Технические средства и системы автоматизации

Работы Института автоматики и телемеханики (ИАТа) по созданию технических средств автоматизации начались ещё в годы Великой Отечественной войны, когда в коллектив Института поступили государственные заказы на создание средств контроля размеров и чистоты обработки массовых изделий, выпускаемых отечественной оборонной промышленностью. Внедрение в производство разработанных в Институте контрольных автоматов позволило существенно сократить штат контролёров, что в грозное военное время было особенно важно. Эта работа, сопровождающаяся глубоким научным анализом общего состояния проблемы, быстро вышла за рамки интересов конкретного производства и была обобщена Институтом в выпущенной после войны коллективной монографии.

Первые послевоенные годы стали началом развития в стране электронной аналоговой вычислительной техники. Уже в 1949 г. в Институте создаётся первая отечественная электронная моделирующая установка ЭМУ-1. Комплекс работ по созданию таких установок был удостоен в 1951 г. Государственной премии СССР. В это же время активно ведутся исследования по разработке принципов и созданию средств непрерывного управления электродвигателями постоянного тока. В 1949–1960 гг. выпускается первая отечественная общепромышленная серия магнитных усилителей, а через год предлагается и экспериментально обосновывается идея магнитных элементов автоматики с прямоугольной петлей гистерезиса. Создаются первые программные пневматические регуляторы, которые находят широкое применение в пневматических системах управления компрессорными скважинами на нефтепромыслах Баку.

В 50-е годы, в связи с технологической революцией, во всех отраслях отечественной промышленности интенсифицируются разработки новых средств автоматизации производственных процессов. Становится очевидным, что назрела необходимость в создании не отдельных приборов, а интегрированных систем, решающих комплексные задачи в целом.

В это время в Институте д.т.н. Б.С. Сотсковым выдвигается идея унификации средств автоматизации технологических процессов с помощью блочно -модульного принципа их построения. Принцип оказался столь плодотворным, что на его базе были заложены основы построения агрегатной унифицированной системы приборов (АУС) (Б.С. Сотсков. “Основы расчёта и проектирования элементов автоматических и телемеханических устройств”. М.: Госэнергоиздат, 1953). Таким образом, к началу 60-х годов в Институте была инициирована разработка методов упорядочения и унификации средств автоматики.

Силами Института создаётся система автоматического управления технологическими агрегатами бетонных заводов непрерывного действия, использованная при строительстве Куйбышевской, Красноярской и других ГЭС. На базе АУС под руководством д.т.н. Д.И. Агейкина и д.т.н. Е.К. Круг в лабораториях Института разрабатываются схемы и конструкции основных модификаций малогабаритных показывающих приборов, электрических регуляторов и электронных усилителей. В тематической группе (ныне лаборатории, возглавляемой д.т.н., проф. В.А. Жожикашвили) выдвигаются принципы построения комплексных телемеханических устройств, сочетающих функции телеуправления, телесигнализации и телеизмерения. Примером использования подобных малогабаритных устройств явилась их установка на подмосковной станции подземной газификации угля. В это же время д.т.н. М.А. Гавриловым разрабатываются основы теории релейно-контактных схем, впоследствии систематизированные им в книге (М.А. Гаврилов. “Теория релейно-контактных схем”. М.: Изд. АН СССР, 1950), которая стала первой в мире монографией на данную тему.

Одним из плодотворных направлений, сформированных в Институте в те годы, стало создание средств телемеханического управления с использованием серийно выпускаемых магнитных и полупроводниковых элементов. С 1958 г. начинается серийное производство разработанных Б.С.  Сотсковым и его учениками, д.т.н. М.А. Розенблатом и д.т.н. Н.П. Васильевой, бесконтактных исполнительных устройств с магнитными усилителями, серии полупроводниковых элементов “Логика Т”, магнитных логических элементов ЭЛМ-50 и ЭЛМ-400 (на Калининском и Симферопольском заводах).

Начало 60-х годов характеризуется бурным развитием теории и практики приборостроения. В коллективе под руководством Д.И. Агейкина разрабатываются и исследуются новые принципы построения широкого спектра датчиков, в том числе термомагнитных газоанализаторов, электромагнитных расходомеров, датчиков неразрушающего контроля и концентратомеров на основе вихревых токов, струйных датчиков давления, дилатометрических датчиков температуры, магнито-стрикционных датчиков перемещения, частотных и время-импульсных датчиков для централизованного контроля и ряда других. Выпущенная под руководством Д.И. Агейкина монография (Д.И. Агейкин, Е.Н. Костина, Н.Н. Кузнецова. “Датчики автоматического контроля и регулирования”. М.: “Машиностроение”, 1965), обобщающая и систематизирующая принципы построения датчиков тех лет, до сих пор является одной из лучших в данной области знания и техники и широко используется специалистами.

Позже в Институте начались работы по созданию полупроводниковых средств восприятия и предварительной обработки оптической информации на основе новых явлений и эффектов в полупроводниковых структурах. В те годы был разработан ряд новых принципов построения полупроводниковых фотоприёмников различных функциональных назначений. Одним из наиболее эффективных и глубоко проработанных полупроводниковых сенсоров этого класса явились фотоприёмники с радиальным электрическим полем, которые в течение ряда лет выпускались серийно заводом “Измеритель” (Москва). В ИАТе создаются: (а) принципиально новая система телеизмерения, самоприспосабливающаяся к потоку передаваемой информации; (б) система управления нагревом металла; (в) новые гидравлические устройства автоматики (следящий привод, регулирующая колонка и др.).

Созданы системы БАРС (для автоматического анализа) и ПАРУС (синтеза релейных устройств), а также устройства телеуправления с большим количеством элементов, предназначенные для управления наземным комплексом световых и радиотехнических средств посадки самолётов. Система БАРС разработана под руководством М.А. Гаврилова его учеником, ныне членом-корреспондентом РАН П.П. Пархоменко. Она и сегодня находится среди экспонатов Политехнического музея, а в своё время вызвала истинный восторг у посетившего Институт “классика” Клода Шеннона. В 1958 г. за цикл работ по теории релейных устройств Президиум Академии наук СССР присудил М.А. Гаврилову премию им. П.М. Яблочкова.

На базе результатов, достигнутых в области пневмоавтоматики, предложен элементный принцип построения приборов пневмоавтоматики, на основе которого разработана унифицированная система элементов промышленной пневматики (УСЭППА). За разработку этой системы д.т.н. М.А. Айзерман и д.т.н. А.А. Таль, к.т.н. А.А. Тагаевская, инженеры Т.К. Берендс и Т.К. Ефремова были удостоены Ленинской премии. В развитие этих работ был выдвинут новый аэродинамический принцип построения приборов, что стало началом новой науки – пневмоники, определяющей закономерности построения струйной техники.

Блочно-модульный принцип построения был использован при создании появившейся в те годы электрической агрегатной унифицированной системы приборов (ЭАУС), представляющей собой комплекс унифицированных регулирующих и функциональных устройств. Принятый в этой системе унифицированный электрический сигнал связи 0–5 мА обеспечивал совместимость работы её приборов с первыми промышленными машинами централизованного контроля и управления.

В 1907–1973 гг. создается универсальная система элементов гидравлической регулирующей автоматики (СЭГРА).

Начиная с середины 60-х годов, несомненным успехом явилось создание и серийный выпуск нового класса средств электроизмерений – автоматических измерителей параметров комплексных величин (ёмкости, индуктивности, сопротивления, добротности и т.д.). Созданию этого класса наиболее сложных электроизмерительных приборов, в которых соединяются наивысшие достижения в области метрологии и автоматики, должен был предшествовать период глубоких научных исследований и разработок. Весьма высоко оценивая перспективность автоматизации измерений параметров разнообразных объектов на переменном токе, учёные Института заложили теоретические основы построения таких приборов, разработав, в частности, не имевшие аналогов в автоматике методы быстрого поиска состояния равновесия измерительной цепи, так называемого координированного уравновешивания. Методология координированного уравновешивания позволила создать самые быстродействующие в мире автоматические мосты для измерения комплексных величин (Р5010, Р5058 и др.). В 1976 г. эта работа была отмечена Государственной премией СССР (д.т.н. В.Ю. Кнеллер, к.т.н. Ю.Р. Агамалов – ныне д.т.н.).

Работы в области создания приборов велись столь широким фронтом, что потребовалось решение задачи по систематизации результатов, полученных при разработке средств автоматизации с электрическим цифровым и аналоговым сигналами, а также сигналами на основе пневматики, пневмоники и гидравлики. Эта задача была поставлена в Институте как исследовательская, и таким образом было положено начало созданию под руководством Института основ построения Государственной системы приборов и технических средств автоматизации (ГСП).

Появление ГСП стало крупным событием в практике мирового приборостроения. Разнообразнейшая и сложнейшая система взаимосвязанных технических средств была впервые реализована в общегосударственном масштабе на единых системотехнических принципах. Коллективом специалистов под руководством члена-корреспондента АН СССР Б.С. Сотскова формировалась общая структура системы, позволяющая обеспечить единый подход к разработке средств автоматики с различным энергетическим носителем сигналов связи, вырабатывались принципы взаимной конструктивной, информационной и эксплуатационной совместимости технических средств, определялись предпосылки для разработки основополагающего стандарта ГОСТ 12997-67 “ГСП. Общие технические требования”.

Второй этап формирования ГСП совпал с проведением работ по созданию первых автоматизированных систем управления в различных отраслях промышленности, что потребовало расширения номенклатуры технических средств. Теперь эти средства практически полностью создавались в рамках ГСП.

В 60–70-е годы коллектив разработчиков Института совместно с рядом приборостроительных организаций определяет теоретические основы построения ГСП. Тогда же, параллельно с решением общих системных задач, широко развернулись работы по использованию системного подхода к созданию средств автоматизации новых классов. Разрабатывались новые принципы их построения, определялись технические требования к основным блокам электрической ветви, были достигнуты серьёзные результаты в области создания гидравлических средств автоматики, сконструированы и построены бесконтактные электрические исполнительные устройства, получившие широкое применение в автоматических регуляторах.

Третий период развития ГСП можно отнести к историческому этапу широкого внедрения идеологии АСУ с использованием средств вычислительной техники. На этом этапе вновь создаваемые технические средства реализовались в рамках унифицированных агрегатных комплексов, использовавших системотехнические основы и принципы построения ГСП, в том числе агрегатные комплексы средств вычислительной техники (АСВТ), средств телемеханической техники (АСТТ), средств локальных информационно-управляющих систем (КТС ЛИУС). Закрепление в государственных стандартах принципов унификации и сопрягаемости выпускаемых и вновь разрабатываемых средств обеспечило возможность согласованного развития средств промышленной автоматики, созданных в различное время.

В этот период формулируется агрегатный принцип построения средств контроля и управления на основе базовых конструкций и модулей, и, как следствие, получают широкое развитие работы по созданию приборов не только для общепромышленного применения, но и в условиях воздействия агрессивных и взрывоопасных сред.

Такое направление работ в построении ГСП нашло применение в химии, нефтехимии, металлургии, энергетике, на транспорте.

Следует отметить, что на этом этапе практически все вновь разрабатываемые технические средства реализуются в рамках унифицированных агрегатных комплексов, использующих системотехнические основы и принципы построения ГСП.

Дальнейший этап развития технических средств автоматизации (70-е годы) совпал с широким внедрением новых средств контроля в промышленные системы автоматизации производственных процессов, созданных на базе аналого-цифровой техники. Под руководством д.т.н. Б.Я. Когана создаются гибридные вычислительные системы ГВС-100, а впоследствии – двухуровневая ГВС “Русалка”.

Новый импульс созданию аналоговой техники дало появление микро-, а затем наноэлектроники. В Институте создаётся теория расчёта   таких устройств, и в 1977 г. её автор, д.т.н. Д.Е. Полонников, становится лауреатом Государственной премии СССР. На базе микроэлектронной технологии были предложены новые принципы построения устройств обработки непрерывной информации, включая преобразователи самого различного назначения и класса точности, в том числе и первичные. Разработки Института (операционные усилители серии 140, 740, 144, 744, 1108) были освоены на заводе ПО “Кристалл” (Киев, 1977), РЗПП (Рига, 1980) и на заводе им. Пегельмана (Таллинн, 1986).

Начало 80-х годов ознаменовалось появлением нового поколения средств автоматизации в виде программно-технических средств и систем. К этому времени в Институте проблем управления был накоплен определённый научный задел в области разработки систем автоматизации на программируемых микроэлектронных устройствах и созданы средства контроля на базе микропроцессоров. Появляются первые интеллектуальные датчики, умеющие учитывать дополнительные погрешности от изменения температуры, давления или других параметров окружающей среды. Средства переработки информации постепенно “сближаются” с объектом контроля, начинается использование специализированных процессоров. Всё это поставило перед создателями технических средств автоматизации принципиально новые задачи.

Ещё в начале 60-х годов в микроэлектронике была выдвинута концепция однородных микроэлектронных логических и вычислительных структур, состоящих из однотипных функциональных элементов с одинаковыми связями между ними (типа нейронных сетей). Концепция разрабатывалась под руководством д.т.н., проф., академика АН ГССР И.В. Прангишвили. В работах сотрудников Института было показано, что использование избыточности, регулярности, параллельности и перестраиваемости однородных структур и связей является кардинальным принципом повышения надёжности и производительности логических и вычислительных устройств, их автоматической адаптации к выполняемым функциям. Результаты теоретических исследований и практических (тогда – только макетных) разработок Института легли в основу монографии И.В. Прангишвили, Н.А. Абрамова, Е.В. Бабичева, В.В. Игнатущенко. “Микроэлектроника и однородные структуры для построения логических вычислительных устройств”. М.: “Наука”, 1967, посвящённой систематизированному изложению проблематики однородных перестраиваемых структур.

Первой “ласточкой” в материализации результатов теоретических исследований стала микро-ЭВМ ПС-300, созданная Институтом совместно с НПО “Элва” (Тбилиси, 1976 г.). Дальнейшее развитие нетрадиционных принципов динамической перестраиваемости вычислительных средств привело к разработке высокопроизводительных многопроцессорных вычислительных систем (МВС) с перестраиваемой структурой (ПС) как с одним, так и со многими потоками команд и данных (И.В. Прангишвили, С.Я. Виленкин, И.Л. Медведев. “Параллельные вычислительные системы с общим управлением”. М.: “Энергоатомиздат”, 1983).

Оригинальный принцип перестраиваемости МВС серии ПС заключается в способности МВС к динамическому перераспределению параллельных ресурсов каждого типа (устройств управления, процессорных элементов, памяти, устройств ввода-вывода) между задачами, и/или их параллельными фрагментами, и/или параллельными командами фрагментов, то есть к перераспределению, осуществляемому операционной системой или аппаратурными средствами по указаниям в программе или автоматически (посредством анализа процесса выполнения программ) в соответствии с текущими требованиями задач, их фрагментов и команд на ресурсы.

Другие принципы построения МВС серии ПС, широко реализуемые и в современных многопроцессорных вычислительных комплексах, требуют:

На указанных принципах Институтом совместно с НПО “Импульс” (г. Северодонецк, УССР) были разработаны и освоены в серийном производстве следующие многопроцессорные комплексы:

Принципиально важно, что по производительности комплексы ПС были соизмеримы с самыми мощными отечественными вычислительными системами соответствующих классов, и это при том, что МВС серии ПС создавались на серийной элементной и конструкторской базе самого общего применения (без использования каких-либо новых технологий и специальных схем). Именно поэтому машины серии ПС имели наилучшие значения соотношения производительность/стоимость среди всех отечественных МВС.

При разработке алгоритмического и программного обеспечения машин серии ПС был накоплен значительный опыт параллельного программирования и создан обширный алгоритмический багаж, который может быть использован при решении больших вычислительных задач на современных параллельных вычислительных системах. Были также созданы методики разработки параллельного алгоритмического и программного обеспечения.

В дальнейшем были сконструированы (частично – “в металле”) новые, ещё более мощные комплексы ПС, однако их дальнейшая эволюция была остановлена распадом Советского Союза.

Уникальный опыт, приобретённый сотрудниками Института при создании комплексов ПС, используется при построении отказоустойчивых параллельных бортовых систем, в разработке оригинальных средств управления вычислительными процессами для систем реального времени.

Большой вклад в развитие численных методов параллельных вычислений внёс д.ф-м.н. Е.Г. Сухов. Им созданы быстрые параллельные алгоритмы синтеза трёхмерных изображений в задачах научной визуализации, разработаны новые параллельные методы восстановления ультразвуковых томографических изображений, основанные на численном решении обратной задачи рассеяния в приближениях Борна и Рытова. Численно изучена устойчивость полученных алгоритмов. Проанализированы методы решения нелинейной обратной задачи рассеяния акустики. Выполнено исследование рекурсивных структур и алгоритмов решения больших задач линейной алгебры, получены оценки сложности для плотных матриц различных типов. Построены параллельные алгоритмы декодирования Рида-Соломона, предложена параллельная архитектура декодера. Разработаны и исследованы методом Монте-Карло параллельные алгоритмы моделирования. Математические и численные алгоритмы могут быть использованы и для широкого спектра современных вычислительных систем массового параллелизма.

В 1986 г. после аварии на Чернобыльской АЭС Институту проблем управления было поручено возглавить работы по созданию перспективной АСУ ТП для АЭС.

Проанализировав положение в области создания систем управления особо ответственными объектами и последние достижения в сфере методов управления и обеспечения надёжности, в Институте сформулировали концепцию создания распределённой отказобезопасной системы управления, отвечающей требованиям МАГАТЭ по основным параметрам безопасности и уровню автоматизации. Концепция была принята на НТС Минатомэнерго, Минприбора и положена в основу проекта АСУ ТП Башкирской АЭС.

Одно из важнейших положений концепции заключалось в обосновании необходимости создания нового типа технических средств автоматизации – средств программируемой автоматики с параллельной структурой (СПА-ПС).

Разработанная в Институте концепция СПА-ПС основывалась на глубоких исследованиях по теории логического синтеза, процедурах логических вычислений и способах обеспечения отказобезопасности на базе схем с самоконтролем. Эти исследования были начаты в Институте ещё в 40-е годы членом-корреспондентом АН СССР М.А. авриловым и развивались его учениками и последователями.

Основные технические идеи, положенные в основу СПА-ПС, заключаются в распределённости, специализации и контролируемости процессов обработки и коммуникации. Эти идеи конкретизируются в следующих принципах построения структуры:

Средства СПА-ПС серийно освоены в 1994–1997 г. в производстве в г.Омске в АО ПК “Автоматика”. Средства СПА-ПС сертифицированы органами Госстандарта РФ в качестве средств измерений и на соответствие требованиям ГОСТ Р по безопасности.

Принципы, заложенные в основу ГСП, оказались исключительно глубокими и перспективными. Поэтому уже в конце 80-х годов в процессе создания нового поколения технологических и программных средств автоматизации эти принципы удалось развить и обобщить применительно к стремительно меняющимся экономическим отношениям между различными предприятиями страны. В результате проведённых в Институте проблем управления исследований были выдвинуты принципы построения ГСП-2, определившие программно-технический комплекс как новый вид системно-ориентированной приборной продукции.

Если раньше целью построения системы являлось создание только технических средств для удовлетворения потребностей промышленности в автоматизации процессов управления, то теперь цель формулировалась как создание программно-технических средств нового поколения для удовлетворения потребностей всего хозяйства страны в целом.

Новая цель определила и новые задачи, решаемые при построении ГСП-2 (второго поколения ГСП). Среди них:

Сегодня к числу важнейших работ Института проблем управления отнесено создание датчиков и сенсоров различных классов. Одним из рациональных путей построения высокоточных унифицированных датчиков неэлектрических величин является использование в них монокристаллических структурных резонаторов, изготовленных на основе групповой планарной технологии микроэлектроники.

Работы Института по исследованию свойств полупроводниковых структур с вольтамперными характеристиками (ВАХ), имеющими участки, в которых однозначность зависимости тока от напряжения нарушается (так называемые ВАХ с отрицательным дифференциальным сопротивлением), привели к созданию структур с L-образными характеристиками (в отличие от известных S- или М-образных ВАХ). Изменение феноменологических параметров, конструкций или режима работы этих структур приводит к изменению их чувствительности к различным внешним воздействиям. Это позволяет разрабатывать на их основе сенсоры различных физических величин, обладающие такими функциональными и эксплуатационными возможностями, что они абсолютно превосходят все известные в настоящее время полупроводниковые сенсоры аналогичного назначения (например, датчик Холла, тензоэлементы, магнитодиоды, фотодиоды, NTC-термисторы и т.п.). Особый интерес вызывает способность структур не только вырабатывать сигнал реакции на внешнее воздействие, но и производить некоторые необходимые функциональные преобразования этого сигнала (типа его усиления, аналого-цифрового преобразования, интегрирования во времени, запоминания и пр.), то есть напрямую реализовывать принцип многофункциональности.

К настоящему времени разработаны следующие типы полупроводниковых многофункциональных сенсоров (Z-сенсоров):

В последние годы отдельные типы Z-сенсоров демонстрировались на 14 зарубежных выставках “Высокие технологии России”. Технологией производства Z-сенсоров не обладает ни один из зарубежных мировых производителей электронных компонентов. Они запатентованы в России (№ 1739102), в США (№ 25742092), в Китае (№ 07113376 X и № 972227361 IX), в Европе (№ ЕР 0456825 AI).

Можно утверждать, что сегодня рождается новый перспективный класс интеллектуальных цифровых средств измерения, обладающих новыми возможностями обработки сигналов. Благодаря гибкому построению таких средств, более быстрому интерактивному функционированию, способности к переконфигурации и возможностям использования многозадачного режима обмена данными с периферийными устройствами (сенсорами, преобразователями и т.п.), философия их проектирования пользуется всё большей популярностью по сравнению с идеологией специализированной архитектуры аппаратно-программных средств ГСП-2.

По сути, создание новых средств автоматизации управления вносит корретивы в принципы ГСП-2, требуя: