Рябов В.Т. - Функции, структура и элементная база систем автоматического управления (1041593), страница 15

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 15)

Язык IL (c писок инструкций) - низкоуровневый язык, применяемый для реализации особо критичных по времени модулей проекта. Характеризуется высоким временем разра-ботки и требует углубленного знания структуры контроллера; широко используется при оп-тимизации. Этот язык схож с типовым ассемблером и каждый его исполняемый оператор транслируется в машинный код используемого микропроцессора или микроконтроллера.

Язык ST, STL (cтруктурированный текст, язык структурированного текста) . В системе программирования Siemens применена аббревиатура немецкого языка SCL. Из-за разных аб-бревиатур иногда возможна путаница, так язык Список инструкций IL на немецком обозна-чают также STL, поэтому далее мы будем придерживаться английских аббревиатур и всегда приводить имя языка на русском. Структурированный текст – высокоуровневый Pascal-об-разный язык, наиболее широко применяющийся в настоящее время для разработки проектов ПО ПЛК. Сокращает время разработки, удобен как для реализации алгоритмов, так и слож-ных математических вычислений. Приведенный в начале раздела пример кванта вполне ил-люстрирует этот язык.

Графические языки ориентированы на специалистов в предметных областях и позво-ляют им свои профессиональные знания и умения применить для программирования ПЛК.

Язык LD (контактно-релейные схемы) предназначен для разработчиков МП САУ, имеющих большой опыт разработки контактно-релейных систем. Программа на этом языке изображается в виде электрической схемы, состоящей из набора цепей, состоящих из нор-мально разомкнутых и нормально замкнутых контактов, кнопов и катушек реле. Эти цепи подают питание на исполнительные механизмы. Все цепи в процессе работы программы по-очередно моделируются и, если состояния элементов схемы и внешние условия позволяют исполнительному механизму срабатывать, он включается. Таким образом реализуется типо-вое отношение условие-действие, положенное в основу управляющей программы. Вся управ-ляющая программа разбивается на ряд шагов, описывающих отношение условие-действие, после окончания очередного действия система переходит к следующему шагу и так до за-вершения цикла. По своей сути программа внешне похожа на контактно-релейную схему и при компиляции создает программный код, моделирующий работу изображенной схемы.

Язык FBD (функциональные блоковые диаграммы) ориентирован на специалистов, имеющих опыт разработки принципиальных электрических схем с ипользованием логиче-ских ячеек, триггеров, таймеров и других электронных компонентов, являвшихся основой дискретной электроники в 60-е…70-е годы. Тогда на таких элементах часто разрабатывалась вся система управления. Сейчас такие компоненты в виде интегральных схем ( ИС) малой и средней степени интеграции также выпускаются, но используются в основном для перифе-рийных цепей САУ. Программа на этом языке напоминает принципиальную электрическую схему на ИС.

На языке SFS (последовательные функциональные схемы) программа выглядит как автоматный граф и включает в себя события (условия перехода ) и действия (состояния). Все условия перехода размечаются, в каждом из состояний задается список управляющих воздей-ствий и готова программа, представляющая из себя, по сути, один последовательный про-цесс. Проблема лишь в том, что описать совокупность параллельно протекающих процессов таким образом в одной программе достаточно сложно, а подчас и невозможно. Правда, это часто и не нужно.

42

Язык CFS (непрерывные функциональные диаграммы) ориентирован на специалистов в области автоматики и систем автоматического регулирования. В нем программа изобража-ется, как ряд структурных схем систем автоматического регулирования. Имеется возмож-ность задавать обратные связи, элементы сравнения, законы регулирования.

Языки контактно-релейных схем LD и функциональных блоковых диаграмм FBD час-то бывают встроены в ПЛК малой и средней сложности, реализуя все возможности его вы-числительного ядра. Больших возможностей языка программирования для таких контролле-ров просто и не требуется. Таким образом, ПЛК для своего программирования не требует ни-каких инструментальных средств и является законченным автономным изделием.

В развитых системах проектирования программного обеспечения эти языки могут смешиваться и дополнять возможности друг друга.

Вопросы к экзамену.

Структура программного обеспечения САУ на физическом и логическом уровнях.

Защита программного обеспечения от сбоев в процессе работы.

Языки программирования программируемых логических контроллеров.

Рис. 2.1. Вольтамперная характеристика диода.

43

Гл. 2. Электронные компоненты систем автоматического управления

Только знание работы основных электронных компонентов позволит нам усвоить пра-вила построения систем управления и энергообеспечения и понять, из каких предпосылок они строятся, постичь гармонию аппаратного и программного обеспечения САУ. Изучение начнем с полупроводникового диода и закончим микроконтроллерами. При этом физику ра-боты компонента будем изучать лишь на том уровне, чтобы понять формирование его ос-новных свойств. Для тех, кто хочет подробнее ознакомиться с работой и применением раз-личных электронных компонент, рекомендуем прекрасную книгу [1].

2.1. Дискретные электронные компоненты САУ

Основными электронными компонентами современных САУ являются интегральные схемы малой , большой и сверхбольшой степени интеграции (ИС, БИС, СБИС). Дискретные электронные компоненты применяют в основном на периферии, в линиях связи с объектом управления, в устройствах формирования требуемых энергетических потоков (электронных ключах) и, как вспомогательные элементы для подключения различных интегральных схем.

Полупроводниковый диод. Основу полупроводникового диода составляет p-n пере-ход, пропускающий ток в одном направлении и не пропускающий в другом. Диод – это двухвыводной прибор, его вольтамперная характеристика и обозначение на принципиальных

электрических схемах, представлены на рис. 2.1. Имеется две ветви вольтамперной характеристики, прямая , когда положительное напряжение подано на вывод, помеченный знаком «+» (на р-вывод p-n пе-рехода или анод) и обратная.

На прямом участке зависимость представляет из себя экспоненту и ток, начиная с некоторого зна-чения Uд резко возрастает. Это напряжение называ-ют прямым падением или «пяточкой» диода, для кремниевых диодов оно составляет около 0,6…0,7 вольта. Оно существенно зависит от температуры перехода и падает примерно на 0,2 вольта при по-вышении температуры на 100 градусов.

Стандартными характеристиками выпрями-тельных диодов, применяемых в САУ является номи-нальное и предельное значение прямого тока диода Iпр, иногда в зависимости от температуры корпуса. Важным также является и предельное значение обрат-

ного напряжения Uобр.

У диодов Шоттки в основе переход металл-полупроводник. Прямое падение напряже-ния на них ниже и составляет 0,25…0,4 В, однако диоды Шоттки отличаются меньшими предельными значениями обратного напряжения по сравнению с типовыми кремниевыми диодами.

Применяют диоды, как элементы САУ очень широко. Прежде всего – диод, это выпря-митель переменного тока. На рис. 2.2 приведены наиболее типовые примеры применения дио-дов в качестве защиты от индуктивности нагрузки при ее включении и выключении (рис. 2.2, а), для защиты линий связи вычислительного ядра САУ с элементами контроля и управления (рис. 2.2, б), для автоматического подключения резервного питания (рис. 2.2, в).

Рис. 2.3. Типовая топология биполярного транзистора (а) и его схемотехническое обозначение: б) n-p-n транзистор; в) p-n-p транзистор.

Рис. 2.2. Примеры использования диодов в САУ.

Примерами индуктивных нагру-зок являются все двигатели, электро-магнитные клапаны, силовые электро-магниты и т.п. При включении индук-тивной нагрузки в ней появляется на-пряжение самоиндукции, препятст-вующее нарастанию тока, т.е. направ-ленное против основного питания Uн (рис. 2.2, а). Таким образом, напряже-ние U_А на выводе нагрузки оказывает-ся больше, чем номинальное напряже-ние питания. Диод VD1 шунтирует это напряжение. При выключении питания

ток через нагрузку падает. ЭДС самоиндукции, препятствуя падению тока, создает на выводе А нагрузки отрицательный потенциал U_А. Диод VD2 отводит этот потенциал на землю.

На рис. 2.2, б) диод предохраняет от ошибок при коммутации витой пары, ведущей к какому-либо датчику на объекте управления. Если неправильно скоммутировать разъем Х, диод не позволит протекать току датчика в противоположном направлении и, тем самым по-вредить какие-либо компоненты вычислительного ядра, куда поступает сигнал от датчика, либо повредить датчик, если он питается от вычислительного ядра.

На рис, 2.2, в) диод VD1 автоматически подключит резервную батарею U_б, если вне-запно пропадет основное номинальное питающее напряжение Uн (U_б+0,5…0,7В= Uн).

На обратной ветви вольтамперной характеристики ток сначала очень мал и составляет доли микроампера. Однако, при приближении к предельному обратному напряжению, кото-рое называют напряжением пробоя он резко возрастает, и, если его не ограничить, прибор выйдет из строя. На обратной ветви вольтамперной характеристики работают полупровод-никовые стабилитроны, используемые для получения стабильного опорного напряжения.

Биполярный транзистор. Двойной p-n переход превратил диод из пассивного при-бора в биполярный транзистор, усилитель тока. Типовая топология биполярного транзистора приведена на рис.2.2, а). На поверхности кремниевой пластины 1 сформирована n-область, являющаяся коллектором, на ней – р-область, являющаяся базой. Внутри базы полупровод-ник снова перелегирован в n-область. Это эмиттер транзи-стора. Пластина окислена (слой 2) и на окисел нанесены токо-проводящие дорожки 3 (обыч-но алюминий) толщиной по-рядка микрометра. В зоне базы и коллектора для получения надежного омического контак-та с алюминием полупровод-ник дополнительно подлегиро-

ван (области p+ и n+). На рис.2.2, б) приведено схемотехническое обозначение биполярного n-p-n транзистора, на рис. 2.2, в) - p-n-p транзистора.

У n-p-n транзистора в эмиттере избыток электронов, а в базе вакансий электронов – дырок. Электроны диффундируют из эмиттера в область базы, создавая вакансии в эмиттере, так что между базой и эмиттером возникает электрическое поле с потенциалом, препятст-вующем дальнейшей диффузии. Такое же явление происходит и в базово-коллекторном пе-реходе. При наличии на базово-эмиттерном переходе напряжения, открывающего этот пере-ход, электроны начинают поступать с эмиттера в область базы. Малая их часть рекомбини-рует с вакансиями, создавая ток базы I_Б. Но в основном, они, смешиваясь с электронами, по-

44

Рис.2.4. Ключ на би-полярном транзисто-ре.

45

ступившими в базу из коллектора, формируют коллекторный ток I_К, отличающийся от тока эмиттера на число рекомбинирующих в базе электронов:

I_К = I_Э − I_Б.

Различают три состояния транзистора:

полностью закрыт (коллекторный ток менее микроампера);

находится в активном режиме, когда ток коллектора пропорционален току базы;

полностью открыт, или находится в режиме насыщения.

В активном режиме управляемый ток коллектора I_K связан с управляющим током ба-зы I_Б соотношением: I_К = h₂₁ iI_Б , здесь h₂₁ – коэффициент усиления транзистора по току. Ко-

Характеристики

Список файлов книги