Предимствата от използването на компютъра в управлението на процеса са многобройни, сред които бихме могли да посочим по-голяма ефективност на операциите, по-голяма сигурност и драстично намаляване на ръчните операции.

компютърът

Историческа еволюция на компютърната технология за управление, приложена към управлението на непрекъснати системи:

Развитието на компютърната технология, приложена за контрол на индустриалните процеси, получи голям тласък в края на петдесетте години поради факта, че имаше отрасли като петролните рафинерии, където процесите, които трябва да се контролират в този тип централи, са сложни. Наличните системи за контрол бяха доста ограничени, като включваха голямо количество работна сила в производствения процес, какъвто беше случаят с производството на хартия. Качеството на продукцията в много случаи зависи от опита на оператора и неговата скорост на реакция при ненормални ситуации. Трябваше да се каже полуавтоматично и полуръчно управление. Операторите са тези, които решават кои са най-подходящите контролни референции за аналоговата система за управление.

Първата работа по приложението на компютъра към индустриалния контрол се появява в статия, написана от Браун и Кембъл през 1950 година.

Браун, Г. С., Кембъл, Д. П.: Приборостроене: неговият растеж и обещание в проблема с управлението на процеса [Кафяво 50].

В тази статия има компютър, който управлява системата посредством обратна връзка и подаване. Авторите приемат, че елементите за изчисление и управление на системата трябва да бъдат аналогови изчислителни компютри, но предполагат възможното използване на цифров компютър.

Първите приложения на цифровите компютри за индустриален контрол се осъществяват в края на 50-те години. Инициативата не произхожда, както би могло да се предположи, от контролната и производствената индустрия, а от производителите на компютърни и електронни системи, търсещи нови пазари. към продукти, които не са били напълно адаптирани към военните приложения.

Първата индустриална инсталация на компютър се извършва от електроснабдителната компания "Louisiana Power and Light", която инсталира през септември 1958 г. компютър Daystrom за наблюдение на електроцентралата в Стерлинг, Луизиана. Но това не беше индустриална система за контрол. Неговата функция беше да контролира правилната работа на инсталацията.

Първият компютър, посветен на индустриалния контрол, е инсталиран в рафинерията на Порт Артур в Тексас. Компанията Texaco инсталира RW-300 от Ramo-Wooldridge. Рафинерията започва да работи под компютърно контролиран затворен кръг на 15 март 1959 г.

През годините 1957-1958 химическата компания Monsanto в сътрудничество с Ramo-Wooldridge проучва възможността за инсталиране на компютърно управление. През октомври 1958 г. те решават да внедрят система за контрол в завода в град Лулинг, посветена на производството на амоняк. Той започна да работи на 20 януари 1960 г., но те имаха големи проблеми с шума, който беше въведен в обратната връзка. Тази система, както и много други, базирани на компютъра RW-300, не осъществява директен цифров контрол върху инсталациите, но представлява надзорни системи, посветени на изчисляването на оптималните референции на аналоговите регулатори. Тази система се нарича цифрово-аналогов контрол (ЦАП) или надзорен контрол. Трябва да се отбележи, че тази схема за контрол е защитена с патент (патент EXNER), който ограничава приложението му.

През 1961 г. Монсанто започва да проектира директен цифров контрол (DCC) за завод в град Тексас и йерархична система за контрол на нефтохимичния комплекс Chocolate Bayou. При директно цифрово управление компютърът директно контролира процеса, като измерва процеса и изчислява действието, което трябва да се приложи.

Първият директен цифров контрол е инсталиран в завода за амоняк и сода на компанията Imperial Chemical Industries във Флийтууд (Обединеното кралство), като се използва компютър Ferranti Argus 200. Той започва да работи през ноември 1962 г.

Системата имаше 120 контролни вериги и измери 256 променливи. Понастоящем 98 съоръжения и 224 измервания се използват в това съоръжение на Fleetwood. По време на инсталацията старите аналогови регулатори бяха заменени от цифровия компютър, който изпълняваше същите функции.

Компютрите, използвани в началото на 60-те години, комбинират магнитни памет и програмата се съхранява на въртящи се циклични програмисти. В тези първи приложения решението на определени проблеми предполага увеличение на цената на системата. Това доведе до това, че двете основни задачи за директно цифрово управление и надзор се изпълняват на един и същ компютър.

Двете задачи работеха в много различен времеви мащаб. Задачата на директния цифров контрол трябваше да има предимство пред надзора. Разработването на програмата се извършва от високоспециализиран персонал и езикът е чист машинен код. Освен това имаше проблеми поради увеличаването на количеството код, докато капацитетът на паметта на компютрите беше доста ограничен. Което означаваше, че трябва да се изтегли част от паметта на компютъра, за да се зареди кодът за другата задача.

Подобряването на компютърните системи за управление доведе до системи, които изпълняват директно цифрово управление на компютър и на същия или друг компютър се изпълнява програма, отговорна за разработването на инструкциите.

В края на шейсетте и началото на седемдесетте миникомпютри бяха разработени и намериха голямо приложение в контрола на индустриалните процеси. След няколко години броят на компютрите, посветени на управлението на процесите, варира от 5000 през 1970 г. до 50 000 през 1975 г.

Тези миникомпютри имаха памет до 124 Kbytes, твърд диск и флопи диск устройство за съхранение.

Един компютър за един процес:

През 60-те години сложността и производителността на системите за управление се увеличиха благодарение на използването на интегрални схеми и по-специално микропроцесори.

Разработването на микропроцесора през 70-те години направи рентабилно отделянето на компютър за управление на един процес. Компютърните приложения за обработка на контрол, които преди това не бяха изгодни за инсталиране, тъй като аналоговият контрол беше много по-евтин, стават конкурентни. Дори това намаляване на разходите позволява разработването на компютърни системи за управление, отговарящи за управлението на една електрическа машина.

В допълнение към икономическата причина, една от причините, които възпрепятстваха прилагането на цифрови контроли на електрическите машини, беше прекомерната скорост на електромеханичните задвижвания, с константи на времето в много случаи доста под втората (сравнете с химическите процеси). Това направи невъзможно компютърът да изчисли алгоритъма за управление в периода на вземане на проби, маркиран от дизайна на контролера.

Първите цифрови контроли са внедрени на машини с постоянен ток, които представят математически модел, с който е много лесно да се справите. Усилията са насочени към разработването на цифрови контроли на синхронни и асинхронни двигатели, които биха позволили на задвижванията да получат прецизна производителност и динамика на въртящия момент, сравними с непрекъснатите, за да се използва много по-евтин двигател (асинхронен), който няма да създаде проблеми с двигателите с постоянен ток.

Първите цифрови контроли се състоят от проста програмирана емулация на класическите алгоритми за управление, но прилагането на съвременни техники за управление позволи разработването на приложения за управление на вектори, които в асинхронни моторни задвижвания осигуряват превъзходно качество на динамичния отговор. моторни задвижвания. В момента има широка гама от микроконтролери, специализирани в управлението на електрически машини.

Контрол в реално време:

Изискванията за контрол в реално време се проявяват в една от основните му характеристики: временните ограничения, на които е подложен. Те са присъщи на работата на системите в реално време. За периодичните контролни задачи те се продиктуват от периода на вземане на проби, с който трябва да работи управляващият алгоритъм. За други видове периодични задачи като задачи за обработка на данни, графични задачи или задачи за надзор, комуникационни задачи, времевите ограничения не са толкова строги и много пъти дизайнерът на приложения има право на избор.

Тези времеви ограничения също предполагат приоритет на изпълнението, като задачите, предназначени за управление, са най-честите и следователно тези, които трябва да се изпълняват с най-висок приоритет, прекъсвайки всички други задачи в случай на еднопроцесорни системи. Възможно е също да има контролни задачи, които се изпълняват с дълги периоди, като при бавни променливи приложения за управление като температура, има някои други задачи с по-кратки периоди на изпълнение. Но контролната задача е най-критична, тъй като тя е тази, която взаимодейства с процеса и трябва да гарантира правилната му работа.

За задачите, активирани в отговор на събития, ограниченията се налагат от границите на безопасност и правилното функциониране на процеса, който трябва да се контролира. Например действията, които трябва да се извършват преди появата на аварийно спиране, трябва да се извършват за минимално време, което се опитва да гарантира максималната безопасност на операторите на първо място и на контролирания процес на второ място.

Приложенията на военния контрол, ракетите, системите за стрелба, противоракетните системи могат да се считат за еднакви или по-критични от някои индустриални приложения (да не забравяме атомните електроцентрали). Поради това се установява необходимостта системите за управление в реално време да включват механизми, които гарантират висока толерантност към повреди.

Може да се установи нова класификация между критични и акритни системи в реално време. Критични системи в реално време са тези, при които времето за реакция на всички задачи трябва да се спазва при всякакви обстоятелства. В тези системи неспазването на срока за отговор може да доведе до неизправност или авария в контролираното военно приложение или процес. В акритните системи в реално време времето за реакция на дадена задача може от време на време да бъде пропуснато.

Мислейки по-фино, в система в реално време е необходимо да се прави разлика между критични задачи (контрол, спешни случаи ...) и некритични (графично представяне, обработка на данни)

Хардуер и софтуер на системи в реално време:

Всички тези съображения означават, че хардуерът и софтуерът на системите в реално време трябва да отговарят на редица условия. В хардуера това води до разработването на подходящи елементи, които служат като интерфейс с процеса и управлението на ограниченията във времето. По този начин се разработват специализирани периферни устройства като карти за събиране на данни с аналогови/цифрови и цифрови/аналогови преобразуватели. Карти с високо прецизни часовници, които заедно с усъвършенствани системи за прекъсване позволяват правилно да отговарят на временните изисквания на приложенията за управление в реално време.

През 70-те години бяха разработени нови разпределени изчислителни системи, които могат да възприемат централизирани или разпределени структури. В централизираните системи решенията за управление се вземат от централния компютър, но около него се свързват редица периферни устройства, някои от които специализирани, способни да изпълняват определени задачи. Тези периферни устройства обменят данни и получават поръчки от централния компютър чрез комуникационна мрежа.

Децентрализираните или разпределените системи се състоят от набор от управляващи устройства, които могат да вземат автономни решения, като общуват чрез комуникационна мрежа.

От гледна точка на софтуера, езиците, а също и методологиите за разработване на приложения трябва да предоставят инструментите и механизмите, необходими на системите за управление в реално време, за да отговорят на всички характеристики на ограниченията във времето, толерантността към грешки и оперативната безопасност.

Ранните програмисти са използвали директно асемблерен език, тъй като той е позволявал ефективно използване на много ограничените ресурси, налични по това време. Погледнато от гледна точка на съвременните медии, тяхното използване прави програмирането скъпо и модификацията практически невъзможна. Това е и език, който е твърде зависим от конкретната машина.

Следващите стъпки се състоят в добавяне на разширения към класическите езици за програмиране от 70-те години като Fortran (Process Fortran), Basic и Algol. Те имат предимството да имат по-високо ниво на абстракция, но те зависят от операционната система за функциите за паралелност и синхронизация, освен това обикновено е необходимо да се изпълняват някои функции в асемблера. Към тези езици са добавени поредица от функции и механизми:

Изминатият път доведе до развитието на едновременни езици (Modula-2, Occam, Ada). В тях функциите, които правят възможно управлението на едновременност и времеви ограничения, са част от самия език. Те също така позволяват достъп до ресурси от ниско ниво, избягвайки използването на асемблера.

Езикът Modula-2 е потомък на Modula и Pascal. Функциите за паралелност и времеви ограничения се изпълняват в специфичен модул, наречен ядро. Това е език, който е подходящ за разработване на приложения от малък до среден размер. Езикът Occam е език, свързан с платформата Transputer. Не е подходящ за разработване на големи приложения.

Тези два езика са практически изоставени, в случая на Occam, когато преобразувателят вече не се произвежда. Езикът, който се е превърнал в стандарт за развитие на системите за време, е езикът ADA.

Името му почита лейди Ада де Ловелан, която е била сътрудник на Чарлз Бабидж. ADA, чийто първи стандарт е определен през 1983 г., е проектиран и разработен от името на Министерството на отбраната на САЩ, насочен към програмирането и разработването на вградени системи. ADA интегрира понятието за абстрактен тип и механизъм, който позволява да се изрази сътрудничеството и комуникацията между процесите. Основните му характеристики са:

ADA е дефиниран език за разработване и програмиране на сложни приложения като приложения за управление на военното инженерство. ADA се превърна в една от възможностите за разработване на системи в реално време в индустриалната област, особено в Европа. Ограниченията, открити в стандарта '83, бяха коригирани в стандарта '95. ADA 95 позволява обектно-ориентирано програмиране, представя подобрения в обработката на паралелността и реалното време. Специализирани приложения бяха дефинирани и в разпределени приложения, информационни системи ...