Глава 1. Введение

2 Понятие системы

Изобретение в 1960-х годах транзистора дало заметный толчок развитию компьютерных приложений. Стоимость единицы вычислительной мощности мини-компьютера на транзисторной элементной базе была на порядок меньше, чем у больших ЭВМ {mainframe), хотя стоимость самого мини-компьютера все еще превышала 100 ООО долларов. Так или иначе, компьютерное управление стало экономически целесообразным для небольших и не очень сложных производств. Появилась возможность разместить мини-компьютер поблизости от производственных помещений, и поэтому такие ЭВМ стали популярными для автоматизации технологических процессов и испытательных установок. Согласованное влияние трех главных факторов - совершенствование технической базы компьютеров, экономическая целесообразность их применения в управлении относительно простыми процессами и развитие теории управления - привело к широкому распространению компьютерного управления.

Практически каждое десятилетие появлялись новые технологии, которые приводили к значительному увеличению производительности и снижению цены компьютеров по сравнению с предшествующим поколением. Мощные одноплатные микрокомпьютеры появились на рынке в середине 1970-х годов, и сегодня даже простейший регулятор экономически выгодно создавать на основе цифровых устройств. Современные персональные компьютеры намного превосходят мини-компьютеры 1960-х и 1970-х годов - типичная конфигурация, как правило, включает 16-или 32-разрядный центральный процессор (ЦП), несколько мегабайт оперативной памяти (оперативное запоминающее устройство - ОЗУ), гигабайты дисковой памяти, - а стоят несравнимо дешевле первых моделей ЭВМ.

в настоящее время в промышленном управлении популярны компьютерные системы, использующие так называемую открытую шинную архитектуру, где акцент сделан не на конкретные аппаратные компоненты, а на организацию интерфейса, который в этом случае позволяет подбирать их исходя из требований приложения и максимальной эффективности использования ресурсов компьютера (глава 8).

С другой стороны, производительность компьютера - это еще не все. Эффективность системы зависит не только от управляющего компьютера. Бортовая ЭВМ корабля первой лунной экспедиции "Apollo-И" (1969 год) имела только 64 Кбайт оперативной памяти, а о жестких дисках не могло быть и речи. Сегодня никто не воспримет такую машину всерьез, но если вспомнить результат, достигнутый с помощью этой ЭВМ, то напрашивается очевидный вывод - основное внимание нужно уделять главной цели технического процесса, а не мощности компьютера. Высокая производительность не может быть аргументом сама по себе, напротив, она должна рассматриваться в свете динамики и сложности контролируемого процесса. Медленный компьютер прекрасно справится с управлением медленным процессом, например химическим или биологическим.

В системах цифрового управления сравнительно легко вводятся новые стратегии, поскольку можно полностью изменить образ действий компьютера, заменив программу, без перепроектирования и переоснащения всей системы. Поэтому системы цифрового управления представляют собой не просто новый способ применения отработанных принципов, но и совершенно новую технологию, обладающую большой гибкостью и новыми возможностями. Понимание природы процесса, динамических свойств системы и теории управления - это необходимые слагаемые успеха компьютерного управления, но они представляют едва ли половину картины. Главная труд-

ность - структурировать все решения в терминах аппаратного и программного обеспечения и обмена информацией.

Необходимо иметь в виду, что чрезмерное и одностороннее увлечение компьютерными технологиями может заслонить собой фундаментальные проблемы. Сегодня, после сорока лет применения компьютеров, существует достаточный опыт, чтобы задаться вопросом о реальных преимуществах, которые они принесли в промышленность и административное управление. В западных странах в 1950-60-х годах, еще до широкого распространения ЭВМ, один работающий мог содержать целую семью, включая выплату кредита за дом. В типичной современной семье по крайней мере уже двое должны работать, чтобы поддержать стиль жизни, удовлетворяющий средним запросам, уровень которых продолжает повышаться. То, что два десятилетия назад представлялось золотым веком, обусловленным повсеместным внедрением компьютеров и автоматизации, сильно потускнело сегодня благодаря новым проблемам - от безработицы до загрязнения окружающей среды. То же самое может произойти с сегодняшней чрезмерно высокой оценкой Интернета и компаний, основной бизнес которых построен на интернет-технологиях (виртуальные магазины и т. д.). Нисколько не принижая их достоинства и преимущества, следует отметить, что они не дают надежных и эффективных способов решения реальных проблем. Чрезмерный упор на использование компьютеров, особенно с причудливыми картинками и звуком, может отвлечь внимание от действительно серьезных задач.

1.3. Понятие системы

Производственные процессы и управляющие ими системы состоят из многочисленных и разнообразных элементов, сложным образом взаимодействующих друг с другом. Эти элементы связаны между собой так, чтобы обеспечить обмен материей, энергией и информацией для получения определенного конечного результата.

Термин "система" имеет много значений, однако в интересующем нас контексте под системой понимается любой объект, который рассматривается, с одной стороны, как единое целое, а с другой - как совокупность связанных между собой определенным образом составляющих. Это понятие можно охарактеризовать следующим образом.

• Понятие системы позволяет проще интерпретировать назначение любой сложной структуры, состоящей из взаимодействующих друг с другом частей.

• Описывая систему, ее можно по-разному разбить на составные части. Каждая из частей в свою очередь может быть разбита на более мелкие составляющие. Важно выбрать правильный уровень детализации.

• Обычно нет необходимости знать внутренние механизмы элемента для того, чтобы предвидеть поведение системы в целом. Достаточно знать соотношение вход/выход - принцип "черного ящика".

Слово "система" происходит от греческого avan\\ia ("составление"), через французское systeme и латинское systema (Фасмер М. Этимологический словарь русского языка. М., 1987).

Толковый словарь Ожегова среди прочих дает следующую интерпретацию: "Нечто целое, Представляющее собой единство закономерно расположенных и находящихся во взаимосвязи частей" (Ожегов С. И. Словарь русского языка. М., 1970). - Примеч. ред.

Глава 1. Введение

• Цель системы - получить результат, качественно или количественно превосходящий механическую (простую) сумму результатов работы отдельных ее компонентов. Объединение в систему добавляет "нечто большее", что и объясняет ее назначение, - принцип "синергизма". Это "нечто большее" определяется не наличием тех или иных компонентов системы, а скорее есть результат их взаимодействия.

На практике встречаются системы самых различных типов, например электрические, химические, механические или биологические. Компьютер - это система, основными функциональными элементами которой являются процессор, память и периферийные устройства. Взятые порознь, эти части не допускают никакого осмысленного применения. Если их объединить и добавить программное обеспечение, то получится система, которую можно использовать для решения многих задач. Человеческий организм представляет собой пример чрезвычайно сложной системы, состоящей из органов, каждый из которых имеет свое назначение. Он способен выполнять основную задачу - поддерживать собственную жизнь - именно потому, что все органы работают вместе.

Для описания систем и их элементов можно применять разнообразные математические методы. Как подчеркнуто в большинстве учебников, эти методы можно использовать, только когда все элементы системы и окружающая ее среда описываются количественными соотношениями. В главе 3 будет показано, что математический подход - это не единственный способ описания систем. Очевидное преимущество математических методов в том, что они основаны на формальных доказательствах, и поэтому, как правило, им следует отдавать предпочтение перед другими методами.

Важнейшей характеристикой системы является ее динамика, знание которой позволяет предсказать поведение системы и выбрать правильное управляющее воздействие в соответствии с поставленной целью. Динамика системы представляет собой сложный вопрос из-за того, что приходится учитывать многочисленные взаимодействия между различными частями. Часто кажется, что эволюция системы идет "не в том" направлении или по крайней мере не соответствует "интуитивным" ожиданиям. Любой водитель инстинктивно представляет себе динамику автомобиля. При движении вверх или вниз по склону он увеличивает или уменьшает давление на педаль газа для того, чтобы сохранить скорость. Нормальное поведение автомобиля хорошо известно и прогнозируемо, однако на мокрой или обледенелой дороге он может стать неуправляемым. Аналогичные проблемы возникают ежедневно и в управлении техническими процессами.

В крупных технических задачах одной из важнейших проблем является структурирование системы. В процессе эксплуатации взаимодействуют множество людей, происходит постепенная замена оборудования и добавление новых функций. Сложную систему необходимо рассматривать как с общих позиций, так и с позиций всех ее компонентов.

Возникающие проблемы обычно нельзя разрешить только на одном уровне - их надо рассматривать под соответствующим углом зрения и на соответствующем уровне. Это не означает, что требуется знать все детали каждой конкретной ситуации, а скорее предполагает возможность при необходимости получить любые подробности. Решение, выработанное на несоответствующем уровне, чаще всего вообще не является решением и может даже ухудшить ситуацию. Нет смысла искать ошибки

1 4 Примерьггипичных приложений цифрового управления

в программе, которая не выполняет предусмотренную печать, если выключен npi хер. Каждый инженер имеет собственный набор анекдотов по этому поводу.

Границы между компетенцией инженеров-электронщиков, программистов, щ кладных специалистов и пользователей в настоящее время постоянно размывают Нельзя рассматривать сложную систему только с одной точки зрения, а решен принимать, опираясь на знания специатистов лишь из одной области. Чтобы пош или создать сложную систему, состоящую из множества взаимодействующих част необходим специальный подход. Далее будут даны некоторые рекомендации д успешного анализа и проектирования автоматизированных систем.

1.4. Примеры типичных приложений цифрового управления

Примеры цифрового управления встречаются везде, начиная от товаров Maccoj го спроса и до высокотехнологичной продукции. Сегодня в самом обычном aBTON биле компьютеры применяются для управления как зажиганием и составом бензи вой смеси, так и температурой в пассажирском салоне. Даже настройка приемника, доверяется водителю, а управляется микропроцессором, который иногда неупрои ет, а наоборот, усложняет жизнь.

На первый взгляд может показаться, что системы управления химическим произв( ством или движением на крупной железнодорожной станции имеют мало общего с poi тами для окраски автомобилей или с бортовым компьютером космического кораб. Однако во всех этих системах имеются одинаковые функциональные блоки - сбор д; ных, управляемые таймером или прерываниями функции, контур обратной связи, обм данными с другими компьютерами и взаимодействие с человеком-оператором.

В общем случае система цифрового управления физическим/техническим пр цессом состоит из следующих компонентов (рис. 1.4):

- управляющей ЭВМ;

- каналов обмена информацией;

- аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей (АЦП и ЦАП);

- датчиков и исполнительных механизмов; собственно физического/технического процесса.

аналоговые сигналы

датчики и исполнительные механизмы

цифровые данные

физический/ технический процесс

сетевой интерфейс

сеть передачи данных или системная шина

управляющая ЭВМ

Рис. 1.4. Основная структура системы цифрового управления процессом

Глава 1. Введение

5 Руководство для читателя

Физический процесс контролируется с помощью датчиков, т. е. устройств, преобразующих физические параметры процесса (температуру, давление или координаты) в электрические величины, которые можно непосредственно измерить (сопротивление, ток или разность потенциалов). Примерами датчиков являются термисторы (датчики температуры), концевые выключатели и ультразвуковые микрофонные зонды. Непосредственное влияние на процесс осуществляется с помощью исполнительных механизмов. Последние преобразуют электрические сигналы в физические воздействия, главным образом движение - перемещение и вращение, которые можно использовать для других целей, например для открытия клапана. Примерами исполнительных механизмов могут служить сервомоторы, гидроклапаны и пневматические позиционирующие устройства.

Цифровые системы управления работают только с информацией, представленной в цифровой форме, поэтому полученные в результате измерений электрические аналоговые величины необходимо обработать с помощью АЦП (раздел 5.2.2). Обратная операция - управление исполнительными механизмами (электромоторами и клапанами) - несколько проще, поскольку компьютер может непосредственно вырабатывать электрические сигналы.

Информация от удаленных объектов через каналы связи поступает к центральному управляющему компьютеру, который:

- интерпретирует все поступающие от физического процесса данные;

- принимает решения в соответствии с алгоритмами программ обработки;

- посылает управляющие сигналы;

- обменивается информацией с чедовеком-оператором и реагирует на его команды.

Нет ничего неожиданного в том, что поточное производство и машиностроение обеспечивают благоприятную почву для применения ВТ. Станки с числовым программным управлением (ЧПУ, Numerical Control - NC), производя высокоточные механические детали, выполняют строго определенную последовательность операций. Такие станки применяются во многих отраслях; их работа зависит от программного обеспечения, которое можно сравнительно быстро и дешево заменить. Гибкость промышленных роботов и многообразие выполняемых ими операций обеспечиваются, главным образом, компьютерным управлением. Если один станок не может обработать деталь, то гибкая производственная система {Flexible Manufacturing System -FMS) обеспечит выполнение необходимых операций другим станком участка или подразделения завода. В такой системе работа каждого станка, их взаимодействие и перемещение деталей управляются компьютерами.

Вычислительная техника применяется и в отраслях, имеющих другой характер производства, в частности в химической, металлургической, целлюлозно-бумажной и т. п. Разные технологические процессы обычно взаимосвязаны, и между ними постоянно перемещаются значительные материальные потоки. Такие производства, как правило, носят непрерывный характер, поэтому важнейшим фактором является надежность. Кроме того, обычно число измеряемых переменных очень велико, масштаб времени процессов в рамках одного предприятия составляет от нескольких секунд до нескольких дней, а территория может иметь значительные размеры. При высоких капитальных вложениях и стоимости материалов даже небольшие изменения параметров производства и показателей качества существенно влияют на экономику

предприятия и конкурентоспособность продукции. Поэтому качество компьютерных систем управления имеет решающее значение.

Эдектроэнергетические системы относятся к категории наиболее сложных. Они включают первичные источники энергии - ГЭС, ТЭЦ и АЭС, а также крупные передающие и распределительные сети. Чтобы описать объединенную электроэнергетическую систему даже небольшой страны, необходимы тысячи уравнений для генераторов, турбин, линий электропередачи, нагрузок и т. д. Электрическую энергию нельзя запасти в сколь-либо значительных количествах, и поэтому ее приходится производить одномоментно с потреблением. Управление генерацией и передачей электрической энергии должно быть быстрым и точным, чтобы своевременно выявлять и удовлетворять увеличение нагрузки, задействуя либо имеющиеся свободные генерирующие мощности, либо мощности других энергосистем. Для этого, кроме многих других факторов, диспетчерские службы должны следить за нагрузкой в часы работы предприятий, а иногда даже учитывать начало и окончание популярной телевизионной программы.

Управление транспортом включает в себя множество задач, решаемых с помощью компьютерного управления. Методика управления светофорами хорошо известна, однако определение оптимальной стратегии представляет собой далеко не тривиальную задачу. Сколько людей мучается перед красным сигналом и расстраивается из-за преимущества, которое (как всегда кажется) получает другое направление движения! Управление системой светофоров в городском районе является сверхсложной задачей, поскольку движение через перекрестки достаточно сильно взаимосвязано, в результате возникают сложные эффекты взаимного влияния транспортных потоков.

Однако нельзя забывать и о другом. Автоматизация означает не только фантастические суперсовременные приложения вроде автоматизированных фабрик и роботов. В большинстве стран эти направления почти не играют никакой роли из-за отсутствия технологической базы и должного общего уровня развития. С другой стороны, автоматизация необходима именно в слабо- и среднеразвитых странах для того, чтобы снизить потребление всегда ограниченных эйергетических и материальных ресурсов, улучшить безопасность и эффективность промышленных производств, загрязняющих окружающую среду.

1 -5. Руководство для читателя

Цель книги

Авторы поставили перед собой задачу представить читателю обобщенный взгляд СП ""ьютерное управление производственными процессами. Для построения *ных систем необходимо использовать знания из столь многих областей, что все кты, конечно же, невозможно детально рассмотреть в рамках одной книги. Из-за личи " " междисциплинарного характера каждую главу можно легко уве-ть до весьма солидного тома (в большинстве случаев такие солидные издания существуют). Проблема в том, чтобы ограничить объем каждой главы до прием-чить Р- при этом дать читателю возможность при разумных усилиях полу-ного °С"°б комплексного подхода более или менее полную картину компьютер-Управления производственными процессами.