9.6. Коммуникации в управлении техническими процес 9.6.1. Иерархическая структура технических процессов

в большинстве процессов можно выделить несколько иерархических или а нистративных уровней. Они более или менее соответствуют различным рещещ" которые должны приниматься для управления процессом.

Рассмотрим снова в качестве примера химический реактор, описанный в j-деле 2.2.1. На нижнем уровне контура регулирования температуры принимается шение, нужно или нет дополнительное тепло, чтобы поддержать температуру б постоянной. Решение принимается регулятором на основе сравнения опорной и те** кущей температуры. На более высоком уровне решается, при какой температуре вес ти процесс. На еще более высоком уровне выбирается сам химический процесс. Оче видно, что нет смысла оптимизировать температуру для процесса типа "А", если идет процесс типа "Б". Иерархическая модель является децентрализованной - решения влияют друг на друга, но каждый уровень более или менее независим в выборе способа их реализации.

Такую же иерархическую модель можно предложить и для компании. Требования к потокам информации резко отличаются на разных уровнях управления. В общем случае все объекты, расположенные на одинаковых уровнях иерархии, интенсивно обмениваются информацией между собой; обмен данными между уровнями обычно менее интенсивен и не критичен ко времени. В целом компания может рассматриваться как строго упорядоченная система реального времени, в которой информация на каждом уровне должна обрабатываться с соответствующей скоростью. В табл. 9.1 показаны типичные объемы информации, частота ее обновления и время реакции для нужд управления на разных уровнях руководства компанией с развитыми техническими и организационными функциями. В разных компаниях имеется разное число уровней ответственности и принятия решений, своя степень зависимости ypoBHcii и степень автономности каждого административного подразделения. Количественные показатели, приведенные в табл. 9.1, должны восприниматься как ориентировочные, устанавливающие только порядок величин. Границы между уровнями можно провести иначе, а структура может относиться к другой организации, нежели производственное предприятие.

Таблица 9.1. Типичные требования к информации о процессах (все показатели - ориентировочные)

Уровень управления

Объем данных

Время реакции

Частота обновления

Стратегическое управление Управление производством

Управление участком Управление процессом

Локальное управление (датчики, исполнительные механизмы)

Мбайты Кбайты

байты биты

биты

часы, минуты, секунды

секунды (100 мс) миллисекунды

миллисекунды

часы, минутЫ секунды

секунды

милл

миллисекун!""

исекуН"

( нижнему уровню иерархии предприятия относятся механизмы и устройства, уе непосредственно соприкасаются с процессом, ~- датчики и исполнительные айизмы- Это уровень локального управления (field control level) или уровень дат-*р/исполнительных механизмов (sensors/actuators level). Как следует из назва- на этом уровне расположено оборудование, которое непосредственно связано с "хнйческим процессом. На уровне управления процессом (process control level) на-!*ятся ЭВМ, регуляторы и другие "интеллектуальные" устройства, которые ведут °;одение за процессом и управляют им с помощью датчиков и исполнительных ханизмов. Уровень управления процессом являются самым нижним, на котором #гут приниматься автономные решения.

Следующий, более высокий уровень - это уровень управления участком (cell фо1 level). Этот уровень управления прямо не связан с техническими процессами, аобменивается информацией в виде опорных и текущих значений величин с выше-IIнижележащими уровнями. В случае производственного участка, на котором разные станки связаны в технологическую цепочку для выполнения определенных операций, лроисходит интенсивный горизонтальный обмен данными (т. е. на одном уровне) для тординации работы различных механизмов при меньшем вертикальном обмене с вер-шими уровнями. Действительно, для верхних уровней управления представляют интерес только поступление материалов (деталей) и потоки энергии на входе и выходе иастка. На уровне управления производством (production control level) координируется деятельность нескольких участков для достижения равномерного потока материалов или энергии (выход одного производственного участка является входом для другого). Наконец, на уровне стратегического управления (management control level) f инимаются общие решения, которые влияют на работу всего предприятия.

Несмотря на вынужденную условность, иерархическая модель дает очень полезную основу для анализа и структурирования системы управления. Модель не обязательно ограничена рамками производственного предприятия; аналогичные уровни •южно выделить в любой сложной системе управления. Например, в автопилоте самолета котггуры управления аэродинамическими элементами и двигателями находят-яна нижних уровнях иерархии, а вот вопрос, куда лететь, относится к стратегическим и оставлен на усмотрение летчика. Более того, структурирование на различных функциональных уровнях является не только академической проблемой. Определе-Информационных потоков между системами реального времени и администра-Чвного управления является необходимой операцией для управления ресурсами РДприятия или процесса и представляет сложную техническую задачу.

2. Сбор данных и потоки информации в управлении процессами

Чребования к информационным потокам в пределах каждого из уровней иерархии существенно различаться. Как уже отмечалось, в системах реального времени

Работка данных должна выполняться быстрее, чем происходят изменения в управ-Мом процессе. Похожее утверждение справедливо для процессов вообще. Есте-енно, что время реакции отличаетхя на разных уровнях и увеличивается по мере *Ь1шения уровня одновременно с объемом обрабатываемой информации.

Важной чертой архитектуры системы управления является число установленных •Цессоров. Существуют системы управления с одним центральным процессором

и системы, где их несколько. В распределенных системах разные процессоры назначены для управления отдельными частями физического процесса; цен/" ный процессор координирует общее функционирование. Распределение процесс"" как это следует из рис. 9.24, обычно соответствует структуре уровней управле Количество уровней управления отличается от производства к производству

уровень

стратегического управления

уровень управления производством

уровень травления производственньш участком

управляющий компьютер

управляющий компьютер

компьютер управления производством

компьютер управления производством

компьютер управления производством

уровень локального управления

датчики Д

ilii 1111

тттг тттт

исполнительные механизмы

физический/технический процесс

Рис. 9.24. Иерархическая структура распределенной системы управления

Периферийные процессоры или интерфейсные модули процесса напрямую связаны с физическим процессом и получают данные о нем от датчиков и аналого-диф ровых преобразователей. Эти процессоры управляют процессом через исполнитель ные механизмы. На функции периферийных процессоров могут влиять ПЛ местные регуляторы или другие типы устройств, связанных с процессом.

Существуют три основных способа сбора данных от датчиков и передачи их от местных регуляторов более высоким в иерархии устройствам и в центр управления.

Первый метод применяется в телеметрии. Телеметрия {telemetry) - это преД почтительный способ передачи данных от периферийных устройств к центрально му в случае, когда квитирование или двунаправленная передача неудобны или вО обще невозможны (например, в случае космических объектов). Все данНЫ передаются непрерывно в заранее определенном формате. После завершения одИ

jjUK-ia передачи начинается новый. Каждый параметр определяется его положе-

в потоке данных.

ga уровне управления процессом сбор данных выполняется по опросу {polling). „авляющий компьютер циклически опрашивает текущее состояние датчиков и иодически обновляет данные в своей внутренней базе данных. При опросе пери-1 оийные устройства должны отвечать управляющему компьютеру, и таким образом гарантируется периодическое обновление базы данных.

Опрос - это типовой метод, который в основном используется периферийными п оцессорами для получения информации отдатчиков, однако иногда он применяется и центральными процессорами для обновления своих баз данных.

Третий метод заключается в передаче только тех переменных, которые изменили значение по сравнению с предыдущим циклом. Цифровые переменные передаются при каждом изменении, а для аналоговых переменных задается определенная переходная зона (раздел 5.5.1). Новая информация поступает к центральному процессору только в том случае, когда аналоговая переменная изменяется на определенный процент по отношению к предыдущему переданному значению. Более сложные методы включают передачу данных, когда интеграл отклонения измеряемой переменной достигает некоторого порогового значения. Этот метод основан на прерьшаниях {interrupt), которые генерируются датчиками, когда они должны передавать информацию.

Компьютеры любого уровня должны анализировать, систематизировать, обрабатывать математическими методами и сохранять собранные данные перед их передачей на более высокий уровень. Наиболее типичные математические операции, выполняемые надданными - это фильтрация, определение минимальных, максимальных и средних значений или других статистических параметров (глава 5). Таким образом, количество данных, поступающих на более высокие уровни, можно уменьшить. Центральный процессор и каналы связи не должны перегружаться регистрацией и передачей статической, т. е. не меняющейся, информации.

В системах промышленной автоматики для передачи данных от датчиков к центральному устройству обычно используется комбинация второго и третьего способов, е. по опросу и прерыванию (событию). Значения переменных процесса передаются по мере их изменения; дополнительно общее обновление данных происходит через бо-ее продолжительные интервады, например каждые несколько минут. Этот подход га-Рантирует, что данные, используемые центром управления, в достаточной степени йекватны процессу. Образцы промышленных компьютеров для сбора данных на Уровне управления процессом/производственным участком показаны на рис. 9.25. Вообще говоря, выбор стратегии сбора данных требует тщательного анализа как Рмальных режимов работы, так и специальных случаев. Когда передаются только

"оказ, Режи

ания датчиков, количество информации существенно зависит от состояния и -iMa технического процесса. Если процесс находится в стационарном состоя- и - в течение длительного времени что-либо передавать нет необходимости. Вне-эпное возмущение процесса, следующее, например, за изменением какого-либо орлого значения, может привести к появлению такого количества данных, что в /Ти возникнет перегрузка. Если измененные данные о процессе не сохранить в бу-*Ре, то часть инс]эормации может быть потеряна, и в результате центральная систе-будет основываться на неверной информации.

Главное преимущество комбинированного метода сбора данных заключается в том, ° центральный процессор и каналы связи не перефужаются передачей статических

данных. С другой стороны, если большое количество величин изменяются одновре менно, то каналы связи распределенной системы могут оказаться пepeгpyжeнны Определение пропускной способности канала и мощности процессора является существенным моментом. Мощности процессора должно быть достаточно для обр ботки требуемого объема данных с известным запасом. Простейшее правило - пользовать коэффициент запаса от 3 до 10 по отношению к минимально необходр,, мой мощности процессора.

Рис. 9.25. Промышленные компьютеры для сбора данных - система ABB Advant OCS: для уровня управления процессом (слева) и для уровня производственного участка (справа) (с разрешения ABB Automation Products АВ, Швеция)

Пример 9.6

Пропускная способность канала связи

Пятнадцать периферийных процессоров и устройств сбора данных присоединены к центральному компьютеру. Двадцать каналов аналогового ввода присоединены к каждому периферийному процессору с помощью шины локального управления Fieldbus (раздел 9.7); каждый процессор присоединен с помощью FEP процессора (Front-End Processor - фронтальный процессор, специализированная ЭВМ, работающая как коммуникационный контроллер и интерфейс каналов связи; другие названия - препроцессор, процессор вво да-вывода или связной процессор), который ретранслирует поступающие дан ные центральному компьютеру (рис. 9.26).

Функции фронтального процессора может, в принципе, выполнить соот ветствующее программное обеспечение на центральном компьютере, но peffl ние, основанное на использовании специализированных процессоров, являет ся более предпочтительным, поскольку позволяет распределить обработ между несколькими ЭВМ.

Дискретизация аналоговых сигналов выполняется с помощью 12-разряД ного АЦП 100 раз в секунду. Общее количество входной информации состав ляет 20 * 100 * 12 = 24 ООО бит/с. Локальный процессор должен быть в состоя-

нии обработать этот объем данных и преобразовать их в формат для дальнейшей передачи с помощью шины Fieldbus. Принимая во внимание необходимый запас и накладные расходы на обработку, получим, что пропускная способность шины Fieldbus должна быть по крайней мере 100 Кбит/с. Если к фронтальному процессору подключено 15 устройств с одинаковыми потоками выходных данных, то общий объем для передачи составляет 360 ООО бит/с. С учетом необходимого запаса и накладных расходов пропускная способность магистральной сети должна составлять от 5 до 10 Мбит/с.

управляющий компьютер

фронтальный процессор

соединение с удаленньши объектами

магистраль

датчики Fieldbus

шина локального управления (Fieldbus)

Рис. 9.26. Сбор данных через контроллеры, шины локального управления и фронтальный процессор

Количество данных, передаваемых на верхние уровни иерархии, можно уменьшить, если локальные процессоры делают выборки из своих входных данных. Локальный процессор может, например, передавать только одно из десяти измеренных значений или среднее этих значений, что, следовате.льно, ,jjgcHTb раз снизит общий объем передаваемой информации.

ЧИЙ "РВДеленных системах приходится выбирать между загрузкой коммуника-Чно Интеллектом локальных устройств. Современная тенденция заключается в ус-Чесс локальных вычислительных устройств как можно ближе к реальным про-ам; при этом предусматривается, что центр управления всегда может изменить ение локального устройства. Такая схема является как экономичной, так и на-гь, Сбои центрального компьютера или линий связи не влекут нарушения рабо-Уре" системы. Точность управления требует минимального запаздывания в кон-Чро Регулирования, и управляемость ухудшается, если все сообщения от локального ссора должны посылаться центральному компьютеру для обработки и затем