Общие сведения об УВМ

Лекция № 2. Общие сведения об УВМ.

План лекции:

2.1. История развития УВМ.

2.2. Общие принципы построения.

2.3. Квантование информации в цифровых режимах.

2.4. Основные этапы проектирования.

 

История развития УВМ

         Первый опыт применения УВМ относится к 1959г., когда в США была запущена цифровая машина, работающая в супервизорном режиме. В этом режиме машина корректировала установки (задания) аналоговым регулятором процесса.

Рекомендуемые материалы

         Первый опыт применения УВМ для режима непосредственного цифрового управления (НЦУ) был осуществлен в СССР в 1961г. Была спроектирована специализированная УВМ «Автооператор» , выполняющая функции многоканального цифрового регулирования и установлена в одном из цехов химического комбината в г. Казани.

         Однако, низкая надежность как аналоговой так и цифровой частей системы заставила отказаться от режима НЦУ, поэтому УВМ в те годы в основном использовались в трех режимах работы:

1. Сбор и обработка первичной информации с ОУ;

2. Режим советчика оператору;

3. Супервизорный режим работы.

Супервизорный режим работы

         В этом режиме стабилизацию основных технологических параметров процесса осуществляют аналоговые регуляторы. УВМ, путем смены задания, этим регулятором могла осуществлять следующие режимы:

1. Режим запуска процесса и плавного вывода его на номинальный режим работы;

2.       Останов технологического процесса;

3. Режим статической оптимизации процесса технологии, т.е. поиск точки в многомерном пространстве регулируемых параметров, техноэкономический оптимум процесса (чаще всего максимум производительности процесса при минимальной потребности энергии и сырья).

Первые УВМ были изготовлены под руководством академика Глушкова в 1958г. это машины широкого назначения типа УМ1, «Днепр», ВНИЭМ3.

В эти же годы были созданы ряд специализированных УВМ, в частности: машина – советчик СМ1 для управления доменным цехом; машина «Сталь 1» для оптимизации резки металла в сталепрокатном цехе.

В 70-е годы начала выпускаться серия УВМ типа АСВТ (агрегатные средства вычислительной техники). Первая знаменитая машина – М-6000 шкафного исполнения. Характерной особенностью этой серии являлось то, что она впервые комплектовалась полным набором всех блоков, необходимых для реализации режима НЦУ (ЦАП, АЦП, накопители, мониторы, пульты операторов). На базе М-6000 впервые в СССР реализованы настоящие системы непосредственного цифрового управления.

Второе поколение УВМ началось в 1981г. с появления управляющих микроЭВМ серии «Электроника» (разные варианты, в том числе и встраиваемы в виде дипломатов). Самые известные: «Элетроника-60» , «Электроника НЦ» .

Параллельно продолжали развиваться и машины - советчики, которые с 1974г. стали выпускаться серийно в странах СЭВ под названием СМ. Самая известна СМ-4, переделанная в СМ-1420. По возможностям они приближались к 286 и 386, как и М-6000 они обладали всей аппаратурой. Для высоко точных систем управления была выпущена 32-разрядная мини-ЭВМ СМ-1700

С 1985г. в Харькове начали выпускать универсальный управляющий комплекс «Микродат» на базе процессора серии К580.

В настоящее время УВМ стоятся на базе персональных компьютеров (РС).

Общие принципы построения АСУ ТП

Современные СУ технологическими процессами стоятся как многоуровневые, иерархические, децентрализованные цифровые системы управления на базе микропроцессорных контроллеров и управляющих вычислительных машин.

Иерархичность предполагает возможность выдачи команд с верхнего уровня на нижний, в частности при выходе из строя нижестоящей ЭВМ ее функции будет выполнять вышестоящая, т.е. предполагает, что  осуществляется обмен информацией между УВМ разного уровня, однако степень доступа различна.

Многоуровневость предполагает наличие как минимум двух уровней: нижнего и верхнего. Простой реализацией АСУ ТП является нахождение на нижнем уровне регулирующих реконтроллеров с соответствующими системами сбора и обработки информации и верхнего уровня на база РС-УВМ.

Децентрализация понимается в двух смыслах: функциональная и территориальная. Под функциональной  децентрализацией понимают разделение функций и решаемых задач между различными уровнями системы (например, на самом нижнем уровне решается задача сбора и первичной обработки информации о процессе, на втором уровне решается задача автономной стабилизации параметров процесса относительно их заданных значений, на третьем уровне – задача пуска и останова процесса, программа управления аварийного режима работы, на четвертом, более верхнем уровне – задача идентификации статических и динамических характеристик объекта, оптимизации рабочих точек процесса, смена нагрузок на ТП и т.д.)

Построение систем по такому принципу обеспечивает высокую надежность работы системы в целом, возможность неограниченного расширения и модернизации системы. Аппаратурно такие системы строятся как сетевые, причем наблюдается тенденция приближения контроллера нижнего уровня непосредственно к ОУ, что реализует принцип территориальной децентрализации.     

Квантование информации в цифровых системах

В режимах НЦУ мы наблюдаем два эффекта квантования: по времени и по уровню сигнала.

По времени квантование осуществляется через жестко фиксированные периоды опроса, причем в отличии от регулированных микропроцессорных контроллеров в УВМ период опроса какого-либо параметра может быть различен и зависеть от сложности системы и объема информации, обрабатываемой данной системой.

Часто конкретное значение периода квантования для данного канала неизвестно. Существуют верхние ограничения по периодам квантования для конкретных контуров регулирования, в частности, для электромеханических – 0,05 с, для систем регулирования расхода – до 1 с, для систем регулирования температуры – до 1 мин.

Квантование по уровню определяется конечной разрядностью используемых  ЦАП и  АЦП, чаще всего в промышленных УВМ используются 12-ти или 13-ти разрядные АЦП и ЦАП. Для простейших систем достаточно 4-х разрядных. ЦАП является обращенным АЦП.

Требуемая точность управления достигается двумя путями:

1. выбором правильного периода квантования, исключающего потерю информации;

2. выбором нужной разрядности ЦАП и АЦП.

Точность преобразования 12-ти разрядного АЦП определяется как половина ошибки квантования.

Двоичный код, соответствующий текущему значению каждой переменной обычно заносится в определенные ячейки памяти, которые обновляются при каждом периоде отдачи. Эти же значения могут быть использованы для вычисления средних значений переменных, дисперсией ошибок регулирования и т.д.

По этим же данным процессов вычисляются соответствующие управляющие воздействия, которые выдаются на ЦАП, где запоминаются до следующего периода опроса.

Время счета управляющего сигнала в современных процессорах значительно меньше периода опроса. Поэтому считают, что моменты съема информации с датчиков и выдачи управляющих сигналов совпадают. Если время счета значительно, то его условно прибавляют к времени запаздывания в ОУ.

Основные этапы проектирования

1. Получение информации об объекте управления.

Эта задача в современных системах решается с помощью нижнего уровня АСУ ТП (информационная подсистема), которая включает в себя набор датчиков, установленных на объекте управления, линии связи, преобразователи сигналов.

Датчики используются следующих типов:

1.1. С дискретным двоичным выходом (1, 0; да, нет; и т.д.).

 Это датчики, сигнализирующие о включении или выключении оборудования (для мнемосхем на мониторе), сигнализирующие предельные значения параметров (например, максимального уровня в баке), концевые датчики исполнительных механизмов, двоичные датчики ручного включения каких-либо устройств автоматики или оборудования и др.

В УВМ имеются специальные входы для таких датчиков, количество которых значительно больше количества аналоговых входов. При этом для повышения надежность измеренных логических сигналов устанавливаются некоторые диапазоны входных напряжений, принимаемых за 1 либо за 0.

1.2. Датчики с аналоговым выходом (например, термосопротивление, термопары, датчики скорости тахогенератора и т.д.).

         Для уменьшения влияния линий связи стараются максимально приблизить нормирующий преобразователь к соответствующему датчику. Поэтому большинство элементов информационных систем нижнего уровня располагается непосредственно у ОУ.

         Для каждого типа датчиков существуют ограничения по техническим условиям на длину линии связи (например, датчик с пневматическим выходом не более 300 м  и то с использованием дополнительного усилителя, иначе до 50 м ).

         Современный подход состоит в преобразовании измерительных сигналов в кодовые (цифровые).

Пример

Выпускаются термопары, в головку которых встроен микропроцессорный цифровой преобразователь, осуществляющий компенсацию холодного спая термопары (окружающей температуры), фильтрацию измерительного сигнала и линеаризацию рабочей характеристики термопары. В результате резко повышается точность измерения, помехоустойчивость и снижается стоимость, т.к. снижаются требования к линии связи, а также отпадает необходимость в АЦП. Передача информации на большие расстояния в настоящее время осуществляется по оптоволокнистым линиям связи.

1.3. Датчики с кодовым выходом (кодовые датчики угла).

Важнейшей задачей нижнего информационного уровня является получение представительной достоверности информации о состоянии ОУ, поэтому наиболее ответственные параметры могут измеряться с помощью двух параллельно работающих датчиков. Для еще большего повышения надежности могут использоваться и два параллельных канала преобразования.

         Кроме того осуществляется ряд мероприятий по повышению помехоустойчивости каналов измерения, поэтому большинство нормальных преобразователей оснащается фильтрами низкой частоты (фильтрами Бесселя или Бетерворта четвертого или шестого порядков).

         В цифровых системах управления весьма желательно использование аналоговых фильтров низкой частоты, полоса пропускания которых устанавливается в соответствии с максимальной частотой полезного сигнала и полосой частоты помех.

         Новейшим подходом к получению информации о движении промежуточных координат является использование наблюдающих устройств и фильтров Каллмана. Все адреса датчиков должны быть известны УВМ.

 

2. Разработка структурной схемы управления.

Структурная схема состоит из двух подсистем: схема ОУ и схема собственно цифровой системы управления.

Варианты построения структурной схемы управления зависят от типа ОУ, а именно:

- ОУ немногосвязный или многосвязный;

- ОУ детерминированный или стохастический;

- ОУ линейный или нелинейный.

Наиболее часто используют вариант, когда взаимосвязь переменных не учитывают, шумы фильтруют (детерминированный объект) и нелинейности линеаризуют в окрестности номинальных режимов работы.

 3.  Разработка алгоритмического обеспечения.

Этот этап начинается с подробного словесного описания алгоритма работы, возможных аварийных ситуаций, режимов пуска и останова.

На основании такого описания составляется логическая часть алгоритма управления. Далее осуществляется выбор непосредственно цифрового управления для каждого канала.

Используются следующие алгоритмы:

1. Типовые;

2. Оптимальные;

3. Модальные;

4. Адаптивные;

5. Регуляторы с нечеткой логикой работы.

Выбор нужного алгоритма определяется динамическими свойствами данного канала управления. Для этого строится математическая модель процесса по каждому каналу управления. Лишь для типовых алгоритмов модель можно не сроить, осуществить экспериментальную настройку.

Адаптивные алгоритмы позволяют автоматизировать процесс построения математической модели.

Для построения модели необходимо проведение активного эксперимента, например, путем снятия кривой разгона.

Здесь широко используется теория цифровых систем управления.

5. Разработка программного обеспечения (ПО).

Этот этап состоит из двух частей:

1. Разработка внешнего ПО;

2. Разработка внутреннего ПО.

Проектировщик обеспечивает внешнее обеспечение. Программируется оно либо на языке «Ассемблер» либо на языке высокого уровня.

 Внутреннее обеспечение поставляется готовым. Главной его частью является операционная система и другие системы отладки (Spervisor, Control and Data advaisen, Scаda, Transe mode).

Существует непрерывная тенденция к увеличению стоимости алгоритмического программного обеспечения. Чтобы как-то снизить эту стоимость, следует использовать типовые модули ПО.

 Основная трудность заключается в отладке алгоритмов управления. Обычно отладку ведут с использованием дополнительного аналого-цифрового комплекса, на котором моделируется ОУ.

6. Отладка на реальном объекте.

7. Выбор технической базы системы.

Выбор ведется исходя из ранее вычисленных объемов обрабатыавемой информации и скорости обработки, а также исходя из структуры ОУ.

8. Монтажные работы.

Вместе с этой лекцией читают "11 Реализация цифровых фрагментов".

На этом этапе происходит разработка подробной технической документации.

Контрольные вопросы:

1. История развития УВМ. Супервизорный режим работы.

2. Общие принципы построения УВМ (иерархичность, Многоуровневость, децентрализованность).

3. Квантование информации в цифровых системах.

4. Основные этапы проектирования УВМ.