A számítógépnek a folyamatirányításban való alkalmazásának számos előnye van, ezek közül megnevezhetjük a műveletek nagyobb hatékonyságát, nagyobb biztonságot és a kézi műveletek drasztikus csökkentését.

irányításában

A folyamatos rendszerek irányítására alkalmazott számítógépes vezérléstechnika történeti fejlődése:

Az ipari folyamatok ellenőrzésére alkalmazott számítástechnika fejlődése az ötvenes évek végén nagy lendületet kapott, mivel voltak olyan iparágak, mint az olajfinomítók, ahol az ilyen típusú üzemekben ellenőrizendő folyamatok bonyolultak. A rendelkezésre álló ellenőrzési rendszerek meglehetősen korlátozottak voltak, nagy mennyiségű munkaerőt vontak be a gyártási folyamatba, mint ez a papírgyártási iparban történt. A gyártás minősége sok esetben a kezelő tapasztalatától és a rendellenes helyzetekre adott reakció sebességétől függ. Félig automatikus és félig kézi vezérlés volt. Az operátorok döntötték el, hogy melyek az analóg vezérlőrendszer legalkalmasabb vezérlési referenciái.

Az első munka a számítógép ipari vezérléssel kapcsolatban Brown és Campbell által 1950-ben írt cikkben jelenik meg.

Brown, G.S., Campbell, D.P .: Hangszerterv: növekedése és ígérete a folyamatirányítási problémában [Barna 50].

Ebben a cikkben található egy számítógép, amely visszacsatolási hurok és betáplálás segítségével vezérli a rendszert. A szerzők feltételezik, hogy a rendszer számítási és vezérlő elemeinek analóg számító számítógépeknek kell lenniük, de javasolják a digitális számítógép lehetséges alkalmazását.

A digitális számítógépek ipari irányításának első alkalmazására az 1950-es évek végén került sor. A kezdeményezés - mint feltételezhetjük - nem az ellenőrző és a feldolgozóiparból származik, hanem az új piacokat kereső számítógép- és elektronikus rendszerek gyártói közül. olyan termékekhez, amelyeket nem teljesen alakítottak ki katonai alkalmazásokhoz.

A számítógép első ipari telepítését a "Louisiana Power and Light" áramszolgáltató végzi, amely 1958 szeptemberében telepített egy Daystrom számítógépet a Louisiana állambeli Sterlingben működő erőmű megfigyelésére. De ez nem ipari irányítási rendszer volt. Feladata a telepítés helyes működésének felügyelete volt.

Az első ipari irányításra szánt számítógépet a texasi Port Arthur finomítóban telepítették. A Texaco Company RW-300-at telepített a Ramo-Wooldridge-től. A finomító 1959. március 15-én, zárt rendszerben, számítógéppel vezérelve kezdte meg működését.

Az 1957-1958 években a Monsanto vegyipari vállalat a Ramo-Wooldridge-szel együttműködve tanulmányozta a számítógépes vezérlés telepítésének lehetőségét. 1958 októberében úgy döntöttek, hogy ellenőrzési rendszert vezetnek be Luling városának üzemében, amelynek célja az ammónia előállítása. 1960. január 20-án kezdett el működni, de nagy problémáik voltak a visszajelzésekbe beillesztett zajjal. Ez a rendszer, mint sok más, az RW-300 számítógépen alapuló rendszer, nem hajtott végre közvetlen digitális vezérlést az üzemek felett, hanem felügyeleti rendszer volt, amelynek feladata az analóg szabályozók optimális referenciáinak kiszámítása. Ezt a rendszert digitális analóg vezérlésnek (DAC) vagy felügyeleti ellenőrzésnek hívják. Meg kell jegyezni, hogy ezt az ellenőrzési rendszert szabadalom (EXNER Patent) védte, amely korlátozta alkalmazását.

1961-ben a Monsanto megkezdte a közvetlen digitális vezérlés (DCC) tervezését egy texasi városban működő üzem számára és egy hierarchikus vezérlőrendszert a Chocolate Bayou petrolkémiai komplexum számára. Közvetlen digitális vezérlés esetén a számítógép közvetlenül irányítja a folyamatot, elvégzi a folyamat méréseit és kiszámítja az alkalmazandó műveletet.

Az első közvetlen digitális vezérlést az Imperial Chemical Industries ammónia- és szódaüzemében telepítik Fleetwoodban (Egyesült Királyság), Ferranti Argus 200 számítógép segítségével. 1962 novemberében kezdte meg működését.

A rendszer 120 vezérlõ hurokkal rendelkezett, és 256 változót mért. Jelenleg 98 hurok és 224 mérés van használatban ebben a Fleetwood létesítményben. A telepítés során a régi analóg szabályozókat lecserélték az azonos funkciókat ellátó digitális számítógépre.

Az 1960-as évek elején használt számítógépek kombinálták a mágneses memóriákat, és a programot forgó ciklikus programozókon tárolták. Ezekben az első alkalmazásokban bizonyos problémák megoldása a rendszer költségeinek növekedését feltételezte. Ennek eredményeként a közvetlen digitális vezérlés és felügyelet két fő feladata ugyanazon a számítógépen valósult meg.

A két feladat nagyon eltérő időskálán működött. A közvetlen digitális ellenőrzés feladatának elsőbbséget kellett élveznie a felügyelettel szemben. A program kidolgozását magasan képzett személyzet végezte, és a nyelv tiszta gépi kód volt. Ezenkívül problémák merültek fel a kód mennyiségének növekedése miatt, míg a számítógépek memória kapacitása meglehetősen korlátozott volt. Ami azt jelentette, hogy a számítógép memóriájának egy részét le kellett tölteni a másik feladat kódjának betöltéséhez.

A számítógépes vezérlőrendszerek fejlesztése olyan rendszerekhez vezetett, amelyek közvetlen digitális vezérlést hajtottak végre egy számítógépen, és ugyanazon vagy egy másik számítógépen egy programot hajtottak végre az utasítások kidolgozásáért.

A hatvanas évek végén és a hetvenes évek elején fejlesztették ki a miniszámítógépeket, amelyek nagyszerű alkalmazást találtak az ipari folyamatok irányításában. Néhány év alatt a folyamatirányításra szánt számítógépek száma az 1970-es 5000-ről az 1975-ös 50 000-re nő.

Ezeknek a mini számítógépeknek legfeljebb 124 Kbyte memóriája volt, merevlemez és hajlékonylemez meghajtó tárolásra.

Egy számítógép egyetlen folyamathoz:

A hatvanas években a vezérlő rendszerek bonyolultsága és teljesítménye megnőtt az integrált áramkörök és különösen a mikroprocesszorok használatának köszönhetően.

A mikroprocesszor fejlesztése az 1970-es években megtérülést jelentett a számítógép dedikálása egyetlen folyamat irányítására. A vezérlés feldolgozására szolgáló számítógépes alkalmazások, amelyek telepítése korábban veszteséges volt, mivel az analóg vezérlés sokkal olcsóbb volt, versenyképessé váltak. Még ez a költségcsökkentés lehetővé teszi az egyetlen elektromos gép irányításáért felelős számítógépes vezérlő rendszerek kifejlesztését.

A gazdasági ok mellett az egyik ok, amely megakadályozta az elektromos gépek digitális vezérlésének megvalósítását, az elektromechanikus hajtások túlzott sebessége volt, az időállandók sok esetben jóval a második alatt vannak (összehasonlítva a kémiai folyamatokkal). Ez lehetetlenné tette a számítógép számára, hogy kiszámolja a vezérlő algoritmust a vezérlő tervezésével jelölt mintavételi periódusban.

Az első digitális vezérlőket az egyenáramú gépekre ültetik be, amelyek egy nagyon egyszerű matematikai modellt mutatnak be. Az erőfeszítések a szinkron és aszinkron motorok digitális vezérlésének fejlesztésére összpontosulnak, amelyek lehetővé tennék a hajtások számára, hogy a folyamatosakhoz hasonló pontosságú és nyomatékdinamikai teljesítményt érjenek el, hogy sokkal olcsóbb (aszinkron) motort használhassanak, amely nem jelent egyenáramú motoros problémákat.

Az első digitális vezérlés a klasszikus vezérlő algoritmusok egyszerű programozott emulációjából állt, de a modern vezérlési technikák alkalmazása lehetővé tette a vektorvezérlő alkalmazások fejlesztését, amelyek aszinkron motoros meghajtásokban kiváló minőségű dinamikus választ biztosítanak az egyenáramú motorok számára. hajt. Jelenleg az elektromos gépek vezérlésére szakosodott mikrovezérlők széles választéka áll rendelkezésre.

Valós idejű vezérlés:

A valós idejű ellenőrzési követelmények annak egyik fő jellemzőjében nyilvánulnak meg: az időbeli korlátozásokban, amelyeknek alá vannak vetve. Ezek a valós idejű rendszerek működésének velejárói. Időszakos ellenőrzési feladatoknál azt a mintavételi periódust diktálja, amellyel a vezérlő algoritmusnak futnia kell. Más típusú időszakos feladatok, például adatfeldolgozási feladatok, grafikus vagy felügyeleti, kommunikációs feladatok esetében az időbeli korlátozások nem annyira szigorúak, és sokszor az alkalmazás-tervezőnek van mozgástere.

Ezek az időbeli korlátok a végrehajtás elsőbbségét is magukban foglalják, mivel a vezérlésnek szentelt feladatok a leggyakoribbak, és ezért azok, amelyeket a legnagyobb prioritással kell végrehajtani, megszakítva az összes többi feladatot egyprocesszoros rendszerek esetén. Előfordulhatnak olyan vezérlési feladatok is, amelyek hosszú ideig futnak, mint például a lassan változó vezérlésű alkalmazásokban, például a hőmérsékletben. Vannak más, rövidebb végrehajtási idővel rendelkező feladatok is. De a vezérlési feladat a legkritikusabb, mivel ez az, amely interfészként működik a folyamattal és amelyet el kell végeznie garantálni helyes működése.

Az eseményekre reagálva aktivált feladatok esetében a korlátozásokat a biztonsági tartalékok és az ellenőrizendő folyamat megfelelő működése szabja meg. Például azoknak a műveleteknek, amelyeket a vészleállás megjelenése előtt kell végrehajtaniuk, olyan minimális idő alatt kell végrehajtani, amely elsősorban az üzemeltetők és a második helyen az ellenőrzött folyamat maximális biztonságát próbálja garantálni.

A katonai irányítás, a rakéták, a lövöldözős rendszerek, a rakétavédelmi rendszerek alkalmazása egyenlőnek vagy kritikusabbnak tekinthető, mint egyes ipari alkalmazások (ne feledkezzünk meg az atomerőművekről). Ezért szükség van arra is, hogy a valós idejű vezérlőrendszerek olyan mechanizmusokat építsenek be, amelyek garantálják a nagy hibatűrést.

Új osztályozás hozható létre a kritikus és az akritikus valós idejű rendszerek között. A kritikus valós idejű rendszerek azok, amelyekben minden feladatra minden körülmények között be kell tartani a válaszidőket. Ezekben a rendszerekben a válaszadási határidő elmulasztása meghibásodáshoz vagy balesethez vezethet az ellenőrzött katonai folyamatban vagy alkalmazásban. Akritikus valós idejű rendszerekben időnként elmaradhat egyes feladatok válaszideje.

Finomabban gondolkodva, valós idejű rendszerben meg kell különböztetni a kritikus feladatokat (vezérlés, vészhelyzet ...) és a kritikátlanokat (grafikus ábrázolás, adatfeldolgozás)

Valós idejű rendszerek hardvere és szoftvere:

Mindezek a megfontolások azt jelentik, hogy a valós idejű rendszerek hardverének és szoftverének számos feltételnek meg kell felelnie. A hardverben a megfelelő elemek kifejlesztéséhez vezet, amelyek interfészként szolgálnak a folyamattal és az időbeli korlátok kezelésével. Így fejlesztik ki a speciális perifériákat, például az adatgyűjtő kártyákat analóg/digitális és digitális/analóg átalakítókkal. Kártyák nagy pontosságú órákkal, amelyek a fejlett megszakítási rendszerekkel együtt lehetővé teszik a valós idejű vezérlő alkalmazások időbeli követelményeinek megfelelő kielégítését.

Az 1970-es években új elosztott számítási rendszereket fejlesztettek ki, amelyek központosított vagy elosztott struktúrákat képesek elfogadni. A központosított rendszerekben az ellenőrzési döntéseket a központi számítógép hozza meg, de körülötte egy sor periféria van összekapcsolva, amelyek közül néhány speciális feladatok ellátására képes. Ezek a perifériák kommunikációs hálózaton keresztül cserélnek adatokat és fogadnak megrendeléseket a központi számítógéppel.

A decentralizált vagy elosztott rendszerek olyan vezérlőegységekből állnak, amelyek önálló döntéseket hozhatnak, kommunikációs hálózaton keresztül kommunikálva.

Szoftver szempontból a nyelveknek és az alkalmazásfejlesztési módszertannak biztosítaniuk kell azokat az eszközöket és mechanizmusokat, amelyek ahhoz szükségesek, hogy a valós idejű vezérlőrendszerek megfeleljenek az időbeli korlátozások, a hibatűrés és az üzembiztonság összes jellemzőjének.

A korai programozók közvetlenül használták az összeállítási nyelvet, mivel ez lehetővé tette az akkor rendelkezésre álló nagyon korlátozott erőforrások hatékony felhasználását. A mai média szemszögéből nézve használatuk költségessé teszi a programozást és a módosítást gyakorlatilag lehetetlenné teszi. Ez egy olyan nyelv is, amely túlságosan függ a géptől.

A következő lépések abból álltak, hogy kiterjesztéseket adtak a 70-es évek klasszikus programozási nyelveihez, például a Fortran (Process Fortran), az Basic és az Algol. Ezeknek az az előnye, hogy magasabb az absztrakció, de az operációs rendszertől függenek a párhuzamossági és időzítési funkciók, ráadásul általában néhány funkciót az assemblerben kell végrehajtani. Funkciók és mechanizmusok sora egészül ki ezekhez a nyelvekhez:

A megtett út egyidejű nyelvek (Modula-2, Occam, Ada) fejlődéséhez vezetett. Ezekben a funkciók, amelyek lehetővé teszik az egyidejűség és az időbeli korlátok kezelését, maguk a nyelv részét képezik. Lehetővé teszik az alacsony szintű erőforrásokhoz való hozzáférést is, elkerülve az összeállító használatát.

A Modula-2 nyelv Modula és Pascal leszármazottja. A párhuzamossági és időbeli korlátozási funkciókat egy adott modulban, a kernelben hajtják végre. Ez egy olyan nyelv, amely alkalmas kis és közepes méretű alkalmazások fejlesztésére. Az Occam nyelv a Transputer platformhoz társított nyelv. Nem alkalmas nagy alkalmazások fejlesztésére.

Ez a két nyelv gyakorlatilag elhagyott, az Occam esetében, amikor a transzpondert már nem gyártják. Az időrendszerek fejlesztésének standardjává vált nyelv az ADA nyelv.

Neve tiszteli Lady Ada de Lovelanle-t, aki Charles Babbage munkatársa volt. Az ADA-t, amelynek első szabványát 1983-ban határozták meg, az Egyesült Államok Védelmi Minisztériumának megbízásából tervezték és fejlesztették ki, amelynek célja a beágyazott rendszerek programozása és fejlesztése volt. Az ADA integrálja az elvont típus fogalmát és egy olyan mechanizmust, amely lehetővé teszi a folyamatok közötti együttműködés és kommunikáció kifejezését. Fő jellemzői:

Az ADA egy összetett alkalmazások, például katonai eszközök vezérlő alkalmazásainak fejlesztésére és programozására szolgáló meghatározott nyelv. Az ADA a valós idejű rendszerek fejlesztésének egyik lehetőségévé vált az iparban, különösen Európában. A '83 -as szabványban észlelt korlátozásokat a '95 -es standardban korrigálták. Az ADA 95 lehetővé teszi az objektum-orientált programozást, javítja a párhuzamosság és a valós idejű kezelését. Speciális mellékleteket határoztak meg elosztott alkalmazásokban, információs rendszerekben ...