Подсистема регистрации

Организация работы подсистемы регистрации в реальном времени оказалась нетривиальной задачей. Дело в том, что, исходя из технических требований на сепаратор, возбуждение источника рентгеновского излучения

производится импульсами с периодом 4 мс. Поскольку в сепараторе обычно имеются две рентгеновские трубки, работающие со сдвигом во времени на полпериода и облучающие до 4 отдельных потоков каждая, то на обслуживание каждой группы из 4 каналов регистрации приходится всего 2 мс. На рис.4 приведены временные диаграммы сигналов, поясняющие работу подсистемы регистрации.

Для синхронизации подсистемы используется кварцевый генератор с частотой 10 кГц, размещенный в модулеPCL-720. Синхросигнал вызывает прерывания процессора подсистемы регистрации с периодом, соответственно, 100 мкс. Весь цикл возбуждения 2 рентгеновских трубок, регистрации откликов и анализа последних на принадлежность обогащаемому минералу - алмазу - разбит на 40 тактов, образующих временную сетку процесса.

Пусть условно первый такт начинается с установки сигнала возбуждения первой рентгеновской трубки, тогда на 6-м такте этот сигнал снимается; аналогично на 21 и 26-м тактах устанавливается и снимается сигнал возбуждения для второй рентгеновской трубки. На 4, 12, 14 и 16-м тактах, а также соответственно на 24, 32, 34 и 36-м тактах запускается аналого-цифровой преобразователь (АЦП) модуля PCL-818HG. Соответствующие значения времени обозначены на диаграммах как t1…t8. При значениях t1…t4 выполняется преобразование для каналов 1…4, а в точках t5…t8 - для каналов 5…8. Каждому обозначенному значению времени, таким образом, соответствуют четыре 12-разрядных числа, представляющих собой значения напряжения сигнала люминесценции в указанном канале наопределенном шаге временной сетки.

Сигналы в каналах, полученные вовремя действия импульсов возбуждения (t1 и t5), соответствуют суперпозиции сигналов люминесценции воздуха в зоне облучения, который присутствует вне зависимости от наличия люминесцирующих минералов, и так называемого короткоживущего компонента сигналов люминесценции минералов (когда они присутствуют в этой зоне). Короткоживущий ("быстрый") компонент (БК) возникает практически мгновенно после начала импульса возбуждения и гаснет сразу же по его окончании. Остается так называемый долгоживущий ("медленный") компонент (МК) сигнала, который гаснет в течение нескольких миллисекунд. Амплитуда БК, амплитуда и длительность МК служат основными характеристиками сигнала люминесценции, по которым выявляется его принадлежность к обогащаемому минералу - алмазу.

Соотношения, положенные в основу селекции:

Полагая МК экспонентой вида

U=U₀*e^-t/,

где U₀ - амплитуда МК,

t - текущее время,

- постоянная времени экспоненты,

можно определить параметры МК по результатам измерений в тактах 12, 14, 16, (32, 34, 36):

ф=?tU/?U, ?U=U₂-U₃, ?t= t₃ - t_2.

Здесь U₂ и U₃ - значения напряжения сигнала, измеренные в тактах 12 и 14 соответственно (моменты времени t2 и t3).

В тактах 32, 34, 36 проводятся аналогичные измерения для другой группы каналов.

Исследования показали, что алмазы отличаются от сопутствующих минералов определенным диапазоном соотношений амплитуд БК и МК и диапазоном значений постоянной времени сигналов люминесценции. Сравнение полученного сигнала с заданным этими параметрами "образом" алмаза производит процессор подсистемы регистрации в тактах 17…20 (37…40). В случае положительного результата сравнения по какому-либо каналу в одном из цифровых портов модуля PCL-818HG устанавливается "1" в бите с номером, определяемым номером выявленного канала.

Значения параметров сигнала люминесценции воздуха, измеряемые в моменты времени t1 и t5 при отсутствии полезного сигнала, служат для автоматической регулировки коэффициента передачи в каналах регистрации, который является функцией напряжения и тока рентгеновской трубки, коэффициента передачи ФЭУ и уровня загрязнения их входных окон. Эти значения усредняются по массиву реализаций (не менее 1000) и через определенные интервалы времени (здесь - 128 мс) сравниваются с заданным значением. Если текущее среднее значение в некотором канале на момент сравнения меньше заданного более чем на 10%, то выполняется операция усиления с помощью ЦАП, выходное напряжение которого управляет чувствительным элементом - ФЭУ данного канала. Если же, напротив, текущее среднее превышает уставку на 10% или более, то в ЦАП записывается меньшее число с целью снижения усиления ФЭУ. Таким образом эмулируется работа "задержанной" АРУ, независимо функционирующей в каждом из 8 каналов регистрации. Задержка в АРУ обеспечивает устойчивость системы в процессе регулирования. В качестве источников высоковольтного питания ФЭУ в системе использованы маломощные преобразователи типа DC-DC.

Если в процессе работы АРУ содержимое ЦАП в каком-либо канале таково, что соответствующее ему напряжение ФЭУ достигнет верхней допустимой границы (обычно это вызвано загрязнением входного окна ФЭУ частицами обогащаемой руды), регулирование прекращается и в цифровой порт выдается бит потери чувствительности канала. Этот сигнал требует вмешательства оператора.

Подсистема управления

При реализации подсистема управления оказалась существенно проще подсистемы регистрации, так как в ней не требуется столь быстрой реакции на входные сигналы, хотя общее число каналов ввода-вывода и превышает 100. Можно выделить три основных режима функционирования подсистемы управления:

· циклический опрос органов управления (клавиатуры на панели блока, удаленного пульта управления, а так

же датчиков состояния оконечных устройств РЛС), управление исполнительными устройствами (подача руды, отделение алмазов и прочее), выдача сообщений оператору на системный дисплей каждые 2 с, выявление нештатных ситуаций в работе РЛС и реакция на них;

· прием новых значений параметров от пульта технолога-обогатителя и передача их в оконечные блоки;

· обмен данными с АСУ предприятия через порт интерфейса RS-232/RS-485 процессорной платы.

Программное обеспечение

Программное обеспечение контроллеров обеих подсистем создано на языке Турбо Паскаль. Кроме исполняемого файла основной программы, на твердотельных дисках процессорных плат находятся также драйверы модулей подсистем. При запуске программы драйверы загружаются резидентно в ОЗУ.

Обе процессорные платы работают в режиме контроллеров. Стандартные функции BIOS, отвечающие за взаимодействие платы с клавиатурой и монитором, отключаются.

Для мониторинга отдельного сепаратора либо группы сепараторов разработан программный комплекс, реализуемый на внешнем компьютере или рабочей станции AWS-842T фирмы Advantech. Комплекс выполняет циклический опрос состояния подключенных сепараторов и численных значений полного набора параметров и позволяет как отображать на экране информацию о текущем состоянии сепаратора, так и фиксировать её в базе данных в виде протокола функционирования (ход извлечения, несанкционированный доступ, остановки, выход параметров за заданные границы и т.п.) с привязкой к календарному времени. На рис.6 показано экранное окно режима отображения мнемосхемы. Анимации измерительных приборов позволяют оперативно оценить значения параметров. При наличии неисправностей мнемоника аварийного блока выделяется цветом.

3. Подбор элементов и расчет надежности

Подберём следующие элементы:

Рабочую станцию AWS-842T;

Плату АЦП PCL-818HG;

Контроллер PCA-6144S;

фотодатчик МикРА Ф2.

Рабочая станция AWS-842T.

Промышленная рабочая станция с 10.4 ЖК-дисплеем

AWS-842 представляет собой промышленную рабочую станцию с ярким цветным DSTN или TFT дисплеем (диагональ 10.4, разрешение 640х480 пикселов), специально разработанную для применения в промышленных условиях. Конструкция корпуса рабочей станции позволяет устанавливать ее как в 19 стойку, так и в панель.

AWS-842 может поставляться с объединительной платой с 8 слотами ISA или ISA/PCI.

· Лицевая панель: алюминиевая, степень защиты NEMA4 или IP65

· Конструкция: высокопрочное шасси из нержавеющей стали

· Дисплей: ЖК, 10.4 TFT или DSTN, разрешение 640 x 480 точек

· Видеоконтроллер в комплекте: PCA-6653 (ISA, 1 Мбайт) с одновременной поддержкой ЭЛТ и плоских панелей

· Отсеки для дисководов:

o НЖМД: один 3.5

o НГМД: один 3.5 (дисковод установлен при стандартной поставке)

o CD-ROM: один отсек для малогабаритного CD-ROM

· Объединительная плата: пассивная PCA-6108P3: 4 ISA, 3 PCI, 1 CPU слот PCA-6108C: 8 ISA слотов

· Система охлаждения: один охлаждающий вентилятор на задней панели 83.3 м³/ч

· Мембранная клавиатура из 60 основных, 10 функциональных и 10 макроклавиш

· На лицевой панели, под пылезащитной дверцей, имеется разъем подключения внешней клавиатуры

· Светодиодные индикаторы: питание, доступ к НЖМД

· Нормы безопасности: UL/CSA/TuV, CE

· Варианты источников питания

o AC input 260 W (базовый вариант) - Вход: 85 ~ 130 V AC or 180 ~ 260 V AC, переключаемый - Выход: +5 V @ 25 A; +12 V @ 9 A; - 5 V @ 0.5 A; - 12 V @ 2.0 A - MTBF*: 100 000 часов - Безопасность: UL/CSA/TUV

o 48 V DC input 310 W - Вход: - 38 ~ - 58 V DC - Выход: +5 V @ 30 A; +12 V @ 10 A; - 5 V @ 1 A; - 12 V @ 5 A - MTBF*: 100 000 часов

o 24 V DC input 250 W - Вход: 19 ~ 32 V DC - Выход: +5 V @ 25 A; +12 V @ 10 A; - 5 V @ 1 A; - 12 V @ 1 A - MTBF*: 100 000 часов

* MTBF - среднее время безотказной работы

· Диапазон рабочих температур: 0. +50°С

· Относительная влажность: 5.85% при 40°С без конденсации влаги

· Размеры (Ш x В x Г): 482 x 266 x 307 мм

· Масса: 15 кг

· Возможно оснащение сенсорным экраном:

o тип: аналоговый резистивный

o ресурс: 35 млн. касаний,

o интерфейс: RS-232

Плата АЦП PCL-818HG

Платы серии PCL-818 представляют собой семейство многофункциональных устройств для сбора и обработки сигналов, имеющих пять основных функций для измерений и управления: АЦП с разрешением 12 бит, ЦАП, каналы дискретного ввода и вывода и счетчик-таймер.

Все платы имеют устройство для автоматического сканирования каналов. Это устройство независимо от программного обеспечения управляет мультиплексором во время выборки. В статической памяти на плате хранятся величины коэффициента усиления по каждому каналу. Это обеспечивает возможность быстрого (до 100 кГц) опроса каналов с различными коэффициентами усиления по каждому каналу, и передачей данных по каналу DMA.

Все платы серии PCL-818 построены на базе специально разработанной для них 160-выводной микросхемы. Применение этой микросхемы, использующей 1 мкм МДП-технологию, позволяет достичь высоких технических параметров и надежности системы при низком энергопотреблении и небольших размерах плат.

Основные характеристики

· 16 аналоговых входов с общим проводом или 8 дифференциальных аналоговых входов

· 12 бит АЦП, базовая точность 0.01%

· Программируемый коэффициент усиления по каждому каналу

· Автоматическое сканирование входных каналов с использованием DMA

· 16 дискретных входов и 16 дискретных выходов

· Один канал ЦАП: 12 бит

· Программируемая схема запуска/счетчик

· Драйверы для DOS, Windows (DLL) и Windows 95/98/NT в комплекте

· Программная поддержка со стороны пакетов Genie, VisiDAQ, ActiveDAQ, LabVIEW и др

· Условия эксплуатации:

o Диапазон рабочих температур: 0. +50°С

o Диапазон температур хранения: - 20. +65°С

o Относительная влажность воздуха: 5.95% без конденсации влаги

Аналоговые входы

· Количество каналов: 16 с общим проводом или 8 дифференциальных

· Разрешение: 12 бит

· Диапазон входного напряжения: управляется программно

· Автоматическое сканирование каналов

· Запуск: программный, от встроенной схемы запуска или внешний

· Передача данных: по команде программы, по прерыванию (IRQ2 - IRQ7), по каналу DMA (1-й или 3-й каналы)

· Входное сопротивление: 10 МОм

· Допустимая перегрузка по входу: ±30 В

Аналоговые выходы

· Количество каналов: 1 с двойной буферизацией

· Разрешение: 12 бит

· Диапазон выходного напряжения с внутренним опорным сигналом: 0. +5 В, 0. +10 В с внешним опорным сигналом: 0. +10 В, 0. - 10 В

Дискретный ввод/вывод

· Количество каналов: 16 входов, 16 выходов (ТТЛ совместимые уровни)

· Входное напряжение:

· логического "0": не более 0.8 В логической "1": не менее +2 В

· Потребление по входу:

· логического "0": не более 0.4 мА логической "1": не более 0.05 мА

· Выходное напряжение:

· логического "0": не более 0.4 В, логической "1": не менее +2.4 В

· Нагрузочная способность:

· логического "0": 8 мА, логической "1": 0.4 мА

Счетчик/таймер (8254)

· Синхрогенератор: 32-разрядный с опорной частотой 10 МГц или 1 МГц

· Диапазон генерируемых частот: 2.5 МГц.0.00023 Гц

Счетчик: один 16-разрядный счетчик с временной базой 100 кГц

Контроллер PCA-6144S

Процессорная плата половинного размера PCA-6144S может работать на базе процессора 80486 DX/DX2/DX4 или 5x86. Плата имеет два последовательных порта (один RS-232 и один RS-232/RS-422/RS-485), расширенный двунаправленный параллельный порт, EIDE HDD интерфейс, FDD контроллер и сторожевой таймер таймер. Сторожевой таймер генерирует сброс системы в случае сбоя в работе программы или EMI. Это позволяет использовать PCA-6144S в автономных системах или в автоматических режимах работы. Конструкция PCA-6144S гарантирует надежную работу в средах с температурой до 60° C.

PCA-6144S была разработана как приложение одноплатного компьютера. Плата имеет источник питания с напряжением +5 В, встроенный Flash/ROM диск (эмуляция 360 Кб/1.44 Мб дисковода) и разъем для PC/104 модулей (плоскопанельного/CRT VGA контроллера, Flash/RAM/ROM диска и т. д). Два 72-pin SIMM разъема поддерживают от 1 до 64 Мб DRAM.

Вы можете также использовать эту 8-уровневую процессорную плату, чтобы преобразовать любую систему в 32-bit 486 совместимый компьютер. Ее конфигурация освобождает слоты расширения, а компактные габариты и многочисленные особенности делают плату идеальным решением соотношения цена/производительность.

ОСОБЕННОСТИ

· Процессор 80486 и 5x86 до 133 МГц

· Award Flash BIOS, поддерживает Plug and Play

· Три разъема для 360 Кб/1.44 Мб Flash/RAM/ROM диск (1-ый, 2-ой, 3-ий или 4-ый FDD эмуляторы)

· Поддерживает M-Systems DiskOnChip 2000 Flash диск

· Два последовательных порта: один RS-232, один RS-232/RS-422/RS-485, выбирается перемычкой

· Один расширенный двунаправленный параллельный порт. Поддерживает SPP/EPP/ECP

· 63-уровневый (от 1 до 63 с) с бесперемычковой установкой

· Встроенный разъем для клавиатуры и PS/2 мыши

· Источник питания (+5 В)

· PC/104 разъем находится на лицевой стороне платы

СПЕЦИФИКАЦИЯ

· CPU: Intel 80486 DX/DX2/DX4, AMD 80486 DX2/DX4/5x86

· BIOS: AWARD Flash BIOS, поддерживает Plug & Play

· Чипсет: VIA VT82C496G

Кеш второго уровня: 128 Кб PB SRAM

· Green function: поддерживает управление энергопотреблением через BIOS. APM 1.2 совместимый

· Системная память: два 72-pin SIMM разъема поддерживают FPM/EDO модулли памяти объемом от 1 до 64 Мб

· Расширенный IDE интерфейс: один расширенный IDE интерфейс, поддерживает до двух IDE устройств

· FDD интерфейс: поддерживает до двух FDD устройств: 3.5" (720 Кб или 1.44 Мб) и/или 5.25" (360 Кб или 1.2 Мб)

· Параллельный порт: один порт, поддерживающий SPP/EPP/ECP

· Последовательные порты: один RS-232, один RS-232/422/485

· Сторожевой таймер: может генерировать сброс системы или IRQ 15. Включается/выключается программно. Интервал от 1 до 63 секунд. Бесперемычковая установка

· PC/104 разъем: 16-bit PC/104 разъемы для PC/104 модулей расширения

Твердотельный диск

· Три разъема для 360 Кб/1.44 Мб Flash/EPROM дисков

· Поддерживает M-Systems DiskOnChip 2000 Flash диск

Механика и климатика

· Максимальное энергопотребление: +5 В (от +4.75 В до +5.25 В) при 5 А

· Рабочая температура: от 0 до 60° C

· Габариты: 185 x 122 мм

Масса: 0.3 кг

Фотодатчик МикРА Ф2.

Рассчитаем интенсивность отказа каждого элемента.

,

где Т - время наработки на отказ.

Где T_1,T_2,T_3,T_4,T_5,T₆ - время наработки соответствующих элементов схемы, приведённой на Рис.1.

Рассчитаем суммарную интенсивность отказа.

Преобразуем данную структурную схему (Рис 2.) системы в последовательно - параллельную структурную схему:

Рис 5.

Из структурной схемы видно, что все элементы включены последовательно, поэтому расчёт вероятности безотказной работы системы производим по формуле:

где

P_а (t) =0,97²_*0,985_*0,99_*0,936_*0,905_*0,971=0,7547

Построим график зависимости P (t).

Рис 6.

Вывод: Из графика видно, что при P (t) = 0,9 наша система будет работать 749 часов безотказно.

4. Практическое освоение методики оптимизации логических схем и оценки их надежности

Подготовка статистических данных о наработке на отказ и времени восстановления системы

В качестве исходных данных возьмем следующие данные:

Таблица 2.

Таблица 3.

Расчет оценки средней наработки на отказ (Т₀)

На основании исходных данных (таблица 2), произведем расчет суммарного (общего) времени пребывания системы в работоспособном состоянии:

где N = 6 - суммарное за период испытаний количество прерываний работоспособного функционирования;

t_Hl - момент времени фактического начала работы после наступления (l-1) - го прерывания;

t_Kl - момент времени фактического окончания работы при наступлении l-го прерывания.

Рассчитаем среднюю наработку на отказ по формуле:

где T_pi - суммарное (общее) время пребывания ССОИ в работоспособном состоянии;

k - суммарное число отказов ССОИ.

Расчет оценки среднего времени восстановления

Рассчитаем среднее время восстановления в работоспособное состояние после отказа:

где k = 6 - число отказов, после которых происходило восстановление во время испытаний;

t_Bi - время восстановления после j-го отказа.

Расчет оценки среднего времени реакции на получение входного сигнала

Вычислим среднее время реакции:

где m = 5 - количество замеров времени обработки запросов i-го типа (табл.3.); t_is время обработки входной информации (табл.3.).

Расчет значения коэффициента готовности ССОИ

Произведем расчет значения коэффициента готовности:

,

Расчет оценки вероятности надежного преобразования входной информаци

Вероятность рассчитывается по формуле:

где T_oi и T_Bj - среднее время наработки на отказ и восстановления после отказа, рассчитываются в п.4.2 и 4.3.; T_{peaк. i -} среднее время реакции, рассчитывается в п.4.4.

4.7 Определение значения доверительной вероятности г для интервала оценивания.

В качестве значения доверительной вероятности г возьмем значение г=0,95, так как погрешность измерений не должна превышать 5%.

Расчет доверительных границ заданных показателей надежности

Расчет нижней () и верхней () доверительных границ для показателя наработки на отказ можно произвести по формулам:

,

,

где коэффициенты r₁ (k,a) = 1,07 и r₃ (k,a) = 0,94 берутся из табл.1.1 и 1.2 в методических указаниях к курсовой работе;

= 1,1167 - оценка, рассчитанная в п.4.2.;

г = 0,95 - доверительная вероятность.

Расчет нижней () и верхней () доверительных границ для показателя времени восстановления работоспособности ССОИ производится по формулам:

,

,

где коэффициенты r₁ (k,a) = 1,07 и r₃ (k,a) = 0,94;

= 0, 197 - оценка, рассчитанная в п.4.3.

Расчет нижней () и верхней () доверительных границ для показателя коэффициент готовности ССОИ производится по формулам:

,

,

где = 1,0439 и = 1,1883, = 0, 2008 и = 0,2286

Расчет нижней () и верхней () доверительных границ вероятности надежного представления запрашиваемой выходной информации производится по формулам:

= 0,7922

= 0,8295

Сведение полученных результатов в выходную форму

Результаты, полученные при обработке исходных данных, сведем в таблицу 4.

Таблица 4.

Построим график информационной части:

Рис 7.

Из графика видно, что при P (t) = 0,9 информационная часть системы работает безотказно 10,5 минут.

Общая вероятность надежного преобразования информации состоит из вероятности надежного преобразования аппаратной и вероятности преобразования информационной частей, т.е. общая вероятность вычисляется по формуле: