Пристрій для діагностики

Реферат: Пристрій для діагностики містить множину незалежних гальванічно розділених вузлів LVDS послідовного приймання/передавання, множину незалежних вузлів швидкодіючих приймання/передавачів промислової мережі Ethernet, множину незалежних вхідних вузлів приймання дискретних сигналів, незалежний вузол приймання аналогових сигналів, програмовану матрицю FPGA, в якій реалізовані вузол логіки, вузол комунікації, вузол діагностики та вузол індикації, елемент безперервної роботи FPGA, вузол синхронізації Єдиного часу, множину незалежних вузлів передавання дискретних сигналів, вузол електричного живлення, інтерфейс зв'язку LVDS. UA 93843 U (54) ПРИСТРІЙ ДЛЯ ДІАГНОСТИКИ UA 93843 U UA 93843 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель стосується пристроїв безперервного автоматизованого контролю та діагностики технічних засобів та програмного забезпечення автоматизованих систем керування технологічними процесами і керуючих систем безпеки. Пристрій діагностики призначений для приймання діагностичних цифрових пакетів даних від усіх пристроїв платформи (системи, крейту, шафи, шасі та ін.), виконання функцій безперервної діагностики власних технічних засобів і програмного забезпечення (статку), обробки і стиснення отриманої інформації для передачі на верхній рівень (діагностичний сервер). Відомий діагностичний модуль (WO 2005/022793, МПК H04J), який містить інтерфейс каналу для обміну даних з каналом системи комп'ютера, щонайменше один програмований логічний модуль для обробки цифрових сигналів, щонайменше один порт, модуль керування для координації керування передачі даних між інтерфейсом шини/каналу і щонайменше одним програмованим логічним модулем, модуль пам'яті для зберігання даних відповідного програмованого логічного модуля. Кожний програмований логічний модуль контактно з'єднаний щонайменше з одним портом для виконання однієї з множини функцій мережної діагностики. Кожний програмований логічний модуль містить внутрішній таймер для керування передачею даних між щонайменше одним контактно з'єднаним портом. Кожний програмований логічний модуль містить щонайменше одну програмовану логічну матрицю (FPGA), при цьому кожна FPGA містить схему для реалізації будь якої із множини мережних функцій діагностики у відповідь на отримання відповідних інструкцій. Кожний порт контактно з'єднаний щонайменше з одним програмованим логічним модулем і кожний порт мережі підключений до мережі комп'ютера. Модуль керування комунікативно підключений до шини/каналу і комунікативно з'єднаний з кожним програмованим логічним модулем. Інтерфейс шини/каналу містить інтерфейс шини/каналу РСІ. До недоліків діагностичного модуля належать: - побудова на мікроконтролерах, т. б. використовує вбудовані програми, які визначають його роботу; - використання мікроконтролерів забезпечує послідовну обробку вхідних сигналів, тобто всі алгоритми повинні пройти через один і той же апаратний пристрій; - використання програмованої логічної матриці FPGA малого ступеню інтеграції призводить до необхідності розподілу програмованих логічних модулів на окремі модулі, кожен з яких містить щонайменше одну FPGA, що спричиняє до необхідності застосування додаткових електричних елементів комутації і приймання/передавання сигналів між ними, що в свою чергу призводить до зниження надійності в цілому та збільшенню вартості, а також до ускладнення структури модуля; - використання для зв'язку з пристроями які діагностуються комп'ютерної шини РСІ на основі мережі загального доступу з розподілюваним середовищем; - інтерфейс зв'язку з пристроями які діагностуються - зовнішній порт RS485, який має низьку швидкість і велике споживання енергії; - оперативна конфігурація (настройка функцій модуля) - по комп'ютерній мережі, яка вразлива до впливу шкідливого програмного забезпечення; - індивідуальне електроживлення по шині РСІ від одного джерела. Отже, структура побудови модуля складна та не досконала. Навіть при реалізації основних елементів в FPGA модуль приймає лише цифрові сигнали, при цьому обробка вхідних сигналів логічними пристроями послідовна. Решта пристроїв описані в патенті UA 54870 опублікований № 3/2003, в патенті UA 54753 опублікований № 3/2003, в патенті UA № 99807 опублікований № 18/2012, заявка СА № 2707373. В основу корисної моделі поставлено задачу створення пристрою діагностики для прийому діагностичних цифрових пакетів даних від усіх пристроїв платформи, обробки і стиснення отриманої інформації для передачі на верхній рівень, безперервної діагностики власних технічних засобів і програмного забезпечення, шляхом використання "жорсткої" логіки FPGA, малопотужного низьковольтного з більш високою швидкістю передачі/приймання інтерфейсу LVDS, цифрової внутрішньої мережі "point-to-point", елементів безперервного вводу аналогових сигналів, елементів безперервного вводу дискретних сигналів, елементів самодіагностики внутрішніх ланцюгів пристрою, незалежних взаємно резервованих вводів електричного живлення, забезпечити підвищення швидкодії, точності і надійності приймання, обробки і передавання діагностичних повідомлень на верхній рівень (сервер діагностики) з одночасним спрощенням структурної схеми пристрою, розширення функціональних можливостей. Поставлена задача вирішується тим, що пристрій діагностики містить програмовану логічну матрицю FPGA, вузол логіки, внутрішній таймер, інтерфейс зв'язку, вузол живлення, вузол 1 UA 93843 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 діагностики, вузол комунікації, вузол індикації, вузол синхронізації єдиного часу, елемент перевірки безперервної роботи FPGA, інтерфейс зв'язку містить швидкодіючі шини LVDS, вузол приймання аналогових сигналів, множину незалежних гальванічно розділених вузлів LVDS приймання/передавання, множину незалежних вузлів приймання дискретних сигналів, множину незалежних вузлів приймання/передавання промислової мережі Ethernet, множину незалежних вузлів передавання дискретних сигналів, при цьому кожний з вузлів інтерфейсу містить щонайменше один цифровий канал зв'язку з FPGA, вузол логіки містить щонайменше один цифровий канал зв'язку з вузлами діагностики і комунікації, вузол діагностики містить щонайменше один цифровий канал зв'язку з вузлом комунікації, вузлом індикації і вузлом синхронізації єдиного часу, FPGA з'єднана з елементом перевірки безперервної роботи FPGA і вузлом живлення. Вузол логіки, вузол діагностики, вузол комунікації і вузол індикації реалізовані в FPGA. Вузол живлення містить один, два або один з двох взаємно резервованих вводів. Вузол індикації містить вузол керування параметрами відображення від кнопок на лицьовій панелі, вузол відображення внутрішнього стану пристрою і кодів помилок. LVDS використовує індивідуальні лінії цифрового зв'язку "point-to-point". Порівняльний аналіз з відомими технічними рішеннями показав, що пристрій діагностики, який пропонується, відрізняється наявністю нового складу елементів та зв'язків між ними, т. б. має нову сукупність ознак, які забезпечують нові технічні властивості пристрою. Технічний результат - забезпечення підвищення швидкодії, точності і надійності збору, обробки і передачі діагностичних повідомлень (пакетів) в сервер діагностики, виконання функцій безперервної діагностики власних технічних засобів і програмного забезпечення (самодіагностики), спрощення структурної схеми пристрою, розширення функціональних можливостей. Використання незалежних швидкодіючих вхідних вузлів приймання дискретних сигналів забезпечує прийом дискретних сигналів про стан елементів фізичного обмеження доступу в середину шафи (крейту та ін.) та від пожежних сповіщувачів, а також ідентифікувати власне місцезнаходження в системі (платформі та ін.). Використання вузлів приймання аналогових сигналів забезпечує можливість приймати безперервні сигнали від датчиків температури, розміщених у шафі, крейті та ін. Використання вузла синхронізації єдиного часу дозволяє забезпечити синхронний хід внутрішнього таймера пристрою з сигналами єдиного часу, які надходять від зовнішнього джерела єдиного часу. Реалізація вузла логіки, вузла діагностики, вузла індикації, вузла комунікації в одному FPGA дозволяє значно спростити структуру пристрою і одночасно підвищити точність обробки і швидкодію, т.б. підвищити надійність пристрою в цілому та розширити функціональні можливості. Реалізація алгоритмів в FPGA, яка дозволяє в своїй структурі "жорстко" зафіксувати необхідні елементи схемотехніки для одночасної і паралельної обробки всіх необхідних алгоритмів за один цикл роботи, дозволяє на декілька порядків швидше виконувати будь-які алгоритми. Таким чином, в FPGA для кожного із закладених алгоритмів існують свої окремі технічні засоби. В той час в мікроконтролері (мікропроцесорі) всі алгоритми повинні послідовно пройти через один і той же апаратний засіб. Реалізація в FPGA логічного пристрою забезпечує: - прийом діагностичної інформації про всі пристрої шафи (крейту та ін.); - обробку прийнятих сигналів у відповідності до внутрішніх алгоритмів, стиснення та формування сумарних діагностичних цифрових пакетів даних і передачу їх на верхній рівень; - формування керуючих дискретних сигналів для керування елементами відображення стану шафи (крейту та ін.); - ідентифікація місцезнаходження пристрою в платформі (системі та ін.) при побудові багатоканальних розподілених систем. Відсутність збоїв та "зависань" роботи FPGA забезпечується елементом перевірки безперервної роботи FPGA, який при перевищенні тайм-ауту виконує перезавантаження FPGA. Використання множини незалежних гальванічно розділених один від одного та інших ланцюгів і елементів пристрою вузлів LVDS послідовного приймання/передавання даних та швидкодіючого, малопотужного, низьковольтного інтерфейсу LVDS, а також цифрової внутрішньої мережі "point-to-point" забезпечує індивідуальний зв'язок пристрою з іншими пристроями шафи (крейту та ін.). На кресленні зображена структурна схема пристрою діагностики. Пристрій діагностики містить множину незалежних гальванічно розділених вузлів 1 LVDS послідовного приймання/передавання, множину незалежних вузлів 2 швидкодіючих приймання/передавачів промислової мережі Ethernet, множину незалежних вхідних вузлів 3 2 UA 93843 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 приймання дискретних сигналів, незалежний вузол 4 приймання аналогових сигналів, програмовану матрицю FPGA 5, в якій реалізовані вузол 6 логіки, вузол 7 комунікації, вузол 8 діагностики та вузол 9 індикації, елемент 10 безперервної роботи FPGA, вузол 11 синхронізації єдиного часу, множину незалежних вузлів 12 передавання дискретних сигналів, вузол 13 електричного живлення, інтерфейс зв'язку LVDS 14. Вузол 9 індикації містить вузол 15 відображення внутрішнього стану пристрою і кодів помилок, вузол 16 керування параметрами відображення від кнопок на лицьовій панелі пристрою. Незалежні гальванічно розділені один від одного і від інших ланцюгів і елементів пристрою вузли 1 LVDS послідовного приймання/передавання даних приймають діагностичні цифрові пакети даних по швидкодіючій шині LVDS від інших пристроїв платформи (системи та ін.) для подальшої обробки. Вузол 7 комунікації приймає і передає в послідовному коді цифрові пакети діагностичних даних через блоки гальванічної приймання/передавання від/до LVDS та Ethernet передавачам. Незалежні гальванічно розділені один від одного та від інших елементів пристрою швидкодіючі вузли 3 приймання дискретних сигналів приймають дискретні сигнали про стан елементів фізичного обмеження доступу всередину крейта (шафи та ін.) і від пожежних сповіщувачів та забезпечують можливість пристрою ідентифікувати своє місцезнаходження в платформі (системі та ін.). Незалежний гальванічно розділений один від одного та від інших елементів пристрою швидкодіючий вузол 4 приймання аналогових сигналів приймає безперервні сигнали від датчиків температури, розміщених по периметру шафи та ін. Вузол 11 синхронізації єдиного часу забезпечує синхронний хід внутрішнього таймеру пристрою з сигналами єдиного часу, які надходять з: - мережі єдиного часу (наприклад, енергоблоку); - GPRS-приймача супутникових сигналів єдиного часу. Вузол 6 логіки приймає від вузла комунікації вхідні діагностичні цифрові пакети даних про стан всіх пристроїв шафи (крейта та ін.), які надходять від вбудованих технічних засобів кожного пристрою; обробляє прийняті сигнали у відповідності до внутрішніх алгоритмів з метою стиснення при збереженні інформативності; формує сумарні діагностичні пакети та передає їх у вузол 7 комунікації для подальшої передачі через передавачі мережі Ethernet на верхній рівень (сервер діагностики); формує дискретні керуючі сигнали для керування елементами відображення стану шафи (крейта та ін.) на лицьовій панелі шафи; ідентифікує місцезнаходження пристрою в платформі (системі та ін.) при побудові багатоканальних розподілених систем. Пристрій діагностики виконує наступні функції. В кожному циклі виконання задач (кожні 10-100 мс) пристрій діагностики: - приймає вхідні цифрові пакети діагностичних даних, які надходять від усіх пристроїв крейту (шафи та ін.), обробляє їх у відповідності до закладених алгоритмів стиснення, формує і передає вихідні діагностичні пакети по промисловій мережі Ethernet на верхній рівень; - приймає сигнали про стан технічних засобів шафи і виконує відображення на елементах індикації шафи; - виконує безперервну діагностику власних технічних засобів і програмного забезпечення; - забезпечує синхронізацію внутрішнього таймера пристрою з сигналами єдиного часу. Пристрій діагностики працює наступним чином. Діагностичні цифрові пакети даних від усіх пристроїв крейту (шафи та ін.) по швидкодіючій шині LVDS через незалежні вузли 1 LVDS послідовного приймання/передавання надходять у вузол 7 комунікації для подальшої передачі у вузол 6 логіки FPGA 5. Дискретні сигнали надходять у вузол 3 приймання дискретних сигналів для подальшої передачі у вузол 6 логіки FPGA 5. Безперервні сигнали від датчиків температури надходять у вузол 4 приймання аналогових сигналів для подальшої передачі у вузол 8 діагностики. Вузол 6 логіки обробляє прийняту вхідну діагностичну інформацію у відповідності до закладених алгоритмів, формує сумарні діагностичні пакети і передає у вузол 7 комунікації для передачі за допомогою вузла 2 приймання/передавання мережі Ethernet на верхній рівень. В процесі роботи пристрою на цифрових індикаторах на лицьовій панелі безперервно відображається внутрішній стан пристрою (справність) або код помилки у випадку несправності. Кнопками керування відображенням на індикаторах можна відобразити більш докладну інформацію, яка дозволить встановити несправність, не вдаваючись до послуг розширеної діагностики робочої станції платформи. Додатково на світлодіодних індикаторах відображають стан "Робота" або "Несправність". 3 UA 93843 U Цикл роботи пристрою встановлюється на стадії робочого проектування платформи в межах від 10 до 100 мс, що гарантує швидкодію роботи пристрою від 10 до 100 циклів у секунду. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 15 20 25 1. Пристрій для діагностики, який містить програмовану логічну матрицю FPGA, вузол логіки, внутрішній таймер, інтерфейс зв'язку, вузол живлення, який відрізняється тим, що пристрій містить вузол діагностики, вузол комунікації, вузол індикації, вузол синхронізації єдиного часу, елемент перевірки безперервної роботи FPGA, інтерфейс зв'язку містить швидкодіючі шини LVDS, вузол приймання аналогових сигналів, множину незалежних гальванічно розділених вузлів LVDS приймання/передавання, множину незалежних вузлів приймання дискретних сигналів, множину незалежних вузлів приймання/передавання промислової мережі Ethernet, множину незалежних вузлів передавання дискретних сигналів, при цьому кожний з вузлів інтерфейсу містить щонайменше один цифровий канал зв'язку з FPGA, вузол логіки містить щонайменше один цифровий канал зв'язку з вузлами діагностики і комунікації, вузол діагностики містить щонайменше один цифровий канал зв'язку з вузлом комунікації, вузлом індикації і вузлом синхронізації єдиного часу, FPGA з'єднана з елементом перевірки безперервної роботи FPGA і вузлом живлення. 2. Пристрій для діагностики за п. 1, який відрізняється тим, що вузол логіки, вузол діагностики, вузол комунікації і вузол індикації реалізовані в FPGA. 3. Пристрій для діагностики за п. 1, який відрізняється тим, що вузол живлення містить один, два одночасно або один з двох взаємно резервованих вводів. 4. Пристрій для діагностики за п. 1, який відрізняється тим, що вузол індикації містить вузол керування параметрами відображення від кнопок на лицьовій панелі, вузол відображення внутрішнього стану пристрою і кодів помилок. 5. Пристрій для діагностики за п. 1, який відрізняється тим, що LVDS використовує індивідуальні лінії цифрового зв'язку "point-to-point". 4 UA 93843 U Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5