создать на базе ПЭВМ надежную систему управления, тем более действующую непрерывно (круглосуточно) в промыш­ленных условиях и в реальном времени. В связи с этим возросла актуальность создания управляющей вычислительной техники в промышленном исполнении.

Анализ областей применения промышленных автоматизиро­ванных систем управления, требующих высокой оперативности и надежности при круглосуточной эксплуатации, показывает, что управляющие вычислительные комплексы в подобных системах должны:

• иметь функционально-модульную структуру, легко конфигури­роваться и резервироваться, а в случае необходимости — нара­щиваться по числу процессоров, объему оперативной и внеш­ней памяти, количеству и номенклатуре средств телекоммуни­каций и средств отображения информации;

• обеспечивать высокую производительность: предельно высо­кую реактивность режимов реального времени на нижнем уров­не управления при количестве обрабатываемых каналов ввода-вывода, доходящем, как правило, до нескольких тысяч, а также время реакции на запрос оператора с клавиатуры при оператив­ном диспетчировании до 0,5 с;

• обеспечивать требование отказоустойчивости, не допускающее при непрерывном круглосуточном режиме эксплуатации сниже­ния производительности при возникновении неисправностей (как правило, путем использования мажоритарных структур (см. разд. 5.3) и непрерывной дистанционной диагностики работо­способности комплекса при времени обнаружения неисправно­сти порядка секунды и времени ее ликвидации не более часа);

• отвечать обобщенным требованиям промышленного исполне­ния, т.е. обладать устойчивостью в процессе эксплуатации в тя­желых промышленных условиях;

• быть масштабируемыми для построения многоуровневых рас­пределенных иерархических систем на единой аппаратно-про­граммной платформе;

• отвечать стандартам и требованиям открытых систем, обеспе­чивающим их интеграцию с аппаратными и программными средствами различных производителей;

• обеспечивать интеграцию в локальных сетях Ethernet, FDDI, ATM, Profibus, Canbus, а также в региональных сетях с протоко­лами Х.25 и TCP/IP;

• иметь базовое программное обеспечение и инструментальные средства проектирования отказоустойчивых управляющих вы­числительных комплексов для АСУ, АСУП и АСУТП в различ­ных операционных средах (MS Windows NT, QNX, UNIX, USIX).

В 1998 г. в ОАО ИНЭУМ было разработано новое семейство управляющих вычислительных комплексов CM 1820M, соеди­нившее в себе лучшие прикладные качества комплексов СМ1420/СМ1702 и СМ1810/СМ1820 и отвечающее сформулиро­ванным выше требованиям. При построении этих машин соблю­дался принцип сочетания передовой элементной базы, лучших образцов узлов и блоков, имеющихся на мировом рынке, с мак­симальным использованием возможностей отечественных про­изводителей. Конечным поставщиком комплексов является рос­сийский производитель, обеспечивающий поддержку объявлен­ных характеристик машин при любом изменении номенклатуры комплектующих изделий, а также гарантийное и послегарантий­ное обслуживание в течение всего срока эксплуатации комп­лексов.

В состав семейства СМ1820М входят промышленные кон­троллеры СМ1820М.ПК и управляющие вычислительные ком­плексы СМ1820М.ВУ, позволяющие строить при едином архи­тектурно-системном подходе и унифицированном конструктор­ском исполнении многоуровневые иерархические комплексы для распределенных АСУ.

Характерными особенностями семейства СМ1820М явля­ются:

• унифицированное конструктивное исполнение плат, модулей, стоек и тумб на основе широко распространенного в мире стан­дарта «Евромеханика»;

• промышленный интерфейс CompactPCI со скоростью 132/264 Мб/с;

• использование современной отечественной и зарубежной эле­ментной базы;

• широкая номенклатура модулей УСО, обеспечивающих сопря­жение с датчиками и исполнительными устройствами по кана­лам ввода-вывода аналоговых и дискретных сигналов, а также с программируемыми измерительными приборами и генера­торами;

• обеспечение многопроцессорного и многопользовательского режимов работы;

• набор средств сетевого взаимодействия;

• максимальное использование общесистемного и прикладного программного обеспечения ПЭВМ;

• развитое программное обеспечение реального времени, которое поддерживает функции: сбора, обработки информации и управления в реальном времени; графической визуализации данных в реальном масштабе времени, а также архивных дан­ных; сетевого информационного обмена между отдельными уз­лами и дистанционного доступа и управления в распределен­ной системе;

• архитектура, совместимая с архитектурой ПЭВМ IBM PC;

• полное соответствие международным стандартам открытых систем;

•

Выполнение требований международных стандартов обеспе­чивает возможность использования модулей и программ, разра­ботанных зарубежными фирмами. В основу построения семейства СМ1820М (как на конструк­тивном, так и на функциональном уровне) положен модульный принцип, состоящий в том, что ЭВМ выполняются из функцио­нально законченных модулей, изготовленных в виде печатной платы и объединенных системным интерфейсом. Модульность позволяет комплексировать микропроцессорные системы на уровне печатных плат, обеспечивая гибкость при создании управ­ляющих комплексов и открытость вычислительной системы. От­крытость системы создает условия для расширения номенклату­ры модулей и развития семейства СМ1820М. В состав комплексов СМ1820М (рис. 2.1) входят вычисли­тельный блок, набор периферийных устройств в соответствии с требованиями конкретного применения и конструктив для их размещения. Набор и характеристики периферийных устройств могут меняться, так как они подключаются к вычислительному блоку по стандартным программно-аппаратным интерфейсам.

Вычислительный блок строится по магистрально-модульной системе, традиционной для семейства СМ ЭВМ, но ее реали­зация существенно отличается от ранее выпускавшихся комплек­сов. Вместо использовавшегося интерфейса И41 (аналог MultibusI) вычислительные блоки СМ1820М строятся по специ­фикации CompactPCI, определяющей интерфейс и конст­рукцию модулей. Спецификация CompactPCI обеспечивает по­строение открытой системы и взаимозаменяемость модулей различных производителей. На интерфейс CompactPCI устанавли­ваются модули, требующие высокой скорости обмена по магист­рали, такие, как Fast Ethernet, видеоконтроллер, контроллеры на­копителей на жестких дисках. Количество модулей, устанавлива­емых на CompactPCI, может быть увеличено за счет установки расширителей.

Для непосредственной связи с управляемым объектом, пер­вичной обработки информации, выработки управляющих воз­действий и обмена данными с вычислительными комплексами верхних уровней разработаны вычислительные устройства ниж­него уровня — промышленные контроллеры. Они предназначены для размещения в производственных помещениях в непосредст­венной близости к источникам сигналов и приемникам управля­ющих воздействий. Промышленный контроллер разработан на базе микропроцессора i386EX, имеющего низкую потребляемую мощность и достаточную производительность. Его система ко­манд совместима с системами команд других микропроцессоров компании Intel. Модули ПК обеспечивают ввод и вывод широко­го диапазона аналоговых и дискретных сигналов.

Использование модулей УСО может потребоваться не только на нижнем уровне системы управления, но и на верхних уровнях — например, для связи с диспетчерским оборудованием или для скоростного ввода информации от специальных подсистем.

Для подключения модулей УСО к вычислительным блокам с шиной CompactPCI разработан оригинальный программно-ап­паратный интерфейс СМ1820М-И1. Этот интерфейс реализован путем установки на магистраль CompactPCI модуля дискретного ввода-вывода с подключением его внешних цепей к специально­му блоку коммутации. На выходы интерфейса может подклю­чаться до 64 модулей дискретного и аналогового ввода-вывода и модулей УСО других типов.

Применение двух магистралей позволяет существенно повы­сить производительность за счет разделения процессов:

• процесса ввода-вывода информации через шину СМ1820М-И1 и модули УСО на объекты измерения и исполнительные уст­ройства;

• процессов обработки информации в реальном времени в интел­лектуальных модулях, взаимодействующих между собой по ма­гистрали CompactPCI.

Наличие специально разработанных для СМ1820М модулей связи с объектом на интерфейсе СМ 1820М-И1 не исключает воз­можности использования в комплексах СМ1820М модулей вво­да-вывода, выходящих непосредственно на магистраль CompactPCI. Номенклатура модулей CompactPCI, выпускаемых более чем 300 компаниями-производителями различных стран, достаточно разнообразна. Это относится как к основным моду­лям (системные платы, видеоадаптеры, контроллеры магнитных дисков), так и к модулям для ввода-вывода дискретных и анало­говых сигналов. Количество типов модулей для установки в сис­темы CompactPCI существенно увеличивается за счет использо­вания «мезонинной» технологии (см. далее): плата-носитель, ус­танавливаемая на шину CompactPCI, обеспечивает возможность установки от I до 4 мезонинных сменных плат ввода-вывода Industry Pack (IP), например, для магистрали VME (Versabus Module Europebus). Таким образом, модули с этими интерфейса­ми, ранее выпускавшиеся для магистрали VME, могут устанавли­ваться на магистраль CompactPCI.

Модули УСО, разработанные специально для СМ1820М, од­новременно являются кроссовыми модулями. Оригинальная конструкция блока коммутации и модулей УСО CM 1820M обес­печивает удобство подключения и гибкость при компоновке комплексов. Модули УСО подключаются к блоку коммута­ции радиальными связями, выполненными ленточными кабеля­ми (до 8 модулей), или радиально-магистральными связями (до 64 модулей).

Конструктивно большинство комплексов СМ1820М выпол­нено в виде законченного рабочего места оператора, которое со­стоит из одной или двух тумб-столов. Габаритные размеры ком­плексов определяются размерами периферийного оборудования и эргономическими требованиями. Объем, занимаемый элек­тронными блоками, невелик. Имеется вариант комплекса СМ1820М.01 в виде пылебрызгозащищенного напольного шка­фа, в котором установлены два вычислительных блока с модуля­ми CompactPCI и модулями УСО.

Электропитание комплексов осуществляется через встроен­ные или внешние источники бесперебойного электропитания (ИБП).

Применение вычислительного блока, построенного по спе­цификации CompactPCI, существенно упрощает конструктив­ную реализацию комплексов. Сравнительные характеристики конструкции вычислительного блока размером 3U (см. далее) для CompactPCI и некоторых традиционных промышленных ком­пьютеров указаны в табл. 2.1.

Выше было отмечено, что архитектура комплексов СМ1820М обеспечивает программную совместимость с программным обес­печением ПЭВМ типа IBM PC. Для комплексов верхних уровней можно использовать разработанную в ИНЭУМ операционную систему USIX или такие операционные системы, как MS Windows NT, QNX и Linux.

Основным критерием оценки качества управляющего ком­плекса необходимо считать надежность. Применение в СМ1820М современной элементной базы с малым потреблением мощности и выбор рациональной конструкции позволили суще­ственно повысить этот показатель.

Повышению надежности способствовало, в частности то, что в комплексах СМ1820М отсутствуют вентиляторы для про­дувки воздуха через шкафы или тумбы. В традиционных зарубеж­ных промышленных ЭВМ, совместимых с IBM PC (так же, как и в старых моделях СМ ЭВМ), для охлаждения установлено не­сколько вентиляторов. Прокачка воздуха через машину приводит к быстрому запылению оборудования. Поэтому требуется перио­дическое отключение ЭВМ для очистки от пыли. Установка пы­леулавливающих фильтров снижает запыленность, но не устра­няет ее полностью.

В комплексах СМ1820М потребляемая мощность снижена в несколько раз, а модули размещены вертикально, что способст­вует хорошему охлаждению путем естественной конвекции. Обо­рудование размещено в просторных корпусах с большой площа­дью охлаждающих поверхностей. Все это позволило отказаться от вентиляторов. Удалось практически герметизировать устройства, сохранив при этом комфортный тепловой режим работы элек­тронных компонентов.

Расчетное среднее время наработки на отказ комплекса СМ1820М, без учета принтеров, составляет более 10 000 ч, сред­няя наработка на сбой - не менее 500 ч, коэффициент готовнос­ти комплекса - не менее 0,98.

Набор аппаратных средств комплексов СМ1820М обеспечи­вает также построение резервированных систем повышенной живучести с дублированием или троированием аппаратуры. При этом показатели надежности резко улучшаются: время наработки на отказ не менее 100 000 ч при времени восста­новления, равном одному часу, и коэффициенте готовности не менее 0,99999.

Комплексы СМ1820М прошли все виды испытаний, предус­мотренные для средств вычислительной техники ГОСТ 21552-84, а также на электромагнитную совместимость (ЭМС) и сейсмо­стойкость по нормам для атомных электростанций.

4.2. АПК ведущих мировых производителей для CompactPCI

Среди производителей АПК на базе интерфейса cCPI можно выделить фирмы Motorola, VMIC (США) (К платам ввода/вывода поставляются специальные терминальные платы и платы нормализации сигналов, а также драйверы для UNIX, VxWorks, QNX, Linux и Windows 2000, пакет МЭК 61131_3 IOWorks и OPC_серверы), ADDI_DATA (Германия) и др. Motorola выпускает крейт на 21 модуль в стандарте CompactPCI. Фирма Advantech производит многопортовую коммуникационную плату MIC-3620/3 (3U) и MIC-3620/6 (6U) для систем CompactPCI. Плата содержит 8 интерфейсов RS-232 с максимальной скоростью передачи данных 921,6 кбит/с. ADDI_DATA производит плату CPCI-3120. Плата рассчитана на аналоговый ввод/вывод. АЦП имеет 16 разрядов с частотой выборки 100 кГц по 16/8 каналам с программируемым коэффициентом усиления. ЦАП – 4 или 8 на 14 разрядов и временем установления 30 мкс. Число дискретных вводов/выводов – по 4. Имеется таймер, буфер FIFO, сторожевой таймер.