книги из ГПНТБ / Боронихин А.С. Основы автоматизации производства и контрольно-измерительные приборы на предприятиях промышленности строительных материалов учеб. для техникумов

цесса, которые подлежат измерению, при помощи преобразователей вводят в вычислительную машину. Совокупность этих параметров и является той информацией о процессе, которую накапливает и регистрирует информационная машина, выполняя при этом сле­

дующие функции:

непрерывно проверяет соответствие параметров допустимым зна­ чениям и об изменениях информирует оператора;

фиксирует время отклонения измеряемых параметров от задан­

ных; регистрирует измеряемые параметры;

сигнализирует о наступлении аварийных ситуаций; вычисляет отдельные показатели, характеризующие протека­

ние процесса.

Оператор после получения информации, приняв соответствующее решение, через управляющие органы воздействует на процесс.

Информационная машина не только автоматизирует сбор инфор­ мации, печатая на одном легкообозримом бланке показания всех приборов, но и в значительной степени обрабатывает информацию. Она концентрирует внимание оператора лишь на тех параметрах, которые вышли за пределы нормы, вычисляет в ритме с процессом отдельные косвенные показатели. Это во многом облегчает труд опе­ ратора, уменьшает вероятность ошибок, обусловленных усталостью человека. Кроме того, информационная машина содействует повы­ шению эффективности управляемого процесса и помогает оператору

активно изучать производство.

Параметры, которые контролирует машина, можно разделить на две группы: первичные технологические параметры — температура, давление, расходы и т. п. и комплексные параметры — суммарные расходы, средние значения показателей за заданный интервал вре­ мени и др. Информационные вычислительные машины называют ма­ шинами централизованного контроля, так как их основная функция заключается в централизации контроля параметров процесса.

Вычислительные машины— советчики оператора (ВМ) выполня­ ют все основные функции информационных машин и, кроме того, дают рекомендации по управлению процессом. Чтобы машина мог­ ла давать эффективные советы по управлению процессом, ей прежде всего необходима информация о различных изменениях, происхо­ дящих в ходе работы объекта управления. Эти сведения сообщает информационная машина. Поэтому целесообразно сочетать в одной установке выполнение информационных и рекомендательных функ­

ций.

В схеме системы управления с использованием машины — со­ ветчика оператора (рис. Х.2) много общего с предыдущей. Перемен­ ные величины измеряются при помощи первичных приборов и вво­ дятся в машину, которая их обрабатывает и регистрирует и инфор­ мирует оператора в удобной форме, т. е. здесь полностью повторя­ ется функция информационной машины. Дополнительно машине со­ общается характеристика оптимального режима процесса. Такую

181

характеристику называют критерием оптимального управления.

В машину также нужно ввести инструкцию, программу действия, говорящую о том, каким образом, располагая полученной инфор­ мацией о процессе и зная критерий управления, найти те советы и рекомендации, которые обеспечат оптимальный режим процесса. Эта инструкция или программа соответствует рассуждениям и вы­ числениям, которые должен был бы произвести сам оператор при отсутствии машины-советчика. Такая инструкция, выраженная на языке математических формул и логических .условий, называется алгоритмом управления. Алгоритм управления представляет собой последовательность арифметических и логических операций, кото­ рые должны быть выполнены машиной над вводимой в нее информа­ цией, полученной в результате измерений и промежуточных вычис­ лений, для определения управляющих воздействий, обеспечива­ ющих оптимизацию процесса.

Таким образом, в машину-советчик вводят следующие данные: измерения, определяющие состояние процесса; характеристику вы­ пускаемого продукта; программу производства и ограничения, на­ ложенные на процесс; критерий оптимальности; алгоритм управ­ ления. Из машины получают следующие данные: информацию о процессе; рекомендации по управлению, обеспечивающие оптими­ зацию процесса. Машины-советчики помогают находить и поддер­ живать оптимальный режим. Поэтому такие машины называют

машинами оперативного управления (или оперативно-диспетчерского управления).

Управляющие воздействия, вырабатываемые машиной-советчи- ком, можно непосредственно приложить к управляющим органам, минуя оператора, т. е. перейти к управляющим машинам. Но это не всегда целесообразно делать. Во-первых, для очень сложных про­ цессов часто не удается разработать полный алгоритм управления, охватывающий все взаимосвязанные участки технологического про­ цесса. В таких случаях алгоритм состоит из отдельных различных частей, а вырабатываемые машиной решения не представляют собой непосредственно управляющих воздействий. Машина выдает со­ веты оператору по управлению процессами. Оператор учитывает наряду с советами машины информацию о процессе, а также свой опыт по управлению процессом. На этой основе он принимает окон­ чательное решение и соответствующим образом-воздействует на уп­ равляющие органы. Во-вторых, в ряде случаев измерение некоторых переменных величин, характеризующих протекание процесса, труд­ но автоматизировать.

Наиболее совершенным методом использования вычислитель­ ных машин для управления производственными процессами являет­ ся введение машин в контур управления, при этом процесс управ­ ления полностью автоматизируется, а роль обслуживающего персона­ ла сводится к наблюдению за системой и всеми техническими сред­ ствами. Применение управляющих вычислительных машин (УВМ)

исключает возможность ошибок, вносимых оператором. Основное

182

отличие этой машины от машины-советчика состоит в том, что управляющие воздействия, вырабатываемые этой машиной, подают­ ся на управляющие органы непосредственно, а не через оператора (рис. Х.З). Управляющие вычислительные машины выполняют так­ же функции информационных машин и машин-советчиков. Допол­ нительные задачи, которые приходится решать управляющей маши­ не, следующие: выработка сигналов непосредственного управления, формируемых на основе общих решений по оптимизации процесса

П о к а з а т е л и ,

Рис. Х.З. Функциональная схема системы управления с управляю­ щей вычислительной машиной

и подаваемых на регуляторы или исполнительные механизмы; контроль правильности полученных решений.

Управляющие машины могут выполнять следующие функции: определение и поддержание оптимального режима; уточнение и корректировка алгоритма управления на основе

предшествующей деятельности системы; определение рациональных моментов времени для переключения

отдельных агрегатов с одного режима на другой и т. п.; управление пуском и остановкой агрегатов, а также процессом

при недопустимых нарушениях технологического режима; сигнализация и регистрация параметров процесса, отклонив­

шихся от допустимых значений;

183

регистрация значений любых параметров, характеризующих ход технологического процесса;

расчет и регистрация текущих и усредненных технологических и экономических показателей;

выработка рекомендаций по оптимизации административного управления производством;

текущее планирование; текущий и итоговый учет продукции, сырья, энергии, труда и

др.; периодическая калибровка измерительных приборов, автомати­

ческих анализаторов состава и другой аппаратуры;

Рис. Х.4. Блок-схема управляющей вычислительной машины

контроль правильности выработанных решений, включая кон­ троль исправности самой управляющей вычислительной машины и всей системы сбора информации.

В целях ознакомления в общих чертах с управляющей вычисли­ тельной машиной рассмотрим ее блок-схему (рис. Х.4). Параметры процесса после преобразователей в форме электрического напря­ жения поступают на коммутатор каналов КК. Число измеряемых параметров может достигать 1500. Коммутатор КК подсоединяет к вычислительной машине один за другим опрашиваемые преобра­ зователи. Иногда применяют не только последовательный, но и про­ граммный опрос преобразователей, при этом частота снятия пока­ заний бывает различной. Сигнал от преобразователя после коммута­ тора вводится на блок обработки аналоговых сигналов ОА, кото­ рый усиливает сигналы и подает их на аналого-цифровой преоб­ разователь АЦ, преобразующий аналоговый сигнал в цифровой. Данная машина имеет развитую вычислительную часть, которая работает по принципу программно-управляющих машин. Програм­ ма вычислений, представляющая собой алгоритм управления, вво­ дится через входное устройство ВхУ и хранится в оперативном запо­ минающем устройстве ОЗУ.

184

Команды, составляющие программу, представляют собой зако­ дированное указание о той элементарной операции, которую сле­ дует выполнить над двумя числами. Кроме того, в командах содер­ жатся адреса тех ячеек ОЗУ, где хранятся числа, над которыми бу­ дет произведена элементарная операция, а также адрес ячейки, ку­ да следует направить результат. Команды последовательно одна за другой извлекаются из ОЗУ и направляются в устройство управ­ ления УУ, которое расшифровывает команду и обеспечивает ее вы­ полнение.

Управляющие машины имеют развитые запоминающие устрой­ ства: кроме оперативной памяти большой емкости, также долго­ временное запоминающее устройство ДЗУ. В нем хранится инфор­ мация, не изменяющаяся в процессе работы машины, а записанная один раз на длительный срок. ДЗУ обладает высокой надежностью и обеспечивает время выборки чисел, соответствующее скорости работы арифметического устройства АУ. Большая емкость памяти позволяет управляющим машинам учитывать при вычислениях не только разнообразную текущую информацию об объекте, но и пред­ шествующее состояние управляемого объекта. Способность всесто­ ронне учитывать предысторию процесса •— принципиальное отли­ чие управляющих вычислительных машин от обычных средств регу­ лирования. Машина может запоминать не только предыдущее со­ стояние процесса, но и то, как он управлялся в различных ситуаци­ ях и какова была его эффективность при этих управлениях.

При работе машины в режиме советчика оперативный ввод ин­ формаций может осуществляться от преобразователей или операто­ ром О через пульт управления ПУ.

Информация, вырабатываемая в машине, выводится из нее при помощи выходного устройства ВыхУ, которое может состоять из различных блоков: автоматической печатающей машины; пер­ форатора, кодирующего информацию на перфокарту или перфолен­ ты; световых табло или мнемосхем. Все эти блоки выходного ус­ тройства служат не только для выдачи оператору советов по уп­ равлению, но и для регистрации информации об объекте. Посколь­ ку информация стекается в машину по различным каналам, в вычи­ слительной машине имеется блок прерывания, который прерывает

Выработка сигналов непосредственного управления, подача их на регуляторы или исполнительные механизмы, а также контроль правильности полученных решений выполняют следующие блоки: блок обработки цифровой информации ОЦ, преобразователь циф­ ровых сигналов в аналоговые ЦА и устройство контроля исправно­ сти машины КИ. Блок обработки цифровой информации декодирует управляющие воздействия, при необходимости накапливает их и на­ правляет по соответствующим адресам. Устройство КИ автомати­ чески проверяет исправность основных узлов машины.

185

При включении контура управления без участия человека воз­ можны два варианта структуры управления: «двухъярусная» и «одноярусная». При первом варианте в системе управления имеют­ ся регуляторы, стабилизирующие те или иные параметры. Управля­ ющие воздействия, вырабатываемые УВМ, представляют собой задания этим регуляторам. В одноярусной системе управления отсутствуют регуляторы, функции которых перешли к машине. Управляющие воздействия, вырабатываемые машиной, поступают непосредственно на исполнительные механизмы.

Целесообразно применять вычислительные машины на объектах, обладающих высокой степенью насыщенности измерительной, ре­ гулирующей и регистрирующей аппаратурой. Непрерывный харак­ тер технологического процесса облегчает задачу автоматизации управления с использованием вычислительной техники.

Применение вычислительных машин для производства круп­ ного масштаба при относительно высокой стоимости получаемой про­ дукции позволяет иметь большой экономический эффект, что сни­ жает срок окупаемости капитальных затрат, связанных с автомати­ зацией. Наконец, наиболее выгодно применять управляющие вычис­ лительные машины для сложных технологических схем, где на ка­ чество получаемой продукции влияет очень большое число разно­ родных факторов.

§ Х.2. ФОРМАЛИЗАЦИЯ АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННЫМИ ПРОЦЕССАМИ

Системы управления производственными процессами становятся все более совершенными и сложными, поэтому к разработке и обслу­ живанию этих систем и к созданию соответствующих алгоритмов управления привлекаются специалисты разных профилей. Чтобы каждый из этих специалистов мог понять другого и воспользовать­ ся результатами его исследований, необходимы точные описания тех функций, которые каждый из этих специалистов закладывает в создаваемую систему управления, и тех алгоритмов, которые дол­ жны реализоваться на этой системе. Обычный разговорный язык не пригоден для получения названных описаний. Адекватное описа­ ние сложного алгоритма управления можно дать только на форма­ лизованном языке. В том случае, когда для управления производ­ ственным процессом применяют управляющую вычислительную си­ стему (УВС), формализованное описание достаточно ввести в ее па­ мять. УВС протранслирует это описание и будет управлять про­ цессом в соответствии с заданным ей алгоритмом. Однако не всякий формализованный язык пригоден для описания алгоритмов управ­ ления производственными процессами. Это объясняется тем, что любой производственный процесс обладает важной особенностью: он является параллельным процессом, т. е. в любой момент он со­ стоит из нескольких элементарных процессов, протекающих в реальном масштабе времени. Алгоритмические же языки типа

186

АЛГОЛ-60 и ФОРТРАН предназначены для описания последова­ тельных процессов, не связанных с реальным масштабом^ времени. Именно это несоответствие послужило основной причиной для раз­

работки алгоритмического языка ФОРМАЛ.

На языке ФОРМАЛ можно дать адекватное формализованное описание любого алгоритма управления производственными про­ цессами, пригодное для реализации его на управляющей вычисли­ тельной системе. Такое описание называется ФОРМАЛ-алгоритмом. Для написания ФОРМАЛ-алгоритма нет необходимости знать тон­ кости программирования или уметь работать на электронных маши­ нах: достаточно знать основные конструкции языка ФОРМАЛ, все детали и особенности процесса, подлежащего алгоритмизации. Благодаря этому появляется возможность рационального разделе­ ния труда в области алгоритмизации производственных процессов. Технологи или специалисты по автоматике могут писать ФОРМАЛалгоритм независимо от программистов и специалистов по вычисли­ тельной технике, исходя только из сущности рассматриваемого

производственного процесса.

Готовый ФОРМАЛ-алгоритм передают программистам для реали­ зации его в кодах УВС. При реализации ФОРМАЛ-алгоритма в ко­ дах УВС программистам нет необходимости знать детали техноло­ гии или организации производства. Отпадает и необходимость в кон­ сультациях с авторами ФОРМАЛ-алгоритма: правильно написан-

.ный ФОРМАЛ-алгоритм содержит всю необходимую для програм­ мирования информацию, является достаточно компактным, а также

легко и однозначно читаемым.

Язык ФОРМАЛ построен на основе междунардного алгоритми­ ческого языка АЛГОЛ-60 и целиком включает в себя последний. Изучение основных характерных конструкций языка ФОРМАЛ не представляет особых затруднений: простейшие из них близки к обыч­

чина и до выполнения рассматриваемого оператора, после выпол­ нения этого оператора и примет значение, равное показанию преобра­ зователя 5117. Опрос преобразователя КЦ88, преобразователя № 2763, измеряющего скорость, и преобразователя, измеряющего температуру в зоне спекания, можно осуществить, выполнив опе­

раторы:

Фраза (включить релейный исполнительный орган (эффектор) РЦ5) на языке ФОРМАЛ запишется следующим образом: (эф­ фектор ‘РЦ5’ : = 1; >. Читается: (эффектор РЦ5 присвоить 1 >. Чтобы выключить РД5, достаточно выполнить оператор

187

(эффектор ФЦ5’ : = 0;>.

Если требуется включить релейный эффектор РЦ5 не сразу, а через Тс, то следует выполнить оператор

(через 00 [Т] эффектор ‘РД5’ : = 1;).

Если бы требовалось выполнить то же самое через Гмин, то нуж­ но было бы воспользоваться оператором

(через 01 [Г] эффектор ‘РЦ5’ : = 1;>.

Вместо фразы (отдать команду, приказывающую шаговому исполнительному органу (эффектору) РМ7 отработать девять ша­ гов в прямом направлении) на языке ФОРМАЛ следует писать конструкцию

(эффектор ‘РМ7’ : = 9; >.

Если бы требовалось отработать пять шагов в противоположном направлении, то следовало бы воспользоваться конструкцией

(эффектор ‘РМ7’ : = — 5; >.

При работе с системами управления приходится давать сигналы и проверять наличие сигналов. Приказ (дать сигнал А) на языке ФОРМАЛ запишется в виде конструкции (дать [А]; >. Здесь А, написанное в квадратных скобках, является названием сигнала. Название сигнала может быть сложным, т. е. состоять из некоторого числа простых названий. Например, фраза (дать сигналы КЦ701 и КЦ702) запишется на языке ФОРМАЛ в виде конструкции, со­ держащей сложное название сигнала:

(дать [‘КЦ70Г А ‘КЦ702’];>.

Предписание (если существует сигнал А, то выполнить дей­ ствие Д1, иначе (если сигнала А нет) выполнить действие Д2> на языке ФОРМАЛ запишется в виде конструкции

(если [А] то Д1 иначе Д2;>.

Примером использования этой конструкции может служить, в частности, оператор

(если [‘КЦ70Г А ‘КЦ702’] то эффектор ‘ЭГ : = 1 иначе дать [‘Неисправность’ [;>.

Читается: (если существует сигнал КЦ701 и КЦ702, то эффек­ тору Э1 присвоить 1, иначе дать сигнал «Неисправность»).

Часто используют и предписания типа (если показание пре­ образователя КЦ501 меньше нормы Н501,то включить исполнитель­ ный орган ЭМ-3-К, в противном случае (т. е. если показание преоб­ разователя КЦ501 больше нормы Н501 или равно ей) определить величину X в результате опроса преобразователя КЦ502). На язы­ ке ФОРМАЛ оно запишется так:

(если []‘КЦ50Г ( Н501 то эффектор ‘ЭМ-3-К* : = 1 иначе X : = []‘КЦ502’;>.

188

Проделав несколько самостоятельных упражнений по примене­ нию рассмотренных конструкций, читатель без труда сможет вос­ принять однозначный смысл, заключенный в операторе

Можно убедиться, что если дать адекватное описание этого оператора в словесной форме, то оно получится длинным и не­ удобочитаемым.

ФОРМАЛ-алгоритмы отличаются большой компактностью. Дру­ гие конструкции позволяют сделать многие ФОРМАЛ-алгоритмы компактнее еще в несколько раз. В частности, если мы имеем ФОРМАЛ-алгоритм управления одной технологической линией, то, воспользовавшись так называемым оператором цикла, мы полу­ чим ФОРМАЛ-алгоритм, пригодный для управления любым числом N таких параллельных линий. Этот ФОРМАЛ-алгоритм будет в N раз компактнее ФОРМАЛ-алгоритма, предназначенного для уп­ равления теми же параллельными линиями, но не использующего упомянутый оператор цикла. Важной особенностью языка ФОРМАЛ является и то, что на нем можно описать произвольные циклы в ре­ альном масштабе времени.