Управляющая ЭВМ

Управляющая ЭВМ — это специализированная или универсальная электронная вычислительная машина, предназначенная для автоматического управления технологическими процессами, производственным оборудованием, энергетическими системами, транспортными средствами и другими сложными объектами в реальном времени. В отличие от вычислительных машин общего назначения, ориентированных на обработку данных и решение научных или экономических задач, управляющая ЭВМ функционирует в составе автоматизированных систем управления (АСУ), систем управления технологическими процессами (АСУ ТП) и встроенных систем.

История

Предпосылки появления

Необходимость в автоматизации управления возникла с развитием промышленности в середине XX века. Ручное управление сложными агрегатами (прокатные станы, химические реакторы, энергоблоки) становилось всё менее эффективным и безопасным. Первые попытки автоматизации основывались на релейно-контактных схемах и аналоговых регуляторах, но они обладали ограниченной гибкостью и сложностью перенастройки.

Первые управляющие ЭВМ

В 1950-х — начале 1960-х годов в СССР и США началась разработка машин, способных работать в контуре управления. В СССР одной из первых стала ЭВМ «Днепр» (разработка Института кибернетики АН УССР, 1961 год). Она была ориентирована на управление промышленными объектами, в частности, на металлургических заводах. В США в 1962 году компания IBM представила систему IBM 1710 — первую специализированную управляющую ЭВМ, построенную на базе машины IBM 1620. Она применялась для управления химическими процессами и испытаниями.

Развитие в СССР

В 1960–1970-е годы в СССР была создана серия специализированных управляющих машин:

• М-6000 и М-7000 (серия АСВТ М-6000/7000) — модульные машины, использовавшиеся в атомной энергетике, металлургии и на транспорте.
• СМ-1, СМ-2, СМ-3 (серия «СМ» — система малых ЭВМ) — семейство машин, разработанное в рамках программы «СМ ЭВМ» для автоматизации научных исследований и промышленного управления.
• Электроника-100/25 — мини-ЭВМ, широко применявшаяся в системах управления станками с ЧПУ (числовым программным управлением) и робототехнических комплексах.

Переход к микропроцессорам

С появлением в 1970-х годах микропроцессоров (Intel 4004, 8080, а в СССР — серия КР580) управляющие ЭВМ стали компактнее, дешевле и надёжнее. Появились программируемые логические контроллеры (ПЛК), которые постепенно вытеснили громоздкие мини-ЭВМ в задачах локальной автоматизации. Однако в сложных системах (управление энергосистемами, авиационными тренажёрами, космическими аппаратами) продолжали использоваться мощные управляющие вычислительные комплексы.

Классификация

Управляющие ЭВМ можно классифицировать по нескольким признакам.

По архитектуре и назначению

• Специализированные управляющие ЭВМ — разрабатываются для конкретного класса объектов (например, бортовые ЭВМ летательных аппаратов, управляющие машины атомных станций). Отличаются жёсткими требованиями к надёжности, времени реакции и устойчивости к внешним воздействиям.
• Универсальные управляющие ЭВМ — построены на базе серийных машин общего назначения, но оснащены специальными устройствами связи с объектом (УСО) и операционной системой реального времени. Примеры: советские машины серии «СМ», западные PDP-11, VAX.

По масштабу

• Локальные (микро-ЭВМ, ПЛК) — управляют одним агрегатом или участком. Например, контроллер станка с ЧПУ.
• Групповые (мини-ЭВМ) — управляют группой агрегатов или цехом.
• Центральные (крупные ЭВМ) — управляют предприятием или энергосистемой в целом, часто работают в составе АСУП (автоматизированная система управления предприятием).

По режиму работы

• Онлайновые (online) — работают в реальном времени, непосредственно подключены к объекту управления.
• Офлайновые (offline) — используются для расчёта управляющих воздействий, которые затем передаются на объект через оператора или через промежуточные устройства.

Устройство и характеристики

Аппаратная часть

Управляющая ЭВМ включает стандартные блоки вычислительной машины (процессор, память, устройства ввода-вывода), но имеет ряд особенностей:

• Устройства связи с объектом (УСО) — модули аналого-цифровых (АЦП) и цифро-аналоговых (ЦАП) преобразователей, дискретные входы/выходы, датчики, исполнительные механизмы. УСО обеспечивают преобразование сигналов от датчиков (температура, давление, скорость) в цифровой код и обратно.
• Повышенная надёжность — резервирование критичных узлов, защита от помех, работа в широком диапазоне температур и вибраций.
• Специализированные процессоры — часто используются сигнальные процессоры (DSP) или микроконтроллеры, оптимизированные для обработки потоковых данных в реальном времени.

Программное обеспечение

• Операционные системы реального времени (ОСРВ) — обеспечивают детерминированное выполнение задач с гарантированным временем отклика. Примеры: QNX, VxWorks, а в советской практике — ОСРВ для машин серии «СМ» (например, ОС РВ СМ ЭВМ).
• Прикладное программное обеспечение — реализует алгоритмы управления (ПИД-регуляторы, адаптивное управление, логические схемы), а также интерфейсы для оператора (SCADA-системы).

Применение

Промышленность

Управляющие ЭВМ являются основой автоматизации в металлургии, химической промышленности, машиностроении. Они управляют прокатными станами, доменными печами, реакторами, конвейерными линиями. В СССР управляющие ЭВМ серии «Днепр» и М-6000 эксплуатировались на Новолипецком металлургическом комбинате, Нижнетагильском металлургическом комбинате и других предприятиях.

Энергетика

На атомных и тепловых электростанциях управляющие ЭВМ контролируют параметры реактора, турбин, генераторов, обеспечивают безопасность и оптимизацию режимов. В СССР для этих целей использовались машины серии «СМ» и специализированные вычислительные комплексы «Скала», «Титан».

Транспорт

• Авиация — бортовые ЭВМ управляют полётом, навигацией, системами вооружения. Пример: советская бортовая ЭВМ «Аргон» для самолётов МиГ-25.
• Железнодорожный транспорт — управляющие ЭВМ используются в системах диспетчерской централизации, автоматической локомотивной сигнализации.
• Автомобилестроение — современные автомобили оснащены десятками микроконтроллеров (управление двигателем, тормозами, климат-контролем).

Космонавтика

Бортовые управляющие ЭВМ обеспечивают ориентацию, навигацию и управление космическими аппаратами. В СССР на космических кораблях «Восток», «Союз» и орбитальных станциях «Салют», «Мир» использовались ЭВМ серии «Аргон» и «Салют».

Оборона

Управляющие ЭВМ входят в состав систем управления ракетным оружием, ПВО, радиолокационных станций. Например, советская ЭВМ «Эльбрус» применялась в системах противоракетной обороны (ПРО) и управления воздушным движением.

Примеры советских и российских управляющих ЭВМ

Современное состояние

С развитием микропроцессорной техники и встраиваемых систем классические управляющие ЭВМ в значительной степени вытеснены программируемыми логическими контроллерами (ПЛК), промышленными компьютерами (IPC) и микроконтроллерами. Однако в задачах, требующих высокой вычислительной мощности и сложной логики (управление энергосистемами, крупными химическими комплексами, авиационными тренажёрами), продолжают использоваться специализированные вычислительные комплексы на базе современных процессоров (например, российские разработки на базе процессоров «Эльбрус» и «Байкал»). В России и странах СНГ на предприятиях сохраняется значительный парк устаревших управляющих ЭВМ серий «СМ» и «Электроника», которые постепенно заменяются современными решениями.

Источники

• А. И. Китов, «Электронные вычислительные машины», 1958.
• В. М. Глушков, «Кибернетика и управление», 1962.
• Б. Н. Малиновский, «История вычислительной техники в лицах», 1995.
• «ЭВМ и системы управления», под ред. В. А. Трапезникова, 1974.
• Технические описания ЭВМ «Днепр», М-6000, СМ-1, «Эльбрус» (архивные материалы).