Топология информационных потоков

Сложные системы управления и мониторинга обычно представляют собой иерар хическую структуру на базе соединенных между собой цифровых устройств разног-класса. Такой подход называется распределенным прямым цифровым управление;, и обсуждается в главе 12.

Организация взаимодействия между этими устройствами является нейтрально;, задачей проектирования современных систем управления процессом. Для рацис, пальпого использования имеющихся ресурсов необходимо определить вид и колич?, ство информации, которой обмениваются компьютеры, - информационные поток; Не все компьютеры должны получать подробную информацию об управляемом тех. ш-1ческом процессе. Особую роль играет надежность передачи информации - необ ходимо принимать такие решения, чтобы данные всегда достигали своего назначения без искажения и потерь.

Передача информации тесно связана со стандартизацией. Очевидно, что кабели; разъемы должны соответствовать друг другу, уровни сигналов должны быть соизме римы, а программное обеспечение должно одинаково интерпретировать передаваемы; сообщения и сигналы. Организация передачи информации между устройствами рассмотрена в главе 9, в глазе 10 обсуждаются методы межпрограммного взаимодействия

Интерфейс оператора

Хотя теоретически управляющая система или компьютер могут функционировать без вментательства человека, на сегодняшний день всегда необходимо взаимс-действие с оператором, который должен получать информацию и иметь возможное!: в13одить команды.

Графические интерфейсы компьютерных терминалов становятся все более ибо лее изощренными. Современные дисплеи обладают фантастическими возможпостя ми отображения сложно организованных данных, включая цветовые палитры с .ми, лионами оттенков, разнообразную графику, даже мультипликацию и видео. Однак* все это требует больптих вычислительных ресурсов, за которые программы интер фейса будут конкурировать с модулем обработки данных, и поэтому оператор мож? получать информацию с задержкой. С другой стороны, не вся информация .мож? ждать, например, сигналы тревоги и другие важные сообщения должны отображать ся немедленно. Поэтому при проектировании интерфейса необходимо тщательно о? бирать информацию и сопоставлять способ отображения со степенью ее важное! в текущий момент, человеческими возможностями воспринимать и адекватно реагИ ровать па нее и имеющимися ресурсами. Эта тема обсуждается в главе 11.

Системная интеграция и надежность управления

Ключевым вопросом любой системы управления является палежность. Дифр* вые систолн>! - не исключение, и, как отмечалось в разделе 1.2, эта проблема возни* ла уже в первые годы их применения. Один из основных недостатков принципа пр** мого цифрового управления - это низкая надежность. Хотя общее качеств вычислительной техники суП1ественно возросло с 1960-х годов, проблема надежно ти таких систем остается тем не менее одной из главных, так как центральный комп*

ютер по-прежнему представляет собой критическую точку {single-point failure) -узел, выход которого из-строя приводит к остановке всей системы. Очевидное решение этой проблемы - денептрализация вычислительных ресурсов, при которой пе-больате локальные вычислительные устройства управляют отдельными частями сложного процесса. Децентрализация и системная интеграция сложных систем управления процессами рассматриваются в главе 12.

Надежность программного обеспечения крупных систем не .менее важна, чем надежность аппаратных средств. В январе 1990 года в течение почти 9 часов телефонная сеть CILIA обеспечивала прохождение лишь около 50 % трафика. Причина заключалась в невыявленпой онтибке в очень сложной програ.мме.

Практический подход к повышению надежности систем предполагает, с одной стороны, применение отказоустойчивых конфигураций аппаратных средств, рассмотренных в главе 12, а с другой -специальные методы проектирования структуры программного обеспечения, программирования и отладки, позволяющие исключить с самого начала наиболее вероятные ошибки.

2.4. Модельные примеры

Системы, описанные в этом разделе, - электропривод и станция биологической очистки сточных вод, - будут использоваться в дальнейшем изложении в качестве примеров двух ра.зличных типов процесса. Эти системы существенно отличаются как масштабом времени, так и технической конструкцией и поэтому служат хороагей иллюстрацией многих нробле.м, характерных для приложений цифрового управления.

2.4.1. Модельный пример 1 - управление системой электропривода

Такая популярность объясняется их функцией - преобразование электрической энергии, которая легко передается на расстояния, в механическую работу, без которой не обходится практически ни один процесс. Электрические двигатели играют важнейп1ую роль в современной жизни - без них не может обойтись ни промышленность, ни домапшее хозяйство.

Двигатели бъшАют постоягнюго тока и однофазные или многофазные переменного тока. Рабочий режим двигателя зависит не только от тока, но и от "истории" намагничивания, нагрузки, потерь на трение и т. д. Не вдаваясь в подробности теории двигателей, достаточно отметить, что оптимальный режим переноса энергии, т. е. преобразования электрической энергии в механическую с минимальными потерями, можно получить подбирая величину амплитуды, частоты и фазы входного напряжения.

Генерация сигнала с требуемыми характеристиками осуществляется с помощью цепей силово!! электропики. Поскольку питание можно подавать от различных типов источников переменного или постоянног-о тока, то обеспечивается больпшя гибкость в выборе типа двигателя. Комбинация двигателя, силовой электроники и блока управления называется системой электропривода {electrical drive system); схематично она представлена на рис. 2.13. Выпускаемые системы электропривода охватывают очень широкий диапазон значений мощности, скорости и мо.мента.

Конструирование системы электропривода - задача как инженеров-электриков, так и инженеров-механиков. Фактически для получения хоронтих результатов псоб-

Глава 2. Особенности цифрового управления процессац

. . . .

ходимо тесное взаимодействие специалистов в области электротехники, электронц, ки, вычислительной техники, управления и, конечно, в области конкретных приле. жений (например, транспорта или робототехники).

двигатель/ привод

нагружа

Рис. 2.13. Главные элементы системы электропривода

В этой книге система электропривода служит для иллюстрации ситуаций, когда необходи-мы очень быстрые управляющие во.здействия.

2.4.2. Модельный пример 2 - биологическая очистка сточных вод (процесс активированного отстоя)

В совре.меппом обществе потребляется большое количество воды, поэтому переработка сточных вод становится одной из главных природоохранных задач. Для уничтожения или снижения количества содержащихся в них загрязнений сточные воды можно перерабатывать механическими, химическими и биологически.ми методами - па больнтинстве современных предприятий по переработке сточных вод все они используются одновременно. Ниже мы кратко рассмотрим управление биологическим процессом, получившим широкое распространение для переработки как промышленных, так и бытовых сточных вод.

Процесс активированного отстоя (activated sludge process) заключается в том, что взвешенные в аэраторе микроорганизмы взаимодействуют с органическими веществами, содержащимися в сточных водах, и растворенным кислородом (Dissolvei Oxygen - DO). Врезультатеэтогопроцессаувеличиваетсямассамикрооргани.з.мов! вырабатывается двуокись углерода и вода. Другими словами, микроорганизмы размножаются, питаясь органическими компонентами сточных вод, и высвобождают двуокись углерода и воду.

Установка для переработки сточных вод содержит две основные части - аэратор и устройство осаждения (рис. 2.14). Аэратор представляет собой биологический реактор, содержащий .микроорганизмы, - в нем происходит реакция со сточны.ми водами и кислородом воздуха. В устройстве осаждения активированный отстой, состоящий из живых или погибших организмов и другой инертной массы, отделяется о-остальной жидкости. Часть копцептрироваппого отстоя регенерируется и снова по ступает в аэратор для того, чтобы поддерживать массу живых .микроорганизмов f процессе постоянной; соотношение .между объе.мо.м сточных вод и массой .микроор-гапиз.мов должно сохраняться в определенной пропорции. Остальной отстой удаляется из устройства осаждения для последующего захоронения. Выход процесса - коток очищенной воды и концентрированный отстой - .менее опасны для окружающе! среды и легче перерабатываются, чем неочищенные сточные воды.

Временной масштаб биологического процесса обычно составляет величину по-gKa часов или дней и поэтому не является ограничением для унрав.1яюн1его ко.М