Уникальный "Импульс"
В послевоенные годы в Советском Союзе важнейшие научно-технические проблемы - овладение атомной энергией, развитие ракетостроения, космонавтики и др. - решались путем создания мощных научно-производственных центров. Так, в Северодонецке (Украина) в 1956 г. был создан филиал Московского СКБ-245 - ведущей организации по вычислительной технике.
Решающим фактором, определившим развитие работ в создании управляющей вычислительной техники было наличие сложного объекта автоматизации - огромного химического комплекса - Лисичанского химкомбината, изучение которого позволило понять в полном объеме задачи компьютерной автоматизации технологических процессов. Быстро определился ряд талантливых разработчиков, положивших основу инженерной школы в области проектирования и производства вычислительной техники для управления технологическими процессами. Актуальность работы предопределила дальнейшее развитие филиала, превращение его в Научно-исследовательский институт управляющих вычислительных машин (НИИ УВМ), затем - в научно-производственное объединение НПО "Импульс" в составе: НИИ УВМ, его филиалов и ряда предприятий.
Выдающуюся роль в становлении НПО "Импульс" сыграли директор филиала Андрей Александрович Новохатний (первые три года директором филиала был Вячеслав Юрьевич Толкачев) и его заместитель Владислав Васильевич Резанов научный руководитель выполняемых работ.
В основу научно-технической политики они сразу же положили идею создания серийноспособных средств управляющей вычислительной техники для различных (не только химических) объектов автоматизации. На ее основе под руководством В.В.Резанова была в дальнейшем разработана и реализована концепция единой, функционально полной агрегатной (модульной) системы технических и программных средств управляющей вычислительной техники на базе единых конструктивно-технологических решений. Большое внимание уделялось разработке устройств связи с объектом УСО, обеспечивающих съем данных о процессе, передачу их для обработки в вычислительную машину и выдачу сигналов для управления исполнительными механизмами. Такой подход существовал в течение более тридцати лет и полностью себя оправдал, поскольку обеспечил создание полного комплекса средств системотехники, т.е. средств построения самых различных информационно-управляющих систем для технологических процессов и объектов энергетики.
На всем более чем 30-летнем пути коллектив "Импульса" работал подобно великолепно слаженному оркестру, ведущие музыканты которого виртуозно владеют своими инструментами и в совместной игре создают музыкальные шедевры. Именно такой была изначальная небольшая группа ведущих специалистов, (ее называли "могучей кучкой" по аналогии с той, что когда-то определяла развитие музыкального искусства в России), сформировавшаяся в годы становления "Импульса" и сумевшая осуществить казалось бы невозможное - собрать и сплотить вокруг себя многотысячный коллектив однодумцев, увлеченных одной целью - созданием и постоянным совершенствованием средств компьютерной автоматизации технологических процессов и объектов энергетики, в том числе таких ответственных и сложных, как атомные станции.
Более тридцати лет самоотверженной и вдохновенной работы Северодонецкого "Импульса" были отданы созданию средств системотехники 1-го, 2-го, 3-го и 4-го поколений и все это на одном дыхании, работая не покладая рук.
"Могучая кучка" сумела объединить личные интересы каждого из входящих в нее специалистов общей целью, что позволило сохранить единство и целенаправленность работ всего коллектива "Импульса" на всем пути его развития.
Такое стало возможным, потому что "могучую кучку" возглавляли истинные лидеры, делом доказавшие свое право на ведущее положение. И здесь опять проявляется уникальная черта в развитии "Импульса" - такими людьми стали не присланные со стороны руководители с высокими званиями, а свои собственные специалисты, выросшие из "могучей кучки". К их числу относится директор "Импульса" Андрей Александрович Новохатний и бессменный научный руководитель Владислав Васильевич Резанов.
За все годы существования "Импульса", разработавшего четыре поколения средств системотехники, его сотрудниками были защищены две кандидатских диссертации, но это отнюдь не говорит о слабой квалификации его специалистов. Каждый из "могучей кучки" вполне мог бы претендовать на научную степень кандидата или доктора наук. Они поступились этим и предпочитали делать машины!
Многие выходцы из "Импульса" (но не из "могучей кучки" - она сохранялась все годы), попавшие в условия работы обычных научно-исследовательских и других учреждений, не только защищали диссертации и получали высокие научные звания, но и становились руководителями высокого ранга. В этом плане "Импульс", несмотря на отсутствие в нем докторов наук и академиков, играл роль отличной научной и инженерной школы.
Трудное начало
Базовыми производствами на Лисичанском химическом комбинате были производство аммиака и азотной кислоты. Исследованием этих двух объектов на предмет эффективности автоматизации и использования вычислительной техники (которую еще предстояло создать!) и занялись сотрудники филиала СКБ-245.
Главное внимание было уделено производству аммиака, представляющему цепочку крупных взаимосвязанных цехов - от производства синтез-газа, его последующей очистки и синтеза из этого газа аммиака в колоннах высокого давления. При этом производительность колонн синтеза (400 тыс.тонн в год) сильно зависела от состава газа на входе колонны, подаваемого от газогенераторных установок, где метан горел в кислороде при строго фиксированном соотношении, образуя синтез-газ, подлежащий очистке прежде чем поступить на синтез. Если учесть, что метан и кислород при определенных соотношениях образуют взрывную смесь, то неизбежно возникает задача надежного управления и защиты от возможной аварии. Именно для этого объекта было решено создать информационно-управляющую систему, получившую название "Автодиспетчер".
Сотрудники филиала начали исследование основных технологических процессов аммиачного производства, в том числе их алгоритмизацию, выбор способов управления, определение требований к техническим средствам системы.
Прежде всего, был составлен (в первом приближении) алгоритм управления, что позволило определить параметры управляющей машины. Идея строить ее на электронных лампах была отвергнута сразу из-за ненадежности элементной базы. Полупроводниковая техника только начинала свое победоносное шествие. Палочкой-выручалочкой стала система трехтактных феррит-диодных элементов, созданных в лаборатории профессора Л.И.Гутенмахера во Всесоюзном НИИ технической информации (Москва) и усовершенствованных в Пензенском филиале СКБ-245, откуда В.В.Резанов, переезжая в Северодонецк, привез два больших ящика таких элементов и массу идей по их развитию и использованию. "Это была примитивная техника, - вспоминает Владислав Васильевич Резанов. - В элементах в качестве вентелей использовались селеновые шайбочки по причине отсутствия в то время полупроводниковых диодов. Тем не менее, эти элементы были нами доработаны, что позволило начать работу по созданию управляющей машины. Следует сказать, что именно в это же время родилась идея агрегатного построения машины. Разработчики понимали, что им известен только стартовый комплект задач, которых в таком большом и сложном производстве при его развитии может быть очень много. Поэтому машина изначально имела модульную структуру, позволяющую наращивать ресурсы: память, количество входных и выходных сигналов и др. Эти идеи не были полностью реализованы в системе "Автодиспетчер", но учтены впоследствии. Очень важно было решить - как взять информацию с объекта? Ведь ни о каких стандартных сигналах тогда не было и речи. Половина измерительных приборов была поставлена из Германии в комплексе с репарационным химическим оборудованием. Поэтому пришлось разрабатывать индивидуальные преобразователи для каждого типа вторичных приборов. О получении информации непосредственно от первичных датчиков можно было только мечтать. С 1965 года началась ее опытная эксплуатация, в 1967 г. система была введена в круглосуточную эксплуатацию и проработала на комбинате более 24 лет.
Система позволяла контролировать работу аммиачного и спиртового производств, выполняла логический анализ нарушений технологических процессов, вела автоматический учет сырьевых потоков и расчет технико-экономических показателей каждого цеха и производства в целом, автоматическое регулирование состава синтез-газа и продувочного газа в аммиачном производстве. Устройство связи с объектом системы "Автодиспетчер" представляло комбинированную телемеханическую подсистему, позволяющую осуществлять измерение 360 мгновенных значений параметров, 120 интегральных значений параметров, 360 двухпозиционных сигналов с циклом 20 сек, 200 мгновенных 2-х позиционных сигналов. Система вырабатывала 200 однопозиционных команд, 24 аналоговых сигнала управления 0-5 ма. Сбор информации осуществлялся по радиальным каналам через 10 групповых пунктов контроля, установленных в цехах, которые собирали информацию от первичных преобразователей. Групповые преобразователи радиально подключались к вычислительной машине. Расстояние от машины до групповых преобразователей допускалось до 1,2 км. Цикл сбора информации 60 сек.
Вычислительная часть "Автодиспетчера" была построена на феррит-диодных логических элементах, имела ферритовое запоминающее устройство на 1860 двадцатиразрядных чисел, ферритовое пассивное запоминающее устройство емкостью 5632 двадцатиразрядных чисел. Арифметическое устройство оперировало 18 разрядными числами с фиксированной запятой. Система команд одноадресная, количество операций 28. Работа в этот период осуществлялась по фиксированной программе, написанной в машинных командах.
В процессе работы над системой "Автодиспетчер" обнаружилось еще несколько важнейших моментов, связанных с тем, что исследовался разработанный на огромной территории сложный технологический комплекс, включающий многие объекты управления, взаимосвязанные между собой.
Выяснилось, что задачи управления возможно разделить на три группы: первая группа задач связывалась с проблемой первичной обработки информации перед передачей ее в управляющую машину; вторая сводилась к программному управлению объектами с целью оптимизации протекающих в них технологических процессов, а третья заключалась в координации работы объектов производственного процесса. Отсюда родилась идея создания трехуровневой системы технических средств для оперативного управления сложными производствами СОУ-1. Второй вывод, сделанный в то время - необходима единая система технических и программных средств от датчика до исполнительного механизма, разработанных на основе единой системы стандартов и позволяющая проектным путем комплектовать различные системы управления. Изобретать технические и программные средства для каждого объекта управления недопустимо. Поэтому СОУ-1 была задумана как трехуровневый комплекс технических средств для управления различными процессами".
В период создания системы "Автодиспетчер" параллельно выполнялась разработка машины "Автооператор" для так называемого прямого цифрового управления. Дело в том, что при первичной обработке информации возникают задачи регулирования (стабилизации) процессов, которые выполнялись аналоговыми регуляторами. На некоторых объектах число автономных контуров регулирования достигает нескольких десятков. В то же время прямое цифровое регулирование по любому закону (многоканальное, пропорциональное, связанное и т.п.) можно осуществить от одной машины путем использования соответствующих программ. Эта идея была реализована в машине "Автооператор" (впервые в Украине и Советском Союзе). В качестве объекта управления была выбрана установка концентрирования крепкой азотной кислоты Чернореченского химзавода Нижегородской области, где качественное регулирование по косвенным параметрам позволяло значительно улучшить характеристики конечного продукта - ракетного топлива.
В функции "Автооператора" входило:
- прямое цифровое регулирование технологическими процессами концентрирования азотной кислоты на ряде колонн в обегающем режиме с заданным периодом Т (3-5 мин);
- управление процессами пуска и остановки одной колонны;
- регистрация основных параметров и сигнализация о нарушениях технологического процесса.
Управляющий вычислительный комплекс состоял из четырех функциональных частей.
1. Входное устройство или устройство связи с объектом, обеспечивающее сбор информации с объекта управления, преобразование принятых аналоговых сигналов в цифровую форму, ввод цифровой информации в машину. Датчиками измеряемых параметров служили серийные приборы с унифицированным выходом. Точность преобразования - 8 двоичных разрядов. Входное устройство обеспечивало связь процессора с регулируемым объектом, циклически опрашивая (за интервал Т) датчики, установленные на объекте.
2. Процессорная часть машины, построенная на феррит-диодных логических элементах. Процессор выполнял 28 арифметических, логических и операций управления. Производительность - 900 операций сложения, 80 умножения, 70 деления за секунду. Оперативное запоминающее устройство на ферритовых сердечниках диаметром 1 мм, емкостью 256 18-разрядных двоичных слов.
3. Для хранения программ управления, констант и уставок использовалось постоянное запоминающее устройство на ферритовых сердечниках диаметром 4 мм. Информация в него заносилась путем прошивки ферритовых колец. Для задания переменной части уставки имелось наборное поле, коммутируемое штекерами.
4. Выходное устройство, служащее для преобразования рассчитанных цифровых управляющих воздействий в пропорциональные пневматические сигналы от 0 до 1 атмосферы с точностью 7 двоичных разрядов. Сигналы передавались на пневматические исполнительные механизмы (пневматические клапаны), которые обеспечивали регулирование технологического процесса. Оно же формировало дискретные сигналы для включения и выключения различных исполнительных устройств.
Автоматическое управление осуществлялось по определенному закону. Пуск и остановка колонны производились по фиксированной программе. Алгоритм управления в этих режимах был составлен на основе анализа технологических процессов. Реализующая его программа состояла из двух частей:
- формирующая программа, представляющая последовательность выполнения этапов пуска (остановки) во времени и последовательность выполнения отдельных операций на каждом этапе;
- набор программных операторов, реализующих отдельные операции.
На каждом цикле обработки информации определялось, каким этапом пуска (остановки) необходимо управлять, затем управление передавалось определенной части формирующей программы, где указывались действия и адреса операндов. После этого "Автооператор" выполнял сформированную программу.
Метод операторного программирования позволил значительно сократить длину программы управления и обеспечивал простой переход к составлению программ для управления другими процессами.
Испытания "Автооператора" производились на одной колонне, оснащенной необходимыми датчиками и исполнительными механизмами. Была обеспечена работа нескольких контуров регулирования, пуск и остановка колонны.
Испытания показали, что система управления с вычислительным комплексом в качестве центрального регулятора обеспечивает необходимое качество регулирования основных параметров процесса и успешно справляется с задачей пуска и остановки колонны концентрирования. Однако, регулярной эксплуатации мешали недостаточно надежные исполнительные механизмы. Почти половина всех неисправностей приходилась на их долю. В дальнейшем в течение длительного времени "Автооператор" использовался для проведения исследовательских и опытных работ на колонне.
Первый успех
Еще до завершения работ над "Автодиспетчером" в филиале начали разработку трехуровневой многомашинной системы для оперативного управления процессами в промышленности СОУ-1, претендующей на широкое внедрение и рассчитанной на серийное производство. Структура и архитектура системы опережали свое время. Они были определены на основе анализа задач по управлению таким сложным территориально рассредоточенным крупнотоннажным производством, как производство аммиака. Упомянутые выше три уровня управления требовали создания многомашинного комплекса. В состав системы вошли три машины. Машина первичной переработки информации (МППИ) предназначалась для сбора, нормализации и первичной переработки информации, выдачи и регистрации мгновенных и расчетных значений параметров управляемого процесса, а также тенденций их изменения местному оперативному персоналу. По существу это был в современной терминологии промышленный контроллер.
Для второго уровня управления предназначалась управляющая машина УМ-1.
В ее состав входили модульные устройства связи с объектом УСО, ориентированные на прием и выдачу стандартных сигналов Государственной системы приборов. Машина воздействовала на объект через системы местной пневмоавтоматики и непосредственно на пневматические исполнительные механизмы, имея для этого в составе УСО электропневматические преобразователи. УСО машины УМ-1 могло принять до 352 аналоговых токовых сигналов модулями по 16; сигналов термопар и термосопротивлений до 256, модулями по 16 сигналов; сигналов от пневматических датчиков до 256; позиционных сигналов до 600; до 60 число-импульсных сигналов. По выходу УСО имели до 10 электрических токовых сигналов; до 128 аналоговых пневматических, до 400 позиционных электрических сигналов. Каждый пользователь мог подобрать требуемый состав устройств связи с объектом. Вычислительная часть машины УМ-1 была построена на феррит-диодных элементах, имела ферритовые модульные оперативные и постоянные запоминающие устройства (соответственно 1024 слова х 4 и 2048 слова х 3), выполняла 30 арифметических и логических операций над 21 разрядными двоичными числами с фиксированной запятой со скоростью 900 опер/сек. Отличительной особенностью машины было наличие системы прерывания, обеспечивающей выполнение 16 различных, не связанных между собой программ с автоматическим выбором наиболее важного и сложного запроса по заданному приоритету. Вероятно, это был первый практический промышленный пример мультипрограммной машины (в то время были опубликованы работы по разделению времени решения задач на машинах общего назначения). Благодаря этому свойству удалось создать программное обеспечение, выполняющее кроме функциональных задач еще и диалог оператора с машиной и оперативную тестово-диагностическую процедуру, включающую исправление ошибок и т.п. Мультипрограммный режим позволил включить в состав машины пульт оператора системы управления объектом, дав ему возможность контролировать и управлять процессом. Машина УМ-1 имела в своем составе все функциональные компоненты современных управляющих вычислительных систем. Она могла работать как в комплексе с машинами МППИ-1, так и самостоятельно.
Координирующая машина КВМ-1 системы СОУ-1 обладала по тому времени очень высокими техническими характеристиками. Она была задумана, как машина, взаимодействующая в реальном времени с 65-ю абонентами типа УМ-1 и МППИ-1 на расстоянии до 12 км, связанными с КВМ-1 радиальными каналами связи. Это был существенный шаг к созданию сетевой структуры вычислительных машин для управления сложными технологическими объектами, только тогда это так не называлось. КВМ-1 могла работать также с собственными устройствами связи с объектом при решении задач управления, требующих больших вычислительных мощностей.
Вычислительный комплекс КВМ-1 мог выполнять 256 различных операций со скоростью 100 тыс.операций в секунду. Операции выполнялись как с фиксированной так и с плавающей запятой над 25 и 50 разрядными словами. Машина имела модульную оперативную память до 126976 слов модулями по 4096, долговременную память на магнитной ленте объемом 20 млн.слов. Система мультипрограммирования, реагировавшая на 80 асинхронных запросов, позволяла создавать операционную систему реального времени, включающую в себя мощные средства диагностики. Для КВМ-1 были разработаны трансляторы для нескольких подмножеств языка АЛГОЛ-60. Машина была оснащена пультом взаимодействия оператора с процессом в диалоговом режиме с двухцветной печатью текста диалога. Интересной особенностью КВМ-1 было то, что для нее был разработан специальный набор логических элементов на туннельных диодах и транзисторах, позволяющий получить высокую производительность машины.
Создание машины КВМ-1 совпало по времени с появлением в Институте кибернетики машины Днепр-2 и информации о системе IBM 360. Поэтому работы по КВМ-1 не получили должного развития. Но основной причиной остановки работ над КВМ-1 было то, что промышленные предприятия не были готовы к использованию мощных управляющих машин. Система СОУ-1 в целом опередила свое время. Северодонецким приборостроительным заводом было выпущено несколько сотен машин МППИ-1 и УМ-1,
29-04-2015, 02:13