6.5. Системы непосредственного цифрового управления

Цифровое регулирование параметров технологического про­цесса, построенное с использованием средств вычислительной техники, позволяет качественно по-новому решать задачи уп­равления производством [1, 16]. Основным преимуществом применения цифровых регуляторов по сравнению с традицион­ными аналоговыми регуляторами является возможность ис­пользования более сложных и эффективных методов управле­ния технологическим процессом и построения иерархических систем управления с применением ЭВМ. Применение цифровых регуляторов позволяет реализовать алгоритмы практически лю­бой сложности. К достоинствам регуляторов относятся также стабильность характеристик, высокая точность и раз­решающая способность. Они могут успешно использоваться при управлении очень инерционными технологическими процессами со значительными постоянными времени и чистым запаздыва­нием, когда необходимо обеспечить большую постоянную инте­грирования в регуляторе и осуществить операцию дифферен­цирования медленно изменяющихся величин.

Можно выделить три различных режима работы УВК при управлении технологическим процессом: режим советчика, супервизорный режим и режим непосредственного цифрового управления (НЦУ).

Режим советчика используют на первом этапе внедрения УВК, когда алгоритм управления еще недостаточно отработан. Вычислительный комплекс работает при этом в разомкнутом цикле. Управление процессом реализуется через технолога-опе­ратора, получающего «советы-указания» от УВК. При этом сис­тема работает следующим образом: через заданные интервалы времени осуществляется сбор информации с объекта управле­ния и передача ее в УВК, где по модели проводится расчет оп­тимальных в определенном смысле значений для регуляторов или управляющих воздействий. Эти значения в виде рекомен­даций выдаются оператору (например, на экране дисплея), который принимает окончательное решение по управлению про­цессом и осуществляет непосредственное изменение соответст­вующих уставок регуляторам на объекте. Очевидно, ограни­чивающим фактором в такой системе является именно участие человека, так как вследствие этого число управлений и частота их передачи к объекту не могут быть большими, и число кон­туров управления обычно не превышает 5—20. В то же время участие человека позволяет исключить ошибочные управления и возникновение связанных с этим аварийных ситуаций.

При супервизорном режиме управления сохраняются ло­кальные регуляторы, а задания им изменяются непосредственно от вычислительного комплекса с целью настройки на оптималь­ный технологический режим. Такая структура систем регулиро­вания позволяет обеспечить их высокую надежность и живу­честь: система остается работоспособной и при отказах вычис­лительного комплекса, хотя ее эффективность в этом случае снижается. Практическая реализация систем супервизорного управления требует довольно значительного аппаратурного парка: в системе сохраняются локальные аналоговые регуля­торы, добавляются связи их с УВК и соответствующая аппара­тура для обеспечения этой связи.

В системах непосредственного цифрового управления ло­кальные аналоговые регуляторы отсутствуют, и сигнал от УВК поступает через соответствующие преобразователи непосредст­венно к исполнительным устройствам. В этом случае нет аппа­ратурной избыточности в системе, однако требования к надеж­ности функционирования вычислительных средств существенно возрастают, так как их отказ будет приводить к остановке тех­нологического процесса. Основным достоинством систем НЦУ, как отмечалось, является возможность изменения алгоритмов управления контурами путем соответствующей переделки про­граммного обеспечения, т. е. системы достаточно гибки и могут развиваться и совершенствоваться без изменений аппаратуры, что невозможно при использовании традиционных средств ре­гулирования. Таким образом, системы НЦУ позволяют заме­нить на действующем объекте часть монтажных работ про­граммированием.

Для обеспечения работы систем НЦУ они должны выпол­нять надежный контроль за состоянием процесса, управление и автоматическую защиту при аварийных ситуациях. Кроме того, для оператора в системах НЦУ должна обеспечиваться возможность изменения уставок задания, контроля некоторых переменных процесса, варьирования диапазонов допустимого изменения переменных и т. д.

Для реализации этих функций должно иметься соответст­вующее аппаратурное (пульт технолога-оператора) и програм­мное обеспечение. Это привело к созданию специальных программно-аппаратурных комплексов, предназначенных для контроля и управления технологическими процессами. Основ­ные особенности таких комплексов перечислены ниже:

наличие территориально-распределеннои сети микропроцес­соров, реализующих контроль и управление в режиме НЦУ;

наличие специализированного пульта технолога-оператора, оснащенного видеотерминальными устройствами с клавиатурой для представления информации о* ходе технологического про­цесса, контроля и управления;

наличие специализированного языка, ориентированного на эксплуатационный персонал технологической установки, позво­ляющего практически без участия программиста создать сис­тему НЦУ для конкретного технологического объекта из набоpa заданных алгоритмов управления, реализованных в виде программных блоков;

наличие средств вычислительной техники, предназначенных для реализации связи с вышестоящей системой управления.

Рассмотрим возможные структуры построения цифровых автоматических систем (ЦАС) [1].

Централизованные ЦАС на базе мини-ЭВМ. В централизован­ных ЦАС все функции цифрового управления возложены на одну управляющую мини-ЭВМ, имеющую разнообразные пери­ферийные устройства для связи с объектом управления и опе­ратором. Входящие в их число входные (ВВ) и выходные (ВД) преобразователи позволяют вводить в ЭВМ аналоговую и ди- -скретную информацию, а также выдавать необходимые для непосредственного цифрового и супервизорного управления ре­гулирующие и управляющие воздействия аналоговым исполни­тельным устройствам и регуляторам.

Сопряжение средств вычислительной техники с аналоговы­ми регуляторами и исполнительными устройствами осуществля­ется обычно через специальные устройства, называемые стан­циями управления, основным назначением которых является обеспечение перехода на ручное управление технологическим процессом при отказах элементов ЦАС. Для ЭВМ при этом нет различия между супервизорным и непосредственным циф­ровым управлением, так как по отношению к ней соответствую­щие станции управления выполняют одни и те же функции. Поэтому в обоих случаях можно использовать одинаковое программное обеспечение и осуществлять обмен одной и той же информацией между периферийными устройствами ЭВМ и стан­циями управления. Это дает возможность реализовать на одной ЭВМ одновременно и супервизорное, и непосредственное циф­ровое управление, как показано на рис. 6.8.

Применение НЦУ в таких централизованных системах уп­равления позволяет реализовать многие преимущества цифро­вых систем регулирования, и в первую очередь — возможность построения сложных алгоритмов управления и использования для этой цели моделей объекта. Однако в случае малоинерци­онных объектов, требующих малой дискретности в опросе дат­чиков параметров и выдаче управляющих сигналов, это сопря­жено с очень большой загрузкой ЭВМ, что может вызвать заметное снижение качества регулирования. Кроме того, в силу относительно высокой стоимости мини-ЭВМ, для повышения эффективности их использования в таких системах на них обычно возлагают, кроме НЦУ, ряд других функций контроля и управления процессом. Это приводит к существенному услож­нению программного обеспечения, требует применения много­задачных операционных систем реального времени, занимаю­щих значительные объемы памяти и машинного времени. Пол­ная централизация при использовании мини-ЭВМ является так­же причиной низкой живучести подобных систем, так как отказ даже одного из элементов системы может приводить к потере работоспособности всей системы управления.

Рис. 6.8. Построение цифровой автоматической системы (ЦАС) с помощью мини-ЭВМ:

а — супервизорное управление; б — режим НЦУ; ВВ — входные преобразователи; БД — выходные преобразователи; СтУ — станции управления; Р — регулятор; УВК — управляю­щий вычислительный комплекс; ОУ — объект управления

В централизованных системах НЦУ для повышения их на­дежности при регулировании наиболее ответственных техноло­гических параметров приходится предусматривать резервные аналоговые регуляторы, устанавливаемые параллельно с кон­туром НЦУ.

По указанным причинам в системах с мини-ЭВМ непосред­ственное цифровое управление используют сравнительно мало, большее распространение получили супервизорное управление и работа ЭВМ в режиме советчика.

Микропроцессорные ЦАС. Качественный скачок в развитии структуры ЦАС произошел при появлении микропроцессорных средств управления, позволяющих создавать дешевые малога­баритные устройства с высокой вычислительной способностью. Микро-ЭВМ с присущей им магистральной структурой связей стали основой децентрализованных ЦАС. Появилась возмож­ность создания множества разнообразных структур ЦАС — от полностью централизованных до полностью децентрализован­ных, подобных традиционным, строящимся на аналоговых регуляторах.

Преимущества микропроцессорных ЦАС по сравнению с централизованными на базе мини-ЭВМ обусловлены функцио­нальной и пространственной децентрализацией. Функциональ­ная децентрализация в результате распределения задач ЦАС по отдельным микро-ЭВМ позволяет обеспечить практически любую требуемую надежность путем резервирования отдель­ных элементов ЦАС. Пространственная децентрализация за счет максимального приближения регулирующих и управляющих устройств к технологическому процессу приводит к резкому сокращению затрат на кабельные линии связи.

Рис. 6,9. ^Микропроцессорная цифровая автоматическая система:

МП — микропроцессор; ОЗУ — оперативное запоминающее уст­ройство; ПЗУ — постоянное за­поминающее устройство; ППЗУ — перепрограммируемое ПЗУ; СМ — устройство сопря­жения с внешними магистраля­ми; ПО — пульт оператора; КПО — контроллер ПО; ВВ — входные преобразователи; ВД —< выходные преобразователи

На рис. 6.9 показана структурная схема простейшей микро­процессорной ЦАС. Основу микропроцессорного регулятора составляет микро-ЭВМ, снабженная устройствами, необходи­мыми для выполнения функций регулирования. Все модули регулятора (кроме пульта оператора) конструктивно оформле­ны в виде печатных плат, связанных между собой магистралью микро-ЭВМ. Такая структура регулятора обеспечивает гиб­кость системы благодаря возможности изменения числа и со­става подключаемых к магистрали модулей. Например, можно изменить вид и объем памяти, Ёходные и выходные преобра­зователи, тип пульта оператора с учетом удаленности его от места установки регулятора и т. д. При этом сами преобразо­ватели и пульты оператора могут содержать микропроцессоры.

Микропроцессор (МП) выполняет те же функции, что и про­цессор вычислительной машины, в соответствии с программами и данными, записанными в памяти микро-ЭВМ. Программы и данные распределяются в памяти микро-ЭВМ таким образом, чтобы обеспечить сохранение постоянной информации при от­казе питания микро-ЭВМ; включение регулятора в работу пу­тем подачи питания; возможность оперативного изменения структуры и параметров настройки системы регулирования.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) регулятора содержит программы и данные, которые не меняются в про­цессе работы регулятора и остаются постоянными в течение длительного времени его эксплуатации.

Перепрограммируемое постоянное запоминающее устройст­во (ППЗУ) используют для хранения данных, определяющих структурную схему и постоянные параметры настройки систе­мы регулирования. Эти данные показывают, какие программы ПЗУ, в какой последовательности и с какой частотой следует выполнять в микро-ЭВМ для реализации требуемой структур­ной схемы и требуемого качества регулирования. Система регулирования должна быть такой, чтобы оператор мог изме­нять параметры настройки. С этой целью при начальном пуске регулятора эти параметры ППЗУ переписываются в оператив­ное запоминающее устройство ОЗУ. Содержимое ППЗУ осо­бенно часто может меняться в период ввода системы регулирования в промышленную-_чэксплуатацию, когда еще не точно определены структура и параметры настройки системы регули­рования. Изменение этих данных сводится к простой замене платы ППЗУ. Информация V ПЗУ и ППЗУ сохраняется при отключении питания микро-ЭВМ.

Для хранения информации, меняющейся в процессе работы регулятора, используют оперативное запоминающее устройство ОЗУ. К такой информации относятся, например, режим рабо­ты системы регулирования (ручной, автоматический) и изме­няемые в процессе эксплуатации параметры настройки. Ин­формация в ОЗУ не сохраняется при отключении питания, поэтому для полного восстановления работоспособности систе­мы регулирования в этом случае необходимо после включения питания записать в ОЗУ изменения, не учтенные или не пред­усмотренные при автоматическом восстановлении его содержа­ния (например, перевести контуры регулирования в автомати­ческий режим работы).

Ввод и выдача сигналов (как аналоговых, так и дискрет­ных), необходимых для связи регулятора с датчиками и испол­нительными устройствами, осуществляется, как и при исполь­зовании мини-ЭВМ, с помощью специальных преобразователей. Число контуров, обслуживаемых регулятором, зависит от вы­числительной мощности микро-ЭВМ, сложности схем регули­рования, интервала дискретности и т. д. Современные микро­процессорные регуляторы обычно обслуживают от 16 до 100 контуров. Сопряжение преобразователей с аналоговыми ис­полнительными устройствами и регуляторами при непосредст­венном цифровом и супервизорном управлении такое же, как и для мини-ЭВМ. В промышленности для обеспечения необхо­димой точности регулирования используют микропроцессоры с не менее чем 12-ти разрядной разрешающей способностью.

Пульт оператора, подключаемый к регулятору через конт­роллер, должен обеспечивать обмен данными между операто­ром и регулятором в таком объеме, чтобы можно было исполь­зовать регулятор и как автономное устройство. Сопряжение микропроцессорных регуляторов с внешними магистралями осу­ществляется с помощью специальных устройств, подключаемых непосредственно к ^_а^мл

внутренней магистра­ли микро-ЭВМ регу­лятора.

Рис. 6.10. Децентрализован­ная ЦАС с кольцевой струк­турой:

ПО —пульт оператора; Р — ре­гулятор

Полностью децентрали­зованная ЦАС. Воз­можность связи меж ду микро-ЭВМ позволяет строить на их основе полностью де­централизованные ЦАС. В качестве системной магистрали при больших расстояниях между регуляторами можно использо­вать, например, коаксиальный кабель. При этом системная ма­гистраль может иметь линейную или, как показано на рис. 6.10, кольцевую структуру и в случае необходимости может ре­зервироваться. Для централизованного управления технологи­ческим процессом к системной магистрали подключают цент­ральный пульт оператора (один или несколько, в зависимости от требуемой надежности и объема системы), который может представлять собой дисплей со встроенной микро-ЭВМ. К ма­гистрали можно подключать также управляющую мини- или микро-ЭВМ, осуществляющую координацию работы регулято­ров, супервизорное или непосредственное цифровое управление путем выдачи заданий цифровым регуляторам или непосредст­венным воздействием на исполнительные устройства.

По сравнению с полностью централизованной структурой на одной мини- или микро-ЭВМ такая структура ЦАС позволяет значительно повысить надежность и резко сократить затраты на провода и кабели, связывающие регуляторы с датчиками и исполнительными устройствами. Как и в случае традицион­ных аналоговых систем регулирования, отказ одного микропро­цессорного регулятора не приведет к отказу всей системы управления и может быть компенсирован переходом на ручное управление частью параметров технологического процесса.

Для повышения надежности ЦАС можно более полно ис­пользовать возможности микропроцессорной техники, объеди­нив отдельные регуляторы (одно- или многоканальные) в регу-ляторные станции (один из вариантов которой показан на рис. 6.11).

" • Т ^т

Рис. 6.11. Регуляторная станция:

ВВ — вводные преобразователи; ВД — выходные преобразователи; ПО — пульт операто­ра- КФ — микро-ЭВМ конфигурации; УМ—микро-ЭВМ управления магистралью; НЦУ — микро-ЭВМ непосредственного цифрового управления

При этом микро-ЭВМ, входные и выходные преобра­зователи сигналов связаны между собой посредством магист­рали регуляторной станции с параллельной передачей данных так, что любая микро-ЭВМ имеет доступ к любому входному и выходному преобразователям. Такая структура регуляторной станции позволяет обеспечить высокую надежность наиболее важных функций регулирования за счет взаимного резервиро­вания элементов внутри регуляторной станции. Однако при этом несколько увеличиваются затраты на кабельные соединения (по сравнению с затратами при полностью децентрализованной структуре ЦАС).

Регуляторные станции, как и микропроцессорные регулято­ры, могут быть связаны между собой, а также с ЭВМ верхне­го уровня и центральным пультом оператора системной маги­стралью с последовательной передачей данных, как показано на рис. 6.11.

Применение регуляторных станций позволяет использовать ЦАС в иерархических структурах. При этом по мере повыше­ния уровня иерархии возрастает объем выполняемых вычисле­ний и снижаются требования к надежности элементов системы. Наибольшей надежностью должны обладать регуляторные станции, непосредственно связанные с датчиками и исполни­тельными устройствами, а для управляющих мини- или микро-ЭВМ верхнего уровня допустима меньшая надежность, так как их отказ не приводит к выходу из строя всей системы.

В зависимости от числа регулируемых""параметров техноло­гического процесса, ЦАС может состоять из одной регулятор­ной станции; нескольких регуляторных станций, связанных магистралью на близком расстоянии; нескольких удаленных друг от друга групп регуляторных станций, объединенных ма­гистралью в пространственно децентрализованную систему. При этом любая система может быть легко расширена добав­лением дополнительных элементов (регуляторных станций, пультов оператора, магистралей и т. д.).

Сопряжение ЭВМ с аналоговыми регуляторами и исполнитель­ными устройствами. Сложность современных технологических процессов, невозможность автоматизации всех операций по уп­равлению ими, ограниченная надежность средств автоматиза­ции и вычислительной техники требуют введения в контуры управления специальных устройств,, допускающих вмешательст­во человека в процесс управления, например в аварийных си­туациях или при отказе элементов ЦАС. Кроме того, кванто­ванные по уровню и по времени управляющие и регулирующие сигналы, вырабатываемые в ЦАС выходными преобразовате­лями ЭВМ, как правило, нельзя непосредственно использовать в качестве заданий аналоговым регуляторам при супервизорном управлении или для управления аналоговыми исполнительными устройствами, установленными на технологическом объекте. Для усиления или преобразования указанных сигналов в сигналы, удобные для дальнейшего использования в цифровой системе, служат станции управления.

На каждый контур непосредственного цифрового или су-первизорного управления устанавливают по одной станции управления цифровых автоматических систем; часто, особенно при небольшом числе контуров, они являются единственным средством общения оператора с системой. Обычно они снаб­жаются также аналоговыми индикаторами, позволяющими вы­водить первичную информацию для оператора в традиционной форме.