книги из ГПНТБ / Основы автоматизации для металлургов

Устройства для считывания и перфорирования карт достигают

ЭВМ может быть связана с печатающим устройством для регистра­ ции окончательных и промежуточных результатов. Применяются стандартные типы печатающих устройств, достигающие скорости печатания 120—1500 строк в минуту.

Сводные данные об аппаратуре некоторых управляющих ЭВМ приведены в табл. 33.

Средства программирования управляющих ЭВМ

Программное обеспечение управляющих ЭВМ должно обеспе­ чивать выполнение требований, связанных с работой в реальном масштабе времени, а также достаточную гибкость системы в слу­ чае изменения ее функций.

Основой операционной системы ЭВМ является обычно органи­ зационная (управляющая) программа (СУПЕРВИЗОР), которая у управляющих ЭВМ является более сложной, чем у ЭВМ, не ра­ ботающих в реальном масштабе времени. Управляющая программа координирует параллельную работу отдельных устройств и прог­ рамм.

В общих чертах управляющая программа состоит из:

а) программы для выбора последовательности выполнения программ в соответствии с их приоритетами;

б) программы управления входами и выходами; в) программы динамического распределения памяти;

г) стандартные подпрограммы для внешних устройств; д) системы подпрограмм для проверки программ (иногда они

образуют самостоятельное целое).

Объем всей программы иногда достигает нескольких тысяч слов. У некоторых ЭВМ вся управляющая программа реализуется аппаратурно.

Рассмотрим отдельные функции программы управления более подробно. Подпрограмма для управления последовательностью выполнения программ проводит обработку требований на преры­ вание. Работа арифметического устройства прерывается лишь в том случае, если приоритет требования оказывается выше прио­ ритета обрабатываемой программы. Эта часть управляющей

ляет связь между арифметическим устройством, входными и выход­

266

которые записаны во внешнем запоминающем устройстве.

Стандартные подпрограммы работы внешних устройств осуще­ ствляют передачу данных внешним устройствам или из внешних устройств. Например, эти подпрограммы могут быть предназна­ чены для управления устройством для считывания с перфоленты, устройством для перфорирования ленты, входными и выходными пишущими машинками, запоминающим устройством на барабане, печатающим устройством и т. д.

Система подпрограмм для проверки программ обеспечивает возможность проверки рабочих программ в реальном масштабе времени. Система состоит из подпрограммы для контроля программ, выполняемого в реальном масштабе времени, для контроля про­ грамм работы входных и выходных устройств, для контроля про­ грамм внешнего запоминающего устройства.

Управляющая программа позволяет также оператору вмеши­ ваться в выполнение программ или же извещает оператора о вмешательстве, которое необходимо ему осуществить для обеспе­ чения дальнейшего выполнения программы.

Аналогично универсальным ЭВМ управляющие ЭВМ тоже оснащены компиляторами, обеспечивающими возможность про­ граммирования на различных алгоритмических языках. Компиля­ торы переводят программы с этих языков, на машинный язык. Часто компилирование с алгоритмических языков, таких как АЛГОЛ, ФОРТРАН и др., осуществляется таким образом, что сначала производится перевод на язык программирования в сим­ волических или относительных адресах, а затем уже проводится перевод на машинный язык. Как правило, одна команда на языке символических адресов соответствует одной команде на машинном языке. Обычно в состав математического обеспечения входят один или два языка символических адресов, а также алгоритмические языки АЛГОЛ, ФОРТРАН и др.

К стандартному программному обеспечению относятся далее подпрограммы для вычислений с плавающей запятой, так как управляющие ЭВМ, учитывая их маленькую длину слова, не могут осуществлять эти вычисления непосредственно.

У некоторых малых управляющих ЭВМ, которые имеют цент­ ральные устройства очень простой конструкции, к основному осна­ щению относятся и подпрограммы для умножения и деления с фик­ сированной запятой.

Очень важным компонентом программного обеспечения управ­ ляющих ЭВМ являются программы для управления производствен­ ным процессом. Если управляющая ЭВМ применяется для управ­ ления производственным процессом, то обычные способы програм­ мирования оказываются мало оперативными. В случае изменения технологических условий производственного процесса технолог и работник, осуществляющий управление, если они имеют достаточ-

267

ный опыт работы с управляемым объектом, определяют новые требования с точки зрения управления процессом. При непосред­ ственном программировании эти требования следует соответственно задать программисту, который проведет изменение программы, обычно эту программу следует затем отработать на ЭВМ, отсоеди­ ненной от управляемого объекта, что требует больших затрат времени и иногда, по условиям технологии, вообще невозможно.

Поэтому необходимо использовать другой способ программиро­ вания, который позволял бы производить соответствующие измене­ ния непосредственно технологу или работнику, осуществляющему управление. Такой способ позволяет составлять программы и осу­ ществлять соответствующие изменения во время работы ЭВМ, управляющей данным объектом (программирование в реальном масштабе времени). Такие способы программирования, основанные на применении специальных алгоритмических языков, в настоящее время разрабатываются.

Связь ЭВМ с технологическим процессом

Способы включения управляющей ЭВМ в систему управления производственным процессом

Использование цифровой ЭВМ для прямого управления произ­ водственным процессом в реальном масштабе времени позволило применить цифровое регулирование, которое по сравнению с анало­ говым регулированием имеет целый ряд преимуществ:

а) легкость регулирования взаимозависимых контуров;

в) широкие пределы изменения значений обрабатываемых ве­

измерительных приборов и математическими методами, использо­ ванными в модели;

ж) быстроту реакции на случайные внешние факторы при помощи прерывания и системы приоритетов;

з) возможность быстрого изменения программы; и) легкость печатания результатов и др.

Наиболее важным фактором при внедрении автоматических ЭВМ в процесс управления является возможность построения ин­

268

осуществляется шаг за шагом по мере расширения знаний о техно­ логических и экономических сторонах процесса производства. Эти знания выражают при помощи модели, которая отражает характер (поведение) действительного производственного процесса и закла­ дывается в запоминающее устройство ЭВМ. Создание совершенной модели является самым важным шагом при реализации управле­ ния производственным процессом.

При построении модели управления производственным процес­ сом необходимо знать характер изменения отдельных величин про­ цесса и их взаимосвязь. Д л я сбора такой информации можно использовать измерительный центр или непосредственно управляю­ щую ЭВМ, для которой такая работа является первой стадией включения в производственный процесс (рис. 187).

На этой стадии управляющая ЭВМ проводит такую же работу, как измерительный центр, полностью оснащенный периферийными элементами. Однако, кроме этого, она проводит вычисления для определения показателей процесса по нескольким измеренным значениям. Полученные таким образом значения ЭВМ сравнивает с возможными пределами и выдает сигналы отклонения. Далее ЭВМ осуществляет преобразование данных, представляет опера­ тору через выходные устройства информацию для управления, про­ изводит регистрацию измеренных значений для дальнейшей обра­ ботки (печатание, перфорирование и др.)

Как только алгоритм управления составлен, он может быть смоделирован на ЭВМ, и ЭВМ, кроме предыдущих функций,

269

осуществляет тогда обработку данных, согласно алгоритму управ­ ления. На этой, второй, стадии ЭВМ целесообразно использовать только как советчик (рис. 188), когда она представляет оператору команды управления в форме советов. На основании этих советов и собственных соображений оператор может осуществлять управ­ ление процессом. Таким образом, ЭВМ работает в разомкнутом контуре управления в реальном масштабе времени (on-line-open- loop).

Высшей ступенью использования управляющей ЭВМ в произ­ водственном процессе является ее включение в замкнутый контур без оператора. При этом команды ЭВМ поступают непосредственно на управление (рис. 189).

/

Аналогоаые

-1 выходьі r

Кцентральной ЗВМ

Заданные значения

Регулирование технологических процессов с использованием ЭВМ осуществляется двумя способами. При одном способе регу­ лирование осуществляется аналоговыми регуляторами, а ЭВМ вы­ дает регулятору управляющие воздействия (рис. 190). Этот метод является эффективным способом управления одновременно мно­ гими контурами регулирования.

Другим способом является прямое цифровое управление. В этом случае аналоговый регулятор из процесса исключен. Все вычисления проводит ЭВМ, которая обслуживает последовательно все контуры регулирования (рис. 191.).

Первый способ обеспечивает при выходе из строя ЭВМ боль­ шую живучесть, чем второй. При использовании второго способа необходимо резервировать основную ЭВМ другой ЭВМ либо ана­ логовыми регуляторами.

М у л ь т и п р о ц е с с о р н а я с и с т е м а . Высокую эффектив­ ность и гибкость обеспечивают мультипроцессорные системы, со­ стоящие из нескольких ЭВМ (рис. 192).

Небольшие сателлитные ЭВМ управляют основными опера­ циями в реальном масштабе времени, а центральная система осу­ ществляет контроль, оптимизирует все операции.

270

Сателлитная ЭВМ оснащена многоканальными входными и вы­ ходными устройствами в соответствии с требованиями отдельных систем управления.

Связь с центральной ЭВМ осуществляется с помощью стан­ дартных каналов передачи. При больших расстояниях используются устройства для передачи данных. Каждый сателлит может рабо­

Устройства для связи управляющих ЭВМ с производственным процессом можно разделить на входные и выходные, через которые передается аналоговая и цифровая информация. Эти устройства позволяют осуществить двустороннее соединение между ЭВМ и управляемым объектом. Другие устройства, такие как устройство выдачи на электроннолучевую трубку, координатный самописец, пульт управления, печатающее устройство, связывают ЭВМ и опе­ ратора.

Для ввода информации с объекта используются датчики. Так,

система входов и выходов должна быть очень гибкой как по коли­ честву устройств, так и по их типам.

Разработка специализированных устройств для каждого кон­ кретного объекта экономически невыгодна. В связи с этим были созданы агрегатные системы устройств, которые позволяют не только учесть специфику управляемого объекта, но в случае воз­ никновения необходимости и расширить функции системы.

Ввод и вывод информации может управляться программой или

ские величины в пропорциональный электрический сигнал. Этот сигнал нужно преобразовать в цифровую форму, пригодную для

272

Если требуется осуществлять измерение нескольких входов, то, кроме аналого-цифрового преобразователя необходимо иметь блок переключения, который обеспечивает распределение времени ра­ боты преобразователями между отдельными входами. Блок пере­ ключения может быть сконструирован на базе самых различных элементов — от интегральных схем до релейных элементов. Блок

Скорость переключения релейных блоков переключения колеб­ лется в пределах 40—100 входных каналов в секунду. Эти блоки могут быть использованы для преобразования сигналов низкого

в аналого-цифровой преобразователь.

Аналого-цифровой преобразователь преобразует аналоговый сигнал в двоичное число с разрядностью 12—24 бит.

Аналого-цифровым преобразователем управляет блок управле­ ния. После выбора входа и установки буферного запоминающего устройства в нуль аналоговый сигнал преобразуется в цифровой и передается в буферное запоминающее устройство. По окончании преобразования содержимое буферного запоминающего устройства

данные от цифровых датчиков, сигналы включения и выключения, аварийные сигналы, и др.

Цифровые входы соединены в группы (например, 12, 16, 24 канала). Каждой группе соответствует один входной адрес. Обычно группа имеет буферное запоминающее устройство для хранения

Наиболее простым типом такого датчика являются периодические временные импульсы, которые вызывают прерывание работы ЭВМ. Источником этих импульсов может быть мультивибратор или электросеть.

Ф у н к ц и и Э В М по в в о д у и о б р а б о т к е в х о д н о й и н ­ ф о р м а ц и и . Если обобщить работу ЭВМ по вводу, то ЭВМ управляет работой блоков переключения, аналого-цифровых пре­ образователей, цифровых датчиков, изменяет последовательность сбора данных. Далее она осуществляет тарировку аналого-цифро­ вых преобразователей путем измерения эталонных напряжений, осуществляет фильтрацию помех и интегрирование сигнала ЭВМ,

данных, контролирует отклонение параметров от заданных значе­ ний, определяет ошибки и отбрасывает ошибочные данные, прово­ дит логический анализ данных и принимает логические решения, компонует данные в массивы, формирует данные для записи во внешние запоминающие устройства, на магнитную ленту или пер­ фоленту.

ЭВМ управляет работой выходных устройств, через которые оператор получает информацию о процессе (устройства вывода на электроннолучевую трубку, световые табло, координатный

щих воздействий в аналоговые регуляторы, для связи с аналоговой ЭВМ и для прямого цифрового управления. Один из методов вы­ вода аналоговых сигналов состоит в том, что каждый выходной канал соединен через цифро-аналоговый преобразователь с опре­ деленной ячейкой запоминающего устройства. Слово длиной 10— 12 бит преобразуется цифро-аналоговым преобразователем в вы­ ходной ток, который преобразуется усилителем в выходное напря­ жение. Описанная система обладает высокой точностью (0,1%), не­ достатком ее является высокая стоимость.

другой метод, при котором на каждом выходе имеется интегри­ рующий усилитель.

Блок управления, работающий с прямым доступом к оператив­ ному накопителю, подсоединяет последовательно к цифро-анало­ говому преобразователю соответствующие ячейки ферритовой памяти, где накапливаются значения переменных, соответствующие отдельным выходам. Блок управления управляет одновременно переключателем, включающим соответствующий выходной канал. Выход преобразователя подается через переключатель на вход ин­ тегрирующего усилителя соответствующего канала. Блок управле­ ния таким путем циклично присоединяет отдельные выходные ка­ налы и обеспечивает напряжение в них, соответствующее требуе­

из оперативного накопителя ЭВМ в соответствии с программой управления и передается в буферное запоминающее устройство. Затем она преобразуется в сигналы.

Цифровые выходы могут быть выполнены на релейных или полу­ проводниковых схемах.

Полупроводниковые контуры являются более быстродействую­ щими и имеют практически неограниченный срок службы. Релей-

274

ные контуры являются более стойкими против перегрузок и корот­ ких замыканий. Срок службы релейных контуров и вибрационных реле составляет 3—5 • 10б замыканий.

3. АЛГОРИТМ УПРАВЛЕНИЯ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ

Основная проблема использования ЭВМ в металлургии заклю­ чается в том, что отсутствует совершенное описание технологиче­ ских процессов, которое можно было бы использовать для созда­ ния систем автоматического управления.

Для управления процессом необходимо знать точный алгоритм управления, т. е. совокупность правил, по которым необходимо вести процесс для достижения заданной цели. Чтобы можно было

Математической моделью называют комплекс математических выражений, которые качественно описывают определенную физи­ ческую систему. В простых системах описание представлено одним уравнением, решение которого не представляет трудностей. Мате­ матические модели металлургических процессов состоят, как пра­ вило, из сложных зависимостей между целым рядом входных и вы­ ходных величин. Эти зависимости усложняются далее многими ограничениями, обусловленными свойствами технологического про­ цесса.

Для металлургии характерны два вида процессов: дискретно-

Очевидно, что вид производства будет влиять и на структуру мо­ дели.

А н а л и т и ч е с к а я м о д е л ь является точным описанием процесса с чисто теоретической точки зрения, основанным на из­ вестных физических и химических законах. Построение аналити­ ческой модели производится в две стадии.

Сначала составляют комплекс всех зависимостей для данного процесса. Таким образом создают структурную модель, которая справедлива для всех подобных процессов. На следующей стадии следует определить параметры уравнений на основании конструк­ тивных и технологических данных. Таким путем получают модель для рассматриваемой системы.

Имеется ряд типичных структурных моделей, некоторые из них будут описаны более подробно.

А. Составление уравнения материального или энергетического равновесия. При этом исходят из закона о сохранении материи или из закона о сохранении энергии. Это уравнение справедливо для замкнутой системы, в которой материя не превращается в энергию, и наоборот. Если аккумулирование материи или энергии в системе