Електронні обчислювальні машини і їх вживання в АСУ ТП

Важливою складовою сучасних АСУ ТП є електронні обчислювальні машини (ЕОМ). Перші цифрові ЕОМ з'явилися на світовому ринку в 1950 р. Вони виконували 1700 операцій додавання в секунду. В даний час є великі обчислювальні машини, що виконують 10- 12 млн. операцій в секунду; у стадії проектування знаходяться машини, що виконують 500 млн. операцій в секунду і більш. Йдеться в даному випадку про універсальні обчислювальних машинах, які застосовуються для вирішення наукових, інженерних, економічних, комерційних і багатьох інших задач розрахункового характеру. Іншими словами, вони є арифмометрами, що володіють колосальною швидкодією і видають результати своїх обчислень у формі, зручній для людини-користувача.

Проте нас цікавить інша область вживання обчислювальних машин, принципово відмінна від вказаної; цією областю є системи управління технологічними процесами виробництва в самих різних галузях народного господарства, де ЕОМ грають найважливішу роль управляючих обчислювальних комплексів. Управляючі ЕОМ принципово відрізняються від інших тим, що безпосередньо пов'язані з ТОУ, тобто з технологічним процесом в найширшому і різносторонньому розумінні цього терміну. Через різні чутливі елементи, датчики, пристрої перетворення інформації і регулюючі органи вони під'єднуються безпосередньо до об'єкту. Від ЕОМ, відповідно, вимагається, щоб вона працювала в темпі, що задається фізичними змінними і органами управління, до яких підключається і з якими взаємодіє. Іншими словами, вона повинна працювати, як правило, в реальному часі. Крім того, дії, виконувані машиною, часто диктуються подіями, що наступили в процесі, тобто робота управляючої ЕОМ залежить від зовнішніх подій.

З цих обставин виходять два основні висновки. По-перше, в структурі такої ЕОМ повинні бути спеціальні пристрої вводу-виводу, які пов'язують її з технологічним процесом (об'єктом). До цих пристроїв відносяться автоматичні засоби, необхідні для підключення аналогових, дискретних і цифрових сигналів, несучих інформацію про стан технологічного процесу, і пристрої, що відображають події або умови, що вимагають негайної дії. При цьому ЕОМ може бути запрограмована так, щоб реагувати на ці сигнали (умови і події) згідно заданому алгоритму управління.

По-друге, шляхом розрахунку коректуючих або управляючих дій, пов'язаного з великим об'ємом обчислювальних операцій, які доводиться проробляти за короткий строк і у випадкові моменти часу, обумовлювані зовнішніми подіями, ЕОМ, що застосовується в АСУ ТП, повинна формувати своєчасну реакцію системи. Це вимагає максимальної обчислювальної потужності – набагато більшої, ніж було б потрібно при постійному обчислювальному завантаженні.

Нагадаємо коротко принцип дії ЕОМ. При всьому різноманітті їх типів і видів сучасні ЕОМ складаються з одних і тих же частин, основними з яких є наступні пристрої: уведення-виведення, що запам'ятовує, арифметичне, управління. Укрупнена технічна структура ЕОМ приведена на рис 3.1.

Рис. 3.1. Укрупнена схема ЕОМ

Пристрій введення використовується для прийому дискретних даних, над якими машина повинна виконати певні дії, а також для введення програми роботи. В звичайних універсальних ЕОМ введення даних і програми здійснюються або уручну шляхом набору на спеціальній клавіатурі машини, або з будь-якого машинного носія інформації (перфокарт, перфострічок і т. д.). В ЕОМ АСУ ТП пристрою введення дозволяють, крім того, приймати сигнали, несучі інформацію про хід технологічного процесу. Залежно від конструкції машина може мати одне або декілька різних ввідних пристроїв.

Арифметичний пристрій (АП) проводить арифметичні або логічні операції над поступаючими в нього числами. Швидкодія арифметичних пристроїв сучасних обчислювальних машин складає десятки тисяч операцій в секунду. Людина не може з потрібною швидкістю вводити в АУ необхідні числа і команди, а також прочитувати результати операцій. Тому ці процеси автоматизуються за допомогою так званого пристрою, що запам'ятовує.

Запам'ятовуючий пристрій (ЗП) забезпечує ЕОМ можливість рішення складних задач. Запам'ятовуючий пристрій зберігає початкові дані, проміжні і остаточні результати, а також програми, тобто сукупності команд, необхідних для вирішення задач в певній послідовності. Місткість ЗУ різних машин різна. Більшість ЕОМ має ЗП двох видів: зовнішній запам'ятовуючий пристрій (ВЗП) і оперативний запам'ятовуючий пристрій (ОЗП). Запам'ятовуючий пристрій ЕОМ називають пам'яттю. Часто пам'яттю називають тільки оперативний запам'ятовуючий пристрій. Зовнішній запам'ятовуючий пристрій називають в цих випадках накопичувачем.

Пристрій управління (УП) призначений для координації роботи всіх інших пристроїв ЕОМ. Він управляє всім обчислювальним процесом і, зокрема, передає числа із ЗУ в АП, включає АП на виконання необхідної операції і поміщає одержаний результат в ЗП.

Як відомо, всякий чисельний метод рішення математичної задачі зводить це рішення до ряду послідовних арифметичних дій і логічних операцій над числами, як заданими в умові задачі, так і тими, що вийшли в процесі розрахунку. Кожна така проста операція в ЕОМ виконується під впливом спеціальної команди.

За формою команда є набором цифр, цифровий код, а за змістом наказ пристрою управління на виконання певної елементарної операції. Розшифрувавши команду, УП виконує строго певну дію. Оскільки пристрій управління цифрової обчислювальної машини управляє всім процесом обчислень, заздалегідь повинно бути складено точний опис того, які команди, в якому порядку і над якими числами винні бути виконані. Такий опис всього процесу розрахунку називають програмою рішення даної задачі на автоматичній цифровій обчислювальній машині. Автоматичне програмне управління є основною принциповою особливістю швидкодійних цифрових обчислювальних машин. З УП пов'язаний також пульт ручного управління, службовець для контролю за роботою ЕОМ і ручного управління. Машина після введення програми і початкових даних працює повністю автоматично. Ручне управління здійснюється звичайно лише в особливих випадках, а також при ремонті машини і іноді при редагуванні програм.

Рис. 3.2. Схема дії ЕОМ

Пристрій висновку служить для видачі результатів обчислень. Дані з машини можуть виводитися в різних формах: у вигляді віддрукованих таблиць, перфокарт, перфострічок і т.д.

Дія ЕОМ схематично може бути представлене таким чином (рис. 3.2):

· в машину вводяться програма і початкові дані, після чого вся подальша робота протікає автоматично;

· з УП початкова адреса програми прямує в ОЗП, машина вибирає першу команду програми і пересилає її в УП;

· в УП команда розшифровується і розчленовується на кодову і адресну частині; кодова частина, впливаючи на АП і УП, настроює їх на виконання операції, передбаченої кодом; адресна частина команди впливає на ОЗП;

· під дією адресної частини команди відбувається видача в АП початкових чисел;

· арифметичний пристрій виконує операцію, і під дією адреси результат пересилається у відповідний осередок ОЗП. Після виконання першої команди УП витягує з ОЗП другу і потім аналогічним чином виконує її. Так само виконується і решта команд програми; адреса програми змінюється за допомогою лічильника команд УП, стан якого збільшується на одиницю після виконання кожної команди;

· після завершення виконання програми одержаний результат виводиться через вивідний пристрій і машина зупиняється. Можливий також і висновок проміжних результатів обчислень, здійснюваний в процесі рішення задачі. Висновок результату і зупинка машини відбуваються по спеціальних командах, що передбачаються в програмі;

· електронна машина володіє здатністю вибирати те або інше продовження обчислювального процесу залежно від знака одержаного проміжного результату або деяких інших його ознак. Для забезпечення такої роботи в пристрій управління з арифметичного пристрою після виконання кожної команди поступає спеціальний сигнал, що показує ознаку результату; цей сигнал може міняти стан лічильника адреси команд;

· в процесі рішення задачі ЕОМ може частина даних переписувати у ВЗП або, навпаки, вводити з нього;

· робота основних пристроїв ЕОМ контролюється; при необхідності допускається в деякій частині і ручне управління. Контроль і ручне управління з боку оператора здійснюються через пульт управління.

Такі склад і принцип дії практично всіх сучасних цифрових ЕОМ. Проте обчислювальні машини, вживані в АСУ ТП, мають ряд особливостей. Перш за все функціональне призначення ЕОМ, їх місце і роль в АСУ обумовлюють ряд специфічних вимог, що пред'являються до можливостей і характеристик цих машин, у тому числі:

здібність до одностороннього або двостороннього обміну інформацією між об'єктом і ЕОМ в процесі рішення функціональних задач в реальному (натуральному) масштабі часу;

придатність до тривалої безперервної роботи протягом сотень і тисяч годин;

висока надійність і програмна стійкість до збоїв і відмов апаратури;

можливість виконання широкого круга задач управління при відносній незмінності їх протягом всього періоду експлуатації.

Структура машини також істотно залежить від призначення або режиму використовування ЕОМ в системах управління. Як вже наголошувалося, розрізняють інформаційний і керівник режими використовування ЕОМ в АСУ ТП.

В інформаційному режимі ЕОМ: 1) безперервно контролює відповідність параметрів процесу допустимим значенням; при виявленні невідповідності видає сигнал, реєструє момент виходу за допустимі межі; при досягненні параметром нормального значення, що вийшов раніше за допустимі межі, фіксує момент досягнення норми; 2) проводить виборчий (за бажанням оператора) виклик будь-якого з параметрів процесу; 3) періодично реєструє значення контрольованих параметрів; 4) сигналізує про настання аварійного стану; 5) обчислює деякі комплексні показники ходу контрольованого процесу (витрата речовини, енергії, середні значення параметрів за заданий час, ККД агрегату і ін.).

Функціональна схема ЕОМ в інформаційному режимі показана на рис. 3.3. Цей режим характерний для таких АСУ ТП, в яких ЕОМ виконує роль підсистеми автоматичного контролю, збору і переробки інформації. Подібні інформаційні системи безпосередньо не вирішують задач управління, хоча на підставі зібраної і переробленої ними інформації ухвалюються ті або інші рішення по управлінню.

Можливий також так званий інформаційно-порадний, режим, коли ЕОМ, розраховувавши які-небудь комплексні показники процесу, дає оператору рекомендації (поради) в цілях оптимізації режиму (рис. 3.4). При цьому результати вимірювання і контролю, а також одержані ЕОМ показники і поради використовуються в АСУ ТП для визначення оптимальних управляючих дій, а власне формування і введення управляючих дій на об'єкт здійснюються вручну за допомогою пристроїв дистанційного керування.

Рис. 3.3. Спрощена функціональна структура ЕОМ в інформаційному режимі

В управляючому режимі на ЕОМ, крім контролю, покладаються функції управління, які можуть бути дуже різноманітнітними і залежать від призначення системи. Так, при управлінні технологічними процесами ЕОМ може виконувати: 1) пуск і зупинку агрегатів; 2) визначення параметрів оптимального режиму у відповідності з вибраним критерієм оптимальності; 3) формування управляючих дій, що забезпечують ведення оптимального (або заданого оператором) режиму; 4) розрахунок і реєстрацію поточних і усереднених технологічних і економічних показників; 5) виконання необхідних розрахунків для визначення параметрів об'єкту у разі їх зміни (корекцію математичної моделі об'єкту); 6) обробку сигналів з управляючих систем вищого рівня і видачу інформації в управляючі системи вищого рівня (при ієрархічній побудові АСУ). Функціональна схема ЕОМ в управляючому режимі показана на рис. 3.5.

Рис. 3.4. Спрощена функціональна структура ЕОМ в інформаційно-обчислювальному режимі (“порадник” оператору)

Для роботи в АСУ ТП обчислювальна машина повинна бути укомплектована спеціальними пристроями зв'язку з об'єктом (ПЗО), призначеними для одностороннього або двостороннього обміну інформацією між об'єктом і машиною. Схема ПЗО, здійснюючого введення аналогової і дискретної інформації від об'єкту управління, в загальному вигляді показана на рис. 3.6. Вхідна аналогова інформація від різних датчиків поступає на комутатор аналогових сигналів. Перетворення аналогової інформації в цифрову виконується аналого-цифровими перетворювачами (АЦП). Звичайно до складу ПЗО управляючих машин входять один або два АЦП. Вхідна дискретна інформація про стан двохпозиційних датчиків поступає на вхід комутатора дискретних сигналів. Вибір каналу для введення аналогової або дискретної інформації в ЕОМ здійснюється по сигналах з пристрою управління машини або за ініціативою датчиків.

Рис. 3.6. Спрощена схема структури ПЗО вводу.

Схема ПЗО для висновку інформації показана на рис. 3.7. Характерна особливість блоку формування аналогових сигналів – використовування цифро-аналогових перетворювачів (ЦАП) в кожному з каналів формування аналогових сигналів (на рисунку не показані). При цьому ЦАП забезпечують не тільки перетворення інформації, що вводиться в них, але і її запам'ятовування на період часу між двома циклами перетворення. Вибір каналу перетворення здійснюється по команді з пристрою управління машини за допомогою комутатора управління. Для формування сигналів двохпозиційного регулювання (дискретних сигналів управління) використовується блок формування дискретних сигналів. Управляючий пристрій координує роботу блоків ПЗО, одержуючи відповідні сигнали з арифметичного пристрою і ЗП машини.

Рис. 3.7. Спрощена структурна схема ПЗО виводу.

Велика різноманітність об'єктів управління пред'являє широкий діапазон вимог до засобів обчислювальної техніки як за їх номенклатурою, так і за продуктивністю. В АСУ ТП ці засоби повинні виконувати не тільки операції по обробці інформації, її введенню від об'єкту управління і висновку, але і процедури, за допомогою яких реалізується взаємодія людини-оператора з ЕОМ.

Логічні здібності ЕОМ разом з величезними швидкостями виконання арифметичних операцій дозволяють проводити обчислення і знаходити управляючі рішення з швидкістю, що набагато перевищує вимоги по швидкодії з боку більшості технологічних процесів. Це дає можливість вести технологічні процеси усередині жорстких допусків і мати ще вільний машинний час, який може бути використане для вирішення інших задач в системі управління.

Апаратурною основою, ядром більшості сучасних розвинених АСУ ТП служать вітчизняні серійні комплекси агрегатних засобів обчислювальної техніки (АЗОТ) або так звана система малих ЕОМ (СМ ЕОМ), за допомогою яких реалізуються складні інформаційні і управляючі функції по своєчасній і надійній обчислювальній обробці інтенсивних потоків інформації. Завдяки агрегатному, блочно-модульному принципу їх побудови і широкому використовуванню уніфікованих видів зв'язків між окремими пристроями існує принципова можливість проектним шляхом компонувати для кожної конкретної АСУ ТП свій варіант ОК, володіючого заданими параметрами і властивостями (швидкодією, надійністю, місткістю пам'яті і т. п.). Проте для спрощення виробництва, проектування і комплектації широке вживання одержали ОК з типовою структурою.

Найпростіша структурна схема обчислювального комплексу АСУ ТП містить ЕОМ, ПЗО і пристрій зв'язку з оператором-диспетчером (ПЗОД). Пристрій зв'язку з оператором-диспетчером є частиною апаратури інформаційного поля, що реалізовує обмін інформацією між ЕОМ і оператором. До складу ПЗОД входять пристрої відображення і реєстрації інформації і клавіатури управління.

Структура ОК залежить від режиму його використовування, об'єму інформації, що вводиться і виводиться, необхідної швидкості реакції на зміни станів об'єкту і від вимог по надійності реалізації функцій. На рис. 3.8 приведена схема ОК, працюючого в інформаційному режимі при відносно невисоких вимогах по надійності реалізації функцій. Такі ОК звичайно застосовуються за наявності в АСУ ТП розвиненої локальної апаратури контролю і управління. При несправності ОК, до закінчення його ремонту, оператор управляє процесом за допомогою локальних засобів автоматики.

Рис. 3.8. Структурна схема ОК при наявності розвинутої локальної автоматики

На рис. 3.9 приведена структурна схема ОК, працюючого в інформаційному режимі, коли в АСУ ТП число локальних засобів недостатнє для управління навіть в стаціонарному режимі. Тут значно підвищуються вимоги по надійності функціонування, оскільки відсутність інформації про стан об'єкту або видача помилкових порад може привести до порушення технологічного режиму. Тому використовуються дві ЕОМ, причому в справному стані вони ділять функції між собою, завдяки чому істотно підвищується швидкодія ОК. При виході з ладу однієї з ЕОМ її на час ремонту резервує інша обчислювальна машина.

Рис. 3.9. Структурна схема ОК підвищеної продуктивності з резервуванням ЕОМ

На рис. 3.10 приведена схема ОК, працюючого в інформаційному режимі, коли в АСУ ТП число локальних засобів контролю достатньо лише для аварійної зупинки технологічного процесу. В цьому випадку ОК служить практично єдиним засобом контролю і управління процесом в стаціонарному і перехідному режимах. Надійність функціонування ОК повинна бути співрозмірна з надійністю локальних систем контролю. Такий рівень надійності досягається за допомогою розвиненої діагностики справності функціонування ОК і резервуванням не тільки ЕОМ, але і ПЗО і ПЗОД.

Рис. 3.10. Структурна схема ОК при мінімальному числі локальних засобів контролю.

В кожному з ОК, схеми яких приведені на рис. 3.8-3.10, окрім функцій централізованого контролю і реєстрації, можуть виконуватися і функції «порадника» оператора, супервізорного управління і НЦУ. Вибір структури ОК для реалізації функцій управління залежить від вимог по швидкості відробітку дій, надійності каналів управління і достовірності управляючої інформації. Ці вимоги формулюються за наслідками аналізу характеристик об'єкту управління. Так, включення функції НЦУ істотно підвищує вимоги по швидкодії і надійності ОК. Відмова ОК, працюючого в режимі НЦУ, коли відсутні автономні регулятори, приводить до аварійної зупинки технологічного процесу, тому надійність кожного каналу управління ОК повинна бути співрозмірна з надійністю локального регулятора. В десятки разів (в порівнянні з режимами контролю і супервізорного управління) підвищується частота опитування датчиків і видачі сигналів управляючих дій. Щоб задовольнити таким вимогам по надійності і швидкодії, функції НЦУ часто виконують в окремому ОК. При цьому надійність вдається підвищити завдяки зменшенню числа входів-виходів і резервуванню ЕОМ і ПЗО, а необхідна швидкодія досягається тим, що у ОК проводиться обробка тільки тієї інформації, яка необхідна для НЦУ. Схема високонадійного і швидкодійного управляючого ОК, працюючого в режимі НЦУ, приведена на рис. 3.11, де ОК-1 реалізує функції контролю, оптимізації і супервізорного управління, а ОК-2 функції НЦУ.

Рис. 3.11. Структурна схема ОК підвищеної надійності

Сучасна промисловість характеризується зростанням продуктивності і складності технологічних агрегатів, а це все частіше приводить до необхідності створення самостійних АСУ ТП на окремих великотоннажних агрегатах. Установка декількох ОК в системі, управляючої єдиним технологічним процесом, вимагає координації їх роботи. Така координація можлива за допомогою дворівневих ОК, де на нижчому рівні розв'язуються задачі контролю і управління окремими агрегатами, а на верхньому рівні – задачі координації роботи агрегатів, складання звітної документації і ін. Приклад такого дворівневому ОК показаний на рис. 3.12. Тут на нижньому рівні використовуються ОК всіх розглянутих раніше типів, а на другому рівні двомашинний комплекс.

Рис. 3.12. Структурна схема дворіневої ОК

Як показав досвід, вживання ЕОМ в управлінні технологічними процесами у багатьох випадках безперечно виправдано з технічної і економічної точок зору. Прогнози на майбутнє говорять про те, що поліпшення характеристик ЕОМ досягатиметься з меншими витратами завдяки успіхам електронної технології.

Проте питання про межі застосовності ЕОМ в АСУ ТП не можна вважати остаточно вирішеним, і відповідь на нього можна буде одержати лише на основі глибоких техніко-економічних, соціальних і психологічних досліджень. Він, зокрема, пов'язаний з рішенням задач по вибору ступеня автоматизації функцій контролю і управління технологічними об'єктами. Проте з вдосконаленням методів і засобів обчислювальної техніки з'являються всі великі можливості автоматизації тих функцій контролю і управління, які раніше виконувалися людиною.

Дата добавления: 2015-07-18