Управляющие вычислительные комплексы

Особенности функционирования ЭВМ, включенных в контур

Управления

Требования, предъявляемые к ЭВМ при исполь­зовании ее в составе АСУ и в вычислитель­ном центре, существенно отли­чаются. При использовании ЭВМ в вычислительном центре решаемые за­дачи весьма разнообразны и обычно неизвестны заранее. Объем работы вы­числительного центра, как правило, лимитируется производительностью ма­шин, организацией прохождения работ и обслуживания программистов. Наиболее экономичны в этом случае технические решения, обеспе­чивающие минимальную удельную стоимость решения задач.

ЭВМ, специально предназначенные для контроля и управления техноло­гиче­скими процессами, называют управляющими вычисли­тельными маши­нами (УВМ). УВМ представляют собой цифровые вычислительные устрой­ства, составляющие часть автоматизиро­ванной или автоматической системы управления, включающие в себя устройства связи с объектом и предназна­ченные для приема информации от измерительных устройств, местных (ло­кальных) автоматизированных систем, устройств защиты и блокировки, а также других источников информации; для переработки информации по про­грамме, определяемой заданным алгоритмом управления в реальном мас­штабе времени; выдачи результатов обработки информации оператору на ис­полнительные устройства и в другие системы управления.

В АСУ ТП устройства связи УВМ с датчиками и исполнитель­ными ор­ганами чаще всего составляют большую часть электронного оборудования, иногда в несколько раз превосходящую оборудова­ние УВМ. Номенклатура этих устройств, включающих все необхо­димые средства преобразования, коммутации, согласования, доста­точно велика, а число их в каждой АСУ ТП различно. Поэтому в состав УВК входят унифицированные схемно-конструк­тивные исполнения в виде агрегатных модулей.

Для работы в качестве центральной части АСУ любая УВМ должна иметь универсальную структуру и обладать некоторыми дополнительными техническими особенностями, связанными с автоматическим приемом и об­работкой информации, поступающей в процессе управления и выдачи управ­ляющих воздействий непо­средственно на исполнительные устройства объ­екта управления или оператору. В состав УВМ должны входить устройства, обес­печивающие ее непосредственную связь с управляемым техноло­гиче­ским процессом, а также связь оператора с УВМ и технологическим обору­дованием для наблюдения за протеканием производ­ственных процессов и при необходимости для вмешательства в процесс управления (рис. 77).

Рис. 77. Упрощенная структурная схема АСУ

УВМ связана с большим числом источников и потребителей информа­ции, каждый из которых работает, как правило, асин­хронно, т.е. информация от объектов управления и запросы на обслуживание поступают в произволь­ные моменты времени. Асинхронность поступления заявок приводит к тому, что в условиях ограниченного ресурса УВМ формируется очередь на обслу­жива­ние. Так как управляющий вычислительный комплекс (УВК) работает в реальном масштабе времени, а информация в системе имеет различную ценность и достоверность, обслу­живание заявок УВМ является приоритетным. Высший приоритет дается заявкам, которые должны быть отработаны не позднее чем за определенный интервал времени во избежание потери информации или аварии.

С целью приоритетного обслуживания заявок в УВМ организуется сис­тема прерываний, под которой следует понимать сово­купность аппаратных и программных средств, обеспечивающих переключение процессора с выпол­няемой программы на другую, имеющую более высокий приоритет, при этом сохраняется возмож­ность возврата к прерванной программе. Прерывание может быть организовано как по внешним признакам, формируемым операто­ром или машиной, так и по внутренним, большинство из которых формируется в результате контроля неисправности системы управления.

Любой алгоритм, предназначенный для использования в системе управ­ления, должен разрабатываться с учетом того, что управ­ляющие сигналы от УВМ должны поступать не только в нужное место, но и в ограниченные от­резки времени, определяемые ско­ростью протекания управляемого процесса. УВМ должна работать в темпе, задаваемом измеряемыми физическими па­раметрами, характеризующими производственный или технологический про­цесс, и органами управления, с которыми она связана и непре­рывно взаимодействует, т.е. УВМ должна работать в реаль­ном масштабе времени. Реальное время в УВМ учитывается тайме­ром.

Обычно УВМ обслуживает одновременно много пользователей и решает много задач: регистрирует поступающую от многочислен­ных датчиков изме­рительную информацию и обрабатывает ее по соответствующим програм­мам; выдает управляющие сигналы на различные исполнительные устрой­ства; решает экономические и бухгалтерские задачи и т.п. Такой режим ра­боты называют режи­мом разделения времени. Для его организации УВМ должна иметь достаточно большие объемы памяти и большое быстродейст­вие. Режим разделения времени выгоден экономически, так как в этом случае резко повышается эффективность использования УВМ за счет обеспечения более полной ее загрузки и лучшего использова­ния ресурсов.

Разделение машинного времени в УВМ осуществляется про­граммно; при этом одни и те же устройства системы предостав­ляются всем пользова­телям в соответствии с установленным прио­ритетом. В этом случае за счет быстрого решения задач по запросам пользователей у них создается впечат­ление, что они могут работать с ЭВМ одновременно.

Для реализации программного разделения времени в УВМ дол­жна быть предусмотрена возможность при необходимости преры­вания текущей про­граммы. При поступлении срочного запроса (указания оператора, сигналом от датчиков или выработанных самой УВМ) машина временно прерывает работу, запоминая место текущей программы, где произошло прерывание, и переходит к выполнению другой программы, соответствующей срочному за­просу. После того как запрашиваемая программа выполнена и других заявок нет, УВМ возвращается к прерванной текущей программе. Технические сред­ства УВМ, работающей в режиме разделения времени, должны обеспечивать одновременное хране­ние в памяти нескольких программ; допускать парал­лельную работу процессора и внешних устройств; организацию прерывания программ, а ее программное обеспечение – планировать порядок выполне­ния задач; распределять ресурсы УВМ; производить защиту памяти от не­санкционированного вмешательства одной задачи в другую при их парал­лельной работе и выполнять некото­рые другие функции.

Требования, предъявляемые к УВМ, работающей в контуре управления, по надежности определяются необходимой надеж­ностью системы в целом, исходя из цены отказа того или иного компонента АСУ.

Структурная организация УВМ

Расширение сферы применения ЭВМ и в особенности использования ее в АСУ ТП (для обработки информации в области управления, планирования, учета и т.п.) привели к включению в состав машины большого комплекса разнообразных периферийных (внешних) устройств для ввода информации, ее запоминания и хранения, регистрации и отображения. Конкрет­ные усло­вия применения предъявляют различные требования в отношении состава периферийных устройств, а также объемов оперативной и внешней памяти, числа каналов прерывания и т.п.

Это привело к тому, что при создании вычислительной техники концеп­цию «вычислительные машины с фиксированным составом оборудования», в которой главное место занимало само устройство обра­ботки информации, сме­нила концепция «агрегатированной вычис­лительной системы с переменным составом оборудования», который определяется функциями, выполняемыми системой. При таком подходе отдельные функциональные устройства вы­полняют в виде агрегатов, которые в нужной номенклатуре и количестве объеди­няют в вычислительную систему.

Сложность современных вычислительных систем привела к понятию «архитектура вычислительной системы» (или логическая организация сис­темы), охватывающей комплекс вопросов ее по­строения, существенных в первую очередь для потребителя, инте­ресующегося главным образом воз­можностями системы, а не дета­лями ее технического использования.

Существенное место в агрегатированных вычислительных сис­темах за­нимают специальные устройства – унифицированные каналы обмена инфор­мацией, допускающие подключения в нужном количестве периферийных устройств. Заложенный агрегатный принцип в УВМ позволяет компоновать путем проектирования достаточно гибкую по структуре и функциональным возможностям УВК, удовлетворяющую требованиям потребителя, изменять систему в процессе ее эксплуатации при расширении или изменении решае­мых задач, моделировать систему.

Для реализации информационных и управляющих функций в АСУ ТП в УВК должны входить: процессор – устройство, выпол­няющее заданные программой преобразования информации и осуществляющее управление всем вычислительным процессом и взаимодействие агрегатов вычислительной системы; наращивае­мые постоянные и оперативные запоминающие устройства для хра­нения информации, программ управления и т.п.; обеспечивающие возмож­ность работы с накопителями большой емкости и обмена с УВМ других классов; содержащее набор агрегатных модулей с развитой системой ввода-вывода. Это раз­витая система приоритетного прерывания программ, позволяющая совме­щать выполнение операций ввода-вывода со счетом; счетчик реального вре­мени (таймер); развитая система аппаратно-программного контроля и команд, обеспечивающая удобство в программировании; аппаратно-про­граммные средства для выполнения арифметических операций с относи­тельно высокой точностью и высокой производительностью по выполнению операций ввода-вывода и логических операций.

На рис. 78 изображена общая структурная схема системы связи УВМ с объектом управления. Всю номенклатуру агрегатных модулей УВМ условно можно разделить на следующие группы: агрегатные модули для компоновки управляющего вычислительного комплекса; агрегатные модули для связи с объектом управления; устройства ввода-вывода и внешней памяти.

Под вычислительным комплексом понимают группу соединен­ных между собой агрегатных модулей, которая выполняет по про­грамме прием, арифметическую и логическую обработку, хранение и выдачу информации. Вычислительный комплекс является обяза­тельной составной частью любой вычислительной системы.

Обмен информацией между отдельными устройствами УВК осуществляется посредством интерфейсов. Интерфейсы системы связи рассчитаны на выполнение по командам обмена данными между устройствами в цифровой форме и содержат для этого необ­ходимый состав цепей.

Под интерфейсом понимают совокупность унифицированных аппаратных, программных и конструктивных средств, необходи­мых для реализации алгоритма взаимодействия различных функ­циональных блоков в автоматизированных системах обработки информации и управления, при условиях, предписанных стандар­том и направленных на обеспечение информационной, электриче­ской и конструктивной совместимости указанных блоков.

Рис. 78. Общая структура системы связи УВМ с объектом управления

В систему связи УВМ с объектом управления входят два интер­фейса: стандартный В ввода-вывода и внутренний П, обслуживаю­щий процессор УВМ. Управление работой интерфейса В, к кото­рому подсоединены все устройства связи УВМ с объектом управле­ния, осуществляет канал ввода-вывода. Интерфейс П обеспечивает обмен информацией между процессором, оперативной памятью и каналом ввода-вывода.

К интерфейсу П подсоединены блок внешних прерываний про­цессора по сигналам от датчиков АСУ ТП и таймер, формирующий сигналы для организации циклов обработки информации и управ­ления объектом.

Функциональная схема УВК приведена на рис. 79. Все источ­ники и потребители информации в АСУ ТП подразделяют на пас­сивные, работа которых инициируется процессором, и инициатив­ные, которые по собственной инициативе на основании анализа состояния технологического процесса и технических средств, вклю­чая УВК, выставляют запрос на необходимые им ресурсы АСУ ТП. Признак пассивности или инициативности устройства задается при генерации операционной системы УВК. В связи с этим в УВК реализуются обмены программно-управляемый без прерывания, программно-управляемый в режиме прерывания, в режиме пря­мого доступа к памяти. Каждый из режимов обмена имеет харак­терные особенности и отличается временем доступа.

Рис. 79. Функциональная схема УВК:

АЦП – аналого-цифровой преобразователь; КСВУ – коммутатор сигналов

высокого уровня; КСНУ – коммутатор сигналов низкого уровня

Реализация обмена в УВК осуществляется каналом ввода-вывода, который всегда можно рассматривать как обособленное логическое устройство управления обменом. В УВК, как правило, реализуется так называемый встроенный канал, в котором функции канала распределены между процессором, контроллерами перифе­рийных устройств и специализированными схемами. В современных УВК обмен выполняется специализированным устройством, которое называют контроллером, или каналом прямого доступа к памяти. Два других вида обмена реализуются процессором, контроллерами периферийных устройств и специализированными устройствами, сложность которых зависит от типа УВК. Последнее обусловлено тем, что УВК в АСУ ТП, как правило, не выполняет сложных вычислений с высокой точностью, а является периферийно ориентированной ЭВМ, архитектура которой ориентирована на реализацию интенсивного обмена.

Рассматривая канал как элемент системы управления, необхо­димо отметить, что он характеризуется временем доступа t_K, которое зависит от режима обмена и состояний управляемого про­цесса. В АСУ ТП последовательность выполнения задач и период их решения зависят от множества факторов и не являются постоян­ными. Только в частном случае, например при прямом цифровом управлении одним динамическим объектом, последовательность задач и период их решения могут быть заданными и не изменяющимися в процессе нормальной работы. Решение задач с переменным периодом дискретности зависит от состояния управляемого процесса загрузки и технических средств и является характерной особенностью АСУ ТП, которую нужно учитывать при проектировании.

Система датчиков измеряет аналоговые и дискретные сигналы.

Аналоговый сигнал – сигнал, информационные параметры которого могут принимать в определенных пределах любые значе­ния. Дискретный сигнал – сигнал, информационные параметры которого могут принимать только некоторые из конечной совокуп­ности значений. Цифровой сигнал – дискретный сигнал, в котором значениям параметра соответствуют определенные кодовые слова, образующие последовательность знаков.

Подсистема аналогового ввода

Аналоговые подсистемы зна­чительно различаются по составу и конфигурации. Однако входя­щие в них технические средства обычно можно классифицировать по выполненным функциям.

Переходное устройство. Сигналы датчиков передаются на анало­говые входы по одиночным проводам или по парам проводов, кото­рые могут быть экранированы. При однопроводной передаче цепь сигнала оканчивается линией общего заземления, обслуживающей несколько датчиков. Сигнальные провода должны оканчиваться в точке сопряжения с аналоговой подсистемой. Переходными уст­ройствами, предназначенными для этой цели, могут служить клеммные и кабельные разъемные колодки или специальное оборудование для каждого типа сигнала.

Нормализация, т.е. модификация, сигнала связана с фильтрацией, ослаблением, смещением уровня, линейной или нелинейной компенсацией и преобразованием тока в напряжение.

Коммутация. Коммутатор состоит из электронного или электромеханического переключателя, последовательно подключающего каждый отдельный вход. Переключатели управляются УВМ или специальными логическими схемами при посылке входных сигналов в аналого-цифровой преобразователь. Таким образом, один АЦП может одновременно обслуживать несколько входных сигналов. Коммутация осуществляется до или после усиления.

Усиление. Многие сигналы датчиков являются сигналами низ­кого уровня, а большинство АЦП работает при напряжении 5 или 10 В, поэтому требуется усиление сигналов низкого уровня, если необходимо эффективно использовать разрешающую способность АЦП. Обычно коэффициент усиления по напряжению колеблется от 100 до 1000, он может быть зафиксирован конструктивно либо выбран с помощью ручного переключателя или программы УВМ. Значение коэффициента может также регулироваться автоматически по специальной функции.

Аналого-цифровое преобразование. Задача АЦП – обеспечить цифровое представление аналогового сигнала. Скорость преобра­зований колеблется от единиц до миллионов преобразований в секунду. Значения аналогового сигнала регулярно считываются и путем квантования преобразуются в цифровой сигнал, который поступает на ЭВМ в виде числовой последовательности или после­довательности импульсов.

АЦП устанавливает соответствие между входным аналоговым сигналом U_вх(обычно напряжением) и выходным двоичным кодом. Входной сигнал может принимать неограниченное число значений в пределах диапазона изменения от U_minдо U_max. Число различ­ных значений цифрового кода определяется разновидностью пре­образователя и ограничено величиной 2ⁿ, где п – число разрядов.

Основные методы аналого-цифрового преобразования – это методы последовательного счета и поразрядного уравновешивания.

С момента поступления сигнала счетчик подсчитывает тактовые импульсы до тех пор, пока аналоговый эквивалент двоичного кода сигнал U_max – не превысит величину U_вх. В этот момент, выявляемый компаратором, поступление тактовых импульсов на счетчик прерывается, и параллельный код счетчика может быть считан как результат преобразования. После сброса счетчика в нуль и появления нового стартового сигнала процесс возобнов­ляется. Время преобразования АЦП такого типа является перемен­ным и зависит от уровня входного сигнала: t_пр = 2ⁿτ_т, где п – разрядность; τ_т – период следования тактовых импульсов.

В преобразователе поразрядного уравновешивания вместо счетчика используют сдвиговый регистр, режим которого зависит от специальной управляющей логической схемы. В процессе пре­образования в регистр, начиная со старшего разряда, заносятся единицы, после чего схема на основании информации с компара­тора либо сохраняет эту единицу в данном разряде, либо стирает ее. После этого процесс повторяется, но уже со следующим разря­дом регистра. Время преобразования в таком АЦП всегда одина­ково и определяется разрядностью преобразования: t_пр = nτ_т.

Аналоговые сигналы могут быть сигналами низкого и высокого уровня. Аналоговые и дискретные датчики могут быть либо пассив­ными, либо инициативными. Отдельные датчики могут быть при решении одних задач пассивными, а при решении других – ини­циативными. Характеристики измеряемого сигнала и признак инициативности определяют совокупность устройств и алгоритм преобразования измеряемого сигнала в машинное слово.

Преобразование аналогового сигнала в машинное слово вклю­чает в себя совокупность операций, которая образуется из опера­ций нормализации, фильтрации, коммутации, аналого-цифрового преобразования и записи полученного кода в буферный регистр. Каждая операция характеризуется временем преобразования τ и точностью выполнения δ. Время выполнения рассматривается как запаздывание. В зависимости от решаемых задач координаты x_i = f(x) рассматриваются либо как обобщенные характеристики тракта преобразования, либо учитывается влияние каждой из составляющих этих координат.

Аналогичными показателями характеризуется и тракт ввода дискретных сигналов. Алгоритм преобразования дискретного сиг­нала включает в себя операцию функционального преобразования информационного параметра кода датчика в машинное слово. Каждому инициативному источнику (потребителю) информации противопоставляется, кроме того, приоритет Р, характеризующий в каждый заданный момент времени важность источника или по­требителя информации в системе. Таким образом, каждому источ­нику информации противопоставляются в АСУ ТП следующие параметры: δ – точность преобразования; τ – время преобразо­вания; Р – относительный приоритет.

Все эти параметры являются обобщенными и зависят от исполь­зуемых технических средств и алгоритмов преобразования. Выбор технических средств и алгоритмов преобразования определяется измеряемым сигналом и характеристиками используемого датчика.