1. Aplikácia mikropočítača SMEP SM 50/40-1 v riadení procesu sušenia

Koncepcia riešenia

Prvým z radu mikropočítačových systémov SMEP, ktoré boli vyvinuté vo Výskumnom ústave výpočtovej techniky v Žiline (VÚVT), bol osembitový mikropočítač SM 50/40-1. Jeho prvé vzorky sa ako opakované prototypy dostali k riešiteľom pilotných aplikácií na prelome rokov 1980 – 1981. Ústav racionalizácie priemyslu (ÚRAP) v Žiline sa rozhodol ako pilotnú aplikáciu tohto mikropočítača vyriešiť riadenie sušiarní reziva. Riešenie realizoval ako súčasť programu SMEP II v spolupráci s VÚVT, ktorý pre ÚRAP v predstihu pred sériovou výrobou vyrobil podľa jeho špecifikácie požadovanú konfiguráciu štandardných modulov tohto mikropočítačového systému.

Proces sušenia je v podstate jednoduchý – v priebehu sušenia treba riadiť teplotu a vlhkosť vnútri sušiarne podľa požadovaného režimu závislého od viacerých vstupných parametrov. Lepším riadením možno zlepšiť kvalitu vysušeného reziva a znížiť odpad a spotrebu energií na sušenie. V podnikoch a závodoch bývalo viacero sušiarní vedľa seba (dve až osem), takže ich riadenie bolo výhodné centralizovať.

Pri vypracovaní koncepcie sa zohľadnili rôznorodé požiadavky a obmedzenia:

  • Systém musel byť ekonomicky výhodnejší ako dovtedy dodávané riadenie k sušiarňam. Keďže cena SM 50/40-1 (vo vyhotovení OEM) vrátane potrebných modulových dosiek JSP bola cca 130-tis. Kčs, bola táto požiadavka splnená už pri súčasnom riadení dvoch sušiarní mikropočítačom, pretože cena pôvodnej riadiacej jednotky sušiarne bola cca 70-tis. Kčs.
  • Vzhľadom na úroveň obsluhy v drevárskych podnikoch musel byť systém riešený tak, aby doň obsluha nemohla zasahovať okrem vloženia vstupných parametrov a spustenia procesu. To znamená, že všetky programy museli byť po overení uložené do pamäte typu PROM. Na obojstranný styk obsluhy s procesom bol vyvinutý špeciálny ovládací pult. Systém musel byť prevádzkyschopný bez údržby.
  • Vzhľadom na ekonomiku a spoľahlivosť bolo riadenie riešené ako DDC, to znamená výstupmi z počítača sa prestavovali polohy akčných orgánov (analógovými, resp. impulznými výstupmi podľa druhu servopohonu). Pri výpadku mikropočítača sa prechádzalo na ručné riadenie. Na spojenie s procesom boli v mikropočítači použité modulové dosky analógových vstupov a logických vstupov/výstupov.
  • Z hľadiska programových prostriedkov bolo jednoznačným zámerom použiť v maximálnej miere dodávaný a najmä overený softvér. Programy boli vyvíjané na mikropočítačovom vývojovom systéme MVS 80 pod operačným systémom DOS. Vygenerovaný riadiaci systém však pracoval pod exekutívou reálneho času (ERČ 80). Použitá bola štandardná knižnica aritmetických operácií. Operačný systém umožňoval zbiehanie programových procesov v reálnom čase a ich synchronizáciu, zbiehanie programov na vstup dát z procesu a ich spracovanie, všetkých riadiacich algoritmov, výstupného spracovania a programov na obsluhu pultu operátora.
  • Rozhodujúcou požiadavkou bolo maximálne skrátiť čas realizácie systému. Riešenie projektu sa začalo v apríli 1980, v decembri 1980 boli dodané súčiastky a mechanické moduly na mikropočítač SM 50/40-1, ktorý bol následne osadený a oživený. Paralelne sa pracovalo na vývoji hardvéru (pult, JSP) i softvéru a v novembri/decembri 1981 sa už uskutočnili overovacie nasadenia.
  • Principiálnym problémom bolo zabezpečiť čo najväčšiu opakovateľnosť nasadenia systému. Preto už od začiatku riešenia projektu ÚRAP aktívne spolupracoval s výrobcom sušiarní, Vzduchotechnikou Nové Mesto n/Váhom.

Stručný opis procesu

Proces sušenia dreva možno rozdeliť do piatich fáz:

  • ohrev vzduchu: ovzdušie v komore sa reguluje na zadanú hodnotu, vlhkosť je konštantná,
  • ohrev dreva: teplota i vlhkosť sa udržujú konštantné, doba ohrevu je zadaná podľa hrúbky reziva,
  • sušenie: teplota sa udržuje na konštantnej hodnote, vlhkosť sa exponenciálne znižuje podľa zadanej krivky,
  • egalizácia: prebieha pri zadanej teplote so psychrometrickým rozdielom počas nastavenej doby,
  • ochladzovanie: vsádzka sa ochladí na teplotu o 20° – 30 °C vyššiu, ako je teplota okolia.

Charakteristika riadiaceho systému RS

Technické vybavenie RS

Základom technického vybavenia riadiaceho systému bol mikropočítačový systém SM 50/40-1 s pamäťami typu EPROM aj RAM. Styk s technologickým procesom bol realizovaný prostredníctvom nasledujúcich modulov jednotky styku s prostredím:

  • vstup:
    – A/D prevodník (12 bit),
    – 16 kanálový multiplexor
    – modul dvojhodnotových vstupov/výstupov;
  • výstup:
    – modul impulzných výstupov,
    – modul D/A prevodníka (8 bit).

Komunikácia operátora procesu s riadiacim systémom bola zabezpečená prostredníctvom pultu operátora. Vstupnou časťou pultu operátora boli príkazové prvky – tlačidlá. Sedemsegmentové displeje slúžili na zobrazovanie žiadaných a nameraných hodnôt veličín. LED diódy boli použité na zobrazenie logických premenných (poruchové indikácie, akceptácia príkazu a pod.). Zobrazovacie príkazové prvky pultu operátora boli rozdelené do deviatich významových skupín: riadenie, slučka, fáza, alarm, siréna, sušiareň, veličina, hodnota, dáta.

Po technickej stránke bol pult navrhnutý pomerne univerzálne. Na vytvorenie verzie pre konkrétnu aplikáciu stačilo osadiť príslušné miesta technickými prvkami a použiť vhodnú vonkajšiu masku. Pult určený pre aplikácie v sušiarňach je na obr. 8.

Programové vybavenie RS

Základná štruktúra RS bola vypracovaná modulárne s požiadavkou na jednoduchosť a nenáročnú obsluhu. Bol vyvinutý operačný systém, ktorého základ tvorila exekutíva reálneho času (ERČ 80). Umožňovala používateľovi implementáciu jeho aplikačných algoritmov bez potreby bližšieho a aktívneho poznávania multiprogramového prostredia reálneho času, v ktorom pracujú, a exekutívy, ktorá ho vytvára. Ďalej poskytovala používateľovi možnosť pracovať s knižnicou aritmetických operácií nad číslami vo formáte pohyblivej rádovej čiarky jednoduchej presnosti. Používateľské algoritmy – kódové segmenty boli charakterizované rôznou periódou aktivácie a špecifickou činnosťou. Vybraná skupina programových segmentov bola priradená programovým procesom, ktoré zabezpečovali:

  • spúšťanie segmentov na programovej priorite príslušného procesora,
  • snímanie analógových premenných procesu v spolupráci s exekutívou reálneho času,
  • medzisegmentovú komunikáciu,
  • kontrolu správnosti chodu segmentov (korektnosť aritmetických operácií a pod.),
  • meranie systémového času.

Súčasťou riadiaceho systému bol aj subsystém interných hlásení, ktorý realizoval spracovanie interných hlásení systému. Hlásenia majú charakter alarmov a vznikajú v súvislosti s činnosťou programového procesora a segmentov. Subsystém obsluhy pultu operátora (PO) zabezpečoval výstup určenej informácie prostredníctvom zobrazovacích prvkov pultu, resp. spracovanie asynchrónnych prerušení od príkazových prvkov PO. Aplikačné programové vybavenie opisovaného riadiaceho systému bolo rozdelené do štyroch, resp. piatich programových segmentov.

Základným spoločným rysom tvorby segmentov bolo využívanie tzv. metódy štandardných programových modulov. Moduly transformujú svojím algoritmom vstupné veličiny a parametre modulu do výstupných veličín modulu v zmysle požadovanej funkcie. Aplikačný program definuje potom postupnosť volania jednotlivých modulov a obsadenie ich vstupov, výstupov, stavov a parametrov premennými a hodnotami. Takýto zápis aplikačného programu je názorný a tým prístupný nielen programátorovi.

Riadiaci systém bol navrhnutý modulárne v tom zmysle, že ním bolo možné riadiť jednu alebo niekoľko sušiarní súčasne. Na riadenie každej implementovanej sušiarne do RS vstupujú z technologického procesu dve analógové a šesť dvojhodnotových premenných. Prostredníctvom pultu operátora bolo potrebné uložiť požadované parametre vsádzky a hodnotu konečnej vlhkosti reziva. Riadiaci systém zabezpečil výpočet riadiacich parametrov procesu sušenia v tej-ktorej fáze procesu a dodržanie predvolených fáz. Na hierarchicky nižšej úrovni bola zabezpečená priama číslicová regulácia dvoch technologických premenných – suchej teploty a psychrometrického rozdielu.

Počas riadenia sa vykonávali rôzne kontroly nasnímaných i vypočítaných premenných. Pri prekročení stanovenej medze, resp. tolerancie bolo vyslané chybové hlásenie.

Dosiahnuté výsledky

Jedinou perifériou riadiaceho systému bol pult operátora. Všetky algoritmické prvky RS boli preto trvale naprogramované v pamäti PROM a po pripojení počítača na sieť RS automaticky rozbehol svoju činnosť.

Riešiteľ v prevádzkových podmienkach overil riadiaci systém vygenerovaný na riadenie jednej sušiarne. Z dochovaných informácií vyplýva, že RS vyžadoval na uloženie kódu 18 384 byte (ROM), pre dátové prvky 2 322 byte (RWM) a na činnosť systému bola vyhradená oblasť pre zásobníky s veľkosťou 156 byte.

Pri overovacích nasadeniach boli dôkladne preverené všetky časti riadiaceho systému. Riadiaci systém pracoval spoľahlivo, regulácia bola v požadovaných medziach.

2. Aplikácia mikropočítača SM 50/40-1 v riadení vybraných technologických uzlov výroby čokoládových zmesí

Okolnosti vytvorenia riadiaceho systému

Závod na výrobu čokoládových výrobkov na východnom Slovensku plánoval na konci 80-tych rokov rekonštrukciu svojich prevádzok. Po vyhlásení nových ekonomických podmienok a hlavne požiadavky na samofinancovanie všetkých rekonštrukcií sa predstavy závodu na rekonštrukciu výrazne zmenili. Namiesto nákupu nových technológií sa zámer rekonštrukcie zmenil na maximálne využitie existujúcich technologických zariadení a na optimalizáciu technológií pre dosiahnutie vyššej produktivity prevádzky.

Cesta maximálnej úspornosti sa presadila aj pri výbere dodávateľa tejto minimalizovanej rekonštrukcie, keď si odberateľ namiesto investične náročných profesionálnych dodávateľských organizácií vybral na realizáciu malý riešiteľský tím z VÚVT Žilina, ktorý bol (musel byť) ochotný realizovať aj takýto minimalizovaný projekt.

Opis východiskovej technológie

Na realizáciu si odberateľ vybral pre neho kľúčové technologické uzly prevádzky výroby čokoládovej zmesi, ktorá sa potom buď predávala jednotlivým veľkoodberateľom alebo sa využívala v ďalších prevádzkach, realizujúcich finálne výrobky. Prevádzka obsahovala tieto hlavné technologické uzly:

  • Praženie kakaových bôbov v pražiarni, lisovanie kakaového masla z kakaových bôbov, mletie sušiny z vylisovaných kakaových bôbov a homogenizovanie sušiny budúcej čokoládovej zmesi (pozostávajúcej z pomletej sušiny z kakaových bôbov a ďalších prímesí v hnetačoch (mixéroch). Presné zloženie jednotlivých prímesí bolo určené v príslušnej receptúre čokoládovej zmesi.
  • Konžovanie budúcej čokoládovej zmesi v otáčajúcich sa konžovacích bubnoch za definovanej teploty a neustáleho premiešavania tejto zmesi miešačmi. Jedna vsádzka sušiny vážila cca 250 kg a doba konžovania trvala podľa jednotlivých receptúr 8 až 12 hodín.
  • Dotukovávanie budúcej čokoládovej zmesi v procese konžovania podľa požiadaviek príslušnej receptúry sa robilo troma rôznymi tukovými zložkami:
    – kakaové maslo,
    – ILLEXAO,
    – stužený pokrmový tuk
    a to buď iba jednou touto zložkou alebo kombináciami týchto zložiek opäť podľa požiadavky príslušnej receptúry. Jedna tuková dávka sa pohybovala okolo 50 kg a musela byť z jednotlivých zložiek presne navážená s výslednou presnosťou lepšou ako 0,5 %. Tuková zložka musela byť premiestnená do konžovacích bubnov v presnom čase stanovenom v príslušnej receptúre.
  • Váženie a balenie varovej čokolády, ktoré sa pôvodne robilo ručne naberačkami čokoládovej zmesi po ukončení konžovania a vypustení. Táto zmes sa navažovala presnými váhami (opäť presnosť váženia sa vyžadovala lepšia ako 0,5%) na štandardnú hmotnosť 15 kg do potravinárskych prepraviek vyplnených baliacim papierom. Balenie sa dokončovalo po vychladnutí a stuhnutí obsahu krabíc. Po vychladení a zabalení jednotlivé balíky postupovali do skladu hotovej výroby. Pôvodná doba spracovania cca 300 kg čokolády jednej dávky trvala takmer celú pracovnú dobu.

Z uvedeného opisu vidieť, že jednotlivé procesy boli autonómne, s ručným ovládaním a ručným nastavovaním všetkých parametrov jednotlivých procesov, pôvodne len s malým podielom automatického riadenia.

Koncepcia riešenia

Zvolená koncepcia riešenia musela zohľadňovať investičné možnosti zadávateľa a technické požiadavky jednotlivých technologických postupov. Celá technologická schéma preto zostala zachovaná a riešiteľ v spolupráci so zadávateľom do technologických zariadení doplnil tieto zariadenia:

  • tri vyhrievané veľkokapacitné zásobníky tukových zložiek v tekutom stave. Zásobníky boli vybavené elektricky ovládanými trojstavovými ventilmi so stavmi:
    – zatvorený,
    – naplno otvorený (plný prietok) – počas prvých cca 95% požadovaného prietoku tukovej zložky,
    – čiastočne otvorený (jemný prietok – počas posledných cca 5% požadovaného prietoku tukovej zložky)
  • výtok z vážiaceho zásobníka tukovej zložky, do ktorého vtekali jednotlivé tukové zložky, bol doplnený o elektricky ovládané čerpadlo, ktoré cez vyhrievané potrubia privádzalo tukovú zložku do jednotlivých konžovacích bubnov
  • výtoky z jednotlivých konžovacích bubnov boli doplnené elektricky ovládanými čerpadlami, ktoré privádzali tekutú čokoládovú zmes do nových priestorov váženia a balenia, kde bolo umiestnené nové zariadenie pre dávkovanie a navažovanie čokolády do 15 kg blokov, ktoré skonštruovali a vyrobili pracovníci objednávateľa.
  • požadovaná presnosť váženia bol realizovaná tak, že pôvodné presné potravinárske váhy na váženie tukovej zložky (cca 50 kg dávky) a na váženie jednotlivých dávok hotových výrobkov (15 kg balíky čokolády) boli doplnené o inkrementálne rotačné senzory IRČ, ktoré prevádzali ich vizuálny výstup (natočenie ručičky) na digitálny údaj – počet impulzov, ktorý sa potom spracovával v zákazníckom integrovanom obvode (PZIO) MHB 207, ktorý bol súčasťou mikropočítačového riadiaceho systému
  • mikropočítačový riadiaci systém na báze mikropočítača SM 50/40-1 v kazetovom prevedení, ktorý bol nakonfigurovaný podľa požiadaviek na riadiaci systém.

Technické vybavenie riadiaceho systému

Základom technického vybavenia riadiaceho systému bol mikropočítačový systém SM 50/40-1 v nasledovnej konfigurácii:

  • modul centrálneho procesora SM 2138 (CPU 8080 2 MHz bez osadenej pamäti RAM a EPROM)
  • modul pamäti CMOS RAM 16 KB so zálohovaním na 72 hodín
  • modul pamäti EPROM 48 KB
  • zákaznícky modul obsahujúci:
    – PZIO MHB 207 pre pripojenie výstupov z IRČ z dvoch váh (tretí vstup bol voľný),
    – rozšírený prerušovací systém s 8259A,
    – prídavný programovateľný sériový kanál IRPS s 8251 a 8253 a prídavný paralelný programovateľný kanál s 8255
    – galvanické oddelenie diskrétnych vstupov a prerušovacích vstupov z prostredia a diskrétnych výstupov do prostredia,
  • kazeta pre 5 modulov so zdrojom a ventiláciou
  • videoterminály CM 1601 cez IRPS- 2 ks
  • mozaiková tlačiareň (Consul CM 6303) cez IRPR 8- 1 ks

Oba videoterminály boli navzájom zastupiteľné. Cez ľubovoľný videoterminál sa mohol do systému nalogovať prostredníctvom svojho mena a hesla ktorýkoľvek oprávnený operátor.

Programové vybavenie riadiaceho systému

Základom programového vybavenia riadiaceho systému bola exekutíva reálneho času (ERČ 80). Umožňovala používateľovi implementáciu jeho aplikačných algoritmov bez potreby bližšieho a aktívneho poznávania multiprogramového prostredia reálneho času v ktorom tieto pracujú a exekutívy, ktorá ho vytvára. Systémové programové vybavenie zahŕňalo knižnicou aritmetických operácií nad číslami vo formáte pohyblivej rádovej čiarky jednoduchej presnosti FPAL. Aplikačné programy boli napísané v programovacích jazykoch PL/M 80 a assembler ASM 80. Rozsah programového vybavenia bol na hranici adresovateľnosti 8 bitového procesora, kód umiestnený v EPROM mal po kompilácii veľkosť 48 KB a dáta programu zaplnili bez pár bytov celú pamäť RAM s rozsahom 12 KB. S výhodou sa vyžívala vlastnosť perzistencie akumulátorom zálohovanej CMOS RAM pamäte, kde pamäť bola využívaná nielen ako pamäť programu, ale aj ako účelová databáza receptúr, uložených technologických a výrobných údajov, ktoré bolo možné uchovať len vytlačením na pripojenú tlačiareň. Zostava neobsahovala externé pamäťové médium, nakoľko v tom čase nebola k dispozícii externá pamäťová jednotka, ktoré by spĺňala požiadavky na prevádzkovú spoľahlivosť pre riadiace systémy.

Používateľské algoritmy boli implementovane s využitím vlastností exekutívy/operačného systému reálneho času ERČ 80. Napriek veľmi malému výkonu 8 bitového procesora 8080, pracujúceho s hodinovým taktom 2 MHz, bolo segmentáciou kódu do niekoľkých desiatok kooperujúcich úloh (task-ov) dosiahnuté to, že systém obsluhoval a riadil v reálnom čase tri samostatné výrobné okruhy.

Systémové programové vybavenie ERČ 80 bolo doplnené o procedúry uloženia stavu pri výpadku napájania, algoritmy testovania konzistencie pamäti ROM (checksum) a nedeštruktívny test RAM pamäte, ktoré zabezpečovali pokračovanie riadiaceho programu bez straty funkčnosti a dát po výpadku a obnovení napájania.

Programové vybavenie pozostávalo z nasledovných modulov:

  • Terminálové užívateľské rozhranie s prihlasovaním meno/heslo, riadením úrovne prístupu k používateľským funkciám. Terminály boli z užívateľského pohľadu rovnocenné a pracovali súčasne v režime multiuser/multitasking,
  • Modifikácia parametrov receptúr výroby čokolády, originálne receptúry boli uložené v ROM, modifikované receptúry nastavené podľa požiadaviek výrobného plánu v zálohovanej RAM,
  • Monitorovanie procesu praženia kakaových bôbov prípravy kakaovej hmoty, bilancia výroby,
  • Riadenie a monitorovanie procesu navažovania zložiek pre výrobu čokolády (hnetač)
  • Riadenie a monitorovanie procesu konžovania a dotukovania, paralelne pre cca 5 paralelných konžovacích procesov
  • Riadenie procesu navažovania vyrobenej čokolády do 15kg blokov

Dosiahnuté výsledky

Vývoj špecifického technického a programového vybavenia prebiehal vo VÚVT a trval takmer dva roky, avšak na tú dobu sa jednalo – čo sa týka rozsahu a komplexnosti programového vybavenia – o ojedinelý projekt realizovaný riadiacim systémom na báze 8 bitového počítača, realizovaný vo viac-úlohovom (multitasking) prostredí exekutívy reálneho času ERČ 80.

Riadiaci systém bol otestovaný a úspešne uvedený do prevádzky v roku 1990. Pri overovaní nasadenia boli dôkladne preverené všetky časti riadiaceho systému. Riadiaci systém pracoval spoľahlivo, regulácia pracovala v požadovaných medziach. Systém poskytoval tiež podklady pre riadenie a bilanciu výroby a spĺňal požiadavky zadávateľa. Akú dobu bol systém používaný v reálnom výrobnom procese nie je autorom článku v čase písania známe. Riadiace systémy na báze priemyselných 8-bitových procesorov sa v 90-tych rokoch ešte úspešne využívali, avšak postupne boli na úrovni riadenia technologických procesov nahradzované riadiacimi systémami PLC a na úrovni riadenia výroby sa presadzovali riešenia na báze PC, mnohokrát s využitím operačných systémov reálneho času (iRMX, QNX), ktoré vychádzali zo skúseností z obdobných aplikácií mikroprocesorového riadenia.

V nasledujúcej časti seriálu predstavíme aj ďalšie riešenia. Na základe dobových dokumentov zostavil.

Ing. Milan Gábik