Управляющие вычислительные комплексы
Особенностью применения вычислительных машин для целей управления технологическими процессами является необходимость в специальных технических средствах для связи с датчиками и исполнительными элементами, используемыми в процессе. Совокупность управляющей ЭВМ с устройствами, обеспечивающими ее связь с объектами управления и оператором вместе с соответствующим математическим (программным) обеспечением, называется управляющим вычислительным комплексом (УВК). К вычислительным машинам, используемым в УВК, не предъявляется высоких требований в отношении их вычислительной мощности, однако от них требуется высокая надежность, стабильность и простота в эксплуатации.
В автоматизированных системах управления технологическими процессами (АСУТП) наиболее широко используются так называемые мини-ЭВМ — небольшие вычислительные машины. Быстродействие этих машин — от десятков до сотен тысяч операций в секунду, объем памяти — от 4 до 32 тысяч 12-или 16 разрядных двоичных чисел. Система команд этих машин обычно ограничена в части математических действий, но имеет широкий набор логических и вспомогательных операций, необходимых для управления технологическими процессами. К вычислительным машинам этой группы, выпускаемым в настоящее время, можно отнести серию «Электроника-100», М-6000, ЕС-1010 и др.
Для управления сложными системами выпускаются управляющие комплексы на основе более крупных вычислительных машин (серия «Днепр», «Электроника К-200»).
Управляющая ЭВМ состоит из процессора, блока памяти и устройств ввода—вывода. В свою очередь, процессор содержит арифметическое устройство, выполняющее логические и арифметические операции, устройство управления, организующее последовательное выполнение этих операций в соответствии с программой, и панель управления, позволяющую оператору пускать и останавливать ЭВМ, контролировать ее работу и при необходимости выполнять наладочные операции. В ЭВМ, предназначенных для работы в АСУТП, зачастую предусматривается возможность после пуска машины отключать панель управления с помощью специального ключа, чтобы исключить нарушение работоспособности в результате вмешательства посторонних лиц или ошибочных действий оператора.
Блок памяти в современных машинах выполняется на магнитных элементах и служит для хранения программ, исходных данных, промежуточных и окончательных результатов. В большинстве машин предусматривается возможность расширения памяти путем подключения к основному блоку дополнительных запоминающих устройств.
Устройства ввода—вывода (обычный набор — электрическая пишущая машинка, ленточный перфоратор и считыватель) предназначены для загрузки программ и исходных данных в память ЭВМ и вывода результатов, подлежащих использованию вне машины. Кроме того, устройства ввода—вывода могут использоваться для оперативного обмена информаций с оператором в ходе управления («режим диалога»). Для этого может быть использована пишущая машинка. В развитых системах иногда применяются экранные пульты, способные отображать текстовую и графическую информацию на экране, аналогичном телевизионному. Кроме того, в управляющих ЭВМ предусматриваются каналы связи для обращения к внешним устройствам. Эти каналы применяются для подключения аппаратуры управляющих комплексов.
В состав управляющего комплекса, кроме ЭВМ с устройствами ввода—вывода, входят коммутаторы, цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи, периферийные запоминающие устройства, а также средства связи с оператором.
Коммуникации, связывающие комплекс с объектами управления, называются каналами связи. По направлению передачи информации каналы делятся на измерительные (от объекта) и управляющие (к объекту).
Поскольку цифровая ЭВМ в каждый момент выполняет только одну операцию и, следовательно, может работать лишь с одним каналом связи, комплекс содержит быстродействующие коммутирующие устройства, позволяющие последовательно подключаться к различным каналам связи. Управление коммутацией осуществляется программой ЭВМ.
Во многих комплексах применяется центральный коммутатор, который располагается в непосредственной- близости от ЭВМ и осуществляет переключение всех каналов. Однако такая система неудобна для многих вакуумных производств, характерной особенностью которых является использование большого числа отдельных установок. В этом случае применение центрального коммутатора приводит к большой суммарной длине коммуникаций, снижающих надежность и помехоустойчивость системы. Для подобных систем создаются выносные — периферийные коммутаторы. Этн коммутаторы встраиваются в объекты управления или располагаются вблизи них и осуществляют подключение отдельных каналов к общей шине связи ЭВМ. Использование периферийных коммутаторов позволяет резко уменьшить общую длину коммуникаций и дает возможность по мере необходимости наращивать число каналов связи путем подключения дополнительных коммутаторов (в пределах возможностей комплекса).
Необходимыми элементами управляющего комплекса являются цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи. Цифровая вычислительная машина оперирует величинами, представленными в форме двоичного кода (т. е. комбинации единиц и нулей),. Во входных и выходных цепях машины двоичный код чаще всего воспроизводится в виде наличия или отсутствия определенного напряжения на отдельных контактах. Перевод сигналов напряжения, поступающих от объекта, в код ЭВМ осуществляется аналого-цифровым преобразователем.
При выдаче командных сигналов на аналоговые исполнительные устройства объекта управления возникает обратная задача — преобразование двоичного кода в сигнал напряжения стандартного интервала. Эту функцию выполняет цифро-аналоговый преобразователь.
Так как ЭВМ последовательно обслуживает множество каналов связи и загружена выполнением аналитических операций, время ее работы с одним каналом связи много меньше периода обращения к каналу. В то же время исполнительные элементы объектов управления в большинстве случаев требуют непрерывного воздействия управляющих сигналов. Поэтому в управляющих комплексах используются устройства, способные в моменты обращения к данному каналу фиксировать значения командных сигналов и хранить их до следующего обращения.
Важным элементом комплекса является датчик времени, необходимый для организации работы комплекса в реальном масштабе времени. Датчик вырабатывает периодические сигналы, которые передаются управляющей ЭВМ чаще всего по специальному каналу, вызывающему внеочередное обслуживание (так называемый «канал прерывания»).
Устройства контроля и сигнализации, входящие в комплекс, позволяют оператору следить за работой комплекса и ходом процессов, а при необходимости — влиять на работу системы управления.
Среди отечественных УВК наиболее широкими возможностями обладает комплекс АСВТ (агрегатные средства вычислительной техники), содержащий набор взаимно согласованных устройств — ЭВМ (в частности, ЭВМ М-6000), селекторы, преобразователи и др.
Однако этот комплекс сравнительно редко применяется в цеховых условиях из-за относительной сложности и высокой стоимости.
Для управления вакуумно-технологическими процессами в производственных условиях наиболее широко применяются комплексы на основе ЭВМ класса «Электроника-100».
На рис. 6 показана структура управляющего комплекса. В комплексе используются одна или две ЭВМ «Электроника-100/И» (вторая ЭВМ служит для разгрузки и резервирования первой). Передача функций управления от одной машины к другой осуществляется через селектор центрального пульта.
Регистры пульта служат для временного хранения информации при передаче ее на объекты управления или от одной ЭВМ к другой. Передача информации в линии связи осуществляется через мощные усилители, обеспечивающие высокую помехоустойчивость сигналов. Индикаторы и клавиатура пульта используются для обмена информацией с оператором (выдача необходимых сведений по запросу, передача указаний об изменении режимов и др.).
В комплексе могут использоваться внешние индикаторные устройства, оформленные в виде информационных табло, мнемосхем и т. п.
Обмен информацией с объектами управления осуществляется через блоки связи, которые могут располагаться на удалении до 500 м от центрального пульта в непосредственной близости от управляемых установок.
Каждый из блоков (их может быть до 64) содержит селектор, подключающий блок к магистрали при определенной кодовой комбинации в адресных шинах и управляющий включением отдельных каналов коммутатора, связывающего блок с датчиками и исполнительными элементами объекта управления.
Формирование аналоговых управляющих сигналов осуществляется с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). В момент выдачи эти сигналы через коммутатор передаются на фиксаторы уровня, «запоминающие» сигнал путем зарядки конденсатора до соответствующего уровня.
Аналоговые сигналы, поступающие от датчиков, измеряются аналого-цифровым преобразованием, в котором используется ЦАП и схема сравнения, вырабатывающая сигнал обратной связи, позволяющий управляющей ЭВМ подобрать код на входе ЦАП, соответствующий амплитуде измеряемого сигнала.
Прием и выдача дискретных (двухпозиционных) сигналов осуществляется, как аналоговых, с той разницей, что в каналах связи используются специальные устройства, позволяющие один аналоговый канал «расщепить» на 8 дискретных.
В блоке связи с объектом предусмотрена возможность использования местного управляющего устройства, в качестве которого может применяться микро-ЭВМ или программатор.