Особенности цифрового управления техническими процессами

3. общем случае система цифрового управления физическим/техническим процессом 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 Рис.1.1 Основная структура системы цифрового управления процессом 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. 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 человеком-оператором и реагирует на его команды. 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.
Компьютеры, управляющие процессами, имеют другие задачи, нежели компьютеры, используемые для "классической" обработки информации. Основная разница состоит в том, что управляющий компьютер должен работать со скоростью, соответствующей скорости процесса (рис.1.2). Само понятие "реальное время" указывает на то, что в реакции компьютерной системы на внешние события не должно быть заметного запаздывания Рис. 1.2. Применение компьютера в управлении процессом Другая главная особенность компьютерного управления процессом заключается в том, что ход исполнения программы нельзя определить заранее. Внешние сигналы могут прерывать или изменять последовательность исполнения операторов программы, причем для каждого нового прогона по-разному. Кроме того, существует проблема эффективного использования ресурсов компьютерной системы с учетом временных ограничений. Все это требует специальных методов программирования. Дополнительную проблему представляет собой тестирование систем реального времени из-за отсутствия предсказуемого порядка выполнения операторов программы по сравнению с обычными компьютерными системами. Параллельность — одно из важных свойств реального мира. Все события вокруг нас, мы сами и фактически любые физические процессы можно представить в виде множества "подпроцессов", которые протекают параллельно. Из этого свойства следует важный вывод: компьютер, взаимодействующий с таким процессом или управляющий им, должен учитывать эту параллельную природу, а в некоторых ситуациях и работать в соответствии с ней. Естественным следствием параллельной природы реального мира является то, что компьютер должен уметь управлять параллельными задачами. В этом и заключается отличие управляющего компьютера от обычного, для которого естественным является последовательный режим.