Особенности систем цифрового управления
Управление технологическим процессом представляет лишь только часть проблем, решаемых АСУТП: другая часть – это компьютерные средства. Система управления используется не только для регулирования и определения последовательности операций (бинарное управление), но и должна выполнять ряд дополнительных функций: сбор и обработка технологической информации, распознание нештатных ситуаций и реагирование на них, отображение информации технологическому персоналу и оператору, выполнение команд операторов и пр. При разработке проекта, включая необходимость вычислительных ресурсов, необходимо исходить из требований, предъявляемых ко всей технической системе. Основное требование – ресурсы системы должны соответствовать целям управления и параметрам управляемой системы (табл.1). Таблица 1 - Характеристики управляемого технологического процесса, влияющие на решения по системе управления
Отображение развития процесса во времени. Данные, полученные в результате измерений, должны с требуемой точностью отражать динамику процесса. Особую важность при этом имеет частота выборки, т.е. периодичность измерения новых данных. Ее определение обычно является нетривиальной задачей. Высокая частота выборки влечет за собой большую загрузку компьютера, т.к. он должен обрабатывать больше данных. Это означает, что число измерений необходимо минимизировать, однако их частота должна быть достаточно высокой для обнаружения важных изменений контролируемых параметров процесса. Т.о., должен быть найден компромисс между затратами на измерение и ценой последствий, к которым может привести потеря части информации об изменениях процесса. На загрузку компьютера влияет не только частота измерений, но и сложность расчетов в промежутках между измерениями.
Сбор данных измерений и обработка сигналов. Все сигналы измерений содержат как полезную информацию, так и помехи. Измерения всегда приблизительны из-за ошибок калибровки, неточности датчиков или наличия шума. Для выделения полезной информации (в соответствии с заданным критерием) из сигнала используются специальные устройства – фильтры. Фильтры могут быть выполнены как по аналоговой, так и по цифровой технологии. Но даже если мы используем высокоточный датчик и передаем сигнал без помех, полученные данные могут не всегда адекватно представлять интересующие параметры процесса. Например, измерение уровня жидкости может быть некорректным из-за ряби, концентрации – из-за наличия неоднородностей, температуры – из-за неправильного места установки датчика и пр.
Уровень сложности системы. Уровень сложности ТП отражается в первую очередь на конфигурацию компьютера. Кол-во датчиков и исполнительных механизмов определяет необходимое число портов ввода/вывода и в целом требует более мощного процессора, большего объема оперативной и внешней памяти. Связь между внутренними переменными процесса и его входными или выходными данными определяет сложность программного обеспечения регулирующих устройств. Программы реального времени гораздо труднее отлаживать и тестировать, поэтому их код должен быть хорошо структурирован, дабы ошибки могли быть выявлены как можно раньше.
Топология информационных потоков. Сложные системы управления и мониторинга обычно представляют собой иерархическую структуру на базе соединенных между собой цифровых устройств разного класса. Такой подход называется распределенным прямым цифровым управлением. Организация взаимодействия между этими устройствами является центральной задачей современных АСУТП. Для рационального использования имеющихся ресурсов необходимо определить вид и количество информации, которой обмениваются компьютерные устройства, - информационные потоки. Но не все компьютеры должны получать подробную информацию о процессе. Особую роль играет надежность передачи информации, т.е. необходимо, чтобы данные достигали своего назначения без искажений и потерь. Передача информации неотделима от ее стандартизации. Очевидно, что кабели и разъемы должны соответствовать друг другу, уровни сигналов – соизмеримы, а программное обеспечение должно одинаково интерпретировать передаваемые сообщения и сигналы.
Интерфейс оператора. Хотя всегда стремятся к тому, чтобы система функционировала без вмешательства человека, но всегда необходимо иметь возможность взаимодействия с оператором, который должен получать информацию и иметь возможность вводить команды. Графические интерфейсы компьютерных терминалов становятся все более изощренными. Современные дисплеи обладают возможностями отображения различных данных, включая цветовые палитры с миллионами оттенков, сложных графических объектов, мультипликацию и видео. Однако все это требует больших вычислительных ресурсов, за которые программы интерфейса будут конкурировать с модулем обработки данных и между собой, и поэтому оператор может получать информацию с задержкой. С другой стороны, не вся информация может ждать. Например, сигналы сбоев, тревоги и другие важные сообщения должны отображаться немедленно. Поэтому при проектировании интерфейса необходимо тщательно отбирать информацию и сопоставлять способ отображения со степенью ее важности в текущий момент, человеческими возможностями воспринимать и адекватно реагировать на нее и имеющимися ресурсами.
Системная интеграция и надежность управления. Ключевым вопросом любой системы управления является надежность, складывающаяся из надежности аппаратных средств и надежности программного обеспечения. Один из основных недостатков принципа ПЦУ – низкая надежность. Очевидное решение этой проблемы – децентрализация вычислительных ресурсов, при которой небольшие локальные вычислительные устройства управляют отдельными частями сложного процесса. Практический подход к повышению надежности систем предполагает, с одной стороны, применение отказоустойчивых конфигураций аппаратных средств, c другой – специальные методы проектирования структуры программного обеспечения, средств программирования и отладки, позволяющие исключить с самого начала наиболее вероятные ошибки.
|
