Введение_06 (Старые лекции), страница 2

Кафедра «Электронные технологии в машиностроении»МГТУ им. Н. Э. Баумана, V_Ryabov@mail.ru4энергии; информационный интерфейс, определяющий виды, характеристики и правила(протоколы) обмена информацией на различных функциональных уровнях (см. гл. 3).Определить элемент или подсистему технологической машины и сформулироватьчеткое техническое задание на его дальнейшую проработку - значит полностью определить его целевой, механический, энергетический и информационный интерфейсы.Таким образом, все три подсистемы технологической машины оказываются распределенными по ряду иерархических уровней и обрабатывают материальные потоки, потоки энергии и информации как между отдельными исполнительными механизмами, таки внутри них.Информация, снимаемая с датчиков, характеризующих состояние объекта и технологического процесса, может быть представлена в дискретном (чаще всего двоичном) ианалоговом виде, аналогично и представление управляющей информации.В соответствии с этим для связи с объектом управления необходимо иметь 4 видасигналов: дискретное управление и дискретный контроль (ДУ и ДК) и аналоговоеуправление и аналоговый контроль (АУ и АК).

Кроме того, для обмена между микроконтроллерами, как внутри объекта, так и для внешнего обмена с цеховыми системамиуправления и иными информационными системами необходим обмен по последовательным каналам связи.При аналоговом представлении информация непосредственно «зашита» в значенииконтролируемого или выдаваемого на объект управления сигнала (напряжения или тока),например, напряжение с датчика давления 3,45В.

Это напряжение, исходя из характеристики датчика, легко может быть преобразовано в соответствующее значение давления.Например, характеристика типового датчика давления имеет вид:U = −0,6 + 0,05P,где U – выходное напряжение датчика в вольтах, Р – давление в килопаскалях.При дискретном кодировании во внимание принимается соотношение рассматриваемойвеличины и нескольких порогов сравнения.

При двоичном кодировании порог сравненияодин и информация может приобретать два значения «0» или «1». Ноль, если величинаменьше порога, единица, если больше. Широкое применение в вычислительной техникеполучили сигналы ТТЛ- уровня (уровня Транзисторно-Транзисторной Логики), при этомсигнал считается нулем, если его напряжение менее Uс>0,8В и единицей, еслиUс >2,2. В диапазоне от 0,8 до 2,2В сигналов быть не должно, что повышает надежностьих распознавания.Единица информации в дискретном представлении - 1 Бит - это сообщение о томпроизошло или нет одно из двух равновероятных событий.В.3. Функции системы автоматического управленияВсе функции САУ можно разделить на три класса: основные целевые функции,сервисные функции и функции коррекции цели.Основные целевые функции.

Целевой функцией САУ является автоматическоеуправление технологическим процессом в соответствии с предписанной директивнойтехнологией. Эта технология может быть задана и описана в системе на разных уровнях:от жестокого описания поведения объекта в пространстве состояний его параметров доуказания цели функционирования, когда система сама выбирает оптимальную траекторию за счет заложенных в нее правил (алгоритма) или даже оптимизирует эти правилаза счет накопления опыта и его анализа.Для реализации этой функции система должна принимать с объекта информациюдля расчета управляющих воздействий, рассчитывать и выдавать на него управляющиесигналы.Сервисные функции.

Они направлены на наилучшую организацию выполненияцелевых функций за счет поддержания безотказности, ремонтопригодности и долговечности машины. Микропроцессорные САУ имеют очень широкие возможности по реалиРябов Владимир Тимофеевич. Кафедра «Электронные технологии в машиностроении»МГТУ им. Н. Э. Баумана, V_Ryabov@mail.ru5зации сервисных функций и именно этот класс функций подчас существенно определяетэффективность их применения. Известны следующие примеры сервисных функций: автоматическое резервирование; предотвращение катастрофических последствий отказов иповышение ремонтопригодности; диагностика и предсказание отказов, отслеживание остаточного ресурса механизмов; защита от программных и аппаратных сбоев САУ и др.Особенно сервисные функции бывают эффективны в оборудовании с длительным технологическим циклом, когда отказы, помимо потерь на их устранение и выходоборудования на режим, вызывают и потери прошедшего времени цикла, подчас весьмабольшие.

Например, в сверхвысоковакуумном откачном оборудовании автоматически переходят на альтернативные источники информации о давлении в системе (по току разрядамагниторазрядного насоса) при отказе основного и резервного вакуумметров.Для защиты от аппаратных сбоев по питанию, если напряжение на линии питанияконтроллера падает ниже определенного предела, генерируется системное прерывание,по которому содержимое резидентной памяти микроконтроллера копируется в специальную зону энергонезависимого ОЗУ. При дальнейшем падении напряжения генерируется системный сброс, предотвращающий неизбежные сбои в контроллере и он переводится в режим пониженного энергопотребления, сохраняя при этом свою внутреннююинформацию, при повторном включении питания система способна восстановить своесостояние и продолжить выполнение управляющей программы, если это необходимо.Для защиты от программных сбоев часто используют так называемую системуwatchdog (WD).

Система управления при правильной работе должна периодически генерировать сигнал WDI (WD Input), фронтом или срезом которого сбрасывается WD-таймерсупервизорной схемы, защищающей микроконтроллер от программных и аппаратныхсбоев. Если система потеряет управление и сигналов WDI не будет, генерируется сбросмикроконтроллера и программа возвращается в диспетчер.Функции коррекции цели предназначены для изменения алгоритма работы САУна уровне программиста или оператора и должны иметь логичный и дружественный интерфейс, поскольку во многом определяют возможности модернизации машины и адаптации ее к условиям конкретного пользователя и удобства работы оператора на ней.В последующих разделах курса мы вернемся к детальному рассмотрению отдельных функций САУ.Функции САУ укрупнено определяют цель действий, отвечают на вопрос – чтодолжна делать машина, не конкретизируя, как это делать.

Для реализации каждой изфункций предусматривается ряд параллельно протекающих последовательных процессов.В.4. Концепции последовательной и параллельной проработкикомпонентов технологической машиныВ разработке современной технологической машины принимают участие три группы специалистов: инженеры механики, разрабатывающие машину в целом и ее целевыемеханизмы, инженеры электрики и электронщики, разрабатывающие систему энергообеспечения и аппаратную часть системы управления и инженеры программисты, разрабатывающие программное обеспечение.Исходя из заданной технологии, в большинстве случаев первоначально создаютсямеханические компоненты машины – исполнительные механизмы, затем система управления и, наконец, ее программное обеспечение.

Таким образом, сложилась цепочка: технология - механические компоненты - аппаратная часть системы управления - программное обеспечение. Обратные связи в этой последовательности, как правило, реализуютсяслабо. Если разработчик аппаратной части системы управления и может в какой-то степени повлиять на концепцию построения механических компонент машины, конструкциюотдельных механизмов, то ожидать влияния программиста практически не приходится.Для успешной реализации такой цепочки закладывают избыточность в механизмы,а затем и в аппаратную часть системы управления.

Программы же, созданные для практиРябов Владимир Тимофеевич. Кафедра «Электронные технологии в машиностроении»МГТУ им. Н. Э. Баумана, V_Ryabov@mail.ru6чески готовой машины, никогда не будут оптимальными, потеряют в краткости и надежности и быстродействии, что, в свою очередь, потребует избыточности аппаратной части.Одновременное согласованное проектирование механических, электронных и программных компонентов, исходя из заложенных в оборудование процессов, устраняет ихизбыточность, не реализованную в параметрах машины, а также позволяет сократитьсроки разработки. Появляется возможность обоснованно выбрать и распределить функциикомпонент машины, ввести помимо ее основной функции - реализации заданной технологии - ряд дополнительных, обеспечивающих ее безотказность, ремонтопригодность,надлежащую гибкость и др.Кроме того, исходя из процессов, намеченных для реализации выбранных целей,можно будет разделить машину на функционально законченные автономные элементы сединым механическим, энергетическим и информационным интерфейсом, что позволитотлаживать и проверять их отдельно, т.е.

ускорить разработку.Механические, электронные и программные компоненты сообща достигают поставленной цели, реализуя предписанный набор процессов в каждом из трех видов ресурсов (система исполнительных механизмов, система их энергообеспечения и системауправления). На фоне общего технического прогресса явно выражена тенденция интенсификации применения и усложнения программного обеспечения, затем аппаратного оснащения (ресурсов) систем управления, систем энергообеспечения и, наконец, целевых механизмов.Важно еще на ранних стадиях проектирования рационально распределить функциимежду ресурсами различного рода и сформулировать четкие технические задания на них,чтобы повысить качество, распараллелить работу и ускорить ее окончание.