Файл: Судовые системы автоматического контроля (системный подход к проектированию)..pdf

Одновременного повышения плотности Монтажных соединений, что влечет за собой применение многослойного печатного монтажа. В то же время требуется увеличить «логическую нагрузку» на один неделимый конструктивный элемент-модуль, что зачастую ведет

кувеличению числа соединений между модулями количества разъ­

емов и жил кабелей. Решение этих вопросов требует коренного изме­

нения основных принципов проектирования, в том числе и подбора модулей. Повышение плотности компоновки влечет за собой увеличе­ ние удельного тепловыделения на единицу объема и, следовательно, конструктивного узла и усложнение проблем теплоотвода. Приме­

нение обычных конвекционных методов охлаждения малоэффек­

тивно из-за повышения аэродинамического сопротивления узла при

плотной компоновке [33]. Появляются совершенно новые требования

кконструкции, в частности, необходимость многофункционального

использования каждого ее элемента (например, в качестве несу­ щего, теплоотводящего и экранирующего элемента). Снижение уровня

сигналов, применяемых в узлах на ИМС, приводит к понижению

помехоустойчивости схем и появлению соответственно специальных

мер по защите от помех. Низкий уровень сигналов с датчиков вызы­

вает повышение токов, потребляемых от источников питания и

снижение их к. п. д.

Таким образом, использование ИМС вызывает целый ряд проб­

лем, которые могут быть решены на основе системного подхода и,

в частности, методов комплексной оценки и агрегатирования. Глав­

ная особенность принципов агрегатирования состоит в том, что

последовательное разбиение системы ila агрегатированные средства

доводится до уровня неделимых конструктивных элементов модулей,

и каждый агрегат представляет собой конструктивно завершенное изделие. Агрегатирование в этом случае есть логическое завершение блочно-модульного принципа. Необходимо подчеркнуть, что раз­ биение идет по функциональному признаку с учетом конструктив­

ных требований. Таким образом, основным элементом становится не

узел, а функциональное устройство (агрегат) той или иной сложности. Основные требования к набору агрегатированных средств это требование полноты, минимальности и автономности. Полнота набора означает, что с его помощью без привлечения дополнитель­

ных устройств может быть решена любая из данного класса задач.

Если имеющийся набор не может быть уменьшен без сужения класса

решаемых задач, то он является минимальным. Автономность набора

показывает, что любое устройство, входящее в него, может выпол­

нять свои функции и вне этого набора.

Требование агрегативности на конструктивном уровне означает

создание нормального ряда конструктивных устройств, узлов и модулей с высокой повторяемостью. При этом следует отметить,

что стоимость элементарной логической операции в ИМС значительно

ниже, чем в системах с навесными элементами, а технологические

затраты несколько выше, поэтому требование минимальности числа логических элементов становится менее важным, чем другие, а именно: сокращение и упрощение цикла производства; разработка

181

перспективных узлов, элементов и модулей; обеспечение расшире­

ния номенклатуры выпускаемых приборов и систем без пере­

стройки производства в условиях крупносерийного производства; широкое использование опыта прошлых разработок; обеспечение контроля работоспособности модуля; унификация связей и кон­

струкций.

Разбиение (декомпозиция) системы на функционально-конструк­

тивные узлы имеет еще одну особенность. Так как модуль есть

просто неделимая часть системы, то совокупность модулей в агрегатированной системе представляет собой прибор, выполняющий

законченные функции при минимальном числе связей со средой.

датчиков

Рис. 5.1.

Например, отдельный модуль-регистр не является прибором, а

совокупность регистра с управляющим устройством, определяющим его функцию как запоминающего устройства, представляет собой прибор. Причем, понятие прибора не зависит от сложности или разно­ образия выполняемых функций. При такой интерпретации система

контроля является связанной совокупностью приборов.

Пусть измерительный канал имеет вид, показанный на рис. 5.1.

Каждый АЦП вместе с микропрограммным устройством управления

преобразователем (МПАп) есть агрегат — прибор, выполняющий

законченные функции. То же самое можно сказать и о двухступен­

чатом коммутационном узле (К]; Щ1) с нормализаторами Я ; и микро­

программным автоматом управления, коммутатором МПАК. Компо­

зиция двух приборов, АЦЙ и коммутационного узла есть также

182

агрегат—прибор с более сложными функциями, а композиция трех таких приборов образует новый агрегат — измерительный канал. Весь канал составлен из 30 узлов. В то же время список узлов для создания канала состоит из пяти унифицированных узлов (комму­ татор, нормализатор, АЦП, МПАп, МПАк). Структура отдельного узла, например АЦП, будет соответствовать рис. 5.2, где Рг —■ мо­

дуль регистра, 0-0 — модуль нуль-органа и интегратора, Сч — счет­ чик. Эти модули уже не являются приборами.

Технический путь развития судовых и промышленных систем

контроля привел к определенному установившемуся списку прибо­ ров, из которых осуществляется композиция САК. В этот список входят: коммутаторы входных сигналов, масштабные и аналогоцифровые преобразователи, цифровые компараторы, аналоговые

блоки допускового контроля, преобразователи кодов, устройство

памяти, программные и печатающие устройства, цифровые индика­

ционные блоки, самописцы, управляющие часы и таймеры, сигна­

лизаторы непрерывного типа.

В отечественной промышленности появилась тенденция к объ­

единению средств контроля и регулирования и их унификации на основе требований Государственной системы приборов (ГСП). Такое

естественное применение системного подхода сулит большие вы­

Любую сложную систему, в том числе и судовую САК, можно

описать некоторой системой признаков, каждый из которых имеет

две или более градаций, т. е. каждый признак имеет модальность

порядка два или больше двух. Вопрос выбора классификационных

признаков очень сложен. Практически набор этих признаков соз­ дается по мере обобщения опыта проектирования и появления новых систем на основе анализа их сходства и различия.

• Любой набор классификационных признаков (классификатор) имеет своей задачей облегчить анализ возможных проектных решений.

Набору из и признаков конечной модальности соответствует «дерево» вариантов, состоящее из и ступеней. Каждая ступень состоит из числа разветвлений, которое равно модальности признака,

соответствующего данной ступени. Общий прием использования данного классификатора состоит в том, что сначала выявляются

и исключаются из рассмотрения ветви, соответствующие абсурдным техническим решениям. Затем на ветвях с использованным ранее

техническим решением определяются оценки их качества. При ис­

пользовании методов прогнозирования оцениваются технические

решения, ранее не применявшиеся. Такие оценки позволяют выявить

причину их неиспользования: недостаточная разработка, низкое

качество и т. п.

184

Рассмотрим пример применения классификатора. Пусть тре­ буется выбрать кодирование внутреннего слова в цифровой части САКВыберем систему признаков:

ная, старшими разрядами вперед или младшими разрядами вперед;

и с п о л ь з о в а н и е в р е м е н и : синхронная или асин­

хронная передача.

Обозначим левые части перечисленных признаков соответственно

через D, Р, N, S, а правые через D, Р, N, S. Любое слово, состав­

ленное из этих обозначений, имеет четыре буквы и определенный

М_и

JPSN

ДШ

выбран десятичный код последовательного вида, идущий старшими разрядами вперед и передаваемый синхронно (в определенные моменты времени).

Построим дерево вариантов (рис. 5.3), имеющее 16 ветвей, соот­ ветствующее 16 возможным решениям. Заметим, что ветви содер­

жащие PN и PN не имеют смысла, так как для параллельного кода нет необходимости различать, какими разрядами вперед передается слово. После исключения указанных ветвей остается дерево с 12

ветвями (рис. 5.4). Практически в современных САК используются

лишь четыре способа: DPNS\ DPNS, DPS и DPS, хотя объектив­ ных причин для сужения классов решений нет. Так, классы с соче­

В схемах сравнения кодов желательно применять коды с сочета­ ниями PN и т. д. Даже такие качественные оценки дают возмож­ ность принять решения, если множество возможных вариантов четко определено.

Для САК в настоящее время принята следующая система клас­

сификации устройств:

— по сложности (в порядке возрастания): модуль, узел, прибор, устройство, машина централизованного контроля (МЦК), САК;

185

— по функциям: хранение и накопление информаций, передача информации, логико-арифметические, усиление-масштабирование, нормализация, сравнение, измерение частоты, коммутированиепереключение, связь с оператором, преобразование кодов;

—по виду внутреннего кода: аналоговый (частота, фазовая

модуляция), дискретный (амплитудно-импульсная, широтно-импуль- ная, частотно-импульсная, время-импульсная, кодоимпульсная

модуляции), комбинированный (аналого-дискретный);

—по способу представления кода;

—по значению структурных характеристик.

Остановимся подробнее на последнем признаке, так как все замечания, которые были приведены относительно структурных характеристик САК, требуют своего уточнения при агрегатиро­

вании.

В соответствии с вышеизложенным необходимо непрерывную

шкалу значений этих характеристик заменить дискретной шкалой,

т. е. применить известный в машиностроении и приборостроении принцип нормального ряда.

Все структурные характеристики так или иначе связаны друг с другом. Если одну из них принять за базовую, то остальные вы­ строятся в нормальный ряд, упорядоченный по базовой характе­

В таком случае, если воспользоваться зависимостью между

точностью измерения ес и точностью решения ер, можно получить ряд значений для длины слова М£ с округлением до ближайшего большего целого. Воспользуемся результатами, полученными в ра­

боте [75] и составим нормальный ряд длин слов, используемых

в САК в зависимости от класса решаемых задач (табл. 5.1). Коди­ рование информации осуществляется простым двоичным кодом. Модульность исполнения неделимых элементов САК требует, чтобы

186

ряд, приведенный в табл. 5.1, имел постоянный шаг кратности, т. е. чтобы все целые числа в нормальном ряду были кратны неко­ торой минимальной величине. Такой величиной в данном случае является число 4, т. е. нормальный ряд длин слов должен быть кратен четырем и имеет вид А = |4, 8, 12, 16, 20, 24, 28}. Такое построение нормального ряда удобно тем, что оно возможно и при

десятичном кодировании слов. Выбрав минимальную длину слова

(длину регистра), получим минимальное число каналов элементарного

коммутатора первого уровня равным 16, а при десятичном коди­ ровании — 10.

Минимальный объем БЗУ на канал равен 5 ячейкам, но по­

скольку объем памяти должен быть равен числу, кратному 21, то минимальный объем памяти для измерительного канала составит

при этом 256 четырехразрядных ячейки. Такой элемент с двумя

четырехразрядными регистрами адреса и всеми элементами управ­

ления будем называть запоминающим модулем (ЗМ).

§ 5.3

МИКРОСТРУКТУРА ПРИБОРОВ И УСТРОЙСТВ

Микроструктура приборов и устройств судовых САК строится

на элементной базе, основой которой является модуль — функцио­ нально связанная совокупность элементов, законченных в конструк­

тивном отношении и изготавливаемых в едином технологическом

процессе. Модуль обычно разрабатывается на стадии синтеза микро­ структуры, когда макроструктура и структура САК, в основном, определены с учетом требования агрегативности. Это накладывает

некоторые ограничения на выбор микроструктуры модуля, связан­ ные с возможностями технической реализации. Во-первых — это логический базис, связанный с применением какой-то элементной базы (в частности, ИМС). Во-вторых, требуется минимальное число

внешних узлов модуля. В-третьих, на реализацию модулей разного

типа должно идти примерно одинаковое число ИМС. Кроме того, топология внутреннего монтажа модуля должна обеспечиваться

существующей технологической базой (число слоев печатного мон­

тажа, минимальная ширина проводников, минимальное расстояние между ними и т. п.). Необходимо также предусматривать возмож­ ность контроля модуля во время функционирования.

Пути сокращения числа внешних узлов модуля могут быть следующие:

—передача только необходимой информации из модуля и в мо­

дуль (рис. 5.5);

—сведение к минимуму таких пересылок информации, которые

по кольцу вновь возвращаются в модуль;

—введение, где это возможно, местного микропрограммного

управления.

Всвязи с этим необходимо, чтобы каждый модуль был функцио­

нальным оператором. Причем появление ИМС дает широкую воз­

можность для реализации таких решений. С появлением ИМС основ­

187