12.УПРАВЛЯЮЩИЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ КОМПЛЕКСЫ

12.УПРАВЛЯЮЩИЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ КОМПЛЕКСЫ

Особенности функционирования ЭВМ, включенных в контур управления.

Требования, предъявляемые к ЭВМ при исполь­зовании ее в составе АСУ и при использовании ее в вычислитель­ном центре, существенно отличаются. При использовании ЭВМ на вычислительном центре решаемые задачи весьма разнообразны и обычно неизвестны заранее. Объем работы вычислительного центра, как правило, лимитируется производительностью машин, организацией прохождения работ и обслуживания программистов. Наиболее экономичны в этом случае технические решения, обеспе­чивающие минимальную удельную стоимость решения задач.

ЭВМ, специально предназначенные для контроля и управления технологическими процессами, называют управляющими вычислительными машинами (УВМ). УВМ представляют собой цифровые вычислительные устройства, составляющие часть автоматизиро­ванной или автоматической системы управления, включающие в себя устройства связи с объектом и предназначенные для приема информации от измерительных устройств, местных (локальных) автоматизированных систем, устройств защиты и блокировки, а также других источников информации; переработки информации по программе, определяемой заданным алгоритмом управления в реальном масштабе времени; выдачи результатов обработки информации оператору на исполнительные устройства и в другие системы управления.

В АСУ ТП устройства связи УВМ с датчиками и исполнитель­ными органами чаще всего составляют большую часть электронного оборудования, иногда в несколько раз превосходящую оборудова­ние УВМ. Номенклатура этих устройств, включающих все необходимые средства преобразования, коммутации, согласования, доста­точно велика, а число их в каждой АСУ ТП различно. Поэтому в состав УВК входят унифицированные схемно-конструктивные исполнения в виде агрегатных модулей.

Для работы в качестве центральной части АСУ любая УВМ должна иметь универсальную структуру и обладать некоторыми дополнительными техническими особенностями, связанными с автоматическим приемом и обработкой информации, поступающей в процессе управления и выдачи управляющих воздействий непо­средственно на исполнительные устройства объекта управления или оператору. В состав УВМ должны входить устройства, обес­печивающие ее непосредственную связь с управляемым техноло­гическим процессом, а также связь оператора с УВМ и технологи­ческим оборудованием для наблюдения за протеканием производ­ственных процессов и при необходимости для вмешательства в процесс управления (рис.12.1 ).

УВМ работает с большим числом источников и потребителей информации, каждый из которых работает, как правило, асин­хронно, т. е. информация от объектов управления и запросы на обслуживание поступают в произвольные моменты времени. Асинхронность поступления заявок приводит к тому, что в условиях ограниченного ресурса УВМ формируется очередь на обслужива­ние. Так как УВМ работает в реальном масштабе времени, а инфор мация в системе имеет различную ценность и достоверность, обслу­живание заявок УВМ является приоритетным. Высший приоритет дается заявкам, которые должны быть отработаны не позднее чем за определенный интервал времени во избежание потери информации или аварии.

С целью приоритетного обслуживания заявок в УВМ органи­зуется система прерываний, под которой следует понимать совокупность аппаратных и программных средств, обеспечивающих переключение процессора с выполняемой программы на другую, имеющую более высокий приоритет, при этом сохраняется возмож­ность возврата к прерванной программе. Прерывание может быть организовано как по внешним признакам, формируемым операто­ром или машиной, так и по внутренним признакам, большинство из которых формируется в результате контроля неисправности системы управления.

Любой алгоритм, предназначенный для использования в системе управления, должен разрабатываться с учетом того, что управ­ляющие сигналы от УВМ должны поступать не только в нужное место, но и в ограниченные отрезки времени, определяемые ско­ростью протекания управляемого процесса. УВМ должна работать в темпе, задаваемом измеряемыми физическими параметрами, характеризующими производственный или технологический про­цесс, и органами управления, с которыми она связана и с которыми непрерывно взаимодействует, т. е. УВМ должна работать в реаль­ном масштабе времени. Реальное время в УВМ учитывается тайме­ром.Обычно УВМ обслуживает одновременно много пользователей и решает много задач:

регистрирует поступающую от многочислен­ных датчиков измерительную информацию и обрабатывает ее по соответствующим программам;

выдает управляющие сигналы на различные исполнительные устройства;

решает экономические и бухгалтерские задачи и т. п

Такой режим работы называют режи­мом разделения времени. Для его организации УВМ должна иметь достаточно большие объемы памяти и большое быстродействие. Режим разделения времени выгоден экономически, так как в этом случае резко повышается эффективность использования УВМ за счет обеспечения более полной ее загрузки и лучшего использова­ния ресурсов.

 

 

 

Разделение машинного времени в УВМ осуществляется про­граммно; при этом одни и те же устройства системы предостав­ляются всем пользователям в соответствии с установленным прио­ритетом. В этом случае за счет быстрого решения задач по запросам пользователей у них создается впечатление, что они могут работать с ЭВМ одновременно.

Для реализации программного разделения времени в УВМ дол­жна быть предусмотрена возможность при необходимости преры­вания текущей программы при поступлении срочного запроса (указания оператора, сигналов от датчиков или выработанных самой УВМ).Машина временно прерывает работу, запоминая место текущей программы, где произошло прерывание, и переходит к выполнению другой программы, соответствующей срочному за­просу. После того как запрашиваемая программа выполнена и других заявок нет, УВМ возвращается к прерванной текущей программе.

Технические средства УВМ, работающей в режиме разделения времени, должны обеспечивать:

одновременное хране­ние в памяти нескольких программ;

допускать параллельную работу процессора и внешних устройств;

организацию прерывания программ, а ее программное обеспечение — планировать порядок выполнения задач;

распределять ресурсы УВМ;

производить защиту памяти от несанкционированного вмешательства одной задачи в другую при их параллельной работе и выполнять некото­рые другие функции.

Требования, предъявляемые к УВМ, работающей в контуре управления, по надежности определяются необходимой надеж­ностью системы в целом, исходя из цены отказа того или иного компонента АСУ.

Структурная организация УВМ.

Расширение сферы применения ЭВМ и в особен­ности использования ее в АСУ ТП (для обработки информации в области управления, планирования, учета и т. п.) привели к включению в состав машины большого комплекса разнообразных периферийных (внешних) устройств для ввода информации, ее запоминания, и хранения, регистрации и отображения. Конкрет­ные условия применения предъявляют различные требования в отношении состава периферийных устройств, а также объемов оперативной и внешней памяти, числа каналов прерывания и т. п.

Это привело к тому, что при создании вычислительной техники концепцию “вычислительные машины с фиксированным составом оборудования”, где главное место занимало само устройство обра­ботки информации, сменила концепция «агрегатированной» вычис­лительной системы с переменным составом оборудования”, который определяется функциями, выполняемыми системой. При таком подходе отдельные функциональные устройства выполняют в виде агрегатов, которые в нужной номенклатуре и количестве объеди­няют в вычислительную систему.

Сложность современных вычислительных систем привела к понятию “архитектура вычислительной системы” (или логическая организация системы), охватывающей комплекс вопросов ее по­строения, существенных в первую очередь для потребителя, инте­ресующегося главным образом возможностями системы, а не дета­лями ее технического использования.

Существенное место в агрегатированных вычислительных сис­темах занимают специальные устройства — унифицированные ка­налы обмена информацией, допускающие подключения, в нужном количестве периферийных устройств. Заложенный агрегатный принцип в УВМ позволяет компоновать путем проектирования достаточно гибкую по структуре и функциональным возможностям УВК, удовлетворяющую требованиям потребителя, изменять систему в процессе ее эксплуатации при расширении или изменении решаемых задач, модернизировать систему.

Для реализации информационных и управляющих функций в АСУ ТП в УВК должны входить:

процессор — устройство, выпол­няющее заданные программой преобразования информации и осуществляющее управление всем вычислительным процессом и взаимодействием агрегатов вычислительной системы;

наращивае­мые постоянные и оперативные запоминающие устройства для хра­нения информации, программ управления и т. п.;

возможность работы с накопителями большой емкости и обмена с УВМ других классов;

набор агрегатных модулей с развитой системой ввода-вывода;

развитая система приоритетного прерывания программ, позволяющая совмещать выполнение операций ввода-вывода со счетом;

счетчик реального времени (таймер);

развитая система аппаратно-программного контроля;

развитая система команд, обеспечивающая удобство в программировании;

аппаратно-про­граммные средства для выполнения арифметических операции с относительно высокой точностью и высокой производительностью по выполнению операций ввода-вывода и логических операций.

На рис.12.2 изображена общая структурная схема системы связи УВМ с объектом управления. Всю номенклатуру агрегатных модулей УВМ условно можно разделить на следующие группы:

агрегатные модули для компоновки управляющего вычислительного комплекса (УВМ);

 

 

 

агрегатные модули для связи с объектом управления;

устройства ввода-вывода и внешней памяти.

Под вычислительным комплексом понимают группу соединен­ных между собой агрегатных модулей, которая выполняет по про­грамме прием, арифметическую и логическую обработку, хранение и выдачу информации. Вычислительный комплекс является обяза­тельной составной частью любой вычислительной системы.

Обмен информацией между отдельными устройствами УВК осуществляется посредством интерфейсов. Интерфейсы системы связи рассчитаны на выполнение по командам обмена данными между устройствами в цифровой форме и содержат для этого необ­ходимый состав цепей. Под интерфейсом понимают совокупность унифицированных аппаратных, программных и конструктивных средств, необходимых для реализации алгоритма взаимодействия различных функ­циональных блоков в автоматизированных системах обработки информации и управления, при условиях, предписанных стандар­том и направленных на обеспечение информационной, электриче­ской и конструктивной совместимости указанных блоков.

В систему связи УВМ с объектом управления входят два интер­фейса: стандартный В ввода-вывода и внутренний П, обслуживаю­щий процессор УВМ. Управление работой интерфейса В, к кото­рому подсоединены все устройства связи УВМ с объектом управле­ния, осуществляет канал ввода-вывода. Интерфейс П обеспечивает обмен информацией между процессором, оперативной памятью и каналом ввода-вывода.

К интерфейсу П подсоединены блок внешних прерываний про­цессора по сигналам от датчиков АСУ ТП и таймер, формирующий сигналы для организации циклов обработки информации и управ­ления объектом.

Функциональная схема УВК приведена на рис. 12.3. Все источ­ники и потребители информации в АСУ ТП подразделяют на пас­сивные, работа которых инициируется процессором, и инициатив­ные, которые по собственной инициативе на основании анализа состояния технологического процесса и технических средств, вклю­чая УВК, выставляют запрос на необходимые им ресурсы АСУ ТП. Признак пассивности или инициативности устройства задается при генерации операционной системы УВК. В связи с этим в УВК реализуются обмены программно-управляемый без прерывания, программно-управляемый в режиме прерывания, в режиме прямого доступа к памяти. Каждый из режимов обмена имеет харак­терные особенности и отличается временем доступа.

Реализация обмена в УВК осуществляется каналом ввода-вывода, который всегда можно рассматривать как обособленное логическое устройство управления обменом. В УВК, как правило, реализуется так называемый встроенный канал, в котором функции канала распределены между процессором, контроллерами перифе­рийных устройств и специализированными схемами. В современных УВК обмен выполняется специализированным устройством, которое называют контроллером или каналом прямого доступа к памяти. Два других вида обмена реализуются процессором, контроллерами периферийных устройств и специализированными устройствами, сложность которых зависит от типа УВК. Последнее обусловлено тем, что УВК в АСУ ТП, как правило, не выполняет сложных вычислений с высокой точностью, а является перифе­рийно ориентированной ЭВМ, архитектура которой ориентирована на реализацию интенсивного обмена.

Рассматривая канал как элемент системы управления, необхо­димо отметить, что канал характеризуется временем доступа tк ,которое зависит от режима обмена и состояний управляемого про­цесса. В АСУ ТП последовательность выполнения задач и период их решения зависит от множества факторов и не является постоян­ным. Только в частном случае, например при прямом цифровом управлении одним динамическим объектом, последовательность, задач и период их решения могут быть заданными и не изменяю­щимися в процессе нормальной работы.

Решение задач с переменным периодом дискретности зависит от состояния управляемого процесса загрузки и состояния технических средств, и является характерной особенностью АСУ ТП, которую нужно учитывать при проектировании.

Система датчиков измеряет аналоговые и дискретные сигналы.

Аналоговый сигнал — сигнал, информационные параметры которого могут принимать в определенных пределах любые значе­ния. Дискретный сигнал — сигнал, информационные параметры которого могут принимать только некоторые из конечной совокупности значений. Цифровой сигнал — дискретный сигнал, в котором значениям параметра соответствуют определенные кодовые слова, образующие последовательность знаков.

 

 

Подсистема аналогового ввода. Аналоговые подсистемы зна­чительно различаются по составу и конфигурации. Однако входя­щие в них технические средства обычно можно классифицировать по выполненным функциям.

Переходное устройство. Сигналы датчиков передаются на анало­говые входы по одиночным проводам или по парам проводов, кото­рые могут быть экранированы. При однопроводной передаче цепь сигнала оканчивается линией общего заземления, обслуживающей несколько датчиков. Сигнальные провода должны оканчиваться в точке сопряжения с аналоговой подсистемой. Переходными уст­ройствами, предназначенными для этой цели, могут служить клеммные колодки, кабельные разъемные или специальное оборудование для каждого типа сигнала.

Нормализация сигнала, т. е. модификация сигнала, связана с фильтрацией, ослаблением, смещением уровня, линейной или нелинейной компенсацией и преобразованием тока в напряжение.

Коммутация. Коммутатор состоит из электронного или элек­тромеханического переключателя, последовательно подключающего каждый отдельный вход. Переключатели управляются УВМ или специальными логическими схемами при посылке входных сигналов в аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Таким образом, один АЦП может одновременно обслуживать несколько входных сигналов. Коммутация осуществляется до или после усиления.

Усиление. Многие сигналы датчиков являются сигналами низ­кого уровня, а большинство АЦП работает в диапазоне 5 или 10В. Поэтому усиление сигналов низкого уровня необходимо, если необходимо эффективно использовать разрешающую способность АЦП. Обычно коэффициент усиления по напряжению колеблется от 100 до 1000. Коэффициент усиления может быть зафиксирован конструктивно либо выбран с помощью ручного переключателя или программы УВМ. Значение коэффициента может также регу­лироваться автоматически по специальной функции.

Аналого-цифровое преобразование.

Задача АЦП — обеспечить цифровое представление аналогового сигнала. Скорость преобра­зований колеблется от единиц до миллионов преобразований в секунду. Значения аналогового сигнала регулярно считываются и путем квантования преобразуются в цифровой сигнал, которой поступает на ЭВМ в виде числовой последовательности или после­довательности импульсов.

АЦП устанавливает соответствие между входным аналоговым сигналом Uвх (обычно напряжением) и выходным двоичным кодом. Входной сигнал может принимать неограниченное число значений в пределах диапазона изменения от Umin до Umах. Число различ­ных значений цифрового кода определяется разновидностью пре­образователя и ограничено величиной 2n, где п — число разрядов.

Основные методы аналого-цифрового преобразования: последо­вательного счета; поразрядного уравновешивания.

С момента поступления сигнала счетчик подсчитывает тактовые импульсы до тех пор, пока аналоговый эквивалент двоичного кода— сигнал Uвых не превысит величину Uвх. В этот момент, выявляемое компаратором, поступление тактовых импульсов на счетчик прерывается и параллельный код счетчика может быть – считан как результат преобразования. После сброса счетчика в нуль и появления нового стартового сигнала процесс возобнов­ляется. Время преобразования АЦП такого типа является перемен­ным и зависит от уровня входного сигнала: tпр = 2п *τт,где п — разрядность; τт — период следования тактовых импульсов.

В преобразователе поразрядного уравновешивания вместо счетчика используют сдвиговый регистр, режим которого зависит от специальной управляющей логической схемы. В процессе пре­образования в регистр, начиная со старшего разряда, заносятся единицы, после чего схема на основании информации с компара­тора либо сохраняет эту единицу в данном разряде, либо стирает ее. После этого процесс повторяется, но уже со следующим разря­дом регистра. Время преобразования в таком АЦП всегда одина­ково и определяется разрядностью преобразования: tпр = n τт. Аналоговые сигналы могут быть сигналами низкого и высокого уровня. Аналоговые и дискретные датчики могут быть либо пассив­ными, либо инициативными. Отдельные датчики могут быть при решении одних задач пассивными, а при решении других — ини­циативными. Характеристики измеряемого сигнала и признак инициативности определяют совокупность устройств и алгоритм преобразования измеряемого сигнала в машинное слово.

Преобразование аналогового сигнала в машинное слово вклю­чает в себя совокупность операций, которая образуется из опера­ций нормализации, фильтрации, коммутации, аналого-цифрового преобразования и записи полученного кода в буферный регистр. Каждая из операций характеризуется временем преобразования t и точностью выполнения δ. Время выполнения рассматривается как запаздывание. В зависимости от решаемых задач координаты Χi = f (X) рассматриваются либо как обобщенные характеристики тракта преобразования, либо учитывается влияние каждой из составляющих этих координат.

Аналогичными показателями характеризуется и тракт ввода дискретных сигналов. Алгоритм преобразования дискретного сигнала включает в себя операцию функционального преобразования информационного параметра кода датчика в машинное слово. Каждому инициативному источнику (потребителю) информации противопоставляется, кроме того, приоритет Р, характеризующий в каждый заданный момент времени важность источника или по­требителя информации в системе. Таким образом, каждому источ­нику информации противопоставляются в АСУ ТП следующие параметры: δ — точность преобразования; τ — время преобразо­вания; Р — относительный приоритет.

Все эти параметры являются обобщенными и зависят от исполь­зуемых технических средств и алгоритмов преобразования. Выбор технических средств и алгоритмов преобразования определяется измеряемым сигналом и характеристиками используемого датчика.

Подсистема цифрового ввода. Основная функция подсистемы цифрового ввода УВМ — восприятие событий, возникающих в тех­нологическом (производственном) процессе или в оборудовании, связанном с управляющим вычислительным комплексом. Обычно эти события имеют характер “да—нет” или же преобразуются в двоичный код с помощью соответствующих устройств. С функциями подсистемы цифрового ввода связаны две основные характерис­тики: форма входного сигнала (в виде напряжения, силы тока или изменения сопротивления) и параметр сигнала, представляющий интерес при контроле состояния процесса (наличие сигнала, его длительность или число событий, возникающих за определенный период времени). Поэтому для выполнения своей основной функ­ции подсистема должна содержать большое число разнообразных модулей, воспринимающих сигналы различной формы, связанные с двоичными параметрами производственного процесса.

На рис.12.4 показана общая конфигурация и основные эле­менты подсистемы цифрового ввода. Связь подсистемы с процессо­ром осуществляется непосредственно или с помощью интерфейсов. Устройство управления обеспечивает поддержание связи между подсистемой и процессором. Оно выполняет также декодирование адресов и другие функции, связанные с восприятием цифровых сигналов. Для сни­жения вычислительной наг­рузки процессора на уст­ройство управления может быть возложена задача осу­ществления специальных функций, таких, как сравне­ние, организация прерыва­ния и др.

Для подсчета многократ­но повторяющихся событий требуется счетчик.Число двоичных разрядов счётчика равно разрядности процессора. Например при 16-разрядном процессоре емкость счетчика равна 216.

При необходимости получения реакции на поступление одиноч­ных или многоразрядных кодовых комбинаций применяют запоми­нающий регистр для временного хранения полученных данных, Число двоичных разрядов регистра равно разрядности процессора, Например, при 16-разрядном процессоре объем регистра состав­ляет 16 бит.

Сопряжение между сигналами от объекта и логическими сигна­лами, необходимыми для управления состояниями регистра или счетчика, заключается в изменении уровня сигналов и (или) их преобразования. Входные сигналы, представляющие состояние объекта, чаще имеют вид уровня напряжения, силы тока или поло­жения контакта выключателя. Однако воспринимающие схемы обычно рассчитаны на напряжение. Преобразование силы тока в напряжение можно осуществить с помощью шунтирующего резис­тора. Аналогично для преобразования сигнала, представленного состоянием контакта, в напряжение последовательно с контактом включают источник напряжения и резистор ограничения силы тока.

Воспринимающая схема представляет собой пороговое устрой­ство, уровень

выходного сигнала которого соответствует единице, если выходное напряжение превышает заданное значение. В про­тивном случае выходной сигнал соответствует нулю.

Например, подсистема может удерживать кон­такт в замкнутом состоянии в течение заданного интервала времени, либо замыкать контакт заданное число раз или вырабаты­вать на выходе заданное число импульсов напряжения.

Основная функция цифрового вывода — функция ключа, кото­рый может управлять источником напряжения или тока с целью передачи в нагрузку сигнала в виде уровня напряжения или силы тока. Обычно напряжение, управляемое устройствами цифрового выхода, совместимо со стандартными уровнями сигналов логиче­ских схем. Эти выходные сигналы часто используют для управле­ния процессом или технологическим оборудованием, воспринимаю­щим стандартные логические уровни сигналов.

На рис.12.5 показана общая организация подсистемы цифро­вого вывода. Подсистема непосредственно соединена с процессо­ром или интерфейсом. В последнем случае устройство логического управления обеспечивает также декодирование адреса и кода опе­рации, синхронизацию и другие функции управления, например определение длительности выходных импульсов.

Управление точками цифрового вывода обычно осуществляется на групповой основе, Для облегчения обращения с данными число выходных точек в каждой группе берется равным числу двоичных разрядов в машинном слове или в его части. Например, если УВМ использует 16-разрядные слова, то число выходных точек в группе обычно равно 8 или 16. Число групп, управляемых логическим устройством управления подсистемы, определяется общей структурой системы. Основными факторами, обусловливающими выбор числа групп на одно устройство управления подсистемы, являются структура адресации, задаваемая форматом команды,и выбранные конструктивные решения.

Обычно каждый двоичный разряд выходных цифровых данных имеет самостоятельный смысл, т. е. каждый бит выходного слова может использоваться для управления каким-либо параметром процесса. Иногда данные, представляемые одной группой выходов, имеют смысл целого слова. В частности, это имеет место, когда группа цифровых выходов используется для передачи данных периферийному печатающему устройству или устройству визуаль­ного вывода.

На рис. 12.5 показаны три варианта выходных схем: выходы непосредственно от логических схем, выходы с ключей на транзис­торах и релейные выходы. Возможны также и другие варианты, например ключи на тиристорах и пр.

УВМ для осуществления управления процессом должна выпол­нять следующие функции.

1. Собирать важную для хода технологического процесса информацию, которая представляет собой последовательность цифр и других условных знаков, понятных УВМ. Так как УВМ работает с цифрами, все сигналы должны быть преобразованы в последовательность цифр. Эту операцию осуществляет в УВМ АЦП.

2.УВМ накапливает данные и хранит их для последующей обработки. Снимая характеристики процесса и регистрируя структурные параметры, УВМ может построить математическую модель процесса.

3.УВМ может производить расчеты, используя введенные в нее или накопленные в ней данные, например, рассчитывать оптималь­ные значения управляющей величины. Эти расчеты не должны отставать от реального процесса, т. е. УВМ должна работать в реальном масштабе времени.

4. УВМ может выдавать некоторые данные, например оптималь­ное значение управляющей величины. Эти данные должны быть преобразованы снова в аналоговый сигнал с помощью цифроаналогового преобразователя, чтобы их можно было использовать непо­средственно в процессе управления.

Однако УВМ не в состоянии производить вычисление по собст­венной инициативе. Для этого она должна получить команду от своего устройства управления. Так как устройство управления не знает, что и как УВМ должна считать, то следует ввести в нее программу вычислений, составленную на понятном машине языке (рис. 12.6 ).

Программа — упорядоченная последовательность указаний, по которым производятся вычисления. В программе, например, может быть предписано: рассчитать оптимум по указанному методу. Такое предписание называют алгоритмом.