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Plan de Proyecto del Trabajo Final de Carrera de Especialización de Sistemas Embebidos
Facultad de Ingeniería - UBA
Sistema de enclavamiento en FPGA con niveles adecuados de
desempeño RAMS
Autor: Ing. Martín Nicolás Menéndez
Director del trabajo: Dr. Ing. Ariel Lutenberg
Co Director del trabajo: Mg. Ing. Facundo Larosa
Jurados:
Esp. Ing. Nicolás Dassieu Blanchet
Esp. Ing. Pedro Martos
Esp. Ing. Nicolás Álvarez
Contenido
Martín Nicolás Menéndez
01-Introducción
02-Stakeholders
03-Propósito
04-Alcance
05-Requerimientos
06-Activity-On-Node(AON)
07-Diagrama de Gantt
08-Gestión de riesgos
09-Gestión de calidad
Introducción¿Qué es un enclavamiento?
¿Por qué es necesario?
¿Qué es un nivel RAMS?
¿Por qué utilizar una FPGA?
01
Martín Nicolás Menéndez
¿QUÉ ES UN ENCLAVAMIENTO?
4
Un enclavamiento es un sistema ferroviario que controla en forma automática que los cambios de vías se produzcan en forma segura, evitando descarrilamientos y choques de trenes.
Señal de distancia a Señal de entada Señal de salida Señal para maniobra
VÍA 3
VÍA 1
VÍA 2
Hacia estación X Hacia estación YA B
¿POR QUÉ ES NECESARIO?
5
En Argentina los enclavamientos tienen entre 40 y 100 años de antigüedad.País Año Fallecidos Heridos Razón
Italia 2018 3 +100 Rotura de enclavamiento
España 2006 41 47 Desconocido
EE.UU. 2017 3 +100 Falla en enclavamiento
México 1982 30 50 Falla en enclavamiento
EE.UU. 2018 2 +100 Desconocido
India 2017 23 150 Falla en enclavamiento
Ciudad Año Fallecidos Heridos Descripción ¿Evitable?
Palermo 1949 18 80 Choque de trenes Evitable
Benavidez 1970 236 400 Choque de trenes Evitable
Brandsen 1978 34 74 Choque de trenes Evitable
Quilmes 1982 30 50 Choque de trenes Evitable
Castelar 2013 3 315 Choque de trenes Evitable
1.Comprar soluciones cerradas a firmas extranjeras, lo que crea una fuerte dependenciatecnológica y un gasto muy considerable, del orden de cientos de millones de dólares anuales.
2.Continuar operando los sistemas ferroviarios bajo condiciones de seguridad deficientes.
3.Realizar el desarrollo de sistemas nacionales para mejorar la seguridad ferroviaria.
NIVEL RELATIVO DE REDUCCIÓN DEL RIESGO QUE PROVEE UNA FUNCIÓN DE SEGURIDAD
Safety Integrity LeveL (SIL)
6
SIL 2
SIL 1
SIL 3
SIL 4 >99.99%:1 en 110mil años
99.9%:1 en 11mil años
99%:1 en 1mil años
90%:1 en 110 añosSensor térmico
Sensor de flujo de líquidos riesgosos
Sensor en área riesgospor cortes con LASER
Control en planta de energía nuclear
Todos los sistemas que deban ser certificados en cualquier categoría SIL, necesitan de una Evaluación Independiente
Safety
Mainteinability
Reliability
Availability
Parámetros RAMS ferroviarios
7
Fiabilidad: Probabilidad de buen funcionamiento
Disponibilidad: Tiempo que el sistema es funcional y trabaja
Mantenibilidad: Habilidad de un sistema para permitir cambios
Seguridad: Protección para no perder o entregar información
Pueden mejorar la calidad del servicio que prestan
La especificación y demostración de los requisitos RAMS deberán ajustarse a las especificaciones de la norma EN 50126
Permite medir el nivel de confianza de un sistema
Estrategias de redundancia
8
Diversidad de plataformas de hardware
La redundancia es obligatoria en sistemas críticos para obtener un sistema tolerante a fallas
2 de 3
Triple redundancia modular
2 de 3
StakeholdersInvolucrados, interesados y colaboradores
02
Martín Nicolás Menéndez
STAKEHOLDERS
10
Rol Nombre y Apellido Departamento Puesto
Auspiciante Pablo Gómez GICSAFe(CONICET) Co-director posgrado
Cliente Ariel Lutenberg GICSAFe(CONICET) Director
Impulsor Ariel Lutenberg GICSAFe(CONICET) Director Trabajo final / posgrado
Responsable Martín Nicolás Menéndez GICSAFe(CONICET) Investigador
Colaboradores Facundo Larosa GICSAFe(CONICET) Co-director Trabajo Final
Orientadores Ariel Lutenberg GICSAFe(CONICET) Director Trabajo final / posgrado
Equipo Martín Nicolás Menéndez GICSAFe(CONICET) Investigador
Usuario Final Profesionales I+D GICSAFe(CONICET) Miembros
GICSAFe
Martín Nicolás Menéndez
Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas
Grupo de Investigación en Calidad y Seguridad de las Aplicaciones Ferroviarias
PROPÓSITONormativas RAMS sobre un kit de desarrollo FPGA
03
Martín Nicolás Menéndez
PROBLEMAS A RESOLVER
PROPÓSITO
12
Estado del arte en sistemas ferroviarios altamente críticos.
• Diseñar• Implementar• Probar Sistema de enclavamiento
Pruebas funcionales
Kit de desarrollo
IEC 6158
EN-50126(Ciclo de vida)
EN-50128(Técnica de software)
EN-50129(Técnica de hardware)
Circuito discreto System-On-Chip (SOC)FPGA
Redundancias
{Metodología de trabajo
ALCANCE¿Qué incluye el proyecto?
¿Qué no será incluido?
04
Martín Nicolás Menéndez
INCLUSIONES, EXCLUSIONES Y SUPUESTOS
ALCANCE
14
Incluye Excluye Supone
Estudio de normas y requisitos RAMS Maqueta ferroviaria Conocimiento necesario alcanzable
Diseño de arquitectura Cambio de vías mecánico Tiempo suficiente
Implementación en Verilog Conversores de potencia Materiales disponibles
Simulaciones de la solución Actuar en vías reales Dificultad incremental tolerable
Análisis de rendimiento RAMS Prototipos y/o interfaces
Documentación
REQUERIMIENTOSHardware & Software
05
Martín Nicolás Menéndez
CONSIDERANDO UN BAJO CONOCIMIENTO DE FPGA
REQUERIMIENTOS
16
Lógica combinacional
Memoria
Pruebas
Comunicación
Palancas
Señales de vías
SISTEMA PRIMARIO
SISTEMA SECUNDARIO
CONSIDERANDO UN BAJO CONOCIMIENTO DE FPGA
REQUERIMIENTOS
17
Sistema Función
de señal de palancas Recibir entradas y asignar valores lógicos, generando un vector de entrada.
de lógica combinacional Procesar las entradas (palancas) y estados actuales (palancas y señalizaciones). Generar una señal de control.
de memoria Almacenar los estados actuales del sistema (Flip Flops)
de señales de vías Leer estados de vías y señalización. Generar las señales para modificarlos.
de comunicación Dar información al exterior por una interfaz UART del estado del sistema
de pruebas Realizar pruebas de las funcionalidades de cada módulo o simular
1. Cantidad de palancas: 162. Tipos de datos : A definir3. Tamaño de datos : A definir4. Frecuencia : A definir5. Codificación : A definir
06-ACTIVITY-ON-NODE(AON)Etapas del proyecto
06
Martín Nicolás Menéndez
ETAPAS DEL PROYECTO
ACTIVITY-ON-NODE(AIN)
19
DIAGRAMA DE GANTTTareas a realizar
07
Martín Nicolás Menéndez
MEDICIONES EN HORAS
DIAGRAMA DE GANTT
21
MEDICIONES EN HORAS
DIAGRAMA DE GANTT
22
60
80
70
105125
125
60
75
Etapa I: Planificación
Etapa II: Estudio
Etapa III: Diseño
Etapa IV: Análisis
Etapa V: Implementación
Etapa VI: Pruebas unitarias
Etapa VII: Pruebas de integración
Etapa VIII: Cierre
GESTIÓN DE RIESGOSPosibles contratiempos y como solucionarlos
08
Martín Nicolás Menéndez
TODO LO QUE PUEDE SALIR MAL Y COMO EVITARLO
GESTIÓN DE RIESGOS
24
Riesgo Severidad Ocurrencia RPN Mitigación Severidad* Ocurrencia* RPN*
Pérdida o rotura del kit de desarrollo 9 2 18 - 9 2 18
Capacidad o potencia insuficiente 7 6 42 Conseguir kit más potente 6 5 30
Imposibilidad de cumplir los plazos planteados 7 6 42 Consultar, incrementar horas 6 5 30
Imposibilidad de alcanzar los requerimientos de seguridad 7 6 42 Consultar, variar metodologías 6 5 30
Falta de recursos humanos y/o tiempo para desarrollo 7 3 21 - 7 3 21
Pérdida de comunicación con interesados del proyecto 7 5 35 - 7 5 35
Imposibilidad de sintetizar el circuito óptimo 8 2 16 - 8 2 16
Falta de tiempo para adquirir los conocimientos necesarios 7 2 14 - 7 2 14
Impracticabilidad de las metodologías 9 3 27 - 9 3 27
GESTIÓN DE CALIDADControl de lo logrado – Refinamiento de resultados
09
Martín Nicolás Menéndez
COMO VERIFICAR LOS RESULTADOS OBTENIDOS
GESTIÓN DE CALIDAD
26
Etapa III : Diseño 70
Diseño preliminar de módulo de palancas 10
Diseño preliminar de módulo de comunicación 10
Diseño preliminar de módulo de pruebas 10
Diseño preliminar de módulo de lógica combinacional 10
Diseño preliminar de módulo de memoria 10
Diseño preliminar de módulo de cambios de vías 10
Diseño preliminar de módulo de señalización ferroviaria 10
Etapa VII : Pruebas de integración 60
Simulación del sistema total 20
Pruebas de campo 20
Pruebas de calidad RAMS 20VERIFICACIÓN: ANTES DE IMPLEMENTAR, ¿SE
CUMPLEN LOS REQUERIMIENTOS?
VALIDACIÓN: LUEGO DE IMPLEMENTAR
¿SE CUMPLE LO PEDIDO?
¡EL 19% DEL TRABAJO ES LA GESTIÓN DE CALIDAD!
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