Автоматизация физических экспериментов на тритиевых комплексах исследовательских установок «Тритон», «Акулина» и «Прометей» (стр. 27 )

Для систем жесткого РВ (Рис.58,3) характерно наличие предельного времени реакции t0, после которого вероятность событий равна точному нулю: P(t>t0)=0. Если предельное время реакции не превышает допустимого (для данного объекта управления) времени tm, то СРВ работает безотказно.

Для систем мягкого РВ (Рис.58,4) характерно наличие условного предельного времени реакции t0, после которого вероятность событий резко падает: P(t>t0)<<1. Однако оно не равно точному нулю: P(t>t0)≠0. Даже если условное предельное время реакции не превышает допустимого (для данного объекта управления) времени tm, то СРВ допускает некоторую вероятность отказа, которая определяется «хвостом» (Рис.58,5) распределения .

Наконец, система управления не может быть названа СРВ (Рис.58,6), если число событий не имеет пренебрежимо малого значения при временах выше допустимого времени реакции tm, то есть P(t>tm)>0.

Из сказанного следует, что жесткие СРВ имеют точное, формальное определение, в то время как мягкие СРВ определены приблизительно, условно. Существует пуританский соблазн отказать системам мягкого РВ в праве на существование - на том основании, что они допускают вероятность отказа по задержке реакции. Этому мешает ряд обстоятельств. Во-первых, не во всех случаях отказ по задержке означает аварию – это может быть повышение стоимости, снижение эффективности, то есть нечто нежелательное, но не опасное. Допустить возможность отказа по задержке в этом случае можно, если стоимость потерь из-за отказов не превышает стоимости усилий на обеспечение режима жесткого РВ.

Другой аргумент более существенный. Он состоит в том, что абсолютно жесткие системы РВ, как и абсолютно безотказные системы, являются абстракцией, недостижимым идеалом. Отказоустойчивая система (и СРВ в том числе) должна строиться на том допущении, что вероятность отказа (в том числе по задержке реакции) существует всегда. Тем более что теоретически доказать существование точного предельного времени реакции бывает довольно трудно (например, из-за отмеченного выше временного индетерминизма современных компьютерных систем). Условность и неточность определения мягких СРВ исчезнет, как только мы станем рассматривать задержку реакции в терминах хорошо разработанной теории надежности, как один из возможных источников сбоев, наравне с программными ошибками, сбоями аппаратуры или питания.

Рассмотрение СРВ в контексте отказоустойчивых систем – не простая игра словами, это вполне конструктивный подход. Отказоустойчивые системы строятся по определенной методике, пригодной, в том числе, для построения СРВ. При этом ставится задача создания безотказной системы при условии, что каждый из отдельных компонентов системы допускает вероятность отказа.

Одним из главных методов построения отказоустойчивых систем является введение избыточности (аппаратной, информационной, временной). Так, в канале регулирования температуры нагрева источников водорода (раздел 3.3.2) введение дублирующего элемента управления (электромагнитного реле) позволяет резко снизить опасность аварии из-за возможного пробоя семистора в электронном регуляторе – в этом случае цепь питания нагревателей будет коммутировать реле.

Аналогично может решаться и проблема сбоев по задержке реакции в СРВ. Мягкая СРВ допускает вероятность отказа по задержке? Жесткая СРВ недоступна? Прекрасно, давайте примем меры для обеспечения отказоустойчивости системы, введем дублирующий элемент управления, корректирующий последствия обнаруженного отказа по задержке реакции в основной системе управления.

Наиболее распространенным способом такого дублирования являются сторожевые таймеры (watchdog). Например, все модули серии I-7000 имеют аппаратные сторожевые таймеры (с порогом от 100 мс). Более того, наличие watchdog было одним из существенных аргументов при выборе аппаратуры.

Система управления, снабженная watchdog таймером, работает следующим образом. В нормальной ситуации работает главная система управления, обычно контролируемая компьютером. В ее задачи входит управление объектом (оно может быть достаточно сложным) и периодический сброс watchdog таймера, который информирует его о том, что система управления контролирует ситуацию. Если главная система управления вовремя не сбросила watchdog, то он считает, что произошел отказ системы (по задержке реакции, по разрыву связи - неважно) и принимает управление на себя. Обычно watchdog таймеры достаточно просты и просто отключают контролируемую ими аппаратуру или переводят её в некоторое заранее определенное безопасное состояние. Выход из этого состояния требует специального сигнала от главной системы управления, после которого watchdog возвращает ей управление. Следствием введения watchdog таймера является то, что задержка реакции мягкой СРВ перестает быть аварийно опасным отказом и переходит в разряд неблагоприятных факторов, снижающих качество управления, но не представляющих опасности. Кроме того, watchdog переводит мягкую СРВ в класс жестких СРВ, так как теперь становится возможным точно указать предельное время реакции – его, в худшем случае, гарантирует watchdog.

Именно по такому принципу построены АСКУ установок ТРИТОН, АКУЛИНА, ПРОМЕТЕЙ и большинство других АСКУ, работающих под управлением пакета CRW-DAQ. Как упомянуто в разделах 1.4.2.7,3.3.2, управление в этих системах реализовано в основном с помощью модулей I-7000, снабженных watchdog таймером, который переводит аппаратуру в безопасное состояние по срабатыванию таймера. Это позволяет строить высоконадежные, отказоустойчивые СРВ, несмотря на то, что ОС Windows-NT/2000/XP/VISTA/7, под управлением которой работает CRW-DAQ, не является системой жесткого РВ.

Рис.59. Типичная гистограмма (в логарифмической шкале) периода опроса управляющего программного потока. Большинство опросов (~5·106) выполнено с периодом ≤10мс, однако есть 2 события с задержкой 30 мс и 1 событие с задержкой 230 мс. Это и есть «хвост» распределения N(t).

Относительно временных характеристик CRW-DAQ можно сказать следующее. Версия CRW16 под DOS/DPMI позволяет выполнять обработку аппаратных прерываний, при этом можно добиться жесткого времени реакции около 10 мкс (время обработки прерывания). Однако DOS – устаревшая система, и к тому же на прерываниях можно построить лишь достаточно простые системы управления, а режима многозадачности под DOS нет. Поэтому большинство АСКУ работают под управлением версии CRW32 пакета под Windows-NT/XP/VISTA/7, где многозадачность поддерживается, несмотря на то, при этом жесткого РВ нет.

Версия CRW32 является мягкой СРВ и (как большинство мягких СРВ) предполагает периодический (по таймеру ПК) программный опрос аппаратных устройств. Ядро Windows NT позволяет организовать периодический опрос со средним временем опроса от 1 до 10 мс, при этом повышение приоритета потока позволяет повысить стабильность частоты его опроса, хотя и не дает полной гарантии своевременного опроса. В отличие от других мягких СРВ, пакет CRW-DAQ имеет контроль и диагностику периода опроса (Рис.59) всех программных потоков, то есть времени между последовательными вызовами прикладной программы по часам компьютера. Хотя период опроса не является в точном смысле временем реакции системы, но он с ним явно связан: реакция системы управления составляет 2-3 периода опроса, с учетом взаимодействия нескольких параллельных потоков и аппаратной части для решения общей задачи. Ядро пакета CRW32 постоянно гистограммирует период опроса всех программных потоков для их последующего анализа, а также имеет программный сторожевой таймер для диагностики повисших потоков. На примере типичной гистограммы (Рис.59) опроса управляющего потока видно, что подавляющее большинство (в данном случае ~5·106) опросов прикладного потока произведено с периодом ≤10 мс, однако есть три события (два по 30 мс и одно 230 мс) с задержкой реакции, превышающей заданный период опроса (10 мс). Это и есть «хвост» распределения N(t) (Рис.58,5), который приходится корректировать за счет дублирования управления с помощью watchdog таймера.

Сказанное можно резюмировать так: пакет CRW-DAQ позволяет строить мягкие СРВ со временем реакции ~10 мс, а также жесткие отказоустойчивые СРВ с реакцией ~100 мс при условии использования аппаратной части, снабженной watchdog таймером. При этом возможно временное снижение качества управления, связанное с вероятностью задержки реакции со стороны ПК и срабатывания сторожевого таймера, выполняющего лишь самое простое управление.

2. Примеры калибровок

Ниже приведено два примера, иллюстрирующих применение аппарата калибровки (раздел 1.4.2.3), а также формата файлов калибровки.

Пример 1: Калибровка линейного канала.

Если датчик имеет слабую нелинейность, можно искать зависимость физической величины от сигнала в виде линейной функции . Для этого в терминах калибровок CRW-DAQ мы должны положить

, , ,	(	40	)
, ,	(	41	)

Пусть, например, - милливольты АЦП [mV], - давление в Паскалях [Pa]. Тогда описание калибровки в пакете CRW-DAQ будет иметь примерно такой вид: