Волчкевич Л.И. - Введение в специальность, страница 7

14) определяют технологическое назначение машины, ее функ:циональные возможности. Механизмы холостых ходов (ХХ) в машинах:автоматахвыполняют функции подачи обрабатываемых материалов, их ориентации, зак:репления, вакууммирования объема камеры, напуска газов в камеру, съемаготовых изделий (4, 5, 6 на рис. 14). Для выполнения всех перемещений механиз:мов и устройств и создания необходимых усилий служит привод машины, кото:рый включает источник энергии — двигатель (Двиг) и передаточные механизмы(Пер) от двигателя к соответствующим исполнительным органам машины (ре:менные, зубчатые и другие передачи).Управление всеми механизмами и устройствами машины осуществляетсясистемой автоматического управления (САУ).

На ранних этапах развития маши:ностроения системы автоматического управления создавались преимущественнона механической основе, с применением упоров, копиров, кулачков. В настоя:щее время такие схемы строятся преимущественно на электронной основе,с применением микропроцессорных блоков, на тех же основных принципах, какдля телевизоров и персональных компьютеров (см. рис. 10 и рис. 13).Поэтому САУ часто называют промышленными компьютерами в отличие откомпьютеров офисных, которые рассмотрены ранее.АПриводДвигИСППерСАУРХХХ312645Рис.

14. Структурная схема машины:автомата30Использование средств вычислительной техники для управления технологи:ческими объектами имеет ряд специфических особенностей.Повышение требования к надежности«Зависание» телевизора или обычного офисного компьютера — привычный,хоть часто и не очень приятный факт. Причиной большинства зависаний являетсяпрограммный или аппаратный сбой, ведущий к нарушению содержания счетчикакоманд микропроцессора. После помехи на экране обычного телевизора изобра:жение восстановится, а вот вероятность того, что после «помехи» восстановитсясодержимое счетчика команд, практически нулевая.

Зависание компьютера, точ:нее, центрального процессора, управляющего, например, ядерной электростанци:ей — это уже ЧП, чреватое авариями и катастрофами. В период зависания цент:ральный процессор не может принять должных мер к поддержанию состояния объектана предписанном уровне. Это может иметь катастрофические последствия.Повышение требования к гибкости системыКруг офисных или расчетных задач, решаемых обычным ПК, сравнительноневелик.

Компьютер взаимодействует с человеком (клавиатура, мышь и др.), прин:тером, плоттером, сканером… При управлении технологическим объектом компь:ютер должен снимать разнообразнейшую информацию с многих объектови выдавать на них команды в дискретном либо аналоговом представлении. Пере:программирование, изменение конфигурации системы и т. п. является постоян:ной задачей.Блок:схема типовой САУ технологическим объектом, например установкойвакуумного нанесения покрытий, экспонирования при микролитографии, ионнойимплантации и др., приведена на рис.

15. Идентичными с офисным компьютеромявляются два основных блока: человеко:машинный интерфейс (аналог УВВ) и вы:числительное ядро.Шина ISAВычислительноеядроКоммуникационныеплаты:Ethernet:RS 232:RS 485:FieldbusУстройствосвязи с объектомуправленияДУ ДКАУ АКPCIЧеловеко:машинныйинтерфейсПлатыподдержкиК другим компьютернымсистемам и локальнымконтроллерамОбъектуправленияРис. 15.

Функциональная схема САУ31Добавлены: 1) блоки коммутации, которые могут связывать САУ с другимисистемами, например управления автоматической линии в целом, вышестоящи:ми уровнями организационно:экономического управления; 2) блок связи с объек:том управления.Все компоненты САУ объединяет шина ISA в виде центральной несущей платы.Конструктивно, в зависимости от требований к ней, САУ оформляется раз:личным образом. Если пульт управления выполняется в виде стандартной стойкии требуется развитый человеко:машинный интерфейс, САУ выполняется в видеединой рабочей станции.

Герметичная клавиатура размещена на лицевой па:нели рядом с дисплеем. Дисплей может быть оснащен сенсорным экраном, по:зволяющим вводить информацию с указанием на его различные зоны.Вычислительный модуль САУ оформлен в виде отдельной (процессорной)платы (рис.

16).На плате помимо собственно микропроцессора расположены все элемен:ты, необходимые для полноценного функционирования вычислительного ядра.Это контроллеры гибких и жестких дисков, ПЗУ с базовой системой ввода:выво:да, оперативная память. Часто в единый модуль интегрированы видеоадаптер исредства коммуникации.Главное внимание при разработке процессорной платы уделяется повыше:нию надежности функционирования, как за счет надежности аппаратной части,так и за счет надежности работы программного обеспечения. Это достигается,прежде всего, за счет применения более надежных компонентов.

Так, операти:вная память формируется из более надежных схем статической памяти. Наибо:лее важные данные располагают в энергозависимом ОЗУ (см. рис. 16). При лю:бых сбоях питания эти данные сохранятся неизменными.За работой вычислительного ядра постоянно следит специальное устрой:ство, фиксирующее каждый случай зависания управляющей программы. Назы:вают его «сторожевая собака» (W/D — WATCHDOG см. рис. 16).

ПравильноДисковаяпамятьЖесткиедискиФлеш:дискиМикро:процессорResetW/D_inW/DОперативнаяпамятьПЗУ (BIOS)ФормировательшинДинамическоеОЗУСтатическоеОЗУВидео:адаптерISAЭнергоза:висимое ОЗУРис. 16. Функциональная схема вычислительного ядра САУ32Средствакоммуни:кации:Ethernet:RS 232:RS 485:FieldbusАУАКДУДКработающая программа обязана с определенным интервалом подавать в этоустройство сигнал «W/D in» и сбрасывать «W/D».

Если этого сигнала не будет,WATCHDOG сам сбросит и перезапустит микропроцессор сигналом «RESET».Интервал подачи сигнала «W/D in» составляет обычно от нескольких десятковмиллисекунд до нескольких секунд. Аппаратно контроллер сделан и оснащентаким программным обеспечением, чтобы процесс его перезапуска составлялнесколько секунд (иногда десятых или сотых долей секунд) и после перезапускапродолжал работу с прерванного места, восстановив свое состояние.Средства коммуникации, если они не очень развиты, также размещаютсяна процессорной плате. В современных конструкциях все большее распростра:нение в распределенных управляющих сетях получает обмен по радиоканалам.Блок:схема устройства связи контроллера с объектом управления показа:на на рис. 17. Обмен информацией с объектом возможен в дискретном (Д) либоаналоговом (А) представлении.

Контроллер должен принимать контрольные сиг:налы с объекта (контроль К) и выдавать управляющие сигналы (управление У).Таким образом, возможны четыре вида сигналов обмена: ДУ — дискретное уп:равление (включить, выключить); ДК — дискретный контроль (включено? выклю:чено?); АУ — аналоговое управление (например, задать число оборотов двига:телю); АК — аналоговый контроль (каково напряжение с выхода вакуумметра,контролирующего давление в технологической вакуумной камере?).Все платы связи с объектом можно разделить на две большие группы: уни:версальные и специальные (см.

рис. 17). Универсальные платы дискретного, ана:логового либо комбинированного обмена (ввода:вывода) предназначены для об:мена нормализованными по уровню сигналами. Для последующей связис объектом эти сигналы необходимо дополнительно усилить и защитить от помех.Эти функции выполняют платыШина ISAразвязки и нормализации сигна:лов (см. рис. 17). Специальные пла:УниверсальныеСпециальныеты ввода:вывода информационно,платы дискретногоплатыа иногда и энергетически связы:ввода:выводаввода:выводавают промышленный компьютерУниверсальныес какими:либо типовыми элемен:платы аналогового Платы твердотельных релеТрехкоординатныетами объекта управления, напри:ввода:выводаприводы на ШДМодуливвода сигналовмер, с линейными или вращатель:стандартных датчиковными шаговыми двигателями,Платы гальваническойстандартными датчиками и др.развязки и нормали:зации сигналовПрограммное обеспечениеСАУ также имеет свою специфи:ку.

Главное здесь также надеж:ность работы, но не в ущерб быст:Объект управленияродействию. Необходима работаРис. 17. Устройство связи с объектомпрограммы в так называемом33«жестком» реальном времени. Управляющая программа строится как ряд после:довательных взаимодействующих команд, например:– снять показания датчика температуры в печи;– рассчитать требуемую температуру и рассогласование с заданным уровнем;– по рассогласованию вычислить управляющее воздействие;– выдать управляющее воздействие на объект (нагревательные устройства печи);– ждать некоторый интервал времени, например минуту до следующегоцикла регулирования.За минуту температура сильно не изменится, так что квантование с интер:валом в минуту здесь вполне допустимо, чего не скажешь, например, о регулиро:вании давления или иных быстропротекающих процессов. Процессор поочеред:но перебирает такие кванты регулирования, т.

е. параллельно решает ряд задач.Работает управляющая программа обычно от многозадачных операцион:ных систем, но не WINDOWS NT или UNIX, а специализированных операцион:ных систем жесткого реального времени, например QNX.343. ЭЛЕКТРОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ3.1. Общие положенияКак упоминалось выше, в основе электронных технологий лежат те же физи:ческие явления, что и в электронных приборах, а именно: формирование напра:вленных потоков элементарных частиц в вакууме, модификация потоков (по скоро:сти, направлению, плотности и т.

д.) и взаимодействие этих потоков с поверхностямитвердых тел. Наиболее близкий аналог электронно:технологических установок —электронно:лучевая трубка (см. рис. 2, г), где все эти функции реализованы.Если изменять параметры электронного луча, в первую очередь мощностьпотока, его фокусировку и т. д., можно вместо засветки люминофора проводитьсварку материалов, прошивку отверстий, удаление поверхностного слоя и т. д.Эффект взаимодействия потоков элементарных частиц (электронов, ионов,молекул и т. д.) с мишенью — поверхностью твердого тела, определяется в пер:вую очередь энергией этого потока, которая в свою очередь зависит от плотно:сти потока, скорости частиц, их атомного веса и т. д.Рассмотрим некоторые из этих эффектов (рис.

18).При минимальной энергии (E1=E0) энергии частиц хватает лишь на достиже:ние поверхности и удержании на ней при взаимодействии с молекулами твер:дого тела. Получается «эффект падающего снега» (рис. 18, а). При достаточнойдлительности процесса на поверхности формируется слой осажденных частицпо аналогии со снежным покровом. Данный эффект используется при вакуумномнанесении тонкопленочных покрытий.При более высоком уровне энергии частиц (E2>E1) наблюдается «эффект от:скочившего шарика».