книги / Управление большими системами. УБС-2017

Информационные технологии в управлении техническими системами и технологическими процессами

4. Реализация систем логических функций, заданных в ДНФ

Программирование по i-й переменной j-й функции, зависящей от одной переменной с учётом её возможного инверсного значения, может быть представлено следующим образом [1, 9]:

для несущественной переменной.

Сравнение сложности логических элементов LUT – L(n) DC LUT – Ldc(n) при декомпозиции с k = 4, m = 8 представлено на рис. 1.

Сравнение вероятностей безотказной работы LUT и DC LUT исходя из сложности изображено на рис. 2.

Рис. 1. Сравнение сложности логических элементов

LUT – L(n) DC LUT – Ldc(n) при декомпозиции а – k = 4, m = 8; б – k = 4, m = 16

273

311

Управление большими системами. Выпуск XX

Рис. 2. Графики изменения вероятности безотказной работы – схемы LUT Р(t) и вероятности безотказной работы DC LUT Рdc(t) при интенсивности отказов (сбоев)

λ = 10-5 1/час, n = 6, k = 4, m = 8

Рис. 3. Сравнение вероятностей безотказной работы нерезервированного логического элемента (Р0), троированного логического элемента (Р1); троированного элемента с тремя мажоритарами (Р2) и предлагаемого отказоустойчивого устройства (Р3)

274

312

Информационные технологии в управлении техническими системами и технологическими процессами

5. Заключение

Предлагаемый DC-LUT FPGA предпочтительней по аппаратным затратам, чем известный LUT уже при количестве функций m = 8 для числа переменных n = 4. Самосинхронная реализация LUT и DC-LUT позволяет обеспечить самопроверяемость логики и унифицировать проектирование самосинхронных схем. В перспективе целесообразно рассмотреть вопрос проектирования самосинхронной FPGA с учётом программирования матриц связей. Отказоустойчивые реализации логики целесообразно использовать в высоконадёжной аппаратуре, в том числе специальной. В дальнейшем рекомендуется учесть возможность работы LUT на одной из половин дерева транзисторов с целью дальнейшего повышения отказоустойчивости.

Литература

1.Виды программируемой логики [Электронный ресурс]. – URL: http://www.pvsm.ru/programmirovanie/87810 (дата обращения: 10.06.2017).

2.Программируемое логическое устройство: пат. Рос. Федера-

ция №2602780 / ТЮРИН С.Ф., ВИХОРЕВ Р.В., ПЛОТНИ-

КОВАА.Ю. 2016. Бюл. №32.

3.Программируемое логическое устройство: пат. Рос. Феде-

рация № 2573732 / ТЮРИН С.Ф., ВИХОРЕВ Р.В. 2016. Бюл. № 3.

4.СТЕПЧЕНКОВ Ю.А. Самосинхронный вычислитель для высоконадежных применений // Проблемы разработки пер-

спективных микро- и наноэлектронных систем (МЭС): сб. тр. всерос. науч.-техн. конф. / Ин-т проблем проектирования в микроэлектронике РАН. – 2010. – № 1.

5.СТРОГОНОВ А., ЦЫБИН С. Программируемая коммута-

ция ПЛИС: взгляд изнутри [Электронный ресурс] // Журнал

«Компоненты и технологии». – URL: http://www.kit-e.ru/ar- ticles/plis/2010_11_56.php (дата обращения: 16.12.2014).

6.ТЮРИН С.Ф. Дерево транзисторов для реализации систем логических функций // Вестник Пермского национального

275

313

Управление большими системами. Выпуск XX

исследовательского политехнического университета. Электротехника, информационные технологии, системы управ-

ления. – 2015. – № 2 (14). – С. 37–45.

7.УГРЮМОВ Е.П. Цифровая схемотехника: учеб. пособие. – СПб: БХВ-Петербург, 2004. – С. 518

8.УЛЬМАН ДЖ.Д. Вычислительные аспекты СБИС: пер. с

англ.: А.В. НЕЙМАНА / под ред. П.П. ПАРХОМЕНКО. – М.: Радио и связь, 1990. – С. 480.

9.CPLD (Complex Programmable Logic Device). – URL: http://www.myshared.ru/slide/981511/ (accessed 9 Juny 2017).

10.CARMICHAEL C. Triple Module Redundancy Design Techniques for Virtex FPGAs. – URL: https://www.xilinx.com/ support/documentation/application_notes/xapp197.pdf (accessed 7 December 2016).

11.TYURIN S.F. Retention of functional completeness of Boolean functions under “failures” of the arguments // Automation and Remote Control. – 1999. – Vol. 60. – No 9. – Part 2. – P. 1360–1367.

ADVANCED METHODS OF A PROGRAMMABLE LOGIC IMPLEMENTATION

Vikhorev Ruslan Vladimirovich (Perm, Russian Federation) is а design engineer Public Joint-stock Company “Perm Scientific-Industrial Instrument Making Company”, post-graduate student at the Department of Automation and Telemechanics Perm National Research Polytechnic University (614990, Perm, 29, Komsomolsky pr., e-mail: vihrusvla@gmail.com).

Prokhorov Andrey Sergeevich – is а programmer Joint-stock Company “ER-Telecom Holding”, postgraduate student at the Department of Automation and Telemechanics, Electrical Engineering Faculty, Perm National Research Polytechnic University. (614990, Perm, 29, Komsomolsky pr., e-mail: npoxop007@yandex.ru).

A. Yu. Skornyakova. (Perm, Russian Federation) is а structural engineer limited liability company “Intersist-Servis”, post-graduate student at the Department of Automation and Telemechanics Perm

276

314

Информационные технологии в управлении техническими системами и технологическими процессами

National Research Polytechnic University (614990, Perm, 29, Komsomolsky pr., e-mail: juris.plot@mail.ru).

Tyurin Sergey Feofentovich Perm National Research Polytechnic University, Perm, Doctor of Technical Sciences, Professor at the Department of Automation and Telemechanics (614990, Perm, 29, Komsomolsky pr., e-mail: tyurinsergfeo@yandex.ru).

Abstract: In the article are considered the improved methods for implementing logical elements in programmable logic integrated circuits (FPGAs) based on the LUT (Look up Table) – transistor trees realizing a logical function specified in a canonical disjunctive normal form (CDNF), as well as on the basis of programmable logic arrays (PLAs) realizing logical functions in disjunctive normal form (DNF). In order to increase the efficiency of the implementation of the logic, the article proposes improved variants of the implementation of function systems in the CDNF, self-timed implementation of the computation of logical functions in CDNF and DNF, as well as fault-tolerant schemes of programmable logic.

Keywords: Logic Function, Self-Timed Circuit, Fault Tolerance.

277

315

Управление большими системами. Выпуск XX

УДК 021.8 + 025.1 ББК 78.34

ЗАДАЧА УПРАВЛЕНИЯ МОДЕРНИЗАЦИЕЙ ВОДОПРОВОДНОЙ СЕТИ С ЦЕЛЬЮ МИНИМИЗАЦИИ АВАРИЙНОСТИ

Серкова Д.В.1

(Липецкий государственный технический университет, Липецк)

В работе рассмотрена задача определения оптимального плана модернизации водопроводной сети. В качестве критерия оптимальности выступает снижение аварийности. Построена модель определения аварийности сети за определенный период, составлены ограничения на имеющиеся финансовые ресурсы. Приведен пример расчета оптимального плана модернизации при использовании двух видов труб.

Ключевые слова: водопроводная сеть, надежность, оптимизация, модернизация.

1. Введение

Управление водопроводными системами является актуальной проблемой, так как водоснабжение является неотъемлемой частью жизнедеятельности человека. Среди важнейших отраслей, направленных на повышение уровня жизни людей, развитие промышленности, водоснабжение занимают лидирующую позицию. Водопроводные сети представляют собой комплекс трубопроводных систем, обеспечивающих снабжение водой различных потребителей. Одним из важных показателей водопроводных сетей являются надежность, качество и эффективность. При этом ставятся задачи сокращения затрат на эксплуатацию, минимизации аварийности систем при обеспечении снабжения потребителей качественным продуктом.

1 Дарья Владимировна Серкова, студентка (dasha.serkowa@yandex.ru).

278

316

Информационные технологии в управлении техническими системами и технологическими процессами

Таким образом, задача минимизации аварийности водопроводной сети в условиях ограниченности ресурсов является актуальной.

2. Система водоснабжения. Виды трубопроводов

Система водоснабжения – комплекс взаимосвязанных инженерных устройств и сооружений, обеспечивающий потребителей водой в требуемом количестве и заданного качества [1].

Одним из основных элементов системы водоснабжения является водопроводная сеть, она неразрывно связана с водопроводами, подающими воду в сеть.

Для эффективного водоснабжения водопроводная сеть должна соответствоватьследующимтребованиям:

1)обеспечивать подачу заданного количества воды к местам ее потребления под требуемым напором;

2)обладать достаточной степенью надежности и бесперебойности снабжения водой потребителей.

Помимо указанных требований, сеть должна быть запроектирована максимально экономично, т.е. обеспечивать наименьшую величину приведенных затрат на строительство и эксплуатацию как самой сети, так и неразрывно связанных с ней других сооружений системы.

Трубопровод – сооружение, состоящее из плотно соединенных между собой труб, деталей трубопроводов, запорно-регу- лирующей аппаратуры, контрольно-измерительных приборов, средств автоматики, опор и подвесок, крепежных деталей, прокладок, материалов и деталей тепловой и противокоррозионной

изоляции и предназначенное для транспортировки жидких

итвердых веществ [6].

Внастоящее время существует большое разнообразие деталей и материалов для сооружения водопровода, позволяющее создавать более современные и качественные установки. В зависимости от конструкции, сложности, заложенных средств можно выбрать металлические или пластиковые трубы. Все они сильно различаются своими характеристиками, имеют ряд особенных качеств, которые становятся основными при их отборе.

279

317

Управление большими системами. Выпуск XX

Традиционно трубы делятся на два вида:

1)металлические водопроводные (стальные, чугунные, медные);

2)пластиковые водопроводные (пластиковые, полибутиленовые, полиэтиленовые, из поливинилхлорида, полипропиленовые, металлопластиковые).

Рассмотрим характеристики каждого вида труб подробнее. Особенности монтажа металлических труб и их свойства зависят от свойств используемого материала. Металлические трубы обычно изготавливаются из стали, чугуна, меди.

Стальные трубы чаще всего используются при сооружении водопровода, поскольку они отличаются прочностью и надежностью, а также дешевы в изготовлении. В городских квартирах все стояки изготавливаются из стальных труб. На стальных трубах также монтируются радиаторы отопления. Однако их недостатком является подверженность коррозии, поэтому срок их службы 30–40 лет. Чтобы избежать повреждения труб, наносят цинковое покрытие снаружи и внутри [3]. Стальные трубы обладают высокой теплопроводностью, поэтому очень часто трубы холодного водоснабжения «потеют». На неровной внутренней поверхности стальных труб со временем нарастает накипь. Сталь – тяжелый материал, поэтому такие трубы довольно сложно монтировать.

Чугунные трубы в отличие от стальных труб способны сопротивляться коррозии. Технология производства труб из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом соединяет в себе прочность и коррозийную устойчивость чугуна с пластичностью стали. Пластичностью и устойчивостью на разрыв высокопрочный чугун с шаровидным графитом обладает благодаря присутствующим в нем шарикам графита, которые препятствуют распространению трещин в структуре чугуна.

Свойства высокопрочного чугуна с шаровидным графитом (ВЧШГ) получены при модификации жидкого чугуна магнием и дополнительными присадками. В результате модифицирования графит в чугуне находится в виде шариков [5].

Медные трубы считаются элитными трубами. Минимальный срок службы водопровода, смонтированного из медных

280

318

Информационные технологии в управлении техническими системами и технологическими процессами

труб, – 70 лет. За время своей эксплуатации медная труба не испортится и никак не изменит своих рабочих качеств. К тому же медь обладает бактерицидными свойствами, и в таких трубах будет течь чистая питьевая вода. Медные трубы не подвержены воздействию ультрафиолетовых лучей, не боятся перепадов атмосферного давления, осадков, не подвергаются коррозии. Медные трубы подходят в качестве основы для системы отопления, а также для организации холодного и горячего водоснабжения.

Следующий вид водопроводных труб – пластиковые трубы. Стойкость к изменяющимся погодным условиям, неподверженность коррозии, долговечность в эксплуатации, простота в монтаже, установке и наладке, небольшая стоимость – эти качества делают пластиковые трубы незаменимыми при оборудовании дома водопроводом. Они почти не теряют тепло при доставке горячей воды, не обрастают отложениями изнутри, безопасны для здоровья.

Полибутиленовые трубы делают из эластичного и теплопроводного материала, который пригоден для транспортировки воды с температурой до +90 °С. Благодаря своей эластичности легко переносят низкие температуры даже при замерзшей внутри воде. Полиэтилен стоек к коррозии. Соединяют такие трубы с помощью сварки. К их недостаткам относят легкую восприимчивость к огню, а также непереносимость бензола.

Полиэтиленовые трубы имеют гладкую поверхность внутри, проходящая по ним вода не оставляет на стенках окиси и отложений примесей. Недостаток в том, что полиэтилен применим только для холодного водоснабжения. При температуре кипения воды и близкой к ней трубы начинают плавиться. Кроме того, данный материал очень чувствителен к ультрафиолетовым лучам. Соединяют полиэтиленовые трубы фитингами и обжимом [3].

Трубы из поливинилхлорида (ПВХ) – самые жесткие из всех представленных на рынке пластиковых труб. Такие трубы практически не горят, мало весят, устойчивы к воздействию солнечных лучей, соединяются друг с другом склеиванием. Недостаток – использование хлора в процессе производства поливинилхлорида, что не добавляет материалу экологичности [3].

281

319

Управление большими системами. Выпуск XX

Полипропиленовые трубы используют для холодного и горячего водоснабжения, канализации, отопления. По своим термическим показателям они схожи с трубами из сшитого полиэтилена, но дешевле и проще в монтаже. Соединяются между собой сваркой или пайкой, для чего используется паяльник для полипропиленовых труб.

Металлопластиковые трубы соединили в себе положительные свойства металла и пластика. Они подходят для систем водоснабжения и отопления. Такие трубы состоят из трех слоев, между двумя слоями полимера находится тонкий слой металла. Их не нужно спаивать или сваривать, они эластичны, легки, долговечны и эстетичны. В качестве металла внутри трубы чаще всего используют алюминий. Поэтому недопустим его контакт с другими металлами в местах соединения. Основной недостаток таких труб в том, что, если они открыты, их легко повредить, поэтому монтаж труб из металлопластика в стояках централизованного водоснабжения допускается только внутри стен.

3. Надежность водопроводных систем

Теория надежности – наука, изучающая закономерности отказов технических систем [2]. Базовыми понятиями теории надежности является надежность, отказ, работоспособность, долговечность.

Надежность является важнейшим параметром любой технической системы, это свойство позволяет сохранить свои характеристики в определенных пределах при данных условиях эксплуатации. Из этого следует, что надежность определяет такие характеристики системы, как качество, эффективность, безопасность. Отказом называется событие, после возникновения которого характеристики технического объекта выходят за допустимые пределы. Работоспособность – состояние объекта, при котором он способен выполнять заданные функции, сохраняя значения основных параметров, установленных нормативно технической документацией. Долговечность – способность объекта сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленнойсистеметехническогообслуживанияиремонта.

282

320