Общественная информация

Газотурбинный двигатель (Gas turbine engine или Combustion turbine engine), также известный как газовая турбина, является одним из видов тепловых двигателей. Термин «газовая турбина» может охватывать широкий спектр моделей, и их основной принцип работы схож: к ним относятся, например, реактивные двигатели на газовых турбинах. Обычно под газотурбинным двигателем понимают те, которые используются в судах (в основном военных боевых кораблях), транспортных средствах (чаще всего крупногабаритных машин, способных вместить газовую турбину, таких как танки, технико-строительные машины и т.д.) и электрогенераторных установках. В отличие от турбинных двигателей, используемых для привода судов, газовые турбины не только приводят в движение компрессор, но и дополнительно приводят в действие приводной вал, который соединяется с трансмиссией транспортного средства, винтом судна или генератором.

Параллельная резервирующая система ИБП состоит из двух или более отдельных систем ИБП, выходы которых подключены параллельно к общей системе распределения электроэнергии. Обычно система конфигурируется как N+1 отдельные системы ИБП, где N систем достаточно для питания всей нагрузки, а дополнительная система служит резервной и называется N+1-параллельной резервирующей системой. Таким образом, даже при отказе одной системы ИБП, N+1-параллельная резервирующая система продолжает работать нормально.

По сравнению с одиночной системой, N+1-параллельная резервирующая система может увеличить выходную мощность и обеспечить дополнительную надежность (N+1-параллельная система не позволяет увеличивать мощность, только добавляет резервирование). Также можно объединить несколько отдельных систем ИБП в параллельную конфигурацию, чтобы увеличить мощность без добавления резервирования — такая система называется N+0-параллельной системой или просто N-параллельной системой.

Архитектура аппаратной резервации (Hardware Redundancy) — это технология обеспечения отказоустойчивости за счёт конфигурации дополнительных аппаратных ресурсов, являющаяся ключевым методом проектирования надёжности компьютерных систем. Основной принцип заключается в использовании резервирующих физических устройств или компонентов для устранения одиночных отказов, что позволяет системе продолжать нормальную работу при локальных аппаратных неисправностях [1] [3-4].

Эта технология подразделяется на статическую, динамическую и гибридную резервацию в зависимости от способа реализации. Статическая резервация использует механизм голосования для выключения неисправностей (например, система тройной резервации TMR), динамическая резервация осуществляется через переключение между основным и резервным режимами, а гибридная резервация сочетает в себе особенности обеих моделей [1] [4] [8]. Типичные примеры применения включают двойное питание, массивы жёстких дисков RAID, конфигурацию двух сетевых карт. В серверных, аэрокосмических и промышленных системах отказоустойчивость достигается с помощью архитектур «главный-резервный», архитектур с двойными ядрами с синхронизацией и других решений для обнаружения и восстановления отказов [3] [5-7].

Истоки резервационных технологий восходят к исследованиям по отказоустойчивому управлению фон Неймана, которые со временем, по мере роста требований к надёжности компьютерных систем, стали полноценной технической системой. В промышленной сфере применяется архитектура тройной резервации, например, архитектура 2×3 разнородных процессоров, используемая в компьютерах управления Boeing 777, что ознаменовало углубление применения аппаратной резервации в системах с высоким уровнем безопасности.

Компьютерный кластер, сокращённо кластер, представляет собой компьютерную систему, в которой набор разрозненных программных или аппаратных компонентов тесно взаимодействует друг с другом для выполнения вычислительных задач. В некотором смысле их можно рассматривать как один компьютер.
Введение
Отдельный компьютер в кластерной системе обычно называется узлом и, как правило, подключается через локальную сеть, хотя возможны и другие способы подключения. Кластерные компьютеры обычно используются для повышения скорости вычислений и/или надежности отдельных компьютеров, таких как рабочие станции или суперкомпьютеры. Как правило, кластерные компьютеры обладают значительно более высоким соотношением цены и производительности по сравнению с отдельными компьютерами. [1]
Кластерная классификация
Кластеры делятся на два типа: изоморфные и аниморфные. Их различие заключается в том, одинаковы ли архитектуры компьютеров, входящих в систему кластера. Компьютеры кластера по функционалу и структуре можно разделить на следующие категории [1]:

– Кластеры высокой доступности (High-Availability, HA)
– Кластеры с балансировкой нагрузки
– Кластеры для высокопроизводительных вычислений (High-Performance Computing, HPC)
– Грид-вычисления

Кластеры высокой доступности обычно означают, что если какой-либо узел кластера выходит из строя, задачи автоматически перенаправляются на другие исправные узлы. Также это может означать, что любой узел кластера может быть отключён для обслуживания, после чего снова включён, при этом не влияя на работу всего кластера.

Кластеры с балансировкой нагрузки работают путём распределения рабочих нагрузок между группой серверов задней панели с помощью одного или нескольких фронтенд-балансировщиков, что обеспечивает высокую производительность и высокую доступность всей системы. Такой кластерный комплексы иногда называют «фермой серверов» (Server Farm). Обычно кластеры высокой доступности и кластеры с балансировкой нагрузки используют схожие технологии или одновременно обладают характеристиками как высокой доступности, так и балансировки нагрузки.

Проект Linux Virtual Server (LVS) предоставляет наиболее распространённое программное обеспечение для балансировки нагрузки в операционной системе Linux [1].

Кластеры для высокопроизводительных вычислений используют метод распределения вычислительных задач между разными узлами кластера для повышения вычислительной мощности, поэтому в основном применяются в области научных вычислений. Наиболее популярные HPC-системы используют операционную систему Linux и другие бесплатные программы для выполнения параллельных вычислений. Такая конфигурация кластера часто называется кластером Beowulf. Эти кластеры обычно запускают специальные программы, чтобы максимально использовать параллельные возможности кластера HPC. Такие программы, как правило, используют специализированные библиотеки, например, библиотеку MPI, предназначенную специально для научных вычислений.

HPC-кластеры особенно подходят для вычислительных задач, в которых между узлами происходит значительная передача данных, например, когда результаты вычислений одного узла влияют на вычисления других узлов [1].

Грид-вычисления

Грид-вычисления или грид-кластеры — это технология, тесно связанная с кластерным вычислением. Основное отличие грида от традиционного кластера заключается в том, что грид соединяет группу взаимосвязанных, но неповеренных друг другу компьютеров, его работа больше напоминает общую вычислительную инфраструктуру, чем самостоятельный компьютер. Кроме того, грид обычно поддерживает больше различных типов наборов компьютеров, чем кластер.

Грид-вычисления оптимизированы для работы с множеством независимых задач, при этом данные не обмениваются между задачами в процессе вычислений. Грид в первую очередь служит для управления распределением задач между компьютерами, выполняющими независимые задачи. Ресурсы, такие как хранилища данных, могут использоваться всеми узлами, однако промежуточные результаты задач не влияют на ход выполнения задач на других узлах в грид.

Избыточное повторение или излишне длинные содержания (включая информацию, язык, код, структуру, сервисы, программное и аппаратное обеспечение и т.д.) называется избыточностью. Избыточность имеет два уровня значения: первый уровень относится к лишним, ненужным частям, второй — к искусственному добавлению повторяющихся элементов с целью создания резервной копии исходного отдельного элемента для повышения его безопасности. Такой подход широко применяется в информационно-коммуникационных системах.

Резервирование означает повторное настройку некоторых компонентов системы, при этом в случае отказа системы резервные компоненты берут на себя работу неисправного элемента, что сокращает время выхода из строя системы. Модульное резервирование предполагает использование комплексной модульной структуры [1] в составе системы: при отказе одного компонента структура может автоматически или вручную перестроиться, и другой компонент начинает выполнять функции неисправного, обеспечивая снижение уровня работы системы. За исключением неисправного компонента, остальные части системы продолжают нормально функционировать.

DCS (распределённая система управления) является ключевым оборудованием в области промышленной автоматизации, предназначенным для централизованного мониторинга и распределённого управления производственными процессами. В этой системе I/O-процессор, являясь важнейшим модулем для сбора данных и выполнения команд, напрямую влияет на скорость реагирования и стабильность системы.

Карта аналогового выхода PDP601 от METSO (VALMET) относится к контроллерам DPU в составе карт DCS. Она разработана специально для промышленных условий и способна обрабатывать задачи вывода аналоговых сигналов, что делает её пригодной для управления электродвигателями, регулирования температуры и других сценариев, требующих непрерывного регулирования сигналов.
1. Техническое принципиальное устройство и основные компоненты:
Основной функцией PDP601 является преобразование цифровых команд, поступающих от системы DCS, в аналоговые сигналы (например, ток 4–20 мА или напряжение 0–10 В), которые управляют работой оборудования на месте (такого как клапаны, частотные преобразователи). Аппаратное обеспечение включает схему преобразования сигналов, интерфейсный модуль и системную память (ёмкость 200 МБ), поддерживает расширение интерфейса на 8 ячеек, позволяя одновременно подключать несколько датчиков или исполнительных механизмов. Входное напряжение составляет 110 В, совместимо со большинством промышленных стандартов питания. Система осуществляет двунаправленную передачу сигналов с помощью цифровых входно-выходных модулей, обеспечивая точное соответствие управляющих команд и данных обратной связи.
2. Сферы применения и область совместимости:
Данная платформа предназначена для управления приводом электродвигателя модели IFAL09KVK, охватывая диапазон регулировки от 1 до 9999. Она способна удовлетворить потребности как в небольших устройствах, так и в крупных производственных линиях. Типичные области применения включают регулировку расхода в химических процессах, управление напряжением в энергосистемах, а также контроль температуры в металлургической промышленности. Поскольку функция сигнализации или пользовательских скриптов не поддерживается, конструкция платформы ориентирована на стабильность базовых задач управления, что делает её подходящей для промышленных сценариев, где требуется высокая скорость реагирования, но нет необходимости в сложной программировании логики.
3. Технические параметры и ограничения использования:
PDP601 имеет фиксированную конфигурацию, не поддерживает слот для карт памяти и не может быть изготовлен по индивидуальному заказу. Минимальное количество упаковок — 1 штука. Интерфейс устройства соответствует стандартной спецификации 8 ячеек и требует совместного использования с совместимой системой DCS. Хотя объем памяти системы составляет всего 200 МБ, он достаточен для базовых вычислительных операций при обработке аналоговых выходных сигналов. Важно отметить, что данный модуль является импортным оборудованием, а код материала PDP601 служит ключевым идентификатором для распознавания и обслуживания. Пользователю необходимо выбирать подходящие модели двигателей и параметры напряжения в соответствии с фактическими условиями эксплуатации.
4. Преимущества по сравнению с традиционными решениями:
По сравнению с универсальными модулями ввода-вывода, специализированная конструкция PDP601 снижает функциональную избыточность и уменьшает сложность системы. Точность аналогового выходного сигнала достигает уровня 0,1%, а время отклика менее 10 мс, что обеспечивает более стабильную работу в условиях высокоточной непрерывной регулировки. Кроме того, фиксированная конфигурация параметров упрощает процесс настройки и подходит для быстрого развертывания промышленных проектов. Однако отсутствие функции оповещения об авариях и поддержки пользовательских скриптов ограничивает гибкость устройства в сложных автоматизированных системах.

Представление «преобразователь» является специализированным термином в области химической инженерии, обозначающим устройство, предназначенное для преобразования формы вещества или энергии. Оно включено во второе издание «Названий химической инженерии на обоих берегах пролива». Определение данного термина и его принадлежность к научной области уже определены [1].

В промышленных приложениях электронные системы мощности, основанные на преобразователях мощности, широко используются для управления и преобразования электроэнергии в промышленности и бытовых условиях. Транзисторы с изолированной затворной сеткой (IGBT) как ключевые компоненты доминируют на рынке преобразователей мощности, а их объем рынка в 2020 году достиг 6,6 млрд долларов США. В области теплового управления конструкции непосредственного охлаждения позволяют снизить тепловое сопротивление на 30% по сравнению с традиционными решениями [4]. Анализ отрасли охватывает такие аспекты, как баланс спроса и предложения, конкурентная структура и жизненный цикл, а методы исследования включают системный анализ, структурный анализ и различные методологии, в том числе кейс-стади [2–3].

Кремний — важный полупроводниковый материал, химический символ Si. В электронной промышленности используемый кремний должен обладать высокой чистотой, а также отличными электрическими и механическими свойствами.
Введение
В исследованиях и производстве кремниевый материал взаимно способствует развитию кремниевых приборов. Во время Второй мировой войны начали использовать кремний для изготовления высокочастотных кристаллических фильтров радиолокационных устройств. Используемый кремний имел низкую чистоту и был неоднородным. В 1950 году был изготовлен первый кремниевый транзистор, что повысило интерес к получению высококачественных кремниевых монокристаллов. В 1952 году успешно выращены кремниевые монокристаллы методом прямого вытягивания (CZ). В 1953 году была разработана методика областного плавления без кратера (FZ), позволяющая одновременно проводить физическую очистку и выращивать монокристаллы. В 1955 году началось использование метода восстановления четырёххлористого кремния с помощью цинка для получения чистого кремния, однако он ещё не мог удовлетворить требованиям производства транзисторов.

В 1956 году было успешно исследовано метод восстановления трихлористого кремния с помощью водорода. После некоторого времени изучения микроскопических примесей в кремнии этот метод стал основным. К 1960 году промышленное производство по этому методу уже достигло масштабов. Появление кремниевых выпрямителей и кремниевых вентилей способствовало тому, что кремниевый материал занял первое место среди полупроводниковых материалов. В 60-х годах появились технологии эпитаксического выращивания монокристаллов и плоской технологии кремния, которые не только сформировали зрелые технологии производства кремниевых транзисторов, но и способствовали быстрому развитию интегральных схем.

В начале 80-х годов мировая производительность поликремния достигла 2500 тонн. Кремний также остаётся одним из перспективных материалов для солнечных элементов. Технология производства солнечных элементов из поликремния уже сформировалась; исследования аморфных кремниевых пленок быстро продвинулись вперёд; аморфные кремниевые солнечные элементы начали выходить на рынок.

Химический состав

Кремний является элементным полупроводником. Электрические активные примеси — фосфор и бор — должны содержаться в качественном полупроводнике и поликремнии соответственно ниже 0,4 ppb и 0,1 ppb. При выращивании монокристаллов необходимо добавлять определённое количество электрических активных примесей, чтобы достичь требуемого типа проводимости и удельного сопротивления. Тяжёлые металлы, такие как медь, золото, железо, а также неметаллы, например углерод, являются крайне вредными примесями, их наличие ухудшает характеристики p-n перехода.

Содержание углерода в кремнии достаточно высокое. При этом содержание кислорода в кремнии может быть очень высоким. Содержание кислорода в монокристаллах кремния составляет от 5 до 40 ppb; в областно-плавленных кристаллах кислород может быть ниже 1 ppb.

Свойства кремния

Кремний обладает отличными полупроводниковыми электрическими свойствами. Ширина запрещённой зоны средней величины — 1,12 электронвольт. Коэффициент переноса носителей заряда высокий: коэффициент переноса электронов составляет 1350 см²/В·с, а коэффициент переноса дырок — 480 см²/В·с. Удельное сопротивление в нормальной температуре (300 K) достигает 2,3×10⁵ Ом·см, после легирования сопротивление можно контролировать в диапазоне от 10⁴ до 10⁻⁴ Ом·см, что позволяет удовлетворительно выполнять различные устройства.

Длительность жизни неуравновешенных носителей заряда в монокристаллах кремния относительно высока — от нескольких десятков микросекунд до 1 миллисекунды.

Теплопроводность высокая. Химическая стабильность высока, а также легко образуются стабильные термооксидные пленки. В плоскообразном производстве кремниевых приборов эти пленки используются для поверхностной пассивации и защиты p-n перехода, а также для формирования металло-оксидно-полупроводниковых структур, что позволяет создавать МОП-транзисторы и интегральные схемы.

Вышеупомянутые свойства обеспечивают хорошие характеристики p-n перехода, благодаря чему кремниевые приборы обладают высоким напряжением, малым обратным током, высокой эффективностью, длительным сроком службы, высокой надёжностью и хорошей теплопроводностью, а также могут работать при температуре до 200 °C.

Технические параметры

Основные технические параметры кремниевых монокристаллов включают тип проводимости, удельное сопротивление и равномерность, длительность жизни неуравновешенных носителей заряда, направление кристалла и отклонение от его ориентации, а также дефекты кристалла и т.д.

Тип проводимости

Тип проводимости определяется легирующими примесями — домашними или принимающими. P-тип монокристаллов чаще легируют бором, N-тип — фосфором. В качестве подложки для эпитаксического роста используется N-тип монокристаллов, легированных антимоном или арсеном.

Удельное сопротивление и равномерность

При выращивании монокристаллов добавляются определённые примеси, чтобы контролировать сопротивление кристалла. Из-за неравномерного распределения примесей сопротивление также неравномерно. Равномерность удельного сопротивления включает в себя равномерность по оси, по сечению и в микрообласти.

Он напрямую влияет на согласованность параметров устройства и выходную производительность.

Срок жизни неравновесных носителей заряда: дополнительные электроны и дырки, образующиеся при облучении или электрическом введении, мгновенно аннигилируют и исчезают. Среднее время их существования называется сроком жизни неравновесных носителей заряда. Срок жизни неравновесных носителей заряда связан с коэффициентом усиления устройства, обратным током и характеристиками переключения. Значение времени жизни косвенно отражает чистоту кремниевой монокристаллической пластины; наличие примесей тяжёлых металлов значительно снижает срок жизни.

Направление кристалла и отклонение от направления кристалла: наиболее часто используемые направления монокристаллов — (111) и (100) (см. рисунок). Угол отклонения оси кристалла от его направления называется углом отклонения от направления кристалла.

Кристаллические дефекты: помимо определённого ограничения по плотности дислокаций, кремниевые монокристаллы, используемые для производства электронных устройств, не должны содержать микродефектов, таких как малые углы границ кристаллов, структуры дислокаций, звёздообразные структуры и т.д. Монокристаллы без дислокаций, плотность которых ниже 200/см², называются монокристаллами без дислокаций, и они составляют большую часть выпускаемой продукции. В монокристаллах без дислокаций также присутствуют микро дефекты, такие как атомы примесей, атомные пустоты, группы свободных пробелов, осадки примесей кислорода, углерода и других элементов. Микро дефекты, объединяющиеся в круговые или спиральные структуры, называются вихревыми дефектами. В процессе термической обработки взаимодействие и изменение между микро дефектами кремниевого монокристалла напрямую влияют на успешность изготовления интегральных схем.

Инвертор — это преобразователь, который преобразует постоянный ток (батарея, аккумулятор) в переменный ток с фиксированной частотой и напряжением или с регулируемой частотой и напряжением (обычно синусоидальный сигнал 220 В, 50 Гц). Он состоит из инверторного моста, управляющей логики и фильтрующей цепи. Широко применяется в кондиционерах, домашних кинотеатрах, электрических шлифовальных кругах, электроинструментах, швейных машинах, DVD-плеерах, VCD-плеерах, компьютерах, телевизорах, стиральных машинах, вытяжках, холодильниках, видеомагнитофонах, массажных аппаратах, вентиляторах, осветительных приборах и других устройствах. Например, при поездке на работу или в путешествие можно использовать инвертор для подключения аккумулятора и питания различных электроприборов и инструментов. Автомобильные инверторы, выходящие через сигнальную лампу, имеют мощность от 20 Вт до 150 Вт. Более мощные модели необходимо подключать к аккумулятору с помощью провода. Подключив бытовые приборы к выходному кабелю преобразователя, можно пользоваться различными электроприборами внутри автомобиля. Используемые приборы включают: мобильные телефоны, ноутбуки, цифровые видеокамеры, фотоаппараты, светильники, электрические бритвы, CD-плееры, игровые приставки, планшеты, электроинструменты, автомобильные холодильники, а также различные туристические, кемпинговые и медицинские приборы первой необходимости.