BRPI0905386B1 - Sistema de computador para avaliação de variáveis de sensor criticas à segurança - Google Patents

Sistema de computador para avaliação de variáveis de sensor criticas à segurança Download PDF

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Abstract

sistema de computador para avaliação de variáveis de sensor criticas à segurança uma descrição é dada de um sistema de computador para avaliação de variáveis de sensor críticas à segurança, com pelo menos um sensor, o qual fornece uma primeira variável de sensor, e com um segundo sensor, o qual fornece uma segunda variável de senso, com um computador, e com um comparador independente do computador, sendo que o computador calcula, a partir da primeira variável de sensor por meio de uma primeira função, uma variável de saída, sendo que o computador calcula, a partir da variável de saída por meio de uma segunda função, uma variável de comparação, e sendo que na entrada do comparador encontram-se a variável de comparação e a segunda variável de sensor. a segunda variável de sensor não é nenhuma variável de entrada do computador, e se diferencia através de seu valor quantitativo da primeira variável de sensor. através de cálculos do computador e eventualmente do comparador é determinada, a partir variável de saída calculada, uma variável de comparação esperada para a segunda variável de sensor, e verificada pelo comparador a coincidência de ambas variáveis. por meio disso podem ser reveladas determinados erros internos do computador.

Description

“SISTEMA DE COMPUTADOR PARA AVALIAÇÃO DE VARIÁVEIS DE SENSOR CRITICAS À SEGURANÇA
Campo da invenção [0001] A presente invenção refere-se a um sistema de computador para avaliação de variáveis de sensor criticas à segurança conforme o conceito geral da reivindicação 1 ou 2. Antecedentes da invenção [0002] A IEC 61508 é uma norma internacional para criação de sistemas elétricos, eletrônicos e eletrônicos programáveis, que realizam uma função de segurança. Ela é estabelecida pela comissão eletrotécnica internacional (IEC International Electrotecnical Comission). A IEC 61508 define para o nível de integridade de segurança 3 determinados valores mínimos técnico de hardware, por exemplo, para FIT (failure in time: falha no tempo) e SFF (safe failure fraction: fração de falha de segurança), os quais podem ser conseguidos usualmente só através de medidas técnicas de programa adicionais. Particularmente, a verificação da segurança contra erros de cálculo da CPU representa uma parte importante da verificação total da integridade de segurança.
[0003] Até agora, para a proteção contra erros de cálculo são utilizados dois circuitos integrados micro-controladores diferentes ou pelo menos duas linhas de cálculo paralelas em um circuito integrado. Ocasionalmente, utilizam-se também linhas de cálculo inversas, descritas, por exemplo, na aplicação de patente alemã DE 42 19 457. Uma solução com dois circuitos integrados torna-se significativamente cara para a produção em massa e nas soluções apresentadas até agora em um único circuito integrado pode-se verificar a segurança funcional somente de forma limitada ou somente com hardware
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2/11 adicional, já que, para erros internos, a CPU calcula errado do mesmo modo nas trajetórias de cálculo paralelas ou inversas. Erros de CPU podem ficar sob circunstâncias sem ser descobertos. Falta a simples verificação de que a CPU não tenha calculado do mesmo modo errado em ambas as trajetórias de cálculo e para a comparação dos resultados tem-se dois resultados iguais, porém errados, ou no caso de linhas de cálculo inversas, a CPU através de erros, por exemplo, omite ambas as linhas de cálculo e são comparados diretamente duas variáveis de entrada.
Sumário da invenção [0004] O objetivo da invenção é disponibilizar um sistema computacional para a avaliação de variáveis de sensor criticas para a segurança, o qual de forma verificável alcança uma particularmente alta integridade de segurança, sem precisar-se de um teste de CPU separado e exaustivo.
[0005] Essa tarefa é solucionada, conforme a invenção, respectivamente através dos aspectos característicos da reivindicação 1 e da reivindicação 2.
[0006] Conforme a invenção, ao sistema computacional pertencem pelo menos dois sensores, os quais, fornecem variáveis de sensor diferentes qualitativamente ou pelo menos quantitativamente para um estado de sistema a ser detectado. Presume-se que existe uma relação funcional conhecida entre as variáveis de saída de ambos sensores.
[0007] A variável de sensor de um primeiro sensor localiza-se em uma entrada do computador, o qual a partir dele calcula uma variável de saída, a qual, para efeito de uso prático, é disponibilizada por exemplo, como variável de controle para um atuador. A partir dessa variável de saída é
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3/11 calculada, em uma etapa posterior, uma variável de comparação, a qual corresponde à variável de sensor esperada do segundo sensor. Essa variável de comparação é subministrada pelo computador ao um comparador externo, o qual compara a variável de comparação com a variável de sensor real completamente desconhecida pelo computador em relação a coincidência. Um resultado de comparação positivo fala da integridade de segurança da CPU e do cálculo, acontecendo corretamente, da variável de saída. Ao mesmo tempo permanece contida a verificação, conhecida do estado da técnica, sobre a função correta dos sensores envolvidos, à qual envia-se um comparador em princípio.
[0008] A ideia da invenção é, dessa forma, acompanhar qualitativa ou também somente quantitativamente diferentes sensores que fornecem diferentes métricas ou pelo menos diferentes valores e com isso, durante o processamento, e a saber independente do algoritmo utilizado(paralelo/inverso/inversor/complementar/calcular de volta), cuidar de diferentes níveis de dados a cada momento.
[0009] Em nenhum momento a CPU tem condição de oferecer as variáveis de comparação de outra forma (por exemplo, por meio de copia da primeira variável de sensor), que através do resultado de um cálculo ocorrendo corretamente. Para verificação da integridade de segurança da CPU é fundamental então uma comparação das variáveis de comparação e da segunda variável de sensor. A variável de comparação e o valor ate agora desconhecido pelo sistema de computador de uma fonte de dados adicional independente são comparados (possivelmente em uma faixa de tolerância compensada dos desvios possíveis, por exemplo, inexatidões dos sensores). Esse valor é dado por
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4/11 meio da segunda variável de sensor.
[0010] Como a segunda variável de sensor está disponível somente de modo cru, também sem ter sido tocada absolutamente não processada pela CPU, a comparação oferece, nesta posição, um resultado que depende somente da integridade da CPU do sistema de computador (circuito integrado).
[0011] Uma condição aqui é a ausência de erros de ambos sensores, ou de suas próprias CPU, as quais podem ser verificadas e tidas como seguras somente através de métricas independentes.
[0012] Concretizações e novos desenvolvimentos vantajosos das invenções partem das reivindicações dependentes e da descrição feita a seguir de um exemplo de concretização com ajuda das figuras.
Breve descrição das figuras
[0013] As figuras 1 e 2 mostram um exemplo de
concretização de um sistema de computador de acordo com a
presente invenção;
[0014] As figuras 3 e 4 mostram um exemplo de
concretização de um sistema de computador, de acordo com o
estado da técnica; e [0015] A figura 5 mostra um exemplo de aplicação para um sistema de computador.
Descrição detalhada da invenção [0016] A figura 3 mostra um sistema de computador de acordo com o estado da técnica. Aqui é apresentada uma representação muito simplificada do sistema de computador descrito na figura 3 da patente alemã DE 42 19 457 A1. Somente são representados os componentes que são necessários para a explicação dos problemas que levaram à invenção.
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5/11 [0017] Na figura 3 tem-se um circuito integrado-bloco de construção computacional, também microcomputador ou microcontrolador, o qual será denominado doravante como computador MC. O computador MC recebe as variáveis de sensor (e, eR) fornecidos por dois sensores (S1, S2) . As variáveis de sensor (e, eR) são previstas aqui como valores digitais, sendo porém que os sensores (S1, S2) também podem fornecer em princípio sinais analógicos, os quais são digitalizados no interior do computador.
[0018] A partir da variável de sensor e do primeiro sensor S1, o computador MC calcula por meio de uma função f1 uma variável de saída s, a qual é fornecida em uma saída do computador MC, e por exemplo, pode ser utilizada para o controle de um atuador não representado.
[0019] Em uma outra etapa, computador MC calcula por meio de uma função f2, a partir da variável de saída a, uma variável de comparação e'. Como a patente alemã DE 42 19 457 A1 descreve a função f2 como a função f1 inversa em relação à primeira variável de entrada e, obtém-se, no correto funcionamento do computador MC, uma variável de comparação e', que coincide com a variável de entrada original e do primeiro sensor S1.
[0020] Isto pode ser verificado por cálculos internos através da comparação (e=e?) das variáveis e e e'. Além disso, é proposta uma verificação da primeira e da segunda variável de sensor em relação a coincidência (e = eR?). Com isso estabelece-se que os sensores (S1, S2), denominados como redundantes, fornecem quantitativamente o mesmo tipo de variáveis de sensor (e, eR).
[0021] Como um computador MC que não funciona corretamente
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6/11 em princípio pode fornecer também falsas comparações, previsto um comparador V externo em relação ao computador MC. Esse comparador V compara a variável de sensor eR do segundo sensor S2 com a variável de sensor e' calculada. Devido às identidades (e = eR e e = e') estabelecidas acima, a comparação deve confirmar também, para o correto funcionamento dos sensores (S1, S2) e um computador MC trabalhando sem erros, a identidade das variáveis comparativas (e', eR).
[0022] Problemático é que podem ficar ocultas determinados erros do sistema de computador. Como a figura 4 apresenta esquematicamente, aparece um problema quando a primeira variável de sensor e, sem que tenha sido feito um cálculo, chega como suposta variável de comparação e' calculada à saída do computador MC. Isto pode acontecer, por exemplo, devido a que a primeira variável de sensor e é lida em um registro do computador MC, e a partir desse registro, em um momento posterior, é lida como suposta variável de comparação e' calculada, e enviada para a saída do computador MC, sem que realmente um cálculo por meio das funções f1 e f2 tenha acontecido.
[0023] Como ambas as variáveis de sensor e e eR já são previstas como idênticas na entrada, a comparação de e' e eR realizada pelo comparador V fornece, com isso, também uma coincidência. O comparador V não está então na posição de revelar o erro de computador descrito.
[0024] Um outro cenário de erro é dado quando o computador
MC tanto no cálculo da função f1 como também no cálculo da função f2, respectivamente, comete um erro e esses erros se cancelam um com o outro. Também aqui, nem comparações
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7/11 calculadas internamente, nem comparações calculadas externamente podem reconhecer o erro acontecendo.
[0025] Como exemplo disso tem-se um assim chamado erro de sinal acontecendo sistematicamente, o qual se cancela novamente depois de duas etapas de cálculo com erros. Para isso, a variável de saída a calculada através da primeira etapa de cálculo fica ainda com erros, o qual pode ter um efeito critico à segurança.
[0026] Essa possibilidade de erro são eliminadas através do sistema de computador segundo a invenção, como deverá ser explicado a seguir com ajuda da figura 1. Para o esclarecimento das características comuns e das diferenças em relação à técnica anterior descrita anteriormente foram mantidas parcialmente as denominações das figuras 3 e 4.
[0027] Primeiramente é importante que os sensores (S1, S2) de fato forneçam as variáveis de sensor redundantes (e1, e2), ou seja, sinais independentes que apresentam, em relação ao estado de sistema a ser capturado, um conteúdo de informação do mesmo tipo, mas cujos valores de sinal em nenhum caso são iguais. As variáveis de sensor (e1, e2) dos sensores S1 e S2 estão em uma relação funcional conhecida que é dada por uma função g. Esta função g pode ser quase qualquer uma, porém não pode ser a função de identidade, já que isto levaria novamente aos problemas já descritos.
[0028] Por essa razão, a segunda variável de sensor e2 é prevista somente para uma comparação externa e por isso, não é fornecida ao computador MC.
[0029] Um terceiro requerimento é que a função f2 para o cálculo da variável de comparação V não seja dada através da função inversa à primeira função f1, mas considerando a
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8/11 relação funcional g entre a primeira variável de sensor e a segunda variável de sensor (e1, e2) . A função f2 resulta por isso vantajosamente como a concatenação da função f1 inversa da função f1 com a função g:
V = f2 (a) = (g o f1) (a) [0030] Em um cálculo realizado corretamente o valor v na saída coincide com o segundo valor de sensor e2 o que é verificado (v = v2?) pelo comparador V.
[0031] Os cenários de erro descritos anteriormente são aqui impossíveis, já que a segunda variável de sensor e2 não se apresenta em nenhuma posição do cálculo como valor de entrada e com isso pode se apresentar somente como resultado de um cálculo ocorrendo corretamente.
[0032] A relação funcional g entre as variáveis de sensor (e1, e2) de ambos os sensores (S1, S2) pode ser dada no caso mais simples como uma constante K adicionada:
e2 = e1 + K [0033] Dessa forma pode ser previsto, por exemplo, que para sensores de ângulo, o segundo sensor S2 apresenta um deslocamento angular constante em relação ao primeiro sensor S1.
[0034] Alternativamente pode ser previsto também que a segunda variável de sensor e2 seja um múltiplo da primeira variável de sensor e1:
e2 = k e1 [0035] Naturalmente, uma relação mais complexa pode existir entre as variáveis de sensor (e1, e2). Particularmente, podem ser previstos dois sensores, os quais possibilitem as variáveis de sensor segundo princípios de medição fisicamente diferentes, de modo que é dada a priori
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9/11 uma relação mais ou menos mais complexa entre as variáveis de sensor (e1z e2) .
[0036] Na figura 5 é representado um sensoriamento para a captação de um ângulo de rotação, para o qual a utilização do sistema de computador proposto pode ser vantajosa. Uma roda de acionamento 1, cujo ângulo de rotação deve ser determinado, aciona duas rodas de medição (2, 3) com raios diferentes. A cada uma das rodas de medição (2, 3) está unido um magneto (4, 5), o qual junto com a respectiva roda de medição (2, 3) pode ser girado em relação a um sensor Hall (6, 7) arranjado de forma fixa. Os ângulos de rotação captados por ambos os sensores (6, 7) são, portanto, diferentes em um fator constante, o qual resulta das relações de transmissão diferentes de ambas as rodas de medição (2, 3) para a roda de acionamento 1.
[0037] A figura 2 apresenta esquematicamente uma concretização vantajosa do sistema de computação representado na figura 1. Para o sistema de computação segundo a figura 1, a integridade de segurança do próprio comparador V no fim da cadeia de processamento é dada tal como previsto ou é fornecida separada a verificação normalizada para isso.
[0038] Presume-se que a relação funcional entre a primeira e a segunda variável de sensor (e1, e2) pode ser representada através de uma concatenação de duas funções h e g, de modo que:
e2 = (h o g) (e1)
[0039] Dentro do computador MC é realizado o cálculo já
descrito com ajuda da figura 1, o qual leva aqui à primeira
variável de sensor
v1= f2(a) = (g o f1)(a)
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10/11 [0040]
Porém, como a relação funcional entre a primeira e a segunda variável (e1, e2) aqui não é mais dada através de g, mas através da concatenação h o g, a primeira variável de comparação v1 que chega ao comparador V não é apropriada para ser comparada com a segunda variável de sensor e2.
[0041] O comparador V calcula, portanto, por meio da função h a partir da primeira variável de sensor v1 através da relação:
v2 = h(v1) [0042] uma segunda variável de sensor v2 a qual devido às relações:
v2 = h(v1) = h o (g o f1) (a) = (h o g) o f 1 (a) = (h o g) (e1) = e2 tem que coincidir com a segunda variável de sensor e2 em um modo de funcionamento correto do computador MC e do comparador V.
[0043] A partir de um resultado de comparação positivo pode-se concluir que tanto o computador MC como também o comparador V realizam cálculos corretos. Dessa forma esta variante de concretização possibilita uma verificação de função simultânea tanto do computador MC, como também das trajetórias de cálculo do comparador V.
Legenda
MC
S1, S2 computador (micro-controlador) sensores comparador variável de saída e, eR, e1, e2 variáveis de sensor
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11/11
e' variável de comparação
f1, f2, g, h funções
função inversa (função f1)
v variável de comparação
V1 primeira variável de comparação
V2 segunda variável de comparação
K constante adicionada
k fator constante
1 roda de acionamento
2, 3 rodas de medição
4, 5 magnetos
6, 7 sensores Hall
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Claims (5)

  1. REIVINDICAÇÕES
    1. Sistema de computador para avaliação de variáveis de sensor criticas à segurança, com pelo menos um sensor (S1), o qual fornece uma primeira variável de sensor (e, e1) , e com um segundo sensor (S2), o qual fornece uma segunda variável de sensor (eR, e2), com um computador (MC), e com um comparador (V) independente do computador (MC), sendo que o computador (MC) calcula, a partir da primeira variável de sensor (e, e1) por meio de uma primeira função
    (f1), uma variável de saída (a), sendo que o computador calcular, a partir da variável de saída (a) por meio de uma segunda função (f2), uma variável
    de comparação (e', v, v1), e sendo que na entrada do comparador (V) encontram-se a variável de comparação (e', v, v1) e a segunda variável de sensor (eR, e2) , sendo que a segunda variável de sensor (e2) não ser nenhuma variável de entrada do computador (MC), caracterizado pelo fato de a segunda variável de sensor (e2) e a primeira variável de sensor (e1) estarem em uma relação (e2=g(e1)) dada por uma terceira função (g), sendo que a terceira função (g) não é a função de identidade, sendo que a segunda função (f2) é dada através de uma concatenação (f2 = g o f1) da terceira função (g) com a primeira função inversa (f1); e sendo que o comparador (V) compara a variável de sensor (v) com a segunda variável de sensor (e2).
  2. 2. Sistema de computador para avaliação de variáveis de sensor criticas à segurança, com pelo menos um sensor (S1), o qual fornece uma primeira variável de sensor (e, e1), e com
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    2/3 um segundo sensor (S2), o qual fornece uma segunda variável de sensor (eR, e2) , com um computador (MC) , e com um comparador (V) independente do computador (MC), sendo que o computador (MC) calcula, a partir da primeira variável de sensor (e, e1) por meio de uma primeira função
    (f1), uma variável de saída (a), sendo que o computador calcular, a partir da variável de saída (a) por meio de uma segunda função (f2), uma variável
    de comparação (e', v, v1), e sendo que na entrada do comparador (V) encontram-se a variável de comparação (e r , v, v1) e a segunda variável de sensor (eR, e2) , sendo que a segunda variável de sensor (e2)
    não ser nenhuma variável de entrada do computador (MC), caracterizado pelo fato de a relação entre a segunda variável de sensor (e2) e a primeira variável de sensor (e1) poder ser representada através de duas funções compostas entre si (h o g), sendo que nenhuma das funções (h, g) compostas entre si e nem a relação representada através da concatenação (h o g) entre as variáveis de sensor (e1, e2) é dada através da função de identidade, sendo que o computador (MC) utiliza uma das funções (g) compostas para calcular uma primeira variável de sensor (v1), e sendo que o comparador (V) calcula, a partir da primeira variável de comparação (v1) por meio da outra (h) das funções compostas entre si, uma segunda variável de comparação (v2) e a utiliza para comparação com a segunda variável de sensor (e2).
  3. 3. Sistema de computador, de acordo com a reivindicação 1,
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    3/3 caracterizado pelo fato de a segunda variável de sensor (e2) se diferenciar da primeira variável de sensor (e1) através de uma constante adicionada (K).
  4. 4. Sistema de computador, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a segunda variável de sensor (e2) se diferenciar da primeira variável de sensor (e1) através de um fator constante (k).
  5. 5. Sistema de computador, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o primeiro sensor (S1) e o segundo sensor (S2) capturam variáveis fisicamente diferentes.
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