Технические средства автоматизации и управления

3 Туманов М.П. Технические средства автоматизации и управления: цифровые

средства

обработки

информации

и

программное

обеспечение, под ред. А.Ф. Каперко: Учебное пособие. – МГИЭМ. М., 2005, 71 с. ВВЕДЕНИЕ Общие сведения о цифровых средствах обработки информации и программном обеспечении в системах автоматизации и управления (СаИУ). В современных условиях имеется устойчивая тенденция увеличения доли цифровых методов обработки, передачи и хранения информации. Под такими цифровыми

методами

понимаются

все

методы,

которые

связаны

с

преобразованием информации в цифровую форму для последующей обработки с использоваием компьютерной техники. Заметим, что не бывает на 100% цифровых систем, включающих в себя процессы окружающей природы, так как в таких системах обязательно имеются звенья преобразователей аналоговых и непрерывных процессов в цифровую форму. Лишь в системах виртуальной реальности возможны полностью цифровые системы. Однако, системы виртуальной реальности бессмысленны сами по себе, без участия человека. А как только учитывается наличие человека, любая система перестаёт быть полностью цифровой. Кроме таких цифровых методов имеются стремительно устаревающие цифровые устройства, основанные на применении дискретных цифровых элементов низкой степени интеграции с жёсткой логикой работы без программного управления. Но их эпоха заканчивается, так как практически все задачи, решаемые на их основе, могут быть гораздо эффективнее (по всем показателям эффективности) решены с помощью микропроцессорной техники. Поэтому в дальнейшем будем

подразумевать лишь

цифровые средства

обработки информации, основанные на применении компьютерной техники Цифровые методы хранения и передачи информации также чрезвычайно полезны в тех случаях, когда необходимо производить эффективное сжатие объёмной информации для последующего долговременного её хранения или

4 передачи по каналам в реальном времени. Например, при создании и эксплуатации архивов видео- и аудиоматериалов для on-line информационных ресурсов. Ключевым здесь является и то, что цифровой образ информации может сохраняться в течение неограниченного времени практически без потери качества и так же надёжно передаваться по каналам связи. С общепринятой в теории информации точки зрения это непривычно. Обычно считается, что при передаче информации по каналу вносятся неизбежные искажения но, на самом деле, методы помехоустойчивого кодирования, уменьшают вероятность потери полезной информации до пренебрежимо малых величин. Эти методы позволяют без потерь восстановить полезную информацию даже в условиях существенных потерь в кодах при передаче. Достигается это ценой увеличения длины кодовых комбинаций, то есть, за счёт увеличения объёма передаваемой информации. Тенденции перехода на цифровые методы, безусловно, наблюдаются и в гораздо более узких прикладных областях.

В частности, они в значительной

степени затрагивают и область технических средств автоматизации. В этой области идёт смена поколений технических средств обработки информации и информационного обмена. Сами по себе эти средства могут непосредственно не затрагивать

традиционные

предметные

области

автоматизации:

датчики,

приводы, регуляторы, однако, меняют всю среду существования средств автоматизации в целом. При этом пока ещё имеются проверенные временем технические

решения,

в

которых

удельная

доля

микропроцессорных,

микроконтроллерных устройств недостаточна, но сами решения отлажены и в своих областях применения могут ещё долгое время быть использованы. Такими решениями,

например,

являются

локальные

аналоговые

регуляторы,

предназначенные для управления некоторыми, не особенно точными (порядка 3%-5%), процессами.

5 ГЛАВА 1. Цифровые средства обработки информации в САиУ. § 1.1 Основные тенденции развития вычислительных средств САиУ. Многие

датчики

и

приводы

по-прежнему

являются

аналоговыми

устройствами по сути своей работы. Для этих классов приборов имеется применение

там,

где

отсутствуют

условия

необходимой

высококвалифицированной инженерной поддержки, обычно требующейся при внедрении цифровой техники. Здесь причина кроется не в высокой надёжности аналоговой техники,- как раз надёжность цифровой техники существенно выше, чем аналоговой, а в том, что для полноценной эксплуатации требуется наличие современных знаний и квалификации в области программирования, системной администрации и аналогичных областях. Исторически, цифровые методы обработки информации внедряются

в

технические средства САиУ примерно в течение такого же периода, что и в офисную

технику,

хотя

и

несколько

меньшими

темпами.

В

период,

предшествующий бурному развитию микропроцессорной техники (до 80-х годов 20 го века), было разработано и внедрено огромное количество технических устройств,

обладавших,

в

общем,

вполне

удовлетворительными

характеристиками. Но все они имели один существенный недостаток: жёсткость логической

структуры,

недостаточную

воспроизводимость

характеристик.

Постепенно становилось ясно, что только использование перепрограммируемых и

универсальных

устройств

обеспечит

будущее

технических

средств

автоматики. Причём не специальных программируемых устройств, а болееменее универсальных, переконфигурируемых. На этом этапе произошло разделение путей развития на две линии: • на основе универсальных ЭВМ; • на основе более простых ЭВМ, но зато более оптимизированных для требуемой задачи и поэтому не уступающих в эффективности при использовании в рамках именно этой задачи. За 25 лет развития ясно, что оба эти подхода имеют право на жизнь. Более того, именно их сочетание и обеспечивает то желаемое качество, которое сегодня обыденно, но 20 лет назад показалось бы абсолютной фантастикой.

6 Опыт разработки и производства современных, в том числе, военных систем позволяют говорить о серьёзном прорыве традиционных подходов к управляющим спецсистемам. Современные проекты объединяет следующее для их создания широко использованы готовые аппаратные и программные технологии

открытого

типа,

ранее

широко

апробированные

и

стандартизованные на рынке общепромышленных гражданских приложений. За последние 10-12 лет, по разным оценкам, доля глобального рынка военных полупроводниковых электронных компонентов упала с 17% до 3% и менее. То есть фактически абсолютное большинство новейших «военных» компьютерных систем сегодня отражают лучшие технологические достижения из мира общегражданских, общепромышленных аппаратных и программных технологий. В перспективе эта тенденция, видимо, будет только усиливаться. Если сравнить уровень самой техники общего применения в областях офисных приложений и в областях автоматизации (а также специальной техники, в том числе, военной), то общее отставание в области автоматизации может быть оценено в 1-2 поколения средств вычислительной техники. Причина такого отставания

заключается

автоматизации, предъявляются

а

в

не

том,

обычно

широкораспространённой

в

что

консерватизме к

более офисной

техническим высокие

разработчиков средствам

требования,

вычислительной

средств

автоматизации чем

технике.

к

Кроме

более того,

контроллеры средств автоматизации обычно вынуждены работать в гораздо более жёстких условиях эксплуатации. Цена сбоя в системе автоматического управления также может быть гораздо выше, чем в других информационных системах, так как объект управления нуждается в управлении постоянно и в реальном времени. Возвращаясь к цифровым методам и средствам обработки информации в САиУ, заметим, что этих системах обычно имеется большое количество разнообразных датчиков и преобразователей информации физических величин таких, как температура, давление, расход жидкостей, скорость и т.п. Эти датчики преобразуют исходную физическую величину в некоторую стандартную величину, например, стандартный диапазон напряжения (0-1В.). В дальнейшем встаёт задача преобразования этой промежуточной величины в цифровую форму. В последнее время появилось и стремительно развивается новое поколение датчиков, в которых имеются встроенные контроллеры, осуществляющие такое

7 преобразование. Такой интеллектуальный датчик сам становится элементом вычислительной сети. Он становится микро-эвм, поддерживающей сетевой протокол и передающей данные уже в преобразованном в цифровую форму виде. Часто в контроллере такого датчика производится предварительная цифровая обработка

сигнала,

например,

коррекция

систематической

погрешности

преобразователя, предварительная фильтрация случайных помех, а также контроль работоспособности.

Как бы то ни было, но тенденция развития здесь

однозначная - всё больше технических средств САиУ становятся чисто цифровыми. Среди датчиков появляются такие, в которых преобразование происходит непосредственно в цифровую форму, причём, непосредственно подготовленную к передаче по каналу связи. Так же могут быть устроены и другие составные части САиУ. Цифровыми и интеллектуальными (со встроенными микроконтроллерами) могут являться исполнительные устройства, каналы связи, задатчики воздействий, фильтры и т.п. Кроме перепрограммируемости, это даёт повышение надёжности за счёт гибкости конфигураии. К настоящему времени количество компьютеров, используемых для управления процессами производства, выросло от 1 млн. в 1980г. и более 10 млн. в 2000г. до более, чем 50 млн. в 2003г. 50 млн. 5 млн. 500000 50000 5000 500 50

1960

Рис. 1. 1 Видно,

что

1970

1980

1990 2000

Рост числа применений ЭВМ в задачах управления. рост

числа

ЭВМ

в

задачах

управления

практически

экспоненциальный. При этом учитываются факты использования в решении задачи управления, а не общее число процессоров. Если учитывать число процессоров, то рост оказывается гораздо более быстрым - барьер 1млрд, процессоров давно пройден!

8 § 1.2 ЭВМ общего назначения. Это такая архитектура вычислительных средств и программного обеспечения, которая позволяет единообразно решать большинство возникающих технических задач, включая задачи сопряжения с ЭВМ широкой номенклатуры внешних устройств, дачтиков. Следует иметь в виду, что использование ЭВМ общего назначения упрощает и ускоряет процесс разработки стандартного проекта в области автоматизации, однако, конечное решение обычно не оказывается оптимальным ни в смысле технических требований надёжности, ни в смысле экономической эффективности. Обычно ЭВМ общего назначения включает в себя стандартный набор компонентов: ƒ Центральный процессор (один или несколько) и арифметический сопроцессор. ƒ Быстродействующее

запоминающее

устройство

(возможно,

энергонезависимое). ƒ Внешние (дисковые) накопительные устройства различной природы. ƒ Мультимедийные (графическое и звуковое) устройства. ƒ Терминал пользователя (дисплей). ƒ Средства ввода (клавиатура, мышь и т.п.) ƒ Средства сетевой поддержки. ƒ Возможность

подключения

дополнительных

интерфейсных

устройств, в том числе, и в виде контроллеров, присоединяемых к шине ЭВМ. ƒ Возможность установки разнообразного программного обеспечения вместо имеющегося в стандартной поставке (или в дополнение к нему), в том числе, возможность изменения микропрограмм (BIOS). Последние два свойства чрезвычайно важны, так как соответствуют открытости архитектуры такой ЭВМ. Именно открытость архитектуры PC совместимых компьютеров в 80-е годы 20века сыграла решительную роль в повсеместном распространени этой техники, а не конкурентов на базе более совершенных, но менее открытых процессоров и периферии. В качестве примера можно привести, скажем, линию Power PC, для которой характерно существенно более высокое быстродействие при гораздо меньших тактовых частотах, но более высокая цена

9 и, главное, закрытость архитектуры. Свойство открытости архитектуры является непременным условием универсальности при широком применении. На сегодняшний день этим требованиям в основном удовлетворяют типовые персональные РС-совместимые компьютеры и контроллеры на базе их архитектуры. Именно на такой базе часто строят системы автоматики, если к ним не предъявляются повышенные требования. Часто ПК используют на начальном этапе

проектирования

системы,

когда

требуется

ускоренно

получить

работоспособную версию системы, необходимую для дальнейшей разработки. Обычно таким разработкам присущи следующие характерные недостатки: •

невысокая надёжность как аппаратной, так и программной части;

•

узкий температурный диапазон, особенно в сторону отрицательных температур;

•

низкое качество исполнения материнских плат и плат контроллеров;

•

повышенный уровень помех и пульсаций по шинам питания, что усложняет задачу подключения точных устройств.

Тем не менее, ПК с успехом используются в качестве интеллектуальных измерительных приборов. Например, осциллограф на базе ПК позволяет, помимо удобного и наглядного отображения процессов, вести их запись на диск для протоколирования и передавать по сети обобщающую информацию для диспетчерского управления более высокого уровня. На рис.1.2 приведена типичная структура распределённой САиУ в области энергетики [СТА 1.2003 стр.41 ], хотя эта структура вообще типична для современных САиУ, использующих все три уровня САиУ.

10

Рис. 1.2 Структура системы диспетчерского контроля и управления (СДКУ) в энергетике. Очевидно сочетание совершенно разнородных средств ВТ разных уровней, связанных в сеть (также разнородную). § 1.3 Специализированные ЭВМ и вычислительные комплексы (ВК). Это

ЭВМ,

особенности,

имеющие

функциональные

позволяющие

использовать

возможности их

для

и

конструктивные

эффективного

решения

ограниченного класса задач в определённых условиях окружающей среды. Отличия от ЭВМ общего назначения могут быть разнообразными, например:

11 процессор со специальной (эффективной в конкретном случае) системой команд. Типичный

пример

-

процессоры

цифровой

обработки

сигналов

(DSP),

эффективные в задачах цифровой фильтрации в составе комплекса обработки данных ультразвуковой локации. За счёт этого удаётся: ƒ

повысить надёжность;

ƒ

снизить стоимость;

ƒ

повысить быстродействие;

Вычислительный комплекс прикладную задачу. В

(ВК) - это комплекс средств ВТ, решающий

ВК могут входить разнородные компоненты. Обычно

приходится применять специализированные вычислительные средства: или (проблемно-ориентированные) специализированные ЭВМ и ВК для оптимизации окончательного решения при проектировании САиУ. Другой примером специализированной ЭВМ в составе ВК является, совокупность нижнего и среднего уровней системы автоматизации на основе соответственно локальных контроллеров и ПК. Ниже

в

Таблице1.1

приведена

классификация

различных

типов

вычислительных средств. В качестве параметров классификации выбраны наиболее значимые для задач автоматизации. Иные параметры, которые могут меняться в широких пределах (к примеру, объём ОЗУ или объём дисковой системы) в зависимости от конфигурации, не рассматриваются, так как не являются определяющими.

12

Тип ЭВМ

Производительность Мflops/c.

Наличие Flash дисков, ОЗУ и ROM

ЭВМ общего назначения

>1000

Диски

PCI 10/100/ 132 1000 Mб./сек. Мб./сек.

нет

10-5

Диски

PCI 10/100 132 Мб./сек. Mб./сек.

нет

10-5

до 10

Диски и ОЗУ

PCI 132 Mб./сек.

16-24 бит

10-5

Управляющие ЭВМ и ВК

100

Диски и ОЗУ

Индустриальные ПК