Рябов В.Т. - Функции, структура и элементная база систем автоматического управления, страница 8

универсальные отладочные комплекты на основе различных микроконтроллеров, со-держащие вычислительное ядро, средства его подключения к управляющей сети и инст-

22

рументальной ЭВМ для оперативного программирования, УСО и монтажную панель, по-зволяющие оперативно создавать компактные встроенные в объект системы его энерго-обеспечения и управления;

специализированные интегрированные встроенные контроллеры, на которых в одном устройстве совмещались вычислительное ядро, УСО и система энергообеспечения объ-екта, как правило это локальные регуляторы, управляющие типовыми технологическими процессами (нагрев, регулируемый привод);

программируемые логические контроллеры ПЛК;

центральные и узловые контроллеры, основанные на архитектуре IBM PC и содержащие одноплатное вычислительное ядро и набор комплектуемых заказчиком плат связи с объ-ектом и плат энергообеспечения его элементов.

Были разработаны архитектурные решения вычислительно-управляющих сетей, разра-

ботана общая концепция открытой архитектуры, применимая к широкому классу информа-ционных технологий.

5. Период изобилия. По времени мы перешли в 21 век. Очень трудно делить совре-менность на периоды, но все же следует назвать наше время назвать периодом эволюционно-го взрыва средств цифровых обработки информации и периодом изобилия . Далее мы будем подробно изучать и пытаться классифицировать появившиеся и постоянно появляющиеся на рынке средства обработки информации . Но их такое множество и все это так запылено рек-ламной шумихой и обещанием золотых гор и стопроцентной надежности, что только успевай следить.

Вопросы к экзамену.

1. Этапы внедрения вычислительной и микропроцессорной техники в системы автоматического управления технологическим оборудованием

1.3. Микроконтроллер – основная структурная единица аппаратного обеспечения САУ

Последовательные Система ввода-вывода каналы

Микроконтроллер (МК)

Вычислительное

ядро (ВЯ)

Человеко-

-машинный

Шина МК

интерфейс

Адаптер

Устройство связи

сети

с объектом (УСО)

АК

ДК АУ ДУ

МК

Преобразователи

энергетических

потоков

Датчики

МК

Периферийные

компоненты

Рис. 1.15

Подобно структуре технологической ма-шины, рассмотренной нами во введении, разви-тая система автоматического управления стро-ится иерархически, как вычислительно-управляющая сеть. Выполнение общепринятых принципов построения открытых сетевых сис-тем придает гибкость системе в аппаратном и программном плане. Дает возможность наращи-вать систему с минимальными изменениями, на-капливать опыт построения систем и широко использовать его в новых разработках. Позволя-ет заимствовать аппаратные и программные ре-шения сторонних производителей.

Основной структурной единицей аппа-ратного построения САУ является микрокон-троллер (МК) (рис. 1.15). Его назначение – об-работка поступающей информации и выдача управляющих воздействий для реализации всей совокупности возложенных на САУ функций. В состав развитого микроконтроллера входит вы-числительное ядро (ВЯ), непосредственно об-

23

рабатывающее поступающую информацию и организующее обмен с элементами объекта управления. Сервис вычислительному ядру при вводе и выводе информации от оператора оказывают человеко-машинный интерфейс и система ввода-вывода. Это обычно монитор,

клавиатура, мышь и средства связи с ними, которые часто непосредственно входят в состав вычислительного ядра.

Деление микроконтроллера на отдельные элементы мы проводим по функциональным (выполняемые функции) и конструктивным признакам. Конструктивные признаки определя-ют, входят ли те или иные элементы в конструктив микроконтроллера («чип», плату или иную сборочную единицу – модуль) или нет. С этой точки зрения многие элементы человеко-машинного интерфейса (контроллер дисплея, контроллер клавиатуры, параллельный канал LPT) обычно расположены на вычислительном ядре, поэтому выделение их в отдельный мо-дуль весьма условно. Компоновка элементов в отдельные модули с конструктивной точки зрения во многом определяется серийностью выпуска. Чем более интегрирована конструк-ция, тем экономически дешевле она обходится при серийном выпуске, но, чем более она ин-тегрирована, тем уже множество ее возможных применений.

Устройство связи с объектом представляет вычислительному ядру услуги при обмене элементарными сигналами аналогового АК и дискретного ДК контроля с датчиками, харак-теризующими состояние объекта управления и сигналами дискретного ДУ и аналогового АУ управления на преобразователи энергетических потоков. В качестве периферийных компо-нентов САУ, непосредственно связанных с объектом управления здесь используются, напри-мер, электромагнитные реле, включающие и выключающие различные устройства (электро-магнитные клапана, двигатели и т.п.), твердотельные реле и транзисторные ключи.

Адаптер сети необходим для подключения микроконтроллера в сеть. Каждый микро-контроллер выполняет возложенные на него функции управления. Если он поддерживает температуру в печи, по сети от микроконтроллера высшего уровня он получает уставку, оп-ределяющую, какую температуру поддерживать. Отвечает на запросы этого микроконтрол-лера, ответственного за проведения всего технологического процесса, о состоянии печи (зна-чение температуры печи, ее градиент и т.п.). В той же сети находятся микроконтроллеры, от-ветственные за проведение других процессов, например контроллер вакуумной системы, ко-торый должен напустить технологический газ, когда температура достигнет заданной. Этот приказ он может получить от МК высшего уровня или от рассматриваемого нами регулятора печи. Часто адаптер сети бывает конструктивно встроен в вычислительное ядро. Причем на вычислительном ядре бывает несколько последовательных каналов и сетевых адаптеров.

По последовательному каналу МК может получать информацию от «интеллектуаль-ных» датчиков, оснащенных собственным микроконтроллером . Здесь информация будет по-ступать не в виде, например, токового сигнала с размахом от 4 до 20 мА, с началом шкалы в 20°С и верхним пределом в 100°С, а, как цифровой последовательный код. По командам «ин-теллектуальный» датчик может проводить самотестирование, переключать шкалу измерения и т.п. К одному каналу может быть подключено несколько таких датчиков и устройств управления мощностью. Можно организовать этот сегмент сети так, что подчиненные уст-ройства смогут обмениваться информацией друг с другом, минуя рассматриваемый нами контроллер.

Периферийные компоненты САУ служат для управления энергетическими потока-ми, поступающими на исполнительные механизмы и иные компоненты машины, нуждаю-щиеся в энергопитании. Обмен с ними идет, как правило, элементарными сигналами дис-кретного и аналогового управления (ДУ и АУ). Управляют энергетическими потоками ключи

– устройства , способные управляющий информационный сигнал преобразовать в энергетиче-ский поток с требуемыми параметрами.

24

Датчики, входящие в состав периферийных компонентов, выдают на линии связи сиг-налы, характеризующие состояние объекта управления. Это, как правило, элементарные сиг-налы аналогового (АК) и дискретного контроля (ДК).

Для построения систем автоматического управления ( САУ ) широкого класса обору-дования достаточно иметь три типа микроконтроллеров (МК) в соответствии с тремя уровня-ми иерархии:

МК верхнего уровня - центральные МК. Это контроллеры для управления от-

дельными машинами, производственными участками, цехами, имеющие развитые сервисные возможности (вычислительные, графические, накопления информации, встраивания в ло-кальные вычислительные сети и др.). Конструктивно такой контроллер строится как много-платная конструкция и содержит вычислительное ядро и блок связи с объектом, ведущий ин-формационный обмен с отдельными элементами машины. Этот контроллер координирует ра-боту всей системы, выдает задания на исполнение локальным и узловым, он стоит во главе сети САУ.

МК среднего уровня - узловые МК. Такие МК управляют достаточно развитой подсистемой машины, командуют фрагментом управляющей сети или отдельными сложны-ми механизмами, когда разместить на одной плате устройство, совмещающее функции управления и энергообеспечения не удается. Конструктивно узловой контроллер выполняет-ся как многоплатный и содержит плату обработки информации (ВЯ) и платы связи с объек-том, согласующие информационные потоки между контроллером и объектом управления в удобный для обмена и управления вид. От центрального такой контроллер отличается мень-шими вычислительными и сервисными возможностями (как правило, отсутствие дисплея и клавиатуры, меньший объем памяти и быстродействие и, как следствие, меньшая стоимость).

МК низшего уровня - локальные МК. Это контроллеры, располагаемые на пери-ферии сети САУ и встраиваемые в управляемое устройство; как правило - это одноплатная конструкция, совмещающая функции преобразования энергии и информации.

Деление МПСУ на 3 группы несколько условно, в реальном оборудовании наличие МК всех трех уровней не обязательно и одни могут успешно заменять другие. Узловые и центральные МК, благодаря модульной гибкой конфигурации, достаточно универсальны и могут управлять достаточно широким классом технологического оборудования, поэтому вы-пускаются серийно, локальные контроллеры, как правило, узко специализированы и разраба-тываются под конкретный механизм.

Это деление с позиций места и функций, выполняемых в системе. Сейчас рынок за-полнен различными микропроцессорными средствами управления. Их, в соответствии с осо-бенностями построения, использования и программирования делят на ряд групп.

Локальные регуляторы (ЛР) (рис. 1.16,а) управляют каким либо исполнительным

механизмом широкого приме-нения, например, нагревате-лем, электродвигателем (асин-хронным, двигателем посто-янного тока, шаговым ). Часто локальный регулятор совме-щает функции электропитания и управления. Программиро-вание сводится к заданию кон-стант и закона регулирования.

Рис. 1.16. Большинство современных локальных регуляторов имеют возможность автоматического

Рис. 1.17.

25

определения констант закона регулирования, имеют память и последовательный канал связи, по которому могут получать и хранить параметры на ряд этапов технологии. Например, подъем температуры в печи с заданной скоростью до определенного предела, затем выдержка температуры в течении заданного времени, охлаждение с заданным градиентом до заданной температуры и т.п. Локальный регулятор может, помимо формирования управляющего воз-действия на энергетический поток, обмениваться с объектом управления и другими команда-ми дискретного контроля и управления, сообщать о состоянии объекта управления, имеет средства местного и дистанционного программирования. Такой регулятор может полностью взять на себя функции локального контроллера и по своим возможностям адаптации и уни-версальности приближается к программируемым логическим контроллерам.