Переваги використання комп’ютера в управлінні технологічними процесами неодноразові, серед них можна назвати більшу ефективність операцій, більшу безпеку та різке скорочення ручних операцій.

ютер

Історична еволюція комп’ютерних технологій управління, застосованих до управління безперервними системами:

Розвиток комп’ютерних технологій, застосованих до управління промисловими процесами, отримав значний поштовх в кінці п’ятдесятих років через те, що існували такі галузі, як нафтопереробні заводи, де процеси, які контролюються на цьому типі заводів, ускладнюються. Наявні системи управління були досить обмеженими, залучаючи велику кількість робочої сили у виробничий процес, як це було у виробництві паперу. Якість продукції в багатьох випадках залежала від досвіду оператора та швидкості його реакції на ненормальні ситуації. Це було, так би мовити, напівавтоматичне та напівавтоматичне управління. Оператори вирішували, які найбільш відповідні контрольні посилання для аналогової системи управління.

Перша робота щодо застосування комп’ютера для управління промисловістю з’являється в статті, написаній Брауном та Кемпбеллом у 1950 році.

Браун, Г.С., Кемпбелл, Д.П .: Приладобудування: його зростання та перспективи у процесі управління процесами [Коричневий 50].

У цій статті показано комп’ютер, який керує системою за допомогою циклу зворотного зв’язку та прямої передачі. Автори припускають, що обчислювальні та керуючі елементи системи повинні бути аналоговими обчислювальними комп'ютерами, але припускають можливе використання цифрового комп'ютера.

Перші застосування цифрових комп’ютерів для управління промисловістю відбулися наприкінці 1950-х рр. Ініціатива виникла, як не можна припустити, з контролю та обробної промисловості, а від виробників комп’ютерних та електронних систем, які шукають нових ринків збуту. до продуктів, які не були повністю адаптовані до військових застосувань.

Перша промислова установка комп'ютера здійснюється компанією, що постачає електроенергію "Louisiana Power and Light", яка встановила у вересні 1958 р. Комп'ютер Daystrom для моніторингу електростанції в Стерлінгу, штат Луїзіана. Але це не була промислова система управління. Його функція полягала в нагляді за правильним функціонуванням установки.

Перший комп'ютер, присвячений промисловому контролю, був встановлений на нафтопереробному заводі Порт-Артур в Техасі. Компанія Texaco встановила RW-300 від Ramo-Wooldridge. Нефтепереробний завод розпочав свою роботу в автоматичному замкнутому циклі з 15 березня 1959 року.

У 1957-1958 роках хімічна компанія "Монсанто" у співпраці з Рамо-Вулдріджем вивчала можливість встановлення комп'ютерного управління. У жовтні 1958 р. Вони вирішили впровадити систему управління на заводі в місті Люлінг, призначену для виробництва аміаку. Він почав працювати 20 січня 1960 року, але вони мали великі проблеми із шумом, який вносився у зворотній зв'язок. Ця система, як і багато інших, що базуються на комп'ютері RW-300, не здійснювала прямого цифрового контролю над установками, але являла собою наглядові системи, призначені для розрахунку оптимальних еталонів аналогових регуляторів. Ця система називається цифро-аналоговим управлінням (ЦАП) або контрольним контролем. Слід зазначити, що ця схема контролю була захищена патентом (патент EXNER), який обмежив її застосування.

У 1961 році "Монсанто" розпочав розробку прямого цифрового управління (DCC) для заводу в місті Техас та ієрархічної системи управління нафтохімічним комплексом Chocolate Bayou. При прямому цифровому керуванні комп’ютер безпосередньо керує процесом, здійснюючи вимірювання процесу та обчислюючи дію, що застосовується.

Перший прямий цифровий контроль встановлений на заводі аміаку та соди компанії Imperial Chemical Industries у Флітвуді (Великобританія) за допомогою комп'ютера Ferranti Argus 200. Він почав працювати в листопаді 1962 р.

Система мала 120 контурів управління та вимірювала 256 змінних. В даний час на цьому об'єкті Флітвуд використовується 98 петель і 224 вимірювання. Під час встановлення старі аналогові регулятори були замінені цифровим комп'ютером, який виконував ті самі функції.

Комп’ютери, що використовувались на початку 1960-х, поєднували магнітні пам’яті, і програма зберігалася на обертових циклічних програмістах. У цих перших додатках вирішення певних проблем передбачало збільшення вартості системи. Це призвело до того, що дві основні задачі прямого цифрового управління та нагляду реалізовувались на одному і тому ж комп’ютері.

Два завдання працювали в дуже різному часовому масштабі. Завдання прямого цифрового управління мало перевагу над наглядом. Розробкою програми займався високоспеціалізований персонал, і мова була суто машинним кодом. Крім того, були проблеми через збільшення обсягу коду, тоді як об'єм пам'яті комп'ютерів був досить обмеженим. Це означало, що частину пам’яті комп’ютера потрібно було завантажити, щоб завантажити код для іншого завдання.

Удосконалення комп'ютерних систем управління призвело до того, що системи, які здійснювали безпосереднє цифрове управління на комп'ютері, і на тому ж або іншому комп'ютері виконувалася програма, відповідальна за розробку інструкцій.

В кінці шістдесятих - на початку сімдесятих років були розроблені мінікомп'ютери, які знайшли велике застосування в управлінні промисловими процесами. За кілька років кількість комп'ютерів, призначених для управління процесами, сягає від 5000 у 1970 році до 50 000 у 1975 році.

Ці мінікомп’ютери мали пам’ять до 124 Кбайт, жорсткий диск та накопичувач дискети для зберігання.

Один комп’ютер для одного процесу:

У шістдесяті роки складність та продуктивність систем управління зросли завдяки використанню інтегральних мікросхем та, зокрема, мікропроцесорів.

Розробка мікропроцесора в 70-х роках зробила вигідним виділення комп'ютера для управління одним процесом. Комп’ютерні програми для обробки управління, які раніше було невигідно встановлювати, оскільки аналогове управління було набагато дешевшим, стають конкурентоспроможними. Навіть це зниження витрат дозволяє розробляти комп'ютерні системи управління, відповідальні за управління однією електричною машиною.

На додаток до економічної причини, однією з причин, яка перешкоджала впровадженню цифрових засобів управління на електричних машинах, була надмірна швидкість електромеханічних приводів, з постійними часом у багатьох випадках значно нижчою за другу (давайте порівняємо з хімічними процесами). Це унеможливило обчислення комп’ютером алгоритму управління в період вибірки, позначений конструкцією контролера.

Перші цифрові елементи управління імплантуються на машини постійного струму, що представляють математичну модель, з якою дуже просто мати справу. Зусилля зосереджені на розробці цифрових засобів керування синхронними та асинхронними двигунами, які дозволять приводам отримувати точність і динаміку крутного моменту, порівнянні з безперервними, з метою використання набагато дешевшого двигуна (асинхронного), який не створюватиме проблем з двигуном постійного струму.

Перші цифрові елементи управління складалися з простої програмованої емуляції класичних алгоритмів управління, але застосування сучасних методів управління дозволило розробити програми векторного управління, які в асинхронних двигунах забезпечують чудову якість динамічної реакції на двигун постійного струму. диски. В даний час існує широкий асортимент мікроконтролерів, що спеціалізуються на керуванні електричними машинами.

Контроль у реальному часі:

Вимоги до контролю в режимі реального часу проявляються в одній з основних його характеристик: тимчасових обмеженнях, яким він піддається. Вони властиві роботі систем реального часу. Для періодичних контрольних завдань вони диктуються періодом вибірки, з яким повинен працювати алгоритм управління. Для інших типів періодичних завдань, таких як обробка даних, графічні завдання або завдання нагляду, комунікаційні завдання, обмеження часу не настільки суворі, і багато разів дизайнер додатків має право вибору.

Ці часові обмеження також передбачають пріоритет виконання, причому завдання, присвячені контролю, є найбільш частими, а отже, ті, які повинні виконуватися з найвищим пріоритетом, перериваючи всі інші завдання у випадку з однопроцесорними системами. Можуть також існувати завдання управління, які виконуються з тривалими періодами, як у програмах повільного змінного управління, таких як температура, є деякі інші завдання з більш короткими періодами виконання. Але завдання управління є найбільш важливим, оскільки саме воно виконує функцію взаємодії з процесом і повинно гарантувати його правильна робота.

Для завдань, що активуються у відповідь на події, обмеження встановлюються запасами безпеки та належним функціонуванням процесу, який слід контролювати. Наприклад, дії, які повинні відбуватися до появи аварійної зупинки, повинні відбуватися за мінімальний час, який намагається гарантувати максимальну безпеку операторів, в першу чергу, та контрольованого процесу, вдруге.

Застосування військового управління, ракет, вогневих систем, протиракетних систем можна вважати рівними або більш критичними, ніж деякі промислові програми (не забуваймо атомні електростанції). Таким чином, також встановлюється потреба в системах управління в режимі реального часу включати механізми, що гарантують високу стійкість до відмов.

Нова класифікація може бути встановлена ​​між критичними та акритичними системами реального часу. Критичні системи реального часу - це ті, в яких час реагування на всі завдання повинен дотримуватися за будь-яких обставин. У цих системах недотримання строку відповіді може призвести до несправності або аварії в контрольованому військовому процесі або застосуванні. В акритичних системах реального часу термін відповіді на якесь завдання може іноді бути пропущений.

Мислячи більш тонко, в системі реального часу необхідно розрізняти критичні завдання (управління, надзвичайні ситуації ...) та некритичні (графічне представлення, обробка даних)

Апаратне та програмне забезпечення систем реального часу:

Усі ці міркування означають, що апаратне та програмне забезпечення систем реального часу повинні відповідати ряду умов. В апаратному забезпеченні це призводить до розробки відповідних елементів, які служать інтерфейсом до процесу та управління часовими обмеженнями. Таким чином, розробляються спеціалізовані периферійні пристрої, такі як картки збору даних з аналоговими/цифровими та цифровими/аналоговими перетворювачами. Карти з високоточними годинниками, які разом із вдосконаленими системами переривань дозволяють правильно відповідати тимчасовим вимогам програм управління в режимі реального часу.

У 1970-х роках були розроблені нові розподілені обчислювальні системи, які могли приймати централізовані або розподілені структури. У централізованих системах рішення щодо управління приймаються центральним комп’ютером, але навколо нього поєднана низка периферійних пристроїв, деякі з них спеціалізовані, здатні виконувати певні завдання. Ці периферійні пристрої обмінюються даними та отримують замовлення від центрального комп'ютера через мережу зв'язку.

Децентралізовані або розподілені системи складаються з набору блоків управління, які можуть приймати автономні рішення, взаємодіючи через комунікаційну мережу.

З точки зору програмного забезпечення, мови, а також методології розробки додатків повинні забезпечувати інструменти та механізми, необхідні для того, щоб системи управління в режимі реального часу відповідали всім характеристикам часових обмежень, відмовостійкості та експлуатаційної безпеки.

Ранні програмісти використовували мову асемблер безпосередньо, оскільки це дозволяло ефективно використовувати дуже обмежені ресурси, доступні на той час. З точки зору сучасних засобів масової інформації, їх використання робить програмування дорогим та модифікацією практично неможливим. Це також мова, яка занадто залежить від машини, зокрема.

Наступні кроки полягали у додаванні розширень до класичних мов програмування 70-х років, таких як Fortran (Process Fortran), Basic та Algol. Вони мають перевагу у тому, що мають більш високий рівень абстракції, але вони залежать від операційної системи для функцій паралельності та синхронізації, крім того, зазвичай необхідно виконувати деякі функції в асемблері. До цих мов додано ряд функцій та механізмів:

Пройдений шлях призвів до розвитку паралельних мов (Modula-2, Occam, Ada). У них функції, що дозволяють керувати одночасністю та обмеженнями часу, є частиною самої мови. Вони також дозволяють отримати доступ до низькорівневих ресурсів, уникаючи використання асемблера.

Мова Modula-2 є нащадком Modula та Pascal. Функції одночасності та обмеження часу виконуються в конкретному модулі, який називається ядром. Це мова, яка підходить для розробки додатків малого та середнього розміру. Мова Occam - це мова, пов'язана з платформою Transputer. Не підходить для розробки великих додатків.

Ці дві мови практично занедбані, у випадку Occam, коли перетворювач більше не виготовляється. Мовою, яка стала стандартом для розвитку систем часу, є мова ADA.

Його ім'я вшановує леді Ада де Ловелан, яка була співробітницею Чарльза Беббіджа. ADA, перший стандарт якого був визначений у 1983 році, був розроблений та розроблений від імені Міністерства оборони США, спрямований на програмування та розробку вбудованих систем. ADA інтегрує поняття абстрактного типу та механізм, що дозволяє виразити співпрацю та зв'язок між процесами. Основними його характеристиками є:

ADA - це визначена мова для розробки та програмування складних програм, таких як програми управління військовими пристроями. ADA став одним із варіантів розвитку систем реального часу в промисловій галузі, особливо в Європі. Обмеження, виявлені в стандарті 83-го року, були виправлені в стандарті 95. ADA 95 дозволяє програмувати орієнтацію на об'єкти, представляє вдосконалення в обробці паралельності та реального часу. Спеціалізовані додатки також були визначені в розподілених додатках, інформаційних системах ...