3.2 Автоматизация технологических процессов. Анализ и синтез механизмов.

Для сложных технических систем одним из основных требований является обеспечение высокой надежности функционирования. Для достижения этого на этапе создания системы создаются дополнительные средства тестирования, как внешние по отношению к системе, так и встроенные. На этапе использования системы – средства контроля всех параметров, с возможностью дублирования (для наиболее важных узлов – троирование и т.д.), и с возможностью «горячего» подключения. При этом ресурсы, как интеллектуальные, так и материальные, вкладываемые в средства поддержки, могут во много раз превышать собственно затраты на саму систему.

Организация технических систем, включающих средства вычислительной техники и автоматизации, сталкивается с необходимостью стыковки разного, порой уникального оборудования с ЭВМ. Задача усложняется существованием множества возможных вариантов состава интерфейсного оборудования, соответствующего разным стандартам.

2 основных направления развития работ:

– обеспечения решения задач по автоматизации процесса работы системы, включая упрощение общения оператора с оборудованием в целом (человеко-машинный интерфейс на уровне пользователя: интерфейс верхнего уровня);

– обеспечение программно-аппаратных средств сопряжения различного оборудования с ЭВМ, включая диалоговые средства настройки этого интерфейса (человеко-машинный интерфейс системного уровня: интерфейс нижнего уровня).

В рамках первого направления необходимо определить рациональную организацию выполнения задач функционирования комплекса. Для этого необходимо сформулировать требования к функционированию оборудования, на основе которых формировать алгоритм работы программного обеспечения (ПО) его автоматизации.

При разработке и применении автоматизированных систем первоочередную роль играет решение задачи синтеза ПО и гибкой перестройки ПО в соответствии с изменениями условий функционирования.

Для эффективного решения этой задачи требуется создание инструментальной программной среды, в которой пользователь мог одновременно создавать, перестраивать и непосредственно работать с системой. Разработка методов и средств построения инструментальной среды для синтеза систем автоматизации является ключевым вопросом в разрешении проблемы автоматизации в целом.

Основная идея построения среды программирования заключается в предоставлении пользователю возможности строить системы автоматизации, оперируя графическими представлениями органов управления и отображения процессов, составляющих работу системы в целом. Для пользователя весь процесс работы в основном сводится к возможности задавать режимы измерения или управления работой через исполнительные устройства. При этом им используется информация о ходе работы, представляемая в цифровой или графической форме.

Все эти объекты являются элементами панели управления любого технологического комплекса или экспериментальной установки.

Сама панель, сформированная на экране дисплея, становится панелью управления системы автоматизации конкретного процесса. В отличие от реальной панели управления такая панель (будем называть ее «виртуальной панелью» управления) не требует дорогих технических средств и может быть многократно реконфигурирована в процессе работы.

При этом в комплекс могут быть включены приборы (их принято называть «виртуальные приборы»), которых либо нет в распоряжении пользователя и они заменяются их компьютерным представлением, либо они вообще физически не существуют, требуются для реализации данного конкретного технологического процесса и их натуральная разработка финансово не оправдана.

«Виртуальные панели» для приборов, физически присутствующие в установке, позволяют организовать управление ими в удобной форме с экрана дисплея, совмещая этап измерения с этапом первичной и вторичной обработки данных, а также представления результатов обработки в графической форме.

Синтезированные таким образом приборы и установки являются общедоступными и легко тиражируемыми, позволяют просто модифицировать их под решение различных задач.

Одним из важных требований, предъявляемым современным системам автоматизации, является работа в режиме реального времени. Резкий рост на современном этапе производительности персональных компьютеров типа IBM РС делает их привлекательными для решения задач построения систем реального времени. Системы на основе IBM PC имеют в своей базе хорошо развитое программное обеспечение, ориентированное на широкий круг пользователей. Одновременно такие системы значительно дешевле.

Однако применение IBM PC для компоновки автоматизированных промышленных систем, как правило, является существенным расширением возможностей этого класса ЭВМ и требует дополнительных программно-аппаратных средств. Разработано большое количество технических средств специального назначения (аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, входные и выходные регистры, счетчики, таймеры и т.д.). Этот набор дополнительных программно-аппаратных средств является базовым для построения любой конкретной системы автоматизации.

Если базовый набор технических средств содержит программные оболочки, поддерживаемые инструментальной средой для синтеза систем автоматизации, то процесс проектирования и развития конкретной системы автоматизации и включение новых технических средств в уже существующие системы достаточно прост и технологичен.

Организация автоматизированных приборных комплексов

Создание средств тестирования на этапе проектирования систем и включения подсистем тестирования в работающую техническую систему сводится к созданию достаточно сложных приборных комплексов. Подключение измерительных приборов (например, осциллограф, спектроанализатор, генератор, и т.п.) к компьютеру в соответствии со стандартом IEC 625 с помощью контроллера канала общего пользования (КОП – ГОСТ 26.003-80, другие названия: «интерфейс IEC 625», «Шина HP-IB», «Шина IEEE 488», «GPIB-интерфейс») позволяет полностью автоматизировать управление самим прибором и процессы измерения, для которых он применяется.

Измеренные данные с прибора сохраняются в памяти компьютера и обрабатываются. На экране дисплея могут быть показаны все лицевые панели используемых приборов, и оператор получает возможность управлять ими в реальном времени с одновременной обработкой всех поступающих данных на одном компьютере.

На рис. 1 показаны контроллеры КОП, выпускаемые фирмой АС вразличных исполнениях (внешние, подключаемые к параллельному порту компьютера, могут работать с любым Notebook, вставные – для шин ISA и PCI). Контроллер КОП функционирует как системный контроллер в одноконтроллерных системах с возможностью проведения операции «Параллельный опрос». Обеспечивает подключение до 16 приборов и устройств при общей длине соединительных кабелей до 16 метров. Выходной разъем соответствует ГОСТ 26.003-80 и IEC 625.1 (в версии 24-контактного разъема). Программное обеспечение, поставляемое в комплекте с контроллером, позволяет легко организовывать приборные комплексы практически любой сложности. На рис. 2 приведен пример одного из экранов интегрированной оболочки под Windows 3.х/95/98/2000/NT для упрощения подключения и настройки приборов. Может служить основой для построения автоматизированных приборных комплексов или использоваться как обучающая программа. Это программное обеспечение дает возможность:

– управлять магистралью;

– определять конфигурацию системы;

– организовать обмен данными между приборами;

– определять состояние магистрали;

– организовать работу в режиме прерывания, параллельного и последовательного опросов устройств.

Рис. 1

Рис. 2

Тестирование цифровых устройств

При необходимости проведения тестирования цифровых устройств или контроля цифровых потоков информации в системе широко используются логические анализаторы и генераторы логических сигналов. Применение логических анализаторов в тестировании цифровой техники подробно изложено в обзоре [2]. Фирма АС предлагает семейство логических анализаторов и генераторов непосредственно на базе IBM PC. На рис. 3 показаны некоторые из них в различных исполнениях. На рис. 4 приведен внешний вид окна программного обеспечения.

Совместное использования логических анализаторов и генераторов логических сигналов позволяют строить комплексные системы диагностики цифровых устройств с возможностью активного воздействия на испытуемый объект с анализом быстропротекающих процессов в реальном времени. Идеология гибкого исполнения и легкой адаптируемости к различным применениям позволяет значительно расширить сферу применения за рамки стандартных приборных применений. См., например, в [3] описание разработанной фирмой АС совместно с Российским Федеральным Ядерным Центром системы многоканального временного контроля в сложных технических системах.

Рис. 3

Рис. 4