Вычислительные комплексы для создания автоматизированных систем управления технологическими процессами в производстве
И.В. Романчев
В управляющих вычислительных комплексах (УВК) в качестве вычислительных средств применялись уже серийные универсальные ЭВМ типа «Урал-11», «Урал-14» и «Урал-16», в дополнение к которым в отделе № 4 были разработаны, отлажены и скомплексированы специализированные устройства, необходимые для реализации конкретной системы. Специально для этой же системы создавалось и соответствующее программное обеспечение (ПО).
С середины 1960-х и до начала 1970-х годов проектировались и внедрялись в производство управляющие вычислительные комплексы для автоматизированной системы управления прокатом тонкого стального листа (УВК «Листопрокат») и для автоматизированных систем управления строительным производством крупных городов — Москвы и Ленинграда (АСУС «Строитель»).
УВК «Листопрокат»
Вычислительный комплекс для управления прокатом тонкого стального листа (УВК «Листопрокат») разрабатывался, начиная с 1966 года, по договору с металлургическим заводом «Запорожсталь». Управляющий вычислительный комплекс «Листопрокат» был предназначен для решения задач контроля, централизованного управления и оптимального регулирования производственного процесса в прокатном производстве этого завода. Решаемые при этом задачи можно было разделить на три группы. Первая группа — задачи оперативного планирования, куда входили анализ и обработка «портфеля» заказов на прокатную продукцию, разработка календарных и сменно-суточных планов-графиков производственных участков, составляющих поток — мартен-слябинг-тонколистовой стан горячей прокатки, а также обеспечение диспетчера управляющего вычислительного комплекса всей необходимой информацией для переназначения плавок. Другой вид задач — задачи информационного характера. В их число входили сбор, накопление, обработка, отображение оперативных данных о производстве в слябинговом цехе, а также о выполненных и разлитых плавках в мартеновском цехе. Наконец, последняя группа — задачи отделения подготовки составов с изложницами для транспортировки расплавленного металла.
Необходимо пояснить, что изложница — это ёмкость в виде плоского стакана с разъёмным поддоном и плечиками для захвата их подъёмным краном при снятии изложницы с поддона. Поскольку изложницы перемещаются по территории завода на железнодорожных платформах, в задачи управления входило также централизованное управление железнодорожными стрелками, определяющими направления движения составов с пустыми изложницами и с расплавленным металлом. Одновременно выполнялись сбор, обработка и отображение сведений о местонахождении составов и локомотивов. Вместе с решением описанных задач осуществлялось управление агрегатами охлаждения, чистки и смазки изложниц, а также оперативное планирование и корректировка графика работ.
По степени оперативности связи с производственным процессом задачи классифицировались следующим образом: первая группа — это задачи, начальные и конечные моменты решения которых жестко привязаны к реальному времени; вторая группа — задачи, не связанные с реальным временем. К ним относятся, в основном, задачи перспективного планирования на определенные отрезки времени и формирование документа сменно-суточной отчетности.
Эти особенности обусловили четкое выделение в структуре комплекса двух подсистем: оперативного планирования и информационно-управляющей. Целевые функции первой подсистемы обеспечивались выполнением заданного объёма вычислений в соответствии с принятыми алгоритмами и программами в заданные сроки при условии своевременного ввода исходных данных с типовых носителей информации, пульта вычислительной машины и по каналу связи из второй подсистемы (в заданные по времени периоды), регулярного вывода результатов решений на печать, перфоносители, пульт машины и во вторую подсистему — через канал связи. Условия работы технических средств первой подсистемы и решаемые задачи — нормальные для вычислительных центров промышленных предприятий. Целевые функции, выполняемые второй подсистемой, обладали особенностями и требовали для реализации универсальных и специализированных средств, объединенных в специализированный комплекс.
В качестве планирующей вычислительной машины, реализующей функции первой подсистемы, была выбрана, по степени соответствия её технических параметров требуемым, универсальная вычислительная машина «Урал-14Д», которая сопрягалась с помощью автоматического быстродействующего канала «память-память» с центральным процессором информационной управляющей подсистемы. В качестве этой машины была также выбрана ЭВМ «Урал-14Д», к которой были подключены специализированные устройства комплекса. Для вычислительного комплекса «Листопрокат» были разработаны специализированные устройства ввода-вывода, устройства сопряжения с технологическими датчиками, командно-сигнализационные табло и устройства отображения информации на экране кинескопа (по современному — мониторы или дисплеи), дистанционные печатающие устройства и аппаратура передачи данных. Общесистемная надёжность аппаратуры достигалась распределением выполняемой обработки данных по самостоятельным функциональным блокам (с возможностью их резервирования). Для объединения элементов в систему использовались радиальные связи по специальным некоммутируемым линиям, причем, для обеспечения высокой помехоустойчивости линии связи экранировались, для передачи информации использовались принципы частотной модуляции, а также потенциальные логические элементы комплекса «Урал-10». В то время этот комплекс имел высокие надёжностные характеристики по сравнению с другими логическими элементами второго поколения. Следует отметить, что к началу разработки УВК «Листопрокат» машины типа «Урал-14» были наиболее приспособлены для работы в многомашинных комплексах и системах благодаря наличию в составе разработанных для машин «Урал» второго поколения специальных устройств, обеспечивающих комплексирование машин, а также вследствие гибкости структуры оперативной и внешней памяти, высокой надёжности элементной базы.
Предварительные испытания комплекса «Листопрокат» позволили установить соответствие фактических характеристик расчётным. Эксплуатационные и надёжностные качества терминальных устройств соответствовали условиям их использования в комплексе. Расчленение в комплексе «Листопрокат» выполнения целевых функций по функциональным блокам, подсистемам и функциональная самостоятельность этих блоков и подсистем позволяла обновлять комплекс технических средств путём частичной замены оборудования по мере появлением его более совершенных модификаций.
Таким образом, с созданием ТС комплекса «Листопрокат» и внедрением автоматизированной системы управления прокатным производством в чёрной металлургии для целей автоматизации была разработана новая аппаратно-программная база.
Работы над созданием УВК «Листопрокат» велись несколькими организациями: Пензенским НИИ математических машин (ПНИИММ) разрабатывались вычислительные средства, средства связи и передачи данных, а также общее ПО; Днепропетровским НИИ чёрной металлургии создавались технологические датчики; Московским институтом стали и Московским Институтом проблем управления АН СССР разрабатывалось специальное ПО, а Московским Всесоюзным НИИ автоматизации чёрной металлургии — алгоритмы работы управляющего вычислительного комплекса. Руководителем работ от ПНИИММ был кандидат технических наук Николай Сергеевич Николаев, а научным руководителем работ от Московского института проблем управления был доктор технических наук Владимир Лазаревич Эпштейн. Содействие в работах по созданию и внедрению комплекса «Листопрокат» оказывал директор Института проблем управления (ИПУ АН), депутат Верховного Совета СССР, Советник Правительства, академик Вадим Александрович Трапезников.
Руководителями и участниками разработки комплекса «Листопрокат» от ПНИИММ были начальники лабораторий Анатолий Васильевич Муромский и Иван Васильевич Романчев. Основными разработчиками комплекса были инженеры и техники различных категорий: Юрий Андреевич Гришков, Василий Иванович Петренко, Леонид Давидович Шумский, Константин Григорьевич Борисов, Илья Борисович Чобруцкий, Николай Афанасьевич Трусов, Юлия Петровна Серебрякова, Евгения Евгеньевна Левина, Любовь Никифоровна Пункевич, Галина Фроловна Фомичева, Галина Петровна Новичкова, Альфред Яковлевич Вуль, Тамара Ивановна Мишина, Валентина Николаевна Алтунина, Мария Егоровна Аникушкина, Элеонора Семеновна Шмагина.
В начале 1970 года ТС, общее и тестовое ПО управляющего вычислительного комплекса «Листопрокат» были отлажены и отправлены потребителю на завод «Запорожсталь», где оборудование было смонтировано, комплексно отлажено, испытано и передано на год в опытную эксплуатацию. Однако, во время этой эксплуатации руководство завода не уделяло должного внимания комплексу и его обслуживающему персоналу. Вследствие этого качество обслуживания аппаратуры резко снизилось и, соответственно, резко упала надёжность технических средств. Произошло это из-за плохо проводимых профилактических работ и загрязнения помещений, где размещались ЭВМ «Урал-14» с подключенными накопителями на магнитных барабанах и магнитных лентах.
Встал вопрос, что делать дальше? Передавать в промышленную эксплуатацию технику, имеющую низкую надёжность, нельзя. Для выяснения и доказательства причин неустойчивой работы комплекса руководителю разработчиков И.В. Романчеву, по согласованию с руководителем работ Н.С. Николаевым, пришлось вызывать бригаду специалистов для проведения профилактических работ, а также наладить четкое ведение журнала по учёту сбоев и отказов комплекса. Кроме того, по совету разработчиков руководство завода создало лабораторию для обслуживания УВК «Листопрокат» с чётким закреплением обязанностей между сотрудниками, зарплата обслуживающему персоналу была повышена, а остро нуждающихся поставили в очередь на получение жилья.
Результаты такого подхода были поразительными. Через несколько месяцев показатели надёжности УВК «Листопрокат» были выше значений, заданных Техническим заданием. Конфликтная ситуация больше не возобновлялась. Управляющий вычислительный комплекс «Листопрокат» заработал в ритме прокатного стана, а обслуживающий персонал — по скользящему графику в четыре смены, включая выходные и праздничные дни.
АСУС «Строитель»
Вычислительный комплекс автоматизированной системы управления строительным производством (АСУС «Строитель») разрабатывался по договору с трестом Главмосстрой с конца 1963 года. Главная проблема при крупном строительном производстве, а именно таким и было строительство в Москве, заключалось в организации и обеспечении бесперебойного действия строительного конвейера, работающего в принудительном ритме по суточным и часовым графикам. В такой конвейер должны были входить все основные технологические процессы — погрузка сборных деталей, материалов и оборудования для обеспечения строительства на заводах строительных конструкций, со складов и баз снабжения, транспортирование этих грузов на объекты строительства и непосредственно производство строительно-монтажных работ. Решение такой проблемы было достижимо путем применения следующих методов выполнения строительных работ:
- монтаж полносборных зданий путем установки на соответствующие места готовых строительных деталей, снимаемых непосредственно с транспортных средств («с колес»), в соответствии с единым часовым графиком работы заводов стройдеталей, транспорта и строительных площадок;
- организация строительства долговременными потоками;
- комплектация строящихся объектов материалами и полуфабрикатами в контейнерах в соответствии с выполняемыми в данный момент строительными работами;
- сетевое планирование и управление, обеспечивающее полную взаимную увязку всех процессов строительства и рациональные режимы выполнения строительных технологических процессов.
Полная реализация таких методов строительства обеспечивала снижение затрат труда, улучшение использования мощностей строительных организаций, сокращение сроков строительства и снижение себестоимости строительно-монтажных работ. Очевидно, что при этом необходимо было планировать работу строительного конвейера на год, квартал, месяц, разработать суточные и почасовые графики комплектации, доставки и монтажа деталей, а также обеспечить другие виды оперативно-производственной деятельности с учётом взаимной увязки мощностей строительных заводов и специализированных монтажных организаций и других предприятий строительной промышленности. Самое главное — должен был обеспечиваться оперативный контроль за выполнением этих планов и графиков в масштабе времени их представления (для суточных — контроль раз в смену, для почасовых — с интервалами, не превышающими 15 минут), что могло обеспечить немедленное принятие мер по предупреждению возникающих нарушений графиков и ликвидации их последствий, если нарушения уже произошли. Общий объём плановой и оперативно-производственной документации, требующей ежедневной обработки, составлял порядка 13,5 млн. алфавитно-цифровых знаков. Такой же объём информации должен был передаваться ежедневно из центра управления на объекты, входящие в контур управления. В центр управления только с периферии (диспетчерских пунктов, строек, баз, заводов) должно было поступать ежедневно оперативно-производственных и отчётно-учётных сообщений объёмом около 1,8 млн. алфавитно-цифровых знаков (при условии специального кодирования, что значительно сокращало их объём). Естественно, что формирование, передача, приём и переработка таких потоков данных, обрамленных внутренней, например, нормативно-справочной информацией, центр управления мог выполнить только средствами мощной автоматизированной системы.
В соответствии с целевым назначением коллективами научно-исследовательских и проектных организаций Главмосстроя совместно с научно-исследовательскими и проектными предприятиями Министерства радиопромышленности и Министерства связи СССР в 1963-1965 годах был разработан проект автоматизированной системы управления строительством Главмосстроя — АСУС. В состав этой системы входило три взаимосвязанных подсистемы — подсистема автоматизированного планирования и разработки оперативно-производственной документации, подсистема автоматизированного контроля и регулирования производства и подсистема машинного учёта и отчётности. Планы, графики и другие оперативно-производственные документы, разрабатываемые в первой подсистеме, поступали для обеспечения своевременного контроля во вторую подсистему. Результаты контроля по всем документам должны были передаваться в обратном направлении для оперативной корректировки планов и графиков на последующие периоды. Значительная часть данных, полученных в результате контроля производства (например, сведения о комплектации объектов строительства), использовалась в подсистеме учёта и отчётности. Некоторые результаты учёта, имеющиеся в третьей подсистеме, использовались для работы первой подсистемы. В основу структурной организации технических средств АСУС был принят принцип сбора и формирования информации в местах её возникновения и передачи этой информации в управляющий вычислительный центр, где должна выполняться переработка данных в соответствии с заданными целевыми функциями. В соответствии с этим принципом были предусмотрены такие узловые пункты системы, как управляющий вычислительный центр центрального диспетчерского пункта (ЦДП), производственные диспетчерские пункты в районах застройки и на крупных объектах (ПДП), стационарные диспетчерские пункты на предприятиях, базах механизации и в автохозяйствах (ДП), диспетчерские пункты в строительных и специализированных трестах, производственных управлениях (ДП-1) и диспетчерские пункты в строительных и специализированных управлениях (ДП-2). Эти узловые пункты управления должны были соединяться между собой в зависимости от назначения проходящих потоков информации различными видами связи.
Важнейшей частью комплекса была система обмена данными (СОД), соединяющая ПДП и ЦДП с управляющим вычислительным центром, которая через аппаратуру передачи данных позволяла передавать сообщения с высокой степенью достоверности непосредственно в вычислительный комплекс, а также получать сообщения от этого комплекса с фиксацией данных на рулонных телеграфных аппаратах в ЦДП и ПДП. Кроме первой, была система передачи кодированной информации от датчиков ЦДП и ПДП в вычислительный комплекс управляющего центра (тоже через систему обмена данными), а также такие виды связи как автономная система абонентского телеграфа, система радиосвязи «Алтай» и автономная телефонная связь.
Таким образом, АСУС «Строитель» представляла собой комплекс технических и программных средств, с помощью которых выполнялась регистрация, обработка и отображение информации в целях оптимизации технологических процессов выполняющихся строительных работ, а также обеспечивалось планирование будущих строительных работ. Технические средства (ТС) АСУС, в частности, включали в себя вычислительные машины, связную аппаратуру обмена данными вычислительного центра с объектами, аппаратуру отображения информации и низовую аппаратуру для обеспечения передачи исходной информации в вычислительный центр.
Реализация целевых функций первой подсистемы — автоматизированного планирования и разработки оперативно-производственной документации — осуществлялась планирующей ЭВМ управляющего вычислительного центра, авто матически взаимодействующей с оперативным вычислительным комплексом этого центра и, кроме того, связанной по выходу с периферийными узловыми пунктами через систему обмена данными. Для второй подсистемы — автоматизированного контроля и регулирования производства — реализация целевых функций осуществлялась оперативным вычислительным комплексом, связанным с периферийными пунктами через систему обмена данными с диспетчерскими службами центра, устройствами отображения и путем регистрации оперативной информации. Целевые функции третьей подсистемы — машинного учёта и отчётности — осуществлялись оперативным вычислительным комплексом с планирующей ЭВМ (при их автоматическом взаимодействии).
Информация о ходе производства, поступающая в управляющий вычислительный центр с периферии, обрабатывалась и анализировалась средствами оперативного вычислительного комплекса путем сопоставления её с данными планов и графиков, получаемых этим комплексом от планирующей ЭВМ. Выявленные в результате обработки этой информации отклонения, требующие регулирующих воздействий, выдавались соответствующим диспетчерским службам центра, а их реализация проверялась в ходе обработки последующих поступлений оперативной информации с периферии. На основе полученной центром информации о ходе производства оперативный вычислительный комплекс совместно с планирующей ЭВМ формировал и выдавал 26 видов регламентированных учётно-отчётных сообщений, содержащих сведения о состоянии комплектации объектов. При этом учитывались остатки деталей на складах, базах и на заводах (с выделением тех позиций, по количеству которых были отклонения от заданных норм), информация о работе монтажных механизмов и её сравнительный анализ, данные о расстановке и численности специализированных бригад, сведения о реализации фондов и данные о состоянии работ на объектах. Для каждого вида отчетно-учётного документа были установлены периодичность, сроки, формы и адреса его представления.
В соответствии со сметно-финансовыми расчётами Главмосстроя стоимость технических средств АСУС составляла 7,8 млн. руб., в том числе средств вычислительной техники, входящих в состав планирующей ЭВМ и оперативного вычислительного комплекса — 3,4 млн. руб. (включая разработку специализированных устройств). Затраты на эксплуатацию всей системы, включая расходы на содержание персонала и эксплуатацию периферийных диспетчерских пунктов, составляли 4,4 млн. руб. в год. В НИИМосстроя путем расчёта было определено, что ввод в эксплуатацию АСУС в полном составе, при росте объёмов поточного строительства, повышении эффективности путем улучшения организации работ, увеличении объёмов монтажа с транспортных средств и улучшении комплектации приведет к экономии 16,03 млн. руб. При этом материальные запасы должны были снизиться в денежном выражении на 3,7 млн. руб., затраты на ручную переработку информации — на 6,75 млн. руб., и расходы на механизацию и транспорт должны были сократиться на 9,6 млн. руб. Другие меры по снижению издержек производства, включая экономический эффект от улучшения использования мощностей специализированных ор?ганизаций, должны были привести к экономии ещё 5,5 млн. руб.
Таким образом, общий расчётный экономический эффект от внедрения системы в тресте Главмосстроя (за вычетом затрат на эксплуатацию технических средств и суммы ежегодной окупаемости основных фондов) составил 35,6 млн. руб. в год, что составляло около 3,5% от объёма контролируемого АСУС строительства. При этом отмечалось, что сокращение сроков строительства оценивается не только экономической эффективностью.
При выборе структуры вычислительного комплекса, состава функциональных устройств и принципов технической реализации на основе задач целевого назначения, условий их решения и основных требований к техническим средствам разработчиком была предопределена целесообразность применения специализированного комплекса технических средств. Разработка системы АСУС выполнялась коллективом НИИУВМ (потом ПНИИММ) под руководством Николая Сергеевича Николаева. Научное сопровождение разработки со стороны заказчика выполнялось идеологами системы из НИИМосстроя — кандидатом технических наук Аркадием Анатольевичем Каширским и Юрием Николаевичем Бириным.
Технические средства комплекса, как уже говорилось ранее, были реализованы на полупроводниковых ЭВМ типа «Урал».
В качестве планирующей ЭВМ была выбрана машина «Урал-16», связанная автоматическим быстродействующим каналом «память-память» с центральным процессором оперативного вычислительного комплекса через специализированное устройство сопряжения и выходной коммутатор. Машина была также скомплексирована с системой обмена данными, специально разработанной для этого применения Калужским НИИ телеграфной аппаратуры. В качестве центрального процессора оперативного вычислительного комплекса была применена ЭВМ «Урал-14Б», дополненная устройствами оперативной памяти, внешней памяти и печатающими устройствами (до полного комплекта), соединённая через специализированные устройства «Входной коммутатор» и «Выходной коммутатор» с вычислительной машиной первичной обработки информации (ВМОИ) и вычислительной машиной, являющейся процессором обмена и резервным накопителем информации (РНИ). Эти две последние машины при отказах автоматически замещали друг друга. В качестве этих машин были выбраны ЭВМ «Урал-11, дополненные оперативной и внешней памятью (до полного комплекта), скомплексированные через специализированные устройства «Входной коммутатор» и «Выходной коммутатор», «Ввод», «Вывод» с приёмниками (100 каналов) и передатчиками (50 каналов) системы обмена данными, а также с аппаратурой специализированных алфавитно-цифровых табло диспетчерских служб ПДП. Для организации выполнения целевых функций комплексами был применён специально разработанный электронный генератор сигналов времени.
Общее управление работой вычислительного комплекса осуществлялось с помощью разработанного специализированного пульта (ЦПС).
Таким образом, структура вычислительного комплекса определяла чёткое разделение функций аппаратуры, что обеспечивало требуемую производительность переработки оперативной информации в режиме регулярного и нерегулярного её поступления и выдачи.
В августе 1969 года разработка первой очереди системы была завершена, и на системе были проведены междуведомственные испытания, закончившиеся 27 августа 1969 года. В результате испытаний было определено соответствие системы целевому назначению, а также соответствие расчётных характеристик фактическим. Система была передана в опытно-промышленную эксплуатацию.
В 1971 году объём регулярно решаемых на системе задач целевого назначения достиг 70% от предопределенных техническим заданием. К комплексу было подключено основное количество каналов связи и обмена данными с периферийными пунктами, а также планирующая машина «Урал-16». По результатам опытно-промышленной эксплуатации структура АСУС «Строитель» и принципы её технической реализации были признаны весьма удачными. АСУС «Строитель» была применима для управления и другими крупными объединениями гражданского строительства: второй образец системы АСУС позже был внедрен в тресте Главленинградстрой.
Выполнял работы по созданию системы большой коллектив разработчиков. Например, ведущий инженер Юрий Федорович Сидоров внес большой вклад в разработку алгоритмов функционирования программных средств комплекса, участвовал в комплексной наладке технических средств, а также в разработке и наладке устройства вывода информации на аппаратуру системы обмена данными, в разработке устройства выходного коммутатора, сопрягающего вычислительную машину первичной обработки информации и машину резервного накопителя информации — с ЭВМ «Урал-14», а также ЭВМ «Урал-16» — с ЭВМ «Урал-14» центрального пульта системы «Строитель».
Автор этих строк, Иван Васильевич Романчев, в то время начальник лаборатории, принимал самое активное участие в разработке, комплексной отладке технических средств и эксплуатации вычислительного комплекса. Разработкой ряда специализированных устройств занимался старший инженер Леонид Давидович Шумский. Им были разработаны устройство ввода информации из системы обмена данными, входной коммутатор, позволяющий записывать информацию в вычислительную машину первичной обработки информации и машину резервного накопителя информации, а также выдавать информацию на информационные табло.
Большой вклад в разработку алгоритма функционирования системы, а также в разработку и отладку программного обеспечения внесли ведущие инженеры Нина Яковлевна Горшкова и Галина Дмитриевна Акимова.
Как и в ряде других случаев, высококвалифицированным специалистам-разработчикам ПНИИММ Н.Я. Горшковой, Ю.Ф. Сидорову и И.В. Романчеву администрация треста Главмосстрой предложила перейти к ним на работу в Москву на обслуживание системы АСУС с предоставлением квартиры и прописки, однако дала согласие на это предложение только Н.Я. Горшкова.
Можно отметить также и других участников разработки — заместителя начальника отдела № 4 Ольгу Ефимовну Кроник, начальника лаборатории Петра Яковлевича Пуханова, инженеров различных категорий — Владимира Васильевича Бревнова, Лидию Владимировну Ососкову, Евгению Евгеньевну Левину, Анатолия Ивановича Гневшева, Евгения Александровича Муравлева, Илью Борисовича Чобруцкого, Тамару Ивановну Мишину, Эльвиру Алексеевну Кузнецову. Научным консультантом при разработке специализированной программы диспетчера (по сути, специализированной операционной системы) для ЭВМ «Урал-14», а также алгоритма сопряжения ЭВМ «Урал-14» с ЭВМ «Урал-11» и с ЭВМ «Урал-16» был начальник отдела № 5 Владимир Иванович Бурков. Система «Строитель» экспонировалась на Выставке достижений народного хозяйства, была удостоена Диплома первой степени, а разработчики были награждены медалями Выставки: Золотую медаль получили А.А. Каширский и Н.С. Николаев, серебряные медали — И.В. Романчев и Ю.Ф. Сидоров, бронзовые медали — О.Е. Кроник, Л.В. Ососкова и Г.Д. Акимова.
Статья помещена в музей 13.03.2009 с разрешения автора
