10609

Особенности цифрового управления процессами

Реферат

Информатика, кибернетика и программирование

Исторический обзор. Понятие системы. Особенности цифрового управления процессами Первый пример практического применения управляющей ЭВМ относится к 1959 году он связан с работой нефтехимического завода компании Texaco в городе Порт Артур штат Техас. Компания Texaco выпо...

Русский

2013-03-29

196.25 KB

22 чел.

Исторический обзор. Понятие системы. Особенности цифрового управления процессами

Первый пример практического применения управляющей ЭВМ относится к 1959 году; он связан с работой нефтехимического завода компании "Texaco" в городе Порт-Артур, штат Техас. Компания "Texaco" выполнила эту пионерскую работу совместно с производителем ЭВМ — компанией Thomson Ramo Woolridge. Компьютер RW300, построенный на электронных лампах, следил за расходом, температурой, давлением и концентрацией на нефтеперегонном производстве, а также рассчитывал необходимые управляющие воздействия на основе обработки входной информации и затем либо самостоятельно изменял опорные значения для аналоговых регуляторов, либо указывал оператору, какие управляющие воздействия нужно выполнить вручную. Эта ЭВМ по сравнению с современными компьютерами имела очень скромные возможности: время сложения составляло 1 мс, а умножения — около 20 мс. Кроме того, она имела очень невысокую надежность — среднее время между отказами (раздел 12.3.2) в лучшем случае составляло от нескольких часов до нескольких дней.

Вначале все факторы были против применения управляющих компьютеров. Чтобы оправдать стоимость системы управления в несколько миллионов долларов, капиталовложения в производство должны были быть по крайней мере на порядок больше. Это означало, что сам процесс должен был быть очень сложным, как, например, в случае химического завода. Другим ключевым фактором было — и остается — структурирование проблемы управления как необходимое предварительное условие внедрения компьютерного управления.

Экономическая эффективность была не единственной проблемой. Надежность аппаратной части ЭВМ была низкой из-за использования электронных ламп. Программы создавались в машинном коде и использовали скромный объем памяти до последнего бита. И все же эти новаторские усилия были поддержаны многими производителями компьютеров, которые увидели огромный потенциальный рынок для новых приложений.

Компьютерное управление — это область, в которой с самого начала существовало необычайно конструктивное взаимодействие между теорией и практикой. Как описано далее, компьютерное управление имеет свои специфические черты. Известные математические методы, базирующиеся на анализе непрерывных функций, напрямую не применимы для проектирования систем управления на базе цифровых компьютеров. Поэтому потребовалось создать специальную теорию дискретного управления. Счастливым совпадением стало развитие в 1960-е годы американской космической программы и особенно проекта "Аполлон", который послужил катализатором для теоретических и практических разработок в области компьютерного управления.

Важный шаг был сделан в 1962 году, когда английская компания ICI (Imperial Chemical Industries) представила концепцию прямого цифрового управления. Первоначально идея заключалась в замене нескольких аналоговых контуров управления центральным компьютером. Огромная и дорогостоящая панель управления с сотнями аналоговых регуляторов и самописцев заменялась несколькими терминалами. Компьютер численно моделировал аналоговые регуляторы способом, который мало отличался от сегодняшних решений.

Принцип прямого цифрового управления применяется во многих современных промышленных компьютерных системах. Причина его успеха в том, что задачи управления уже были описаны и структурированы для аналоговой техники. Поэтому для таких приложений риск был меньше, чем для инновационных разработок, где цели компьютерного управления не полностью осмыслены и не определены должным образом. Очевидный недостаток прямого цифрового управления — существенная зависимость надежности системы от центрального компьютера. Однако за дополнительную плату можно было установить второй компьютер, который обеспечивал работоспособность системы в случае отказа первого. Выпущенный в 1962 году управляющий компьютер Ferranti-Argus был гораздо совершеннее моделей 1959 года — время сложения и умножения уменьшилось в десятки раз, а показатель надежности возрос не менее чем на порядок.

ЭВМ Ferranti-Argus была куплена в 1969 году объединением "Электросила" и эксплуатировалась на испытательном стенде завода до 1989 года. Она до сих пор находится в рабочем состоянии. Изобретение в 1960-х годах транзистора дало заметный толчок развитию компьютерных приложений. Стоимость единицы вычислительной мощности мини-компьютера на транзисторной элементной базе была на порядок меньше, чем у больших ЭВМ {mainframe), хотя стоимость самого мини-компьютера все еще превышала 100 000 долларов. Так или иначе, компьютерное управление стало экономически целесообразным для небольших и не очень сложных производств. Появилась возможность разместить мини-компьютер поблизости от производственных помещений, и поэтому такие ЭВМ стали популярными для автоматизации технологических процессов и испытательных установок. Согласованное влияние трех главных факторов — совершенствование технической базы компьютеров, экономическая целесообразность их применения в управлении относительно простыми процессами и развитие теории управления — привело к широкому распространению компьютерного управления.  Практически каждое десятилетие появлялись новые технологии, которые приводили к значительному увеличению производительности и снижению цены компьютеров по сравнению с предшествующим поколением. Мощные одноплатные микрокомпьютеры появились на рынке в середине 1970-х годов, и сегодня даже простейший регулятор экономически выгодно создавать на основе цифровых устройств. Современные персональные компьютеры намного превосходят мини-компьютеры 1960-х и 1970-х годов — типичная конфигурация, как правило, включает 16-или 32-разрядный центральный процессор (ЦП), несколько мегабайт оперативной памяти (оперативное запоминающее устройство — ОЗУ), гигабайты дисковой памяти, — а стоят несравнимо дешевле первых моделей ЭВМ.

В настоящее время в промышленном управлении популярны компьютерные системы, использующие так называемую открытую шинную архитектуру, где акцент сделан не на конкретные аппаратные компоненты, а на организацию интерфейса, который в этом случае позволяет подбирать их исходя из требований приложения и максимальной эффективности использования ресурсов компьютера.

С другой стороны, производительность компьютера — это еще не все. Эффективность системы зависит не только от управляющего компьютера. Бортовая ЭВМ корабля первой лунной экспедиции "Аро11о-11" (1969 год) имела только 64 Кбайт оперативной памяти, а о жестких дисках не могло быть и речи. Сегодня никто не воспримет такую машину всерьез, но если вспомнить результат, достигнутый с помощью этой ЭВМ, то напрашивается очевидный вывод — основное внимание нужно уделять главной цели технического процесса, а не мощности компьютера. Высокая производительность не может быть аргументом сама по себе, напротив, она должна рассматриваться в свете динамики и сложности контролируемого процесса. Медленный компьютер прекрасно справится с управлением медленным процессом, например химическим или биологическим.

В системах цифрового управления сравнительно легко вводятся новые стратегии, поскольку можно полностью изменить образ действий компьютера, заменив программу, без перепроектирования и переоснащения всей системы. Поэтому системы цифрового управления представляют собой не просто новый способ применения отработанных принципов, но и совершенно новую технологию, обладающую большой гибкостью и новыми возможностями. Понимание природы процесса, динамических свойств системы и теории управления — это необходимые слагаемые успеха компьютерного управления, но они представляют едва ли половину картины. Главная трудность — структурировать все решения в терминах аппаратного и программного обеспечения и обмена информацией.

Понятие системы

Производственные процессы и управляющие ими системы состоят из многочисленных и разнообразных элементов, сложным образом взаимодействующих друг с другом. Эти элементы связаны между собой так, чтобы обеспечить обмен материей, энергией и информацией для получения определенного конечного результата.

Термин "система" имеет много значений, однако в интересующем нас контексте под системой понимается любой объект, который рассматривается, с одной стороны, как единое целое, а с другой — как совокупность связанных между собой определенным образом составляющих.

Цель системы — получить результат, качественно или количественно превосходящий механическую (простую) сумму результатов работы отдельных ее компонентов. Объединение в систему добавляет "нечто большее", что и объясняет ее назначение, — принцип "синергизма". Это "нечто большее" определяется не наличием тех или иных компонентов системы, а скорее есть результат их взаимодействия.

На практике встречаются системы самых различных типов, например электрические, химические, механические или биологические. Компьютер — это система, основными функциональными элементами которой являются процессор, память и периферийные устройства. Взятые порознь, эти части не допускают никакого осмысленного применения. Если их объединить и добавить программное обеспечение, то получится система, которую можно использовать для решения многих задач.

Для описания систем и их элементов можно применять разнообразные математические методы. Как подчеркнуто в большинстве учебников, эти методы можно использовать, только когда все элементы системы и окружающая ее среда описываются количественными соотношениями. Математический подход — это не единственный способ описания систем. Очевидное преимущество математических методов в том, что они основаны на формальных доказательствах, и поэтому, как правило, им следует отдавать предпочтение перед другими методами.

Важнейшей характеристикой системы является ее динамика, знание которой позволяет предсказать поведение системы и выбрать правильное управляющее воздействие в соответствии с поставленной целью. Динамика системы представляет собой сложный вопрос из-за того, что приходится учитывать многочисленные взаимодействия между различными частями. Часто кажется, что эволюция системы идет "не в том" направлении или по крайней мере не соответствует "интуитивным" ожиданиям. Любой водитель инстинктивно представляет себе динамику автомобиля. При движении вверх или вниз по склону он увеличивает или уменьшает давление на педаль газа для того, чтобы сохранить скорость. Нормальное поведение автомобиля хорошо известно и прогнозируемо, однако на мокрой или обледенелой дороге он может стать неуправляемым. Аналогичные проблемы возникают ежедневно и в управлении техническими процессами.

В крупных технических задачах одной из важнейших проблем является структурирование системы. В процессе эксплуатации взаимодействуют множество людей, происходит постепенная замена оборудования и добавление новых функций. Сложную систему необходимо рассматривать как с общих позиций, так и с позиций всех ее компонентов.

Возникающие проблемы обычно нельзя разрешить только на одном уровне — их надо рассматривать под соответствующим углом зрения и на соответствующем уровне. Это не означает, что требуется знать все детали каждой конкретной ситуации, а скорее предполагает возможность при необходимости получить любые подробности. Решение, выработанное на несоответствующем уровне, чаще всего вообще не является решением и может даже ухудшить ситуацию. Нет смысла искать ошибки в программе, которая не выполняет предусмотренную печать, если выключен принтер.

Границы между компетенцией инженеров-электронщиков, программистов, прикладных специалистов и пользователей в настоящее время постоянно размываются. Нельзя рассматривать сложную систему только с одной точки зрения, а решения принимать, опираясь на знания специалистов лишь из одной области. Чтобы понять или создать сложную систему, состоящую из множества взаимодействующих частей, необходим специальный подход.

Примеры типичных приложений цифрового управления

Примеры цифрового управления встречаются везде, начиная от товаров массового спроса и до высокотехнологичной продукции. Сегодня в самом обычном автомобиле компьютеры применяются для управления как зажиганием и составом бензиновой смеси, так и температурой в пассажирском салоне. Даже настройка приемника не доверяется водителю, а управляется микропроцессором, который иногда не упрощает, а наоборот, усложняет жизнь.

На первый взгляд может показаться, что системы управления химическим производством или движением на крупной железнодорожной станции имеют мало общего с роботами для окраски автомобилей или с бортовым компьютером космического корабля. Однако во всех этих системах имеются одинаковые функциональные блоки — сбор данных, управляемые таймером или прерываниями функции, контур обратной связи, обмен данными с другими компьютерами и взаимодействие с человеком-оператором.

В общем случае система цифрового управления физическим/техническим процессом состоит из следующих компонентов (рис. 1.4):

  1.  управляющей ЭВМ;
  2.  каналов обмена информацией;
  3.  аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей (АЦП и ЦАП);
  4.  датчиков и исполнительных механизмов;

собственно физического/технического процесса

Рис.1.1 Основная структура  системы цифрового управления процессом

Физический процесс контролируется с помощью датчиков, т. е. устройств, преобразующих физические параметры процесса (температуру, давление или координаты) в электрические величины, которые можно непосредственно измерить (сопротивление, ток или разность потенциалов). Примерами датчиков являются термисторы (датчики температуры), концевые выключатели и ультразвуковые микрофонные зонды. Непосредственное влияние на процесс осуществляется с помощью исполнительных механизмов. Последние преобразуют электрические сигналы в физические воздействия, главным образом движение — перемещение и вращение, которые можно использовать для других целей, например для открытия клапана. Примерами исполнительных механизмов могут служить сервомоторы, гидроклапаны и пневматические позиционирующие устройства.

Цифровые системы управления работают только с информацией, представленной в цифровой форме, поэтому полученные в результате измерений электрические аналоговые величины необходимо обработать с помощью АЦП. Обратная операция — управление исполнительными механизмами (электромоторами и клапанами) — несколько проще, поскольку компьютер может непосредственно вырабатывать электрические сигналы.

Информация от удаленных объектов через каналы связи поступает к центральному управляющему компьютеру, который:

  1.  интерпретирует все поступающие от физического процесса данные;
  2.  принимает решения в соответствии с алгоритмами программ обработки;
  3.  посылает управляющие сигналы;
  4.  обменивается информацией с человеком-оператором и реагирует на его команды.

Вычислительная техника применяется и в отраслях, имеющих другой характер производства, в частности в химической, металлургической, целлюлозно-бумажной и т. п. Разные технологические процессы обычно взаимосвязаны, и между ними постоянно перемещаются значительные материальные потоки. Такие производства, как правило, носят непрерывный характер, поэтому важнейшим фактором является надежность. Кроме того, обычно число измеряемых переменных очень велико, масштаб времени процессов в рамках одного предприятия составляет от нескольких секунд до нескольких дней, а территория может иметь значительные размеры. При высоких капитальных вложениях и стоимости материалов даже небольшие изменения параметров производства и показателей качества существенно влияют на экономику  предприятия и конкурентоспособность продукции. Поэтому качество компьютерных систем управления имеет решающее значение.

Однако нельзя забывать и о другом. Автоматизация означает не только фантастические суперсовременные приложения вроде автоматизированных фабрик и роботов. В большинстве стран эти направления почти не играют никакой роли из-за отсутствия технологической базы и должного общего уровня развития. С другой стороны, автоматизация необходима именно в слабо- и среднеразвитых странах для того, чтобы снизить потребление всегда ограниченных энергетических и материальных ресурсов, улучшить безопасность и эффективность промышленных производств, загрязняющих окружающую среду

Особенности цифрового управления процессами

Управление процессом в реальном времени

Компьютеры, управляющие процессами, имеют другие задачи, нежели компьютеры, используемые для "классической" обработки информации. Основная разница состоит в том, что управляющий компьютер должен работать со скоростью, соответствующей скорости процесса (рис.1.2). Само понятие "реальное время" указывает на то, что в реакции компьютерной системы на внешние события не должно быть заметного запаздывания

Рис. 1.2. Применение компьютера в управлении процессом

Другая главная особенность компьютерного управления процессом заключается в том, что ход исполнения программы нельзя определить заранее. Внешние сигналы могут прерывать или изменять последовательность исполнения операторов программы, причем для каждого нового прогона по-разному. Кроме того, существует проблема эффективного использования ресурсов компьютерной системы с учетом временных ограничений. Все это требует специальных методов программирования. Дополнительную проблему представляет собой тестирование систем реального времени из-за отсутствия предсказуемого порядка выполнения операторов программы по сравнению с обычными компьютерными системами.

Параллельность — одно из важных свойств реального мира. Все события вокруг нас, мы сами и фактически любые физические процессы можно представить в виде множества "подпроцессов", которые протекают параллельно. Из этого свойства следует важный вывод: компьютер, взаимодействующий с таким процессом или управляющий им, должен учитывать эту параллельную природу, а в некоторых ситуациях и работать в соответствии с ней. Естественным следствием параллельной природы реального мира является то, что компьютер должен уметь управлять параллельными задачами. В этом и заключается отличие управляющего компьютера от обычного, для которого естественным является последовательный режим.

Пример:  Пресс для пластика

Управление прессом для пластика — это пример типичной задачи компьютерного управления процессом.

Компьютер должен одновременно регулировать температуру (поддерживать ее постоянной) и координировать последовательность технологических операций. Если применять обычные методы программирования, то задача структурирования программы становится неразрешимой. Поэтому требуется другой подход

Рис.1.3 Пресс для пластика

Пресс для пластика представлен на рис. 1.3. Контейнер содержит расплавленный пластический материал; температура пластика должна поддерживаться в пределах узкого диапазона. Управляющий компьютер периодически считывает текущую температуру и рассчитывает тепло, необходимое для ее поддержания на требуемом уровне. Тепло поступает от нагревательного элемента, управляемого компьютером. Время его работы согласовано с количеством тепла, которое необходимо подвести.

Нижняя часть пресса состоит из поршня, выталкивающего определенное количество расплавленного пластика через насадку. Когда поршень находится в крайнем правом положении, цилиндр заполняется пластиком. Затем поршень быстро перемещается влево, выдавливая требуемое количество пластика. Положение поршня контролирует импульсный датчик, генерирующий определенное число импульсов на каждый миллиметр перемещения, а объем выдавливаемого пластического материала определяется числом импульсов за время перемещения. Движение поршня прекращается при достижении заданного числа импульсов.

Чтобы обеспечить приемлемую производительность, температура пластика должна иметь заданное значение к тому моменту, когда поршень при движении вправо минует выходное отверстие контейнера.

Компьютерная система должна регулировать температуру и движение поршня одновременно. Значение температуры поступает в виде непрерывного сигнала от датчика. Положение поршня рассчитывается исходя из числа импульсов. Кроме того, еще два датчика генерируют двоичные сигналы при достижении поршнем крайнего положения. Компьютер не содержит отдельного внутреннего интервального таймера и поэтому должен отсчитывать время с помощью счетчика сигналов от внешнего источника времени.