Технические средства комплексной автоматизации

 

Средства автоматизации можно подразделить на две большие группы в зависимости от вида логических связей на устройства жесткой и программируемой логики.

В устройствах жесткой логики материальные связи выполнены в виде соединительных проводников в соответствии с разработанной принципиальной схемой. Такое устройство было традиционным и использовалось для решения как логических, так и функциональных задач. Высокое качество средств управления с жесткой логикой способствует их широкому внедрению в промышленность. В то же время они имеют недостатки, затрудняющие решение сложных задач управления, особенно гибкого, введение новых функций, решение задач оптимизации процессов, диагностирования и ремонта.

Устройства программируемой логики лишены этих недостатков. К ним относятся микропроцессоры и построенные на их основе микроЭВМ и программируемые контроллеры.

Рассмотрим, чем различаются ЭВМ, микроЭВМ, управляющие микроЭВМ и программируемые контроллеры.

Основным элементом ЭВМ является центральный процессор (ЦП), предназначенный для выполнения операций обработки данных. В состав ЦП входят процессор, запоминающее устройство и схемы соединения.

Процессор — устройство запрограммированной обработки информации в ЭВМ. Он состоит из арифметико-логического устройства (АЛУ), набора регистров, устройства управления (УУ) и шин сопряжения. АЛУ — основной операционный блок. Процессор реализует алгоритм, описание которого хранится в блоке памяти, внешнем по отношению к процессору. Каждая операция в процессоре управляется соответствующей микро-

Микропроцессор (МКП) — центральный процессор; является основной частью микроЭВМ, реализованный средствами интегральной технологии в одной или нескольких больших интегральных схемах (БИС). Микропроцессор, так же как и процессор, предназначен для выполнения программно-управляемых, арифметических и логических операций; содержит АЛУ и УУ, регистры и шины ввода-вывода информации. Осуществляет прием, обработку и выдачу цифровой информации.

Микропроцессорные комплекты (комплект БИС, комплект микросхем) — совокупность микропроцессорных и других микросхем, совместимых по конструктивно-технологическому исполнению и предназначенных для совместного использования при построении микропроцессоров, микроЭВМ, контроллеров и других средств вычислительной техники.

МикроЭВМ — универсальная цифровая вычислительная машина, состоящая из МКП и других интегральных микросхем: постоянных запоминающих устройств (ПЗУ), запоминающих устройств (ЗУ) с произвольным доступом и иногда из одного или нескольких устройств ввода-вывода информации. Как любая ЭВМ, микроЭВМ представляет собой комплекс технических средств и программного обеспечения, способный реализовать любой алгоритм, оформленный в виде программы, которая хранится в памяти, и ориентирована на реализацию процессов переработки информации во взаимодействии с пользователем.

Возможность взаимодействия с человеком-пользователем — принципиальное отличие ЭВМ. Средства взаимодействия включают в себя клавиатуру, дисплей либо печатающее устройство.

Универсальная ЭВМ способна решить любую задачу, представленную в требуемой для этого форме, причем пользователь может наращивать память практически безгранично. МикроЭВМ выполнены на элементах БИС.

Микропроцессорная система (МКПС) — управляющая, информационная или иная специализированная цифровая система, построенная на базе микропроцессорных средств, включающая микроЭВМ, средства сопряжения с объектом, память и используемая для реализации единого процесса преобразования информации. Обычно выполняет ограниченный набор программ, хранящихся в блоке постоянной памяти.

Управляющая микроЭВМ — разновидность ЭВМ, предназначенных для специального использования при автоматизации различных процессов и построенные на элементах БИС. По основным выполняемым функциям управляющие микроЭВМ подразделяются на ЭВМ контроля, управления технологическими процессами, управления производством. Выполняют в большей степени логические операции нежели вычислительные.

При работе управляющих микроЭВМ требуются специальные аппаратные устройства (периферийные устройства), которые согласуют между вычислительным устройством и технологическим процессом виды энергии и уровни мощностей, а также функциональные принципы (форма сигналов процесса в большинстве случаев аналоговая, в вычислительном устройстве — цифровая).

В управляющих микроЭВМ периферийные устройства часто весьма просты и приспособлены для решения специальных задач; скорость обработки данных позволяет работать в реальном масштабе времени. Такая обработка данных в реальном масштабе времени требует специального программирования.

Управляющая ЭВМ — это цифровое вычислительное устройство с периферийными устройствами для приема данных процесса и выдачи команд, которая обрабатывает данные процесса в реальном масштабе времени, гибко программирует их для решения различного рода задач.

 Программируемый контроллер (ПК) (микроконтроллер) представляет собой устройство переработки информации, предназначенное для работы с конкретной ТС. Функцией ПК является реализации алгоритмов управления машиной, механизмом, прибором, электроприводом и т.п. (рисунок 7.1). ПК управляет одним или несколькими процессами, для реализации каждого из которых в общем случае необходимо контролировать, поддерживать в заданных пределах или обеспечивать изменение по заданному закону целой группы параметров. Результаты измерения параметров по каналам связи передаются к контроллеру. Длина каналов связи может изменяться от нескольких сантиметров (характерно для судовых КСУ) до нескольких сотен километров. В первом случае контроллер встроен в машину, и канал связи в этом случае представляет собой просто соединительные проводники. Во втором случае имеет место система телеуправления.

При подключении каналов связи к процессору контроллера необходимо выполнить:

1) электрическую изоляцию выводов БИС контроллера от канала связи во избежание паразитных электрических потенциалов — помех, приводящих к сбоям в его работе. С этой целью каналы связи изолируются от контроллеров с помощью оптронов, представляющих собой размещенные в одном корпусе светодиод и фототранзистор. При поступлении электрического сигнала по каналу связи светодиод начинает светиться и переводит фототранзистор в проводящее состояние (рисунок 7.2). Наличие оптронных средств электрической изоляции - одна из важных особенностей контроллеров;

2) преобразование аналоговых сигналов в цифровую форму с помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП);

3) заданную последовательность опроса точек, в которых измеряются параметры.

 

Рисунок 7.1 - Структура управления с применением программируемого контроллера.

Здесь ПК — программируемый контроллер; ЦАП — цифроаналоговый преобразователь; АЦП — аналоговый цифровой преобразователь; УО — управляемый объект; х_зд — аналоговый задающий сигнал; g_u — цифровой задающий сигнал; u —сигнал управления

 

Рисунок 7.2 - Оптронная электрическая развязка

Контроллер по программе сравнивает измеренные значения параметров с их заданными значениями и в зависимости от результата сравнения вырабатывает управляющие сигналы, которые могут быть преобразованы в аналоговую форму с помощью ЦАП.

Выводы контроллеров, на которых действуют цифровые сигналы, соединяются с каналами связи через оптронные устройства электрической изоляции. По каналам связи управляющие сигналы поступают к исполнительным органам, воздействующим на ход процесса.

Программное обеспечение контроллеров специфично. В его памяти в общем случае может храниться большое число заранее известных программ, которые составляются и вводятся в контроллер в процессе проектирования и наладки системы, в период ремонта судна.

Операционные системы и внутреннее программное обеспечение, как правило, полностью отсутствуют или же представлены в минимальной степени, поскольку все режимы работы известны заранее. Практически все ресурсы контроллера могут быть направлены на выполнение его внешних функций. В этом также коренное отличие контроллеров от ЭВМ вообще и от микроЭВМ в частности.

Другая особенность программного обеспечения контроллеров состоит в том, что хранящийся в памяти комплект программ обновляется только в исключительных случаях, например, когда меняется технологический процесс управления. Поэтому для хранения программ используются постоянные запоминающие устройства (ПЗУ) и перепрограммируемые запоминающие устройства (ППЗУ). Хранение программ в ПЗУ и ППЗУ существенно повышает надежность работы систем, так как хранящаяся информация не искажается при отключении питания или под воздействием сильных электрических или магнитных полей.

 

Рисунок 7.3 - Структура много-процессорной системы

 

Следует отметить, что в состав контроллера могут входить устройства обмена информацией с человеком-оператором. Чаще всего они обеспечивают сигнализацию о ходе процесса или отсчета (средство печати). Обмен контроллера с оператором имеет вспомогательный характер. Так же как и управляемая ЭВМ, контроллер работает в реальном масштабе времени. Это означает, что операции по переработке информации в нем должны происходить в том же темпе, в каком она поступает и в каком она должна потребляться в целях управления. Решающими факторами для обеспечения работы контроллера в реальном масштабе времени является применение быстродействующих процессоров, а также специального программного обеспечения. Как показала практика, применение принципа децентрализованного (распределенного) управления при построении МКП САУ становится все более оправданным технически и экономически. Для увеличения производительности, надежности и гибкости СУ на базе МКП применяют МКПС (рисунок 7.3) с параллельной организацией их работы. Такое построение систем позволяет реализовать одновременное выполнение команд или программ или подпрограмм.

 

 

Вопросы для самопроверки:

 

1. Назначение технических средств комплексной автоматизации

2. Назовите две большие группы подразделения технических средств комплексной автоматизации

3. Назовите элементы устройства программы логики

4. Что включают в себя микропроцессорные комплекты?