Введение к работе
Актуальность диссертационной работы определяется необходимостью проектирования надежных электронных устройств и систем автоматического управления промышленным оборудованием и технологическими процессами при минимальной стоимости этих устройств и затрат на разработку с целью получения высококачественного технического товара, способного конкурировать с подобными электронными изделиями известных фирм-производителей.
Для обеспечения высокой надежности электронного устройства безусловно важны все этапы его жизненного цикла - проектирование, производство, эксплуатация. Вместе с тем, вполне очевидно, что наибольшее влияние в этой цепочке оказывает этап проектирования. В связи с тем, что современные устройства автоматического управления и обработки информации создаются на основе микропроцессорной элементной базы, в качестве объектов проектирования выступают аппаратные и программные средства [1]. Поставленная задача повышения надежности, следовательно, может быть эффективно решена только при комплексном подходе. Ввиду того, что надежность электронных устройств и программного обеспечения напрямую связана с количеством и номенклатурой используемых компонентов и команд, в качестве наиболее объективного критерия оценки должна выступать сложность аппаратных и программных средств.
Высокая аппаратная надежность традиционно достигается за счет введения разного рода избыточности. Однако такой хорошо проработанный подход значительно увеличивает стоимость изделия и затрудняет интеграцию электронных схем и компонентов. Проведенный анализ работ ученых и существующих методов проектирования позволяет сделать вывод о недостаточной разработке малоизбыточных методов повышения надежности. В диссертации сделана попытка разработать эффективную методику проектирования аппаратных и программных средств электронных устройств автоматического управления и обработки информации на основе одного из направлений унификации -симплификации.
Согласно одному из определений, "симплификация - метод унификации, состоящий в рациональном ограничении номенклатуры разрешенных к применению объектов (изделий, компонентов, структур, материалов, норм, требований и т.д.)".
Цель работы - разработка методики обеспечения высоких показателей аппаратной и программной надежности устройств автоматического управления и обработки информации при минимальном удорожании.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
исследовать типовые промышленные автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП);
-
выбрать основные классификационные признаки и классифицировать известные и возможные методы и приемы обеспечения высокой надежности проектируемого объекта;
-
провести комплексный анализ эффективности известных методов повышения надежности в свете требований к объекту проектирования и выбрать направление дальнейших исследований;
-
для доказательства возможности эффективного решения задачи повышения надежности электронных устройств на основе метода симплификации необходимо предложить инженерную методику аппаратной и программной симплификации электронных устройств, разработать обобщенные типовые аппаратные и программные структуры, обеспечивающие высокую надежность;
-
разработать соответствующие средства поддержки проектирования, оперативной оценки и комплексной отладки электронных устройств, полученных на основе метода симплификации;
-
выполнить ряд практических проектов электронных устройств, входящих в состав типовых АСУТП, и оценить эффективность повышения надежности.
Объектом исследования настоящей. работы являются методы и приемы проектирования перспективных электронных устройств автоматического управления технологическим оборудованием и устройств обработки информации, обеспечивающие повышение надежности без существенного увеличения материальных затрат.
Метод исследования основан на сборе и анализе опубликованных в печати научных работ и монографий, классификации и систематизации методов обеспечения высокой надежности электронных устройств, сравнении эффективности их применения по величине отношения снижения интенсивности отказов ДХ к объему вводимой избыточности I с последующим выбором и разработкой оптимального из них. При исследовании были использованы методы математического моделирования, теория рядов и основные положения теории конечных автоматов.
Научная новизна заключается: ..
в обосновании возможности разработки надежных устройств автоматического управления при минимальных дополнительных материальных затратах на основе аппаратной и программной симплификации;
в разработке методики аппаратной и программной симшшфикации электронных устройств управления и обработки информации;
в разработке инструментальных средств поддержки проектирования методом симплификации;
в получении ряда новых технических решений, защищенных патентами Российской Федерации.
Практическая ценность
В результате проведенных исследований разработана методика аппаратной и программной симплификации электронных устройств автоматического управления и устройств обработки информации на основе использования следующих принципов: иерархии, интеграции, сканирования, квантования, устойчивости и синтеза. Получены типовые универсальные надежные структуры аппаратных и программных средств. Разработаны образцы электронных устройств автоматического управления и обработки информации.
Предложенная методика аппаратной и программной симплификации и инструментальные средства поддержки проектирования имеют практическую ценность для конструкторских бюро и предприятий электронной промышленности, приборостроения и машиностроения, а также для учебного процесса подготовки специалистов в области радиоэлектроники, автоматики и вычислительной техники.
Реализация результатов работы
Работа выполнялась на кафедре конструирования и производства радиоэлектронной аппаратуры Рыбинской государственной авиационной технологической академии в рамках госбюджетных НИР. хоздоговорных работ, проводимых совместно с центральным научно-конструкторским бюро (г. Москва), а также в рамках международного контракта с канадской фирмой "Romcon Novel Products Ltd.".
Основные научные и практические результаты диссертационной работы внедрены в виде:
алгоритмического и программного обеспечения, контроллеров промышленного оборудования взрывоопасных производств:
прикладной программы для оценки надежности электронных устройств [2];
аппаратно-программного комплекса имитации и отладки электронных устройств автоматического управления;
опытной партии телефонных миникоммутаторов [3];
устройства оповещения об аномальных ситуациях [4];
устройства ограничения несанкционированного доступа к техническому объекту С5];
устройства управления микроконтроллером [6];
- методического пособия по дипломному проектированию [7].
Научные положения, выносимые на защиту:
-
зависимость интенсивности отказов гипотетического электронного устройства от номенклатуры компонентов;
-
метод симплификации, основанный на использовании унифицированных структур, полученных с применением принципов И2СКУС -иерархии, интеграции, сканирования, квантования, устойчивости и синтеза;
-
унифицированные надежные структуры программных и аппаратных средств;
-
оригинальные технические решения: телефонный миникоммута-тор, устройство оповещения об аномальной ситуации, устройство ограничения несанкционированного доступа к техническому объекту, устройство управления микроконтроллером.
Апробация результатов работы
Материалы диссертации прошли апробацию в докладах на конференциях:
"Наукоемкие технологии в машиностроении и приборостроении". - РГАТА, Рыбинск, 1994 г.;
"Методы и средства оценки надежности приборов, устройств и систем". - Пенза, 1994 г.
Публикации
По материалам диссертации опубликовано семь печатных работ, в том числе учебно-методическое пособие, три технических решения, два из которых защищены патентами Российской Федерации, на одно получено положительное решение.
Структура и объем работы
Работа изложена на 163 листах, содержит 15 таблиц, 56 рисунков, 3 фотографии и состоит из введения, четырех разделов, заключения, перечня использованных источников из 112 наименований и двух приложений.