Распределенная сетевая система управления

Полезная модель относится к области распределенных сетевых систем управления и может быть использована для обеспечения синхронизации работы узлов распределенной системы по управлению и по данным при восстановлении узлов после сбоев и отказов. Распределенная сетевая система управления состоит из сетевых узлов, каждый из которых имеет возможность связи со своей группой датчиков и своей группой исполнительных механизмов, все сетевые узлы связаны в единую систему через коммутационные контроллеры основной системной шиной. Система оснащена дополнительными коммутационными контроллерами, контроллерами основной и дублирующей коммуникационных шин, основным и дублирующим блоками памяти контрольных точек, дополнительные коммуникационные контроллеры связаны друг с другом дублирующей системной шиной и каждый из них связан с одним из сетевых узлов, контроллеры основной и дублирующей коммуникационных шин связаны соответственно с основной и дублирующей системными шинами, друг с другом синхронизирующей шиной, при этом контроллер основной коммуникационной шины связан с основным блоком памяти контрольных точек, а контроллер дублирующей коммуникационной шины - с дублирующим блоком памяти контрольных точек. 1 п. ф-лы, 1 илл.

Полезная модель относится к области распределенных сетевых систем управления и может быть использована для обеспечения синхронизации работы узлов распределенной системы по управлению и по данным при восстановлении узлов после сбоев и отказов.

Задача синхронизации по управлению и по данным узлов сетевых распределенных систем возникает в автомобильных, авиационных и других областях, например в системах автоматического управления газотурбинными двигателями, в системах рулевого управления автомобиля и в других системах, при функционировании которых недопустимо, чтобы исполнительные устройства системы получали не скоординированные, не синхронизированные между собой команды управления.

Известна система синхронизации узлов распределенной системы управления, в которой ведущий узел системы посылает серию синхронизирующих сообщений ведомым узлам, по которым они настраивают свои внутренние таймеры. (см. патент США 7114091, кл. G06F 1/12, 2006 г).

Недостатком данной системы является недостаточное ее быстродействие и низкая точность синхронизации, ограничиваемая достаточно длительным временем передачи синхронизирующих сообщений по сетевому каналу.

Известна распределенная система управления, содержащая связанные коммуникационным каналом сетевые узлы, каждый из которых состоит из контроллера узла, управляющего исполнительным устройством, контроллера, связанного с коммуникационным каналом, выход данного контроллера через блок связи соединен с блоком защиты, выход которого через второй блок связи соединен с входом контроллера узла. Блок защиты и первый блок связи дополнительно связаны с исполнительным механизмом.

В процессе работы системы сетевые узлы посредством коммуникационных контроллеров через коммуникационный канал обмениваются сообщениями, а контроллеры узлов выполняют функции управления исполнительными устройствами.

При отказе контроллера узла в одном из сетевых узлов другие сетевые узлы обнаруживают отказ и с помощью посылки аварийных сообщений переводят исполнительное устройство узла с отказавшим контроллером в безопасное для всей системы состояние. Аварийное сообщение распознается блоком связи и блоком защиты и воздействует на исполнительное устройство, минуя отказавший контроллер.

(см. патент США 7023870. МПК H04L 12/56 2006 г.).

В результате анализа данной системы необходимо отметить, что ее недостатком является низкая точность синхронизации, ограничиваемая достаточно длительным временем передачи синхронизирующих сообщений по сетевому каналу и отсутствие возможности быстрой синхронизации данных между узлами при восстановлении одного или нескольких узлов после сбоев и отказов.

Известна распределенная сетевая система управления, содержащая связанные в единую систему посредством коммуникационного канала сетевые узлы, каждый из которых состоит из контроллера управления работой исполнительного устройства, коммуникационного контроллера, блока защиты, связанного через первый блок связи с контроллером и через второй блок связи с коммуникационным контроллером. Каждый сетевой узел дополнительно содержит регистр маски подтверждения переданных сообщений, регистр принятых сообщений и блок логики. Регистры своими входами связаны с выходами блоков защиты и связи, а своими выходами - с первым и вторым входами блока логики, третий вход которого связан с выходом контроллера. Выход блока логики связан с синхронизирующим входом исполнительного устройства.

В процессе работы системы каждый контроллер настраивает свой блок логики на выработку команд синхронизации исполнительного устройства таким образом, что команда синхронизации будет выдаваться блоком логики только при условии поступления из регистров заданных масок соответственно переданных и принятых сообщений. В процессе работы системы контроллер выдает команду управления на исполнительное устройство и одновременно передает через коммуникационный контроллер сообщение всем узлам сети о выдаче команды на свое исполнительное устройство. Исполнительное устройство отрабатывает выданную команду не сразу, а только при поступлении синхронизирующего сигнала от блока логики, а блок логики выдаст сигнал синхронизации только тогда, когда все контроллеры узлов выдадут команды управления на свои исполнительные устройства и выдадут в коммуникационный канал соответствующие сообщения. В каждом сетевом узле блоки защиты и связи обрабатывают все принятые и переданные сообщения и устанавливают в регистрах соответствующие сообщениям биты, которые обрабатываются блоком логики. При совпадении комбинации битов, соответствующих переданным и принятым сообщениям, с набором битов, установленных в блоке логики при начале работы системы, блок логики выдает сигнал синхронизации на свое исполнительное устройство.

(см. патент РФ на полезную модель 95205, кл. H04L 12/00, 2010 г.) - наиболее близкий аналог.

В результате анализа известной системы необходимо отметить, что ее недостатком является отсутствие механизма оперативной синхронизации узлов сети по управлению и по данным при восстановлении отказавших узлов после их перезагрузки. Узел, выполнивший перезагрузку, прежде чем начать штатную работу, должен восстановить все значения управляющих состояний и все значения внутренних переменных, которые сложились в системе на момент завершения узлом процесса перезагрузки. В связи с тем, что система работает по жесткому расписанию, в ней невозможно предусмотреть все возможные моменты времени, в которые может произойти перезагрузка одного или нескольких узлов. Поэтому перезагрузившийся узел должен в течение нескольких циклов управления ожидать, пока к нему в соответствии с алгоритмом работы системы поступят все необходимые данные. Кроме того, несколько перезагрузившихся узлов могут оказаться в ситуации взаимной блокировки, которая может продолжаться длительное время, что недопустимо в системах управления жесткого реального времени.

Техническим результатом настоящей полезной модели является разработка распределенной сетевой системы управления, обеспечивающей оперативную и надежную синхронизацию узлов распределенной системы по управлению и по данным после их перезагрузки вследствие сбоя или отказа.

Указанный технический результат обеспечивается тем, что в распределенной сетевой системе управления, состоящей из сетевых узлов, каждый из которых имеет возможность связи со своей группой датчиков и своей группой исполнительных механизмов, все сетевые узлы связаны в единую систему через коммутационные контроллеры основной системной шиной, новым является то, что система оснащена дополнительными коммутационными контроллерами, контроллерами основной и дублирующей коммуникационных шин, основным и дублирующим блоками памяти контрольных точек, дополнительные коммуникационные контроллеры связаны друг с другом дублирующей системной шиной и каждый из них связан с одним из сетевых узлов, контроллеры основной и дублирующей коммуникационных шин связаны соответственно с основной и дублирующей системными шинами, друг с другом синхронизирующей шиной, при этом контроллер основной коммуникационной шины связан с основным блоком памяти контрольных точек, а контроллер дублирующей коммуникационной шины - с дублирующим блоком памяти контрольных точек.

Сущность полезной модели поясняется графическими материалами, на которых представлена схема распределенной сетевой системы управления.

Распределенная сетевая система управления состоит из n сетевых узлов 1 (количество сетевых узлов соответствует количеству агрегатов машины, работающих в едином технологическом цикле), работа которых должна осуществляться в жестко завязанном цикле. Каждый сетевой узел связан со своей группой датчиков 2 (отслеживающих параметры одного из агрегатов машины) и своей группой исполнительных механизмов 3 агрегата (управляемых данным сетевым узлом). Сетевые узлы связаны друг с другом через основные коммутационные контроллеры 4 основной системной шиной 5 и через дополнительные коммутационные контроллеры 6 - дублирующей системной шиной 7. Коммутационные контроллеры 4 и 6 выполняют функции управления информационным обменом по основной 5 и дублирующей 7 системной шинам, а также функцию защиты системных шин от электрических и временных нарушений в работе сетевых узлов. С основной 5 и дублирующей 7 системными шинами связаны соответственно контроллеры 8 и 9 (соответственно, основной и дублирующей шин). Кроме того, контроллеры основной и дублирующей шин связаны соответственно с основным 10 и дублирующим 11 блоками памяти контрольных точек, а также связаны между собой синхронизирующей шиной 12.

Конструктивно система реализована на базе известных средств. В качестве сетевых узлов и контроллеров шины использованы микроконтроллеры 1986ВЕ91 фирмы Миландр. В качестве коммуникационных контроллеров использованы блоки SPI интерфейса микроконтроллера сетевого узла. В качестве блоков памяти использованы микросхемы оперативной памяти 1645РУ2Т фирмы Миландр.

Распределенная сетевая система управления работает следующим образом.

В процессе работы системы каждый сетевой узел 1 принимает сигналы с датчиков 2 и передает управляющие сигналы на исполнительные механизмы 3 агрегата. Сетевой узел имеет конструкцию аналогичную наиболее близкому аналогу [Time-Triggered Protocol ТТР/С High-Level Specification Document Protocol, Version 1.1, Specification edition 1.4.3 of 19-Nov-2003, Document number D-032-S-10-028. Figure 4.3. страница 22].

Контроллеры 8 и 9, в соответствии с жестким временным расписанием, через шины 5 и 7 активизируют основные 4 и дополнительные 6 коммуникационные контроллеры для приема и передачи сообщений по основной 5 и дублирующей 7 шинам. Сетевые узлы 1, работая по тому же расписанию, в момент активизации коммуникационных контроллеров 4 и 6 передают свои сообщения и/или принимают сообщения от контроллеров 8 и 9. Вся принятая от сетевых узлов информация передается контроллерами 8 и 9 соответственно в основной 10 и дублирующий 11 блоки памяти, создавая актуальные временные срезы данных - контрольные точки. Контроллеры 8 и 9, взаимодействуя друг с другом по шине синхронизации 12, обеспечивают взаимную синхронизацию своей работы и синхронизацию данных в основном и дублирующем блоках памяти. Сетевые узлы обеспечивают синхронизацию своей работы па основе расписания и моментов активизации коммуникационных контроллеров контроллерами 8 и 9. Таким образом, вся система работает по единому расписанию и в единой синхронизированной сетке времени. Для обеспечения синхронизации всех сетевых узлов по данным в едином расписании работы системы в течение цикла работы выделяются несколько согласующих временных интервалов, в которые все узлы по основной и по дублирующей шинам настраиваются на прием данных из блоков 10 и 11 памяти контрольных точек. Соответственно, контроллеры 8 и 9 в эти согласующие временные интервалы выполняют передачу данных из своих блоков памяти, чем обеспечивается полная синхронизация данных во всех узлах сети. Согласующие временные интервалы целесообразно назначать после выполнения узлами сети определенных функциональных операций - ввод данных с датчиков, расчет программ управления, расчет следящих систем, выдача управлений на исполнительные механизмы и т.п. Если один или несколько сетевых узлов 1 вследствие сбоя или отказа выполнят перезагрузку, то после прохождения очередного синхронизирующего интервала все эти узлы наравне с нормально работавшими узлами получат полный набор согласованных данных, соответствующих текущей контрольной точке. Как результат, узлы, выполнившие перезагрузку, имеют возможность в течение цикла работы системы несколько раз включиться в штатную работу системы.

Распределенная сетевая система управления, состоящая из сетевых узлов, каждый из которых имеет возможность связи со своей группой датчиков и своей группой исполнительных механизмов, все сетевые узлы связаны в единую систему через коммутационные контроллеры основной системной шиной, отличающаяся тем, что система оснащена дополнительными коммутационными контроллерами, контроллерами основной и дублирующей коммуникационных шин, основным и дублирующим блоками памяти контрольных точек, дополнительные коммуникационные контроллеры связаны друг с другом дублирующей системной шиной и каждый из них связан с одним из сетевых узлов, контроллеры основной и дублирующей коммуникационных шин связаны соответственно с основной и дублирующей системными шинами и через них с коммуникационными контроллерами, обеспечивающими синхронизацию работы сетевых узлов, контроллеры основной и дублирующей коммуникационных шин также связаны друг с другом синхронизирующей шиной, при этом контроллер основной коммуникационной шины связан с основным блоком памяти контрольных точек, а контроллер дублирующей коммуникационной шины - с дублирующим блоком памяти контрольных точек.