Навигация:
ГлавнаяВсе категории → Производство железобетонных изделий

Вычислительные устройства


Вычислительные устройства

Новыми средствами автоматизации сложных технологических процессов транспортных и энергетических объектов, которые позволяют создать оптимальное управление, являются управляющие вычислительные машины различных типов, сконструированные применительно к системам управления указанными объектами.

Использование вычислительных машин в большинстве систем промышленного назначения позволяет во многом облегчить труд человека, сэкономить время, поскольку возможности запоминания информации и пропускная способность органов чувств человека уступают возможностям машин. Однако наряду с этим следует отметить недостаточную надежность вычислительных машин, сложность и высокую их стоимость.

Кроме специализированных, создают машины, имеющие многоцелевое назначение (универсальные машины широкого назначения УМШН). Эти машины используют для контроля и управления рядом таких промышленных объектов, которые не поддаются оптимальному управлению при помощи обычных средств автоматики.

Применять вычислительные машины в промышленности строительных материалов начали лет 15 назад. Имеется опыт использования этих машин на цементных заводах. Однако степень разработки и применения таких машин в различных отраслях различна.

Ниже коротко рассмотрены функции управляющих машин, их роль и место в системе управления. Значительную часть новых технологических процессов можно реализовать только как автоматизированные, поскольку ручное управление не гарантирует безопасного их ведения и получение продукции заданного качества. Применение систем автоматического дистанционного управления в сочетании с вычислительными устройствами позволяет размещать различное технологическое оборудование заводов строительных материалов на открытых площадках.

В последние годы основным направлением автоматизации технологических процессов в промышленности строительных материалов является применение простых стабилизирующих систем автоматического регулирования, которые обеспечивают поддержание заданных значений регулируемых параметров и в совокупности составляют системы автоматизации отдельных объектов технологической цепи.

При эксплуатации таких систем человеку-оператору поручаются наиболее ответственные функции. Он должен выбирать и устанавливать заданные значения регулируемых параметров отдельным стабилизирующим системам автоматического регулирования в зависимости от состояния объекта регулирования, а также от состояния объектов, смежных с ним в технологической цепи. Кроме того, оператор должен управлять процессом в режиме пуска, остановки И в аварийных ситуациях.

Следовательно, эффективность работы системы автоматизации данного типа в определенной степени зависит от квалификации, опыта и способностей оператора. Эти факторы проявляются особенно сильно при регулировании технологических процессов с частыми изменениями условий работы (например, состава сырья, нагрузок), под воздействием этих изменений требуется вносить те или иные коррективы в работу стабилизирующих САР. Для повышения эффективности управления подобными технологическими процессами создают более совершенные системы, в частности, автоматической оптимизации.

Системы автоматической оптимизации обеспечивают оптимальные условия работы объекта управления. Содержание понятия «оптимальные условия» зависит от выбора цели, которую преследует оптимизация. Для одного и того же технологического процесса оптимальные условия работы могут существенно различаться.

Главный показатель работы объекта, по которому судят об оптимальности технологического процесса, называют критерием оптимизации. Его выбирают на основании анализа многих факторов — технологических, экономических и др. Например, при выпуске дефицитной продукции критерием оптимизации может быть производительность установки: чем она выше, тем выше степень оптимизации режима.

В последние годы все чаще используют экономические критерии, например себестоимость продукции: чем она ниже, тем ближе к оптимальному режиму процесса. Простейшими являются системы автоматической оптимизации процессов, у которых критерий оптимизации непосредственно является регулируемым технологическим параметром. Их называют системами экстремального регулирования.

Внедрение ЭЦВМ для управления производственными процессами развивается следующими этапами: использование машин для централизованного контроля, а также в качестве советчиков операторов для оперативного учета и управления производством, применение управляющих машин, использование ЭЦВМ для выполнения инженерных расчетов и решения экономических задач.

Наиболее распространены вычислительные машины, предназначенные для централизованного контроля. Более просты по устройству машины автоматической регистрации первичных показателей процесса (температура, давление и др.) с их обработкой не в темпе с процессом, а с некоторым запозданием. Знание этих показателей помогает организовать надлежащим образом процесс и позволяет получать средние вторичные (технико-экономические) показатели за определенный промежуток времени, например за смену.

Вычислительные машины в качестве советчиков оператора следует считать более совершенным этапом использования ЭЦВМ. На этих машинах вычисляют технико-экономические показатели в темпе с процессом, что позволяет оператору поддерживать ход процесса на нужном уровне все время, а не на среднем уровне в течение сравнительно длительного времени.

При использовании машин-советчиков диспетчер, получив входную информацию от отдела подготовки заблаговременной информации и текущую информацию от производства, вводит эти данные в виде программы в вычислительную машину. Последняя после переработки полученной информации выдает оптимальное решение, используемое диспетчером для выдачи выходной информации управления производством. Так можно организовать, например, управление работой машинного и заготовительного отделений цеха по графику потребности в деталях на складе полуфабрикатов и т. д.

В наиболее развитой форме вычислительная машина управляет ритмом процесса, получая входную информацию не через человека, а непосредственно от участков производства. Выходная информация для управления процессами также выдается непосредственно машиной. Управляющие машины в этом случае работают как оптимизаторы.

Применять ЭЦВМ целесообразно лишь в том случае, если управляемый объект можно представить конкретной математической моделью — алгоритмом функционирования, на основе которого можно составить соответствующий алгоритм управления и программу работы ЭЦВМ. Решение этой сложной проблемы связано с совместной работой технологов, математиков, специалистов по автоматизации и конструкторов.

В обобщенном виде схема управляющей машины приведена на рис. 2.34. Исходная информация о ходе процесса собирается датчиками параметров входного продукта, объекта управления и выходного продукта и передается в блок преобразований, где преобразуется в числовую форму. В ЭЦВМ закодированная информация после переработки передается в сравнивающее устройство СУ, в которое введена также программа управления. Сигналы о рассогласовании между данными ЭЦВМ и программой поступают в автоматический регулятор, который воздействует на параметры входного продукта и объект управления через исполнительные механизмы ИМ.

Рис. 1. Структурная схема регулирования с использованием ЭВМ

Ниже описаны основные типы вычислительных машин. По принципу работы их можно разделить на два основных класса: аналоговые вычислительные машины (непрерывного действия) и цифровые вычислительные машины (дискретного действия).

Аналоговые машины. Математические величины, используемые в вычислениях, в машинах изображают в виде непрерывно изменяющихся значений каких-либо физических величин, например напряжений электрического тока, углов поворота и т. п.

Работа аналоговых машин основана на принципе аналогии явлений природы. Принцип этот заключается в том, что одна и та же система математических уравнений может описывать самые разнообразные по своей природе физические процессы, причем каждый из процессов можно считать математической моделью других.

Следовательно, для решения данной системы уравнений достаточно точно промоделировать ее при помощи одного из этих процессов и провести необходимые измерения непрерывно меняющихся физических величин. Конечно, при этом целесообразно выбрать тот процесс, который более удобен для изучения, измерений и легко реализуется практически.

Электрические и механические моделирующие установки обычно состоят из отдельных блоков, предназначенных для выполнения какого-либо определенного математического действия. Для решения различных задач эти блоки соответствующим образом комбинируют так, что сложность задачи, подлежащей решению, зависит от количества и типов имеющихся блоков. В связи с тем что количество необходимого оборудования зависит от сложности задачи, аналоговые машины, как правило, являются специализированными, т. е. предназначенными для многократного решения задач одного и того же типа. Аналоговые машины просты и надежны в эксплуатации; кроме того, на подготовку задачи к решению на них требуется сравнительно немного времени.

Существенным недостатком моделирующих устройств является относительно низкая точность решения поставленной задачи, определяемая точностью измерения физических величин, участвующих в процессе моделирования (в современных моделирующих устройствах точность вычислений не превышает 4—5 знаков).

Моделирующие устройства применяют в основном для моделирования процессов с целью выполнения быстрых прикидочных инженерных расчетов с точностью до нескольких процентов.

Цифровые вычислительные машины. На этих машинах можно выполнять только четыре арифметических действия, вследствие того что используется физический элемент, который может находиться в двух резко разграниченных между собой состояниях.

В отличие от моделирующих устройств в электрических цифровых машинах математические операции производятся не над физическими величинами, а непосредственно над числами, представленными в виде цифр. Цифровые математические машины называют также машинами дискретного действия от латинского слова «discre-tus», что означает «прерывистый, отдельный».

Кроме чисел в машину вводят команды, указывающие, какие действия следует произвести над вводимыми числами. Числа и команды обычно представляют в машине в виде входов (условных сигналов). Совокупность чисел и команд составляет программу решения задачи, реализуют которую при помощи электрических сигналов. Решение задачи на машине сводится к выполнению отдельных арифметических действий над исходными числами. Наиболее применяется в электронных цифровых машинах двоичная система счисления.

Двоичная система счисления. Двоичной называют систему счисления с основанием а = 2, т. е. оперирующую только двумя индексами: 0 и 1. Такая система очень удобна, поскольку устройство электрических вычислительных элементов оказывается очень простым, так как индексу 1 проще всего приписать наличие тока (или напряжения), а индексу 0 — отсутствие его. Кроме того, двоичная система отличается простотой выполнения арифметических действий с числами.

В двоичной системе любое число N можно записать в виде суммы чисел, каждое из которых является степенью двойки:

Для того чтобы машина могла вычислять числа и выполнять команды, вводимые в нее, их необходимо преобразовать в серию электрических сигналов.

Электронные цифровые машины могут выполнять лишь элементарные арифметические и логические действия над вводимыми: в них данными. Поэтому сложные задачи (например, интегрирование дифференциальных уравнений) необходимо сначала представить как последовательность элементарных действий. Для этого следует выполнить определенную работу по преобразованию математических выражений, отражающих исследуемый процесс, т. е. перевести задачу на язык вычислительной машины.

Подготовка задачи к виду, удобному для ее решения на машине, называемая программированием, выполняется программистами.

Вычислительная машина сама не может выполнить ни одной элементарной операции, не предусмотренной в ее конструкции и не указанной в программе, составленной человеком. Вместе с тем важной особенностью этих машин является их универсальность.

Функции вычислительных машин в системах комплексной автоматизации. Вычислительные машины можно включать в управляющую систему тремя различными способами: как информационные, советчики оператора (диспетчера) и управляющие.

Основная задача информационных вычислительных машин заключается в собирании, накапливании, обработке и регистрации информации об управляемом объекте. Обработанная в удобном для восприятия человеку виде информация сообщается оператору (диспетчеру), который принимает нужное решение для управления процессом в конкретных условиях. Таким образом, эта машина не является управляющей, а занимает промежуточное положение между обычными системами контроля и регулирования и управляющими машинами.

Производственный процесс можно охарактеризовать определенным количеством переменных величин. Значения параметров процесса, которые подлежат измерению, при помощи преобразователей вводят в вычислительную машину. Совокупность этих параметров и является той информацией о процессе, которую накапливает и регистрирует информационная машина, выполняя при этом следующие функции: непрерывно проверяет соответствие параметров допустимым значениям и информирует оператора об изменениях; фиксирует время отклонения измеряемых параметров от заданных; регистрирует измеряемые параметры; сигнализирует о наступлении аварийных ситуаций; вычисляет отдельные показатели, характеризующие протекание процесса.

Оператор после получения информации, приняв соответствующее решение, через управляющие органы воздействует на процесс.

Информационная машина не только автоматизирует сбор информации, печатая на одном бланке показания всех приборов, но и в значительной степени обрабатывает информацию. Она концентрирует внимание оператора лишь на тех параметрах, которые вышли за пределы нормы. Это во многом облегчает труд оператора, уменьшает вероятность ошибок, обусловленных ослаблением внимания, усталостью человека. Главное же в том, что информационная машина, помогающая оператору активно изучать производство, содействует повышению эффективности управляемого процесса.

Параметры, которые контролирует машина, можно разделить на две группы: первичные технологические параметры — температура, давление, расходы и т. п. — и комплексные параметры — суммарные расходы, средние значения показателей за заданный интервал времени и др.

Информационные вычислительные машины иногда называют машинами централизованного контроля, так как их основная функция заключается в централизации контроля параметров процесса.

Для того чтобы машина могла давать полезные советы по управлению технологическим процессом, ей прежде всего необходима наиболее важная информация о различных изменениях, происходящих в ходе работы объекта управления. Поэтому целесообразно сочетать в одной установке выполнение информационных и рекомендательных функций.

Схема системы управления процессом с использованием машины. В этой схеме переменные величины измеряют при помощи преобразователей и вводят в машину, которая обрабатывает и регистрирует их и информирует оператора в удобной форме, т. е. полностью повторяется функция информационной машины. Дополнительно машине сообщается характеристика оптимального режима процесса. В машину нужно также вводить программу действия, намечающую, каким образом найти те советы и рекомендации, которые обеспечат оптимальный режим процесса, располагая полученной информацией о процессе и зная критерий управления.

Эта программа соответствует рассуждениям и вычислениям, которые должен бы произвести сам оператор при отсутствии машины-советчика. Такую «инструкцию», выраженную на языке математических формул и логических условий, называют алгоритмом управления.

Алгоритм управления включает в себя последовательность арифметических и логических операций, которые должны быть выполнены машиной над вводимой в нее информацией, полученной в результате измерений и промежуточных вычислений, для определения” управляющих воздействий, обеспечивающих оптимизацию процесса.

Таким образом, в машину-советчик вводят следующие данные: измерения, определяющие состояние технологического процесса; характеристику выпускаемого продукта; программу производства и ограничения, наложенные на процесс; критерий оптимальности и алгоритм управления.

Из машины получают следующие данные: обработанную информацию о процессе; перечень управляющих воздействий, обеспечивающих оптимизацию процесса и сообщаемые оператору в виде советов.

Поскольку такие машины помогают находить и поддерживать оптимальный режим, их называют машинами оперативного управления процессом (или оперативно-диспетчерского управления).

Управляющие воздействия, вырабатываемые машиной-советчиком, можно непосредственно приложить к управляющим органам, минуя оператора, т. е. перейти к управляющим машинам, хотя это не всегда удается сделать. Во-первых, для очень сложных процессов часто не удается разработать полный алгоритм управления, охватывающий все участки технологического процесса. В таких случаях алгоритм состоит из отдельных различных частей, а вырабатываемые машиной решения не представляют собой непосредственно управляющих воздействий. Машина выдает советы оператору по управлению процессами. Оператор учитывает наряду с советами машины информацию о процессе, а также свой опыт по управлению процессом. На этой основе он принимает окончательное решение и производит соответствующие воздействия на управляющие органы. Во-вторых, в ряде случаев некоторые измеряемые переменные величины, характеризующие процесс, трудно автоматизировать.

Управляющие вычислительные машины. Более совершенным методом использования вычислительных машин для управления производственными процессами можно считать введение их в контур управления, для полной автоматизации процесса управления. Роль обслуживающего персонала в этом случае сводится к наблюдению за системой и всеми техническими средствами.

Применение управляющих машин исключает возможность ошибок, вносимых оператором. Основное отличие этой машины от машины-счетчика состоит в том, что управляющие воздействия, вырабатываемые ею, подаются на управляющие органы непосредственно, а не через оператора.

Управляющие вычислительные машины выполняют следующие функции: вырабатывают сигналы непосредственного управления, поступающие на регуляторы или исполнительные механизмы; определяют и поддерживают оптимальный режим; уточняют и корректируют алгоритм управления на основе предшествующей деятельности системы; определяют рациональные моменты времени для переключения отдельных агрегатов с одного режима на другой и т. п.; ведут управление пуском и остановкой агрегатов; сигнализируют о параметрах процесса, отклонившихся от допустимых значений; регистрируют значения любых параметров, характеризующих ход технологического процесса; ведут текущий и итоговый учет продукции, сырья, энергии, труда и пр.; контролируют правильность выработанных решений, включая контроль исправности самой управляющей вычислительной машины и всей системы сбора информации. Отсюда видно, что управляющие машины выполняют функции машин-счетчиков и информационных.

Управляющие машины, как правило, являются цифровыми. Перспективность цифровых машин в качестве управляющих объясняется наличием в них запоминающих устройств большой емкости и гибкой логики, допускающей изменение программы обработки информации.

В целях ознакомления с общим устройством управляющей вычислительной машины рассмотрим ее структурную схему.

Рис. 2. Структурная схема ЭВМ

Параметры процесса, измеренные аналоговыми преобразователями, в форме электрического сигнала поступают на коммутатор каналов КК. Количество измеряемых параметров может достигать 1500. Коммутатор КК подсоединяет к вычислительной машине один за другим опрашиваемые преобразователи. Иногда можно проводить программный опрос преобразователей с разной частотой снятия показаний преобразователя.

Сигнал после коммутатора вводится на блок обработки аналоговых сигналов OA, который усиливает сигналы и подает их на аналого-цифровой преобразователь АД, преобразующий аналоговый сигнал в цифровой.

Данная машина имеет развитую вычислительную часть, которая работает по принципу программно-управляющих машин.

Программа вычислений, состоящая из отдельных команд, хранится в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ).

Команды, составляющие программу, представляют собой закодированное указание о той элементарной операции, которую следует выполнить над двумя числами. Кроме того, в командах содержатся адреса тех ячеек ОЗУ, где хранятся числа, над которыми производятся элементарные операции, а также адрес ячейки, куда следует направить результат. Команды последовательно одна за другой извлекаются из ОЗУ и направляются в устройство управления (УУ), которое расшифровывает команду и обеспечивает ее выполнение.

Управляющие машины имеют развитые запоминающие устройства: кроме оперативной памяти в них хранится долговременное запоминающее устройство ДЗУ с информацией, не изменяющейся в процессе работы машины и записанной один раз на длительный срок. ДЗУ обладает высокой надежностью и обеспечивает время выборки чисел, соответствующее скорости работы арифметического устройства АУ.

Большая емкость памяти позволяет управляющим машинам учитывать при вычислениях как текущую информацию об объекте, так и предшествующее его состояние. Свойство всесторонне учитывать предысторию процесса является принципиальным отличием управляющих вычислительных машин от обычных средств регулирования.

Программа вычислений, представляющая собой алгоритм управления, написанный на языке команд данной машины, вводится в ОЗУ через входное устройство ВхУ.

При работе машины в режиме советчика оперативную информацию можно вводить от преобразователей и с помощью человека-оператора через пульт управления ПУ.

На пульт управления выводится также часть информации, сообщаемой оператору. Остальную информацию, вырабатываемую в машине, выводят из нее при помощи выходного устройства ВыхУ. Это устройство может состоять из различных блоков: автоматической печатающей машины (перфоратора), кодирующей информацию на перфокарту или перфоленты, и световых табло или мнемосхем.

Все эти блоки выходного устройства служат не только для выдачи оператору советов по управлению, но и для регистрации информации об объекте. Поскольку информация стекается в машину по различным каналам, в вычислительной машине имеется блок прерывания, который прерывает и возобновляет решение различных частных задач в зависимости от важности и срочности информации, поступающей в машину.

Для получения сигналов непосредственного управления, подачи их на регуляторы или исполнительные механизмы, а также контроля правильности полученных решений служат следующие блоки: блок обработки цифровой информации ОЦ, преобразователь Цифровых сигналов в аналоговые ЦА и устройство контроля исправности машины КИ. Устройство КИ автоматически проверяет исправность всех основных узлов машины.





Похожие статьи:
Поверка регулирующего клапана с мембранным исполнительным механизмом

Навигация:
ГлавнаяВсе категории → Производство железобетонных изделий

Статьи по теме:





Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум