[2 курс - АСОиУ] Курсовой (Технические средства автоматизации и управления - цифровые средства обработки информации и программное обеспечение)

Министерство образования РФ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана»

Кафедра ИУ5

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по предмету: «АСОУ»

на тему: «Технические средства автоматизации и управления:

цифровые средства обработки информации

и программное обеспечение»

Выполнил студент

группы ИУ5-31:

Сидякин А.А.

Проверил доцент к.т.н.:

_________ Шук В.П.

“___” ___________ 2009 г.

Москва 2009

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время происходит увеличения доли цифровых методов обработки, передачи и хранения информации и их преобладание над существующими. Такими цифровыми методами являются все методы, которые связаны с преобразованием информации в цифровую форму для последующей обработки с использованием компьютерной техники.

Цифровые методы хранения и передачи информации позволяют производить эффективное сжатие объёмной информации для последующего долговременного её хранения или передачи по каналам связи в реальном времени. Информация в цифровом виде может сохраняться в течение неограниченного времени без потери качества и надёжно передаваться по каналам связи. С общепринятой в теории информации точки зрения это непривычно. Обычно считается, что при передаче информации по каналу вносятся неизбежные искажения но, на самом деле, методы помехоустойчивого кодирования, уменьшают вероятность потери полезной информации до пренебрежимо малых величин. Эти методы позволяют без потерь восстановить полезную информацию даже в условиях существенных потерь в кодах при передаче. Достигается это ценой увеличения длины кодовых комбинаций, то есть, за счёт увеличения объёма передаваемой информации.

В области технических средств автоматизации идёт смена поколений технических средств обработки информации и информационного обмена. Сами по себе эти средства могут непосредственно не затрагивать технические устройства (датчики, приводы, регуляторы) однако, меняют всю среду существования средств автоматизации в целом. При этом многие датчики и приводы по-прежнему являются аналоговыми устройствами, не смотря на существующие более эффективные цифровые решения. Это происходит не из-за высокой надёжности аналоговой техники (надёжность цифровой техники гораздо выше), а потому, что для полноценной эксплуатации требуется наличие современных знаний и квалификации персонала в области программирования, системной администрации и аналогичных областях, иначе говоря – из-за отсутствия квалифицированных специалистов.

Другой причиной отсутствия на данный момент полностью цифровых систем является то, что в таких системах обязательно имеются звенья преобразователей аналоговых процессов в цифровую форму, требуется участие человека. А раз в процессе работы системы участвует человек, любая система перестаёт быть полностью цифровой. В будущем, возможно, развитие компьютерной техники (а также робототехники) достигнет такого уровня, что будет возможно исключить участие человека в системе благодаря замене его искусственным разумом.

1. ЦИФРОВЫЕ СРЕДСТВА ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ

1. . Основные тенденции развития вычислительных средств

В период, предшествующий бурному развитию микропроцессорной техники (до 80-х годов 20-го века), было разработано и внедрено огромное количество технических устройств, обладавших вполне удовлетворительными характеристиками. Но все они имели один существенный недостаток – жёсткость логической структуры (возможность выполнения лишь поставленной задачи, запрограммированной в них на стадии производства). Постепенно становилось ясно, что только использование перепрограммируемых и универсальных устройств обеспечит будущее технических средств автоматики.

Опыт разработки и производства современных систем позволяет говорить о серьёзном прорыве во внедрении управляющих спецсистем. Современные проекты объединяет следующее – для их создания широко использованы готовые аппаратные и программные технологии открытого типа. За последние 10-12 лет, по разным оценкам, доля глобального рынка военных (закрытых) электронных компонентов упала с 17% до 3% и менее. То есть, фактически, абсолютное большинство новейших «военных» компьютерных систем сегодня отражают лучшие технологические достижения из мира общегражданских, общепромышленных аппаратных и программных технологий. Ведь действительно технологии открытого типа развиваются значительно быстрее и быстрее становятся общепризнанным стандартом, чем закрытые, секретные, разрабатываемые на одиночных предприятиях проекты.

Несмотря на практически одновременность внедрения новых цифровых методов обработки информации в технические средства САиУ и офисную технику, уровень общего применения в областях офисных приложений и в областях автоматизации (а также специальной техники, в том числе, военной), различаются. Общее отставание в области автоматизации может быть оценено в 1-2 поколения средств вычислительной техники. Причина такого отставания заключается не в консерватизме разработчиков средств автоматизации, а в том, что к техническим средствам автоматизации предъявляются обычно более высокие требования, чем к более широкораспространённой офисной вычислительной технике. Кроме того, контроллеры средств автоматизации обычно вынуждены работать в гораздо более жёстких условиях эксплуатации. Цена сбоя в системе автоматического управления также может быть гораздо выше, чем в других информационных системах, так как объект управления нуждается в управлении постоянно и в реальном времени.

В САиУ обычно имеется большое количество разнообразных датчиков и преобразователей информации физических величин таких, как температура, давление, расход жидкостей, скорость и т.п. Эти датчики преобразуют исходную физическую величину в некоторую стандартную величину. Далее требуется преобразовать эту промежуточную величину в цифровую форму. В последнее время появилось и стремительно развивается новое поколение датчиков, в которых имеются встроенные контроллеры, осуществляющие такое преобразование. Такой интеллектуальный датчик сам становится элементом вычислительной сети. Он становится микро-ЭВМ, поддерживающей сетевой протокол и передающей данные уже в преобразованном в цифровую форму виде. Часто в контроллере такого датчика производится предварительная цифровая обработка сигнала, например, коррекция систематической погрешности преобразователя, предварительная фильтрация случайных помех, а также контроль работоспособности. Как бы то ни было, но тенденция развития здесь однозначная - всё больше технических средств САиУ становятся чисто цифровыми. Среди датчиков появляются такие, в которых преобразование происходит непосредственно в цифровую форму, причём, непосредственно подготовленную к передаче по каналу связи.

К настоящему времени количество компьютеров, используемых для управления процессами производства, выросло от 1 млн. в 1980г. и более 10 млн. в 2000 г. до более, чем 50 млн. в 2003 г.

Рис. 1. Рост числа применений ЭВМ в задачах управления

Видно, что рост числа ЭВМ в задачах управления практически экспоненциальный. При этом учитываются факты использования в решении задачи управления, а не общее число процессоров. Если учитывать число процессоров, то рост оказывается гораздо более быстрым – барьер в один миллиард процессоров давно пройден.

1.2. ЭВМ общего назначения

Это такие вычислительные средства и программное обеспечение, которые позволяют решать большинство возникающих технических задач, включая задачи сопряжения с ЭВМ внешних устройств, датчиков.

Обычно ЭВМ общего назначения включает в себя стандартный набор компонентов: центральный процессор (один или несколько), оперативная память, накопительные устройства, мультимедийные (графика и звук) устройства, дисплей (монитор), средства ввода (клавиатура, мышь), оборудование для подключения к сети (сетевые карты, Wi-Fi адаптеры), возможность подключения дополнительных интерфейсных устройств, возможность установки разнообразного программного обеспечения вместо имеющегося в стандартной поставке или в дополнение к нему (в том числе, возможность изменения микропрограмм (BIOS)).

Последние два свойства чрезвычайно важны, так как соответствуют открытости архитектуры такой ЭВМ. Именно открытость архитектуры PC совместимых компьютеров в 80-е годы 20-го века сыграла решительную роль в повсеместном распространении этой техники, а не конкурентов на базе более совершенных, но менее открытых процессоров и периферии. В качестве примера можно привести, компьютеры Power PC, для которой были характерны существенно более высокие параметры быстродействия при гораздо меньших тактовых частотах, но более высокая цена и, что главное, закрытость архитектуры. Свойство открытости архитектуры является непременным условием универсальности при широком применении.

На сегодняшний день этим требованиям в основном удовлетворяют типовые персональные РС-совместимые компьютеры и контроллеры на базе их архитектуры. Именно на такой базе часто строят системы автоматики, если к ним не предъявляются повышенные требования.

ПК с успехом используются в качестве интеллектуальных измерительных приборов. Например, осциллограф на базе ПК позволяет, помимо удобного и наглядного отображения процессов, вести их запись на диск для протоколирования и передавать по сети обобщающую информацию для диспетчерского управления более высокого уровня.

1.3. Специализированные ЭВМ и вычислительные комплексы

Это ЭВМ, имеющие функциональные возможности и конструктивные особенности, позволяющие использовать их для эффективного решения ограниченного класса задач в определённых условиях окружающей среды. Отличия от ЭВМ общего назначения могут быть разнообразными, например, процессор со специальной, эффективной в конкретном случае, системой команд. Применение специализированных ЭВМ позволяет повысить надёжность, снизить стоимость, повысить быстродействие.

Вычислительный комплекс (ВК) - это комплекс средств вычислительной техники, решающий прикладную задачу.

Промышленные (индустриальные) ПК – это специально спроектированные ПК, совместимые со стандартными архитектурно и программно, но отличающиеся конструктивным исполнением. Характеризуются надёжностью, помехозащищённостью и способностью работать в неблагоприятных для обычных ПК условиях окружающей среды. Достоинством таких ПК является возможность отладки программного обеспечения на обычных ПК.

Рабочие станции – это персональные компьютеры, находящиеся на рабочих местах сотрудников, решающих конкретную задачу с помощью ЭВМ. Поэтому рабочие станции оборудованы всеми необходимыми устройствами ввода-вывода. Обычно рабочие станции входят в сеть, в которой также имеются мощные серверы, поставляющие информационные ресурсы и необходимое сетевое программное обеспечение, хранение которого на рабочих станциях нецелесообразно.

С развитием микрокомпьютеров цена одноплатной ЭВМ (с возможностями мини-компьютера 1975-го года) в 2000 году упала до 150 долларов, и вычислительные мощности стало возможно наращивать модулями, стоимостью, не превышающей 50 долларов за изделие. Это означало, что цифровое управление в принципе могло быть реализовано в любом объекте независимо от его масштабов.

Микро-ЭВМ дали толчок совершенствованию управляющего оборудования: они заменяют аналоговые регуляторы даже в одноконтурных системах управления. Сконструированы иерархические системы управления с большим количеством микропроцессоров и спроектированы регуляторы специального назначения на базе микро-ЭВМ. В настоящее время во всём мире выпускается огромная номенклатура микро-ЭВМ, предназначенных для задач управления и являющихся, по существу, техническими средствами автоматизации. Однако необходимо всё же разделить всё множество таких управляющих микро-ЭВМ на две группы:

1) микро-ЭВМ, наследующие архитектуру персональных компьютеров, обычно совместимых с ними не только через внешние интерфейсы, но и на уровне всей архитектуры и программного обеспечения;

2) микроконтроллеры, которые берут своё начало от более узкоспециализированных микропроцессорных платформ (Intel MCS-51, Motorola 68x, PIC- контроллеров, ряда процессоров цифровой обработки сигналов и др.).

Первоначально, в силу крайне ограниченных вычислительных мощностей этих устройств, казалось, что их ниша будет примыкать к классическим аппаратным средствам систем управления. Но теперь подобные устройства уже мало в чём уступают микро-ЭВМ, их мощности вполне достаточно, чтобы решать довольно сложные задачи управления.

2. СЕТЕВЫЕ КОМПОНЕНТЫ САИУ

2.1. Эталонная модель архитектуры открытых систем.