Гл5_07 (Раздаточный материал к курсовому проекту)

1Глава 5. УНИВЕРСАЛЬНЫЕ ПРОМЫШЛЕННЫЕ КОМПЬЮТЕРЫК другим микроконтроллерамРынок современных средств управления технологическим оборудованием чрезвычайно широк и мы, прежде всего, попробуем определиться с терминологией. Термин универсальный промышленный компьютер или просто промышленный компьютер (РС)используют для названия контроллера или микроконтроллера, чтобы подчеркнуть близость архитектурного построения его аппаратной части и программного обеспечения кшироко распространенным компьютерам клона РС общего применения. Термин микроконтроллер часто используют и для интегральных микросхем (глава 3) и для законченных контроллеров, чтобы подчеркнуть их миниатюрность.Мы в разделе 1.3 уже обсуждали различные типы серийно выпускаемых контроллеров, были кратко рассмотрены локальные регуляторы, программируемые логическиеконтроллеры, промышленные компьютеры, средства распределенного сбора данных иуправления.

Я рекомендую еще раз просмотреть этот раздел.Здесь мы продолжим это обсуждение с позиций ведущего разработчика технологической машины, которому предстоит поставить четкое техническое задание и техническоепредложение на разработку САУ.ПоследовательныеК операторуМоя основная цель во введении к пяканалытой главе – показать особенности разМикроконтроллер (МК)работки контроллеров различных типов, убедить Вас и себя в том числе,Вычислительноечто знание аппаратной части типовыхЧеловекоядро (ВЯ)элементов промышленных компьюте-машинныйров является хорошим фундаментоминтерфейсШина МКдля самостоятельного изучения остальных устройств.Адаптер Устройство связис объектом (УСО)сетиНа рис. 5.1.

показана функциональная схема типового микроконАК ДК АУ ДУтроллера (МК). Как видите, он состоитиз вычислительного ядра ВЯ, задаК объекту управлениячей которого является обработка информации,поступающей от объектаРис. 5.1. Функциональная схемауправления (датчиков целевых мехатипового микроконтроллера.низмов технологической машины) поканалам аналогового и дискретного контроля (АК, ДК), информации от других микроконтроллеров, входящих в малую локальную сеть машины и информации, поступающей отоператора.Сигналы аналогового и дискретного контроля, поступающие от объекта, обычнонормированы. Сигнал ДК обычно передают по витой паре как токовый сигнал с уровнями0…20 мА.

Такой сигнал уже хорошо защищен от помех, но задачей модуля УСО являетсядополнительная фильтрация помех, преобразование сигнала в логические уровни вычислительного ядра и доставка его к нему.Сигналы ДК бывают с программной и аппаратной инициализацией. При программной инициализации вычислительное ядро само читает сигнал по внутренней шине МК сплаты УСО. Сигнал регистрируется, как изменение бита читаемого регистра платы. Приаппаратной инициализации изменение сигнала вызывает прерывание работы вычислительного ядра и запуск соответствующей сигналу подпрограммы обслуживания прерывания.

Еще раз напомню о векторном и автовекторном механизме прерываний. Что это?Сигналы аналогового контроля передают как уровень напряжения (потенциальноепредставление сигнала), либо как токовый сигнал. Последний способ представления лучше защищен от помех, поскольку сигнал может передаваться по дифференциальной витойпаре. Обычно используют сигнал 4…20 мА. Задачей блока УСО является преобразованиеРябов Владимир Тимофеевич.

Кафедра «Электронные технологии в машиностроении»МГТУ им. Н. Э. Баумана, V_Ryabov@mail.ru2сигнала в дискретный вид и доставка его вычислительному ядру (см. гл. 2.5, В). Здесьтакже возможна программная и аппаратная инициализация начала и обнаружение концапреобразования. Подробнее это мы рассмотрим в следующем разделе при изучении платы«Модуль приема аналоговый» контроллера «Орион». Следует отметить, что современныеЧипы-микроконтроллеры, используемые в качестве вычислительного ядра, обычно самиспособны провести аналогово-цифровое преобразование и даже нормирование сигналааналогового контроля.Информация от МК того же и низшего уровня поступает обычно по последовательному каналу (RS-485, RS-232 или другие каналы класса Fieldbus).

Здесь объем информации невелик и на первый план при выборе типа канала выходит надежность обмена и дешевизна реализации канала. Если объем информации велик, что часто бывает при обменес контроллерами высшего уровня, когда требуется, например, изменить массив параметров настройки микроконтроллера, применяют сети Ethernet.С оператором МК обменивается через средства человеко-машинного интерфейса.Это, привычные Вам универсальные клавиатура, монитор и мышь, специализированныесенсорные экраны, где органы управления и индикации создаются программно, либо специальный пульт управления с кнопками и индикаторами, который следует изготовить индивидуально под разрабатываемую технологическую машину.На основе полученной информации МК должен выработать соответствующиеуправляющие сигналы и выдать их на объект управления. Это сигналы дискретногоуправления ДУ, способные включить или выключить какой либо привод, например электромагнитный клапан.

Сам совершить работу по коммутации клапана, либо вращениюдвигателя, управляющий сигнал не может, поэтому его направляют на систему энергоавтоматики, где и формируется соответствующий ему энергетический поток (см. рис. В.1).Плата устройства связи с объектом должна преобразовать сигналы вычислительного ядра, передаваемые внутри микроконтроллера, в сигналы, способные донести информации без искажений до элементов и подсистем объекта управления.

Задачей этой платыявляется нормирование управляющих сигналов. Обычно дискретное управление передают как токовый сигнал с уровнями 0…20 мА, формируемый выходным транзистором оптопары.Сигнал аналогового управления выдается в виде уровня напряжения (потенциальный сигнал) в диапазоне обычно 0…5 или 0…10В, или, как токовый сигнал (0…10 или0…20 мА). Токовое представление более защищено от помех, поскольку такой сигналможно, как и при аналоговом контроле, передавать по симметричной дифференциальнойвитой паре. Следует отметить тенденцию по замене сигналов аналогового управления надискретное с фазоимпульсным или широтно-импульсным кодированием (см. гл. 2.1.Е).По степени универсальности контроллеры и микроконтроллеры делят на специальные, специализированные и универсальные.

Специальные микроконтроллеры разрабатываются, изготовляются и программируются исходя из функций управления конкретнымэлементом или механизмом (целевым узлом) разрабатываемой технологической машины.Специализированные и универсальные контроллеры выпускаются серийно и задача разработчика – подобрать подходящий, либо скомплектовать такой контроллер из отдельныхконструктивных блоков или плат, исходя из требований автоматизируемой машины, ееподсистемы, либо отдельного элемента. В большинстве случаев необходимо бывает разработать и ввести в контроллер управляющую программу, реализующую требуемыефункции и процессы управления.

Не бывает нужды вводить управляющую программу влокальных регуляторах, там уже «зашит» закон ПИД-управления, необходимо только подобрать его константы под конкретный объект регулирования (печь, асинхронный электропривод и т.п.). В большинстве современных регуляторов константы закона регулирования подбираются автоматически.По конструктивному исполнению, определяющему степень адаптации контроллерапод объект и особенностям разработки программного обеспечения, специализированные иРябов Владимир Тимофеевич. Кафедра «Электронные технологии в машиностроении»МГТУ им.

Н. Э. Баумана, V_Ryabov@mail.ru3универсальные контроллеры делят на многоблочные или программируемые логическиеконтроллеры (ПЛК), многоплатные контроллеры или промышленные компьютеры иодноплатные контроллеры или СОМ-контроллеры.Программируемые логические контроллеры состоят модулей, оформленных в отдельных корпусах. Центральный модуль является вычислительным ядром, остальные (модули сопряжения) организуют связь вычислительного ядра с объектом управления и комплектуются по требованию заказчика. Программное обеспечение разрабатывается с использованием специализированных языков (см.

раздел 1.5).Промышленные компьютеры (ПК) еще более гибко комплектуются под объектуправления. Их главным отличием от ПЛК высокого уровня сложности заключается втом, что они могут работать под управлением универсальных операционных систем и выполнять широкий круг задач общего применения. Работать в распределенных сетях с базами данных, использовать ACAD, Word, Excel и т.п. Главным отличием ПК от обычногоофисного компьютера является отсутствие материнской платы. Она выполнена в том жеконструктиве, что и платы устройств связи с объектом (УСО) и подключается в какую либо системную шину наряду с другими платами.

Однако программно ПК совместим софисными компьютерами семейства РС. Термин «встраиваемые промышленные компьютеры» используют, когда хотят подчеркнуть миниатюрность и надежность работы,которые достигаются за счет специального конструктива плат и объединяющей их шины.СОМ-контроллеры или СОМ-компьютеры (компьютер на модуле) представляютиз себя одноплатные конструкции.

На специальную плату УСО, разработанную под объект управления на специальных разъемах монтируется заказной модуль вычислительногоядра. Такие устройства требуют разработки специальной платы УСО и по характеру разработки близки к специальным локальным контроллерам. Только вместо чипа микроконтроллера применен специальный модуль вычислительного ядра, обеспечивающий переносимость и совместимость программного обеспечения с компьютерами клона РС.5.1. История развития и архитектура построенияПервые промышленные компьютеры в нашем теперешнем понимании этого термина появились в 70-х - 80-х годах прошлого столетия на этапе массового применения ЭВМв качестве средств управления технологическим оборудованием (см. раздел 1.2), когдабыли созданы одноплатные ЭВМ, способные выполнять роль вычислительного ядра.А.

Контроллеры семейства УТК-5Основой этого контроллера послужила первая одноплатная ЭВМ «Электроника60М», выпущенная тогда в СССР. Она являлась аналогом PDP-11 фирмы DEC.«Электроника 60М», выполнявшая в контроллере функции вычислительного ядра,размещалась на плате габаритами около 400х300 мм, являлась шестнадцати разрядной,была построена по Винеровской архитектуре, т.е. имела совмещенную память программ иданных и имела оперативную память в 8 кбайт, хотя могла обслуживать до 64 кбайт. Позже появился аналог этой машины - «Электроника МС1201.02», полностью совместимыйаппаратно и программно, но обладающий лучшими характеристиками и памятью в 64 КБ,из которых 8 КБ занимало ПЗУ, остальные 56КБ – ОЗУ.В архитектуре PDP-11 была реализована полная победа шинной концепции построения ЭВМ.