книги / Управление большими системами. УБС-2017

Информационные технологии в управлении техническими системами и технологическими процессами

где

lx, ly – длина граничащего участка (м);

h – коэффициент теплообмена (Вт/м2·°C); Tf – температура среды (°C).

При этом коэффициент теплообмена варьируется в зависимости от прохождения определенных зон УНРС: если в зоне охлаждения непосредственно форсунками (длинная сторона) его принять за h, то в зоне свободного течения воды (широкая сторона) этот коэффициент составит примерно h/3, а в случае контакта длинной стороны с роликами – наоборот, возрастает до 2h.

С целью получения большей достоверности результатов моделирования были построены зависимости коэффициентов теплоемкости и теплопроводности от температуры. Пример зависимостей для одной из марок стали представлен на рис. 2 и 3.

в рамках поставленной задачи был применен метод конечных элементов ввиду его безусловной устойчивости и произвольной обрабатываемой области.

253

291

Управление большими системами. Выпуск XX

В ходе решения область разбивается на примитивы (в данном случае использовались треугольники), в которых каждой точке ставится в соответствие числовое значение. Такая формация, именуемая двумерным симплекс-элементом, показана на рис. 4. Затем решаются локальные уравнения в соответствии с искомыми величинами.

Рис. 4. Двумерный симплекс-элемент

Узловые значения скалярной величины T обозначаются через Ti, Tj и Tk, а координатные пары трех узлов – через (Xi, Yi), (Xj, Yj) и (Xk, Yk).

4. Программная реализация

Программное обеспечение написано на языке С++ стандарта 2017 г. Графический интерфейс пользователя реализован на основе фреймворка Qt. Такой подход обеспечивает кроссплатформенность, отсутствие коммерческих элементов и использование передовых средств языка в исходных кодах.

Концепция работы состоит в дискретизации одномерного времени движения и двумерного пространства среза слитка. Значения температурного поля на выходе УНРС последовательно меняются по мере перемещения среза слитка от условно равномерной температуры до расплава металла в центре и твердой корочки на границе.

254

292

Информационные технологии в управлении техническими системами и технологическими процессами

Указанное программное обеспечение учитывает взаимодействие слитка с такими элементами конструкции, как кристаллизатор и ролики, а также интенсивность теплообмена с водой, распыляемой форсунками вторичного охлаждения.

Назначение программного продукта состоит в проведении тестирования новых режимов работы оборудования без задействования производственных мощностей. Такой подход позволяет свести к минимуму вероятность появления дефектов продуктов разливки при проведении анализа изменения параметров работы УНРС, приводящих к повышению производственных мощностей с сохранением качества.

Пример дискретизации области поперечного среза слитка представлен на рис. 5.

Рис. 5. Дискретизация сечения

Отображение температурного поля на выходе из установки производится во вкладке «результаты». Пример представления решения показан на рис. 6.

Для оценки динамики изменения температуры по длинной стороне сляба, которая наиболее подвержена трещинам, а также определения зоны возникновения трещин добавлена вкладка «охрупчивание», представленная на рис. 7. Пересечение зоны

255

293

Управление большими системами. Выпуск XX

возникновения трещин и зоны охрупчивания будет указывать на возникновение трещин при выбранном режиме.

Рис. 6. Температура сляба на выходе из установки

Рис. 7. Изменение температуры длинной стороны

256

294

Информационные технологии в управлении техническими системами и технологическими процессами

С целью наиболее полного вывода полученной информации была добавлена возможность построения графика изменения температуры для конкретной исследуемой точки (рис. 8).

Рис. 8. Температура в точках

При сравнении результатов моделирования с реальными измерениями была установлена их непротиворечивость. Таким образом, разработано программное обеспечение, реализующее расчет температурного поля слитка в УНРС, а также сопоставляющее зоны охрупчивания с расположением слитка, что позволяет прогнозировать появление дефектов.

Литература

1.БЕРЕСТЮКОВ Е.В. Производство непрерывнолитых слябов из конвертной стали / ОАО «НЛМК». – Липецк, 2016. – 258 с.

2.ЗИНКЕВИЧ О.С. Метод конечных элементов в технике / пер.

сангл. – М.: Мир, 1975. – 539 с.

3.ПАРШИН В.М., БУЛАНОВ Л.В. Непрерывная разнивка ста-

ли / ОАО «НЛМК». – Липецк, 2011. – 221 с.

257

295

Управление большими системами. Выпуск XX

4.РУМЯНЦЕВ А.В. Метод конечных элементов в задаче те-

плопроводности: учеб. пособие. – Калининград: Изд-во Ка-

линингр. ун-та, 1995. – 170 с.

5.СЕГЕРЛИНД Л. Применение метода конечных элементов.

пер. с англ. – М.: Мир, 1979. – 539 с.

6.ГАЛКИН А.В, КУЗИНА Н.Е., ПИМЕНОВ В.А. Математи-

ческое моделирование теплового режима процесса остывания и затвердевания слитка в УНРС // Управление большими системами (УБС’2014) / ИПУ РАН. – М., 2014. – С. 961–972.

7.ТИХОНОВ А.Н., САМАРСКИЙ А.А. Уравнения матема-

тической физики: учеб. пособие. – 5-е изд. – М.: Наука, 1977. – 742 с.

DEVELOPMENT OF SOFTWARE FOR SIMULATION THE COOLING PRECESS IN A CONTINUOUS CASTING PLANT (THE STEEL CONTINUOUS CASTING PLANT)

Alexander Galkin, Lipetsk State Technical University, Lipetsk, candidate of technical sciences, assistant professor (avgalkin82@mail.ru). Tyrin Dminry, Lipetsk State Technical University, Lipetsk, student (dimedrius@mail.ru).

Pimenov Vladimir, NLMK, Lipetsk, candidate of technical sciences, senior researcher (pimenov_va@nlmk.com).

Abstract: In that work we study the dynamics of the change in the temperature of a slab during the passage of a continuous steel casting machine by simulation in a computer. Presented mathematical model of ingot cooling in the steel continuous casting plant and realizing this software model with visualization of the slab temperature field.

Keywords: steel continuous casting plant, finite element technique, heat equation.

258

296

Информационные технологии в управлении техническими системами и технологическими процессами

УДК 004.31 ББК 32.81

РЕАЛИЗАЦИЯ САМОСИНХРОННЫХ СХЕМ НА ПЛИС

А.В. Греков1, Ю.Р. Федосюк2, В.Г. Пацура3

(Пермский военный институт войск национальной гвардии Российской Федерации, Пермь)

В статье рассмотрены особенности построения самосинхронных схем при использовании программных логических интегральных схем (ПЛИС), приведена их классификация, а также проанализированы основные отличия от синхронного подхода к проектированию. Приводится анализ факторов, влияющих на скорость работы схем, и рассмотрены преимущества и недостатки самосинхронных схем. Использование программируемых логических интегральных схем способствует созданию гибкой и эффективной системы управления.

Ключевые слова: самосинхронная схема, микропроцессор, программируемая логическая интегральная схема, цифровые схемы, анализ параметров.

До настоящего времени традиционным подходом к построению цифровых схем являлся синхронный подход (рис. 1) с использованием глобального дерева синхронизации (рис. 2). Синхронизация работы синхронных схем осуществляется при помощи глобальных цепей распространения тактового сигнала (тактового дерева).

С увеличением размера кристалла и сложности схемы разработка такого тактового дерева становится затруднительной.

1Артем Владимирович Греков, кандидат технических наук (grekartemvl@mail.ru).

2Юрий Романович Федосюк, курсант.

3Виктория Геннадьевна Пацура, курсант (patsura_v@mail.ru).

259

297

Управление большими системами. Выпуск XX

Большое количество буферных элементов и длинные соединительные линии вызывают расфазировку и дрожание фронта тактового сигнала на тактовых входах триггерных элементов схемы, из-за чего в итоге происходит задержка во времени распространения сигналов от триггера до триггера и снижается быстродействие.

Рис. 1. Синхронный подход к проектированию схем

Рис. 2. Глобальное дерево синхронизации

Одним из способов решения этой проблемы является использование локальных методов тактирования, к которым относится самосинхронизация. Особенностью самосинхронных схем является отсутствие глобальных тактовых сигналов, используемых в синхронной схемотехнике.

Самосинхронная схемотехника (рис. 3) является одним из способов локального решения проблемы синхронизации работы схемы. В отличие от синхронного подхода к проектированию, где для синхронизации работы схемы используется глобальная цепь распространения тактового сигнала с высокими требованиями к расфазировке и дрожанию фронта, в самосинхронных

260

298

Информационные технологии в управлении техническими системами и технологическими процессами

схемах синхронизация работы осуществляется за счет непосредственного определения моментов окончания переходных процессов в отдельных блоках схемы и использования этих сигналов для синхронизации соседних блоков. Таким образом, скорость работы схемы определяется исключительно задержками распространения сигнала в схеме и является максимально возможной для текущих условий (температуры, напряжения питания), параметров полупроводниковой структуры и обрабатываемых данных.

Рис. 3. Построение самосинхронной схемы

При самосинхронном подходе (рис. 4) каждый комбинационный блок после завершения переходных процессов должен вырабатывать сигнал готовности приема следующих данных, по которому осуществляется синхронизация предыдущих блоков, обеспечивая тем самым логическое упорядочивание событий в схеме.

Рис. 4. Самосинхронный подход к проектированию схем

Блок, вырабатывающий сигнал окончания переходного процесса, называется блоком индикации. Данные между логическими блоками передаются с применением некоторого протокола передачи, который обеспечивает синхронизацию информации. В задачу протокола входит сопровождение передаваемых

261

299

Управление большими системами. Выпуск XX

данных парой «запрос/подтверждение», которая обеспечивает синхронизацию на локальном участке схемы.

Разработчикам синхронных схем не нужно отслеживать порядок прохождения данных через блоки – это делается автоматически при использовании глобального тактового сигнала и проверке соблюдения ограничений проекта. Поскольку в самосинхронных схемах отсутствуют тактовые сигналы, такие схемы характеризуются низким уровнем электромагнитного излучения, которое возникает в синхронных схемах в результате пиков потребления мощности при одновременном переключении большого количества триггеров по фронту тактового сигнала. В самосинхронных схемах переключение элементов происходит не периодически с какой-то частотой, а по мере поступления данных, в различные моменты времени. Кроме того, эта особенность самосинхронных схем приводит к уменьшению пикового тока потребления схемы, что может иметь большое значение для устройств без собственного источника питания, например меток радиочастотной идентификации.

Можно выделить два типа самосинхронных схем.

1. Строгосамосинхронные схемы – являются полностью нечувствительными к задержкам (Delay-Insensitive), не создают никаких временных ограничений и задержек распространения сигнала. В индикаторных блоках схемы реализован непосредственный контроль окончания переходных процессов.

2. Квазисамосинхронные схемы – в данном классе схем нет непосредственного контроля окончания переходного процесса. Одним из способов реализации таких схем является использование линий задержки для оценки времени окончания переходного процесса. Задержка должна соответствовать худшему случаю работы части схемы [4]. Такое решение, в отличие от синхронных схем, где скорость работы соответствует наихудшему случаю работы всей схемы, позволяет ограничить скорость работы наихудшим случаем работы только отдельного блока.

Для реализации самосинхронной схемы используют программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС).

FPGA (Field programmable gate arrays) или ПЛИС – цифро-

вые интегральные схемы, которые представляют собой набор

262

300