6.5. Programové vybavení počítačových řídicích systémů

Programové vybavení počítačových řídicích systémů ovlivňuje rozhodujícím způsobem jejich vlastnosti a účinnost. O programování procesních počítačů odvozených od PLC a pracujících na principu cyklického opakování programu bylo již hovořeno v kap. 5.3.2. Programové vybavení počítačů založených na struktuře PC a podobných je obecně tvořeno dvěma základními skupinami programů:

·         operačním systémem reálného času, který řídí činnost počítače,

·         úlohami zajišťujícími požadované funkce řídicího systému.

6.5.1  Operační systém reálného času

Operační systém reálného času tvoří jádro programového vybavení. Zabezpečuje spouštění a provádění úloh podle času, priority a událostí. Spouštěním úloh podle času rozumíme, že je úloha spuštěna v danou hodinu, nebo že je pravidelně spouštěna s určenou periodou. Pomocí priority úloh můžeme vymezit jejich důležitost a přednost při zpracovávání. Aby mohly být úlohy prováděny podle svých priorit, je operační systém vybaven tzv. přerušením. To umožňuje přerušit právě zpracovávanou úlohu úlohou s vyšší prioritou a pak ji bez ztráty informace dokončit. 

Schématicky je práce v reálném čase s přerušením znázorněna na obr. 6.8. Jsou zde znázorněny tři úlohy s různou prioritou, písmenem Z je označen začátek a písmenem K konec jejich zpracování. Úloha 1 má nejvyšší prioritu a proto se spustí vždy v té době, kdy se spustit má. Na obrázku je vidět, že v okamžiku požadovaného spuštění úlohy 1 běží již úloha 3. Protože však má nižší prioritu než 1, je přerušena a uložena jako rozpracovaná a úloha 1 se spustí. Během jejího zpracování se podle času má spustit úloha 2, ale protože má nižší prioritu než 1, je její spuštění odloženo. Když úloha 1 skončí, měla by se dokončit úloha 3, ale také spustit odložená úloha 2. Úloha 2 má vyšší prioritu než 3, proto se spustí a dokončení úlohy 3 se odloží. Během zpracování úlohy 2 vznikne požadavek na znovuspuštění úlohy 1, takže se úloha 2 přeruší, spustí se úloha 1, po jejím dokončení se dokončí přerušená úloha 2 a po jejím dokončení se pokračuje v přerušené úloze 3. Její zpracování je však ještě jednou přerušeno úlohou 1 a pak teprve se úloha 3 dokončí. Je třeba si uvědomit, že tyto procesy musí probíhat tak rychle, aby se vždy provedly všechny úlohy, které se provést mají. Nesmí nastat situace, kdy některá úloha má být znovu spuštěna, ale ještě nebyla dokončena. Z toho vyplývají požadavky na výkonnost počítače. 

Kromě přerušení daných periodou a prioritou spouštění úloh (tzv. softwarová přerušení) existují i tzv. hardwarová přerušení, která jsou dána událostí mimo počítač, např. v technologickém procesu. Jimi může být vyvoláno zpracování úloh, které jinak pravidelně spouštěny nejsou. Mohou to být např. úlohy aktivované nějakým signálem z procesu a řešící nestandardní či havarijní situace.

6.5.2  Úlohy

Úlohy zajišťují všechny požadované činnosti řídicího systému a můžeme je podle jejich funkcí rozdělit do několika kategorií:

·      systémové, které zabezpečují základní funkce počítače (ovládání displejů, tiskáren, diskových pamětí,...),

·      měřicí zajišťující ovládání přepínačů měřicích míst a převodníků, snímání binárních vstupů, přepočty, filtrace a kontroly naměřených údajů,

·      řídicí, které realizují vlastní řídicí funkce, tj. regulace, vyšší řídicí algoritmy apod., a ovládání výstupů do procesu včetně kontroly výstupních signálů,

·      dohlížecí, které sledují stav procesu a meze technologických veličin a identifikují a včas oznamují nežádoucí trendy a havarijní situace, případně je samy řeší,

·      komunikační zabezpečující jednak komunikaci řídicího systému s operátorem technologie, jednak spojení s nadřízenou a podřízenou hierarchickou úrovní,

·      testovací, které slouží ke kontrole funkčnosti řídicího systému během jeho provozu a testují celý systém při odstávkách,

·      archivační, které zaznamenávají měřené hodnoty, zásahy obsluhy a protokoly o provozu systému na archivační média pro další zpracování.

Na jednotlivých počítačích (pracovních stanicích) nejsou obvykle provozovány všechny uvedené typy úloh, ale pouze ty, které odpovídají zařazení daného počítače v hierarchii řídicího systému.

Jak vyplývá z výše uvedeného popisu funkce operačního systému, každá úloha má přiřazenu určitou prioritu a spouští se buď pravidelně s danou periodou, nebo v daném čase, nebo událostí v řízeném procesu, nebo na požadavek operátora (což lze také považovat za událost).

Všechny úlohy (kromě systémových) musí být přizpůsobeny řízenému procesu, tedy buď speciálně programovány, nebo alespoň sestavovány z hotových stavebnicových modulů tak, aby realizovaly požadovanou řídicí strategii. Právě v těchto úlohách spočívá hlavní přínos počítačového řízení oproti klasické regulaci a právě jejich úroveň určuje kvalitu řízení.

Zvláštní skupinu úloh tvoří programy pro komunikaci s operátorem, protože obstarávají styk mezi řídicím systémem a člověkem a musí být této velice důležité funkci odpovídajícím způsobem přizpůsobeny. Je jim proto věnována samostatná kapitola.

6.5.3  Komunikace řídicího systému s operátorem technologie

Tato problematika spadá částečně do technického a částečně do programového vybavení. Po technické stránce bývá dnes ke komunikaci s operátorem používáno nejčastěji pracovních stanic založených na počítači kategorie PC s barevnými displeji a běžnými nebo speciálními klávesnicemi. U malých aplikací se můžeme setkat s jednoduchými ovládacími a signalizačními prvky (tlačítka, spínače, kontrolky), nebo s jednoduchými jednoúčelovými displeji (automatická pračka, mikrovlnná trouba,...).

Nároky na operátora a kvalitativní úroveň obsluhy technologického procesu určuje rozhodujícím způsobem kvalita a promyšlenost příslušných programů. Komunikace řídicího systému s člověkem je zásadně dvojího druhu:

·         informativní,

·         ovládací.

Informativní komunikace umožňuje sledovat stav procesu, zjišťovat hodnoty jednotlivých veličin, trendy jejich změn atd. Můžeme ji dále rozdělit na přehledovou, která dává základní informaci o stavu celého procesu, a detailní, týkající se podrobných údajů o jednom řídicím obvodu či úseku technologie. Informace se většinou zobrazují na obrazovce terminálu, a to buď automaticky v určitých časových intervalech, nebo po vyžádání operátorem. Způsob zobrazení bývá grafický, důležitost veličin a jejich hodnot bývá rozlišena barvou nebo velikostí písma, dosažení mezní hodnoty bývá signalizováno blikáním údaje. Často se používá grafického znázornění technologického schématu v kombinaci s číselnými údaji hodnot veličin, jednoduchými povely lze vykreslovat grafy trendů atp.

Ovládací komunikace umožňuje provádět zásahy do procesu. Tyto zásahy dělíme na dvě skupiny: základní a privilegované. Základními zásahy rozumíme ty, které slouží k běžnému ovládání procesu a k nastavování některých jeho technologických parametrů, v podstatě těch, které se před nasazením počítačového řízení obvykle měnily ručně. Může je provádět obsluha procesu (operátor technologie). Vkládané hodnoty jsou obvykle kontrolovány, aby nedošlo k zadání nesmyslných údajů. Privilegované zásahy se týkají vnitřních parametrů řídicího systému, např. nastavení konstant regulátorů, konstant filtrací signálů, period spouštění úloh, mezních hodnot technologických veličin apod. Jsou povoleny pouze kvalifikovaným pracovníkům, protože nesprávný zásah může způsobit selhání celého systému řízení. Příslušné úlohy bývají zabezpečeny proti spuštění neoprávněnou osobou speciálními kódy a hesly.

Na obr. 6.9 až 6.11 jsou ukázky displejů ze skutečného řídicího systému varny cukrovaru, kde v tzv. zrničích probíhá krystalizace cukru ze zahuštěných cukerných roztoků. Všechny displeje obvykle mají stejnou základní strukturu. V horní části je označení displeje a vpravo datum a čas, v dolní části jsou klávesy pro přepínání displejů a pod nimi okénko, ve kterém se zobrazují alarmová hlášení. Okénko alarmových hlášení je stejné na všech displejích, protože obsluha musí být o takovém hlášení informována okamžitě bez ohledu na to, který displej je právě zobrazen. Volbou tlačítka „Alarmy“ se otevře alarmová obrazovka, kde jsou archivována všechna hlášení a je možné jimi listovat.

Obr. 6.9. ukazuje přehledovou informaci o celé varně, tj. o stavech jednotlivých zrničů (druh meziproduktu, fáze technologického procesu a výška hladiny) a o množství médií v zásobních nádržích. Tento displej je pouze informativní a neobsahuje téměř žádné ovládací prvky. Kliknutím myší na nádrži nebo zrniči se zobrazí přes celou obrazovku graf časového průběhu příslušných veličin (např. hladina) od daného okamžiku o nastavitelnou dobu zpět.

Obr. 6.10. je ukázkou detailní komunikace. Týká se jednoho zrniče a spojuje informaci o stavu procesu se základním ovládáním. Zobrazují se okamžité hodnoty technologických veličin (přesycení roztoku, výška hladiny a teplota v zrniči), fáze procesu a stavy ventilů. V pravé části je panel pro nastavování technologických parametrů, které může měnit operátor technologie. Obsluha vybere myší parametr a tím otevře okno pro jeho změnu. V něm nastaví novou hodnotu a myší ji odešle. Zadávaná hodnota je kontrolovaná mezemi a systém nedovolí zadat údaj mimo tyto meze. Vlevo dole je panel povelů, kde jsou zvýrazněny jen ty povely, které je možné v právě probíhající fázi technologického procesu vydávat. Po výběru povelu se otevře okno, kde je třeba povel potvrdit nebo je možné ho zrušit. Teprve po potvrzení je povel proveden.

Na obr. 6.11. je ukázka privilegovaného ovládání. Nastavují se na ní vnitřní parametry řízení pro jeden zrnič, konkrétně tvar křivek pro průběh přesycení během krystalizace, doby některých operací, parametry regulací atd. Tuto obrazovku může vyvolat kdokoliv a podívat se na nastavené hodnoty, změny je však možné provádět pouze po zadání hesla pomocí tlačítka „HESLO“. Hesel může být v systému definováno více a je tím možné i diferencovat úroveň práv pro zásahy do systému. Způsob nastavování je stejný jako u jiných číselných parametrů a hodnoty jsou rovněž kontrolovány mezemi.

Dobře a promyšleně udělaná komunikace řídicího systému s operátorem musí mít logickou strukturu, jednotlivé displeje musí být přehledné a barevně vyvážené tak, aby jejich dlouhodobé sledování neunavovalo zrak. U rozsáhlejších technologií je vhodné použití více monitorů současně. Dříve běžně používané panelové měřicí přístroje a ruční ovládací prvky se dnes instalují jen v nejnutnějším rozsahu, např. k zajištění operací nutných k havarijnímu ovládání procesu při nepředvídaných a do řídicích algoritmů nezahrnutých situacích. Ostatně systém komunikace operátora s technologickým procesem prostřednictvím počítače a grafického obrazovkového displeje je výrazně levnější než klasický technologický panel osazený měřicími přístroji.

 Pro bližší představu o tom, jak komunikace s operátorem vypadá a jak funguje  jsme připravili simulovanou demonstrační ukázku. Pracuje pod Windows 95/98/NT/2000 a je možné si ji stáhnout a nainstalovat (odkaz je v hlavním rozcestníku). Umožňuje přepínání displejů, ovládání a nastavování regulátorů, zobrazování grafů průběhů veličin a alarmových hlášení.