Микропроцессорные средства управления

МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СРЕДСТВА УПРАВЛЕНИЯ

ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ

 

Промышленные компьютеры

Промышленный компьютер - класс средств технической автоматизации, обладающий тремя отличительными признаками: программно совместим с компьютером IBM PC, имеет в своем составе полный набор средств для реализации человеко-машинного интерфейса (дисплей, клавиатуру, дополнительные панели оператора), обладает повышенной устойчивостью к воздействиям внешней среды. Для борьбы с пылью создают избыточное давление внутри системного блока, при этом всасывающие вентиляторы снабжаются пылеулавливающими фильтрами. В моделях для пультового монтажа применяется брызгозащита лицевой панели. С вибрациями и ударами борются, применяя прочные шасси и корпуса, закрепляя платы расширения дополнительными амортизирующими скобами, размещая дисковые накопители на специальной виброударостойкой подвеске. Компоненты интерфейса человек - машина также выполняются с учетом жестких условий эксплуатации. В клавиатурах в обязательном порядке предусмотрена пылевлагозащита. В рабочих станциях применяется ограниченный набор функциональных клавиш, они выполнены по пленочной технологии. Все большее распространение получают сенсорные экраны, дающие неограниченные возможности в создании дружественных интерфейсов.

Конструктивное исполнение системного блока промышленного компьютера отличается от офисного. Процессорная плата наравне с периферийными вставляется в пассивную объединительную плату с большим числом слотов расширения. Так как промышленному компьютеру часто приходится взаимодействовать с большим количеством датчиков и исполнительных устройств, то число слотов расширения нередко достигает 20.

Промышленные контроллеры

Термином «промышленный контроллер» характеризуют класс средств промышленной автоматики, которые выполнены в специальном конструктивном исполнении, имеют развитый набор УСО и обязательно программируются на языках общего применения (не проблемно ориентированных). Это означает, что элементная база центрального процессора может быть любой: начиная с 8-разрядных однокристальных и заканчивая коммуникационными процессорами. Однако в большинстве случаев под определением «промышленный контроллер» скрывается PC-совместимый контроллер модульного исполнения.

Российские производители промышленных контроллеров пытаются найти свою нишу среди широкой номенклатуры средств, предлагаемых всемирно известными производителями. Краткая характеристика технологических контроллеров российского производства представлена в табл. 7.2.

Промышленные контроллеры российских производителей Таблица 7.2.

Тип	Производит ель	Краткая техническая характеристика
МФК	«Текон», г. Москва	Многофункциональный технологический контроллер, имеющий большую гибкость при конфигурировании, обладающий мощными вычислительными ресурсами и большим количеством каналов ввода-вывода (более 750). Контроллер предназначен для сбора, обработки информации и управления объектами в схемах автономного управления или в составе распределенной системы управления на основе локальных сетей уровней LAN (Ethernet, Arcnet) и Fieldbus {Bitbus, CAN)
TKM51	«Текон», г. Москва	Программируемый технологический контроллер в пылебрызгозащищенном исполнении (IP54) с возможностью резервирования. Предназначен для сбора, обработки информации и формирования воздействия на объект управления в составе распределенных иерархических или локальных автономных АСУ ТП. Имеет встроенную функциональную клавиатуру, дисплей, интерфейсы Bitbus, RS-232, RS485, Centronics, широкую гамму дискретных и аналоговых модулей УСО. Примерное количество входов-выходов 190.
MIF	«Торнадо,        модульные системы» г. Новосибирск	Отказостойкие технологические контроллеры на базе модулей интеллектуальных функций (MIF-модулей). На их основе возможно создание как больших управляющих сетей реального времени, так и автономных интеллектуальных контроллеров. Характеризуются дублированной CAN-магистралью в качестве внутренней системной шины контроллера для межмодульной коммуникации. Контроллеры полностью программно совместимы с системами VME9000, ШС9000, Smart I/O.
QCIC	«Науцилус», г. Москва	PC-совместимый контроллер на базе процессорного модуля PC104 фирмы «Атpro Computers» и плат ввода-вывода фирмы «ComputerBoards».
ВИРА -ПКМ	СКБ космического приборостроения РАН, г. Таруса	Промышленный контроллер, предназначенный для использования в распределенных системах управления, сбора и обработки информации в качестве контроллера статута космических нижнего уровня.
ДС400 1	«Дискретные системы», г. Москва	Моноблочный промышленный контроллер, предназначен для использования в системах контроля и управления промышленным оборудованием в случаях, когда требуется ограниченное количество разнородных каналов ввода-вывода, может комплектоваться графическим ЖК-дисплеем и клавиатурой, работает под управлением ОС PTS DOS 6.65 и ядра реального времени RTKernel 4.5. Модули ввода-вывода — одноканальные. Вычислительное ядро — микроконтроллер ДС1001.

 

Современные технологии основаны на системах, разделенных на секции, находящиеся непосредственно рядом с силовым преобразователем. Такая технология имеет следующие преимущества: модульность в конструкции и развитии системы, обнаружение локальных ошибок, простота устранения неисправностей и обслуживания. Рост степени интеграции в микроэлектронике обусловил переход от достаточно сложных, состоящих из нескольких монтажных плат, микропроцессорных систем управления приводами к малогабаритным высокопроизводительным системам на основе однокристальных микроконтроллеров. 

Под прямым цифровым управлением понимают непосредственное управление от микроконтроллера каждым ключом силового преобразователя: инвертора, управляемого выпрямителя, силового коммутатора обмоток вентильного индукторного двигателя, ключа звена рекуперации энергии и т. д.; прямой ввод в микроконтроллер сигналов различных обратных связей с последующей программно-аппаратной обработкой внутри микроконтроллера. Тип сигнала обратной связи может быть различным: дискретным, аналоговым, импульсным.

Возможность технической реализации непосредственного управления силовыми ключами определяется совершенствованием элементной базы силовой электроники.

Освоено промышленное производство ряда новых электронных приборов, в частности, мощных МДП-транзисторов (MOSFET) и биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT), силовых модулей на их основе (верхний и нижний ключи, стойки с обратными диодами и целые инверторы), а также силовых интеллектуальных модулей (IPM) со встроенными средствами защиты каждого ключа и интерфейсами для непосредственного подключения к микропроцессорным системам управления.

Существенное изменение претерпела также номенклатура датчиков механических и электрических величин в сторону их миниатюризации, повышения точности, интеграции в одном корпусе чувствительного элемента и электронной схемы преобразования первичного сигнала. Последнее позволило унифицировать выходные аналоговые сигналы датчиков, а в ряде случаев разместить в корпусе датчика интерфейс для непосредственной цифровой обработки микропроцессорной системой выходных сигналов датчиков.

Таким образом, система прямого цифрового управления ориентирована на отказ от значительного числа дополнительных интерфейсных плат и создание одноплатных контроллеров управления приводами, встраиваемых в силовое оборудование. Элементной базой для создания специализированных одноплатных контроллеров управления приводами служат однокристальные микроконтроллеры класса «Motor Control» (управление двигателями). Главное отличие этих изделий от микроконтроллеров общего назначения состоит в номенклатуре встроенных периферийных устройств, а также в максимальной адаптации архитектуры центрального процессора и системы его команд к задачам управления в реальном времени. 

Создание внутри кристалла МК все более совершенных периферийных модулей, специализированных именно на задачах управления электроприводом, позволяет реализовать все алгоритмические задачи управления программно-аппаратными средствами только одного микроконтроллера. В пределе встроенная система управления проектируется как однокристальный микроконтроллер, который вместе с силовым преобразователем и исполнительным двигателем конструктивно интегрируется в единое целое - мехатронный модуль движения, имеющий стандартный последовательный интерфейс для обмена управляющей и статусной информацией с системой более высокого уровня - промышленным программируемым контроллером или управляющим компьютером.

С учетом этой тенденции развития большинство МК класса «Motor Control» имеет на кристалле встроенные средства поддержки перспективных промышленных сетей, например, встроенные CAN-контроллеры.

Функционально МК включает в себя модули различных типов памяти и модули периферийных устройств. Размешенные на кристалле МК блоки памяти различаются по функциональному назначению (ОЗУ и ПЗУ), информационной емкости (количество ячеек памяти того и другого типа), а также по технологии занесения программы в ПЗУ. Выпускаются МК с масочным, однократно программируемым (ОТР ROM) и многократно программируемым ПЗУ. Наиболее перспективным в настоящее время считается многократно программируемое пользователем ПЗУ, выполненное по технологии Flash.

В группу модулей периферийных устройств МК общего назначения входит большинство из известных типов адаптеров сопряжения с объектом:  параллельные порты ввода-вывода;

• многорежимные таймеры (счетчики), таймеры периодических прерываний, процессоры событии;

• многоканальные аналого-цифровой (АЦП) и цифроаналоговый (ЦАП) преобразователи;

• контроллеры последовательного интерфейса связи нескольких типов (UART, SCI, SPI, CAN);

• контроллеры клавиатуры, схемы управления жидкокристаллическими и светодиодными индикаторами.

В большинстве современных электроприводов для создания требуемой формы тока в обмотках двигателя используются регулируемые внутренними средствами силовые преобразователи. Частота коммутации силовых ключей преобразователя составляет от 10 до 20 кГц, т. е. период коммутации равен всего 50 - 100 мкс. Система управления на основе МК должна обеспечить не только формирование интервалов указанной длительности, но и регулирование длительности проводящего состояния силовых ключей в пределах этого интервала с точностью не хуже 1 % в системах скалярного управления и 0,1-0,5 % в системах векторного управления. Поэтому был разработан специальный таймерный модуль многоканального широтно-импульсного генератора (модуль ШИМ-генератора). Наличие в составе МК специализированного периферийного модуля ШИМ-генератора является классификационным признаком, который позволяет отнести МК к классу специализированных МК «Motor Control».

 

Однокристальные микроЭВМ

Специализированные МК класса «Motor Control» представляет собой единство трех составляющих (рис. 7.5): процессорного ядра с блоками памяти программ и данных; некоторого набора периферийных модулей; который может изменяться от модели к модели портами ввода-вывода, многорежимными таймерами с функциями входного захвата и выходного сравнения и многоканальными АЦП; специализированного модуля ШИМгенератора, который характерен только для МК «Motor Control».

МК для управления двигателями класса «Motor Control» выпускают следующие фирмы: «Texas Instruments», «Analog Devices», «Motorola», «Infineon», «Intel», «Hitachi», «Mitsubishi» (Microchip). Основной классификационный признак МК общего назначения — разрядность и архитектура процессорного ядра. Поскольку процессорное ядро МК для управления электроприводом в большинстве случаев не является специально разработанным, а заимствуется от МК общего назначения, то и МК «Motor Control» делят на следующие группы: 8-разрядные, 16-разрядные и DSP. DSP «Motor Control» — это МК с процессорным ядром, архитектура которого ориентирована на алгоритмы цифровой обработки сигналов, а набор периферийных модулей аналогичен рассмотренному.

 

Рис.7.5. Структура микроконтроллера класса «Motor Control»

 

Группа 8-разрядных МК невелика, это направление развивают фирмы: «Motorola», «Infineon»,(Microchip). 

 

 

Вопросы для самоконтроля

1. Как классифицируются микропроцессорные средства управления электроприводом?

2. Какие узлы входят в состав двухуровневой АСУ с регулируемым электроприводом?

3. Какие функции выполняют контроллеры трехуровневой АСУ?

4. Перечислите варианты конструктивного исполнения промышленных контроллеров?

5. Какие узлы входят в состав программируемых логических контроллеров?

6. Как оценивается быстродействие ПЛК?

7. Какие языки используют для программирования ПЛК?

8. Какими отличительными признаками характеризуются промышленные компьютеры?

9. Какие отличительные признаки характеризуют промышленный контроллер?

10. Перечислите типы и особенности промышленных контроллеров российских производителей.

11. Какие узлы входят в состав схемы однокристальной микроЭВМ?

12. Какие функции выполняет ЭВМ Pic16F?

13. Из каких узлов состоит схема Pic16F?

14. Какие узлы схемы Pic16F входят в ШИМ-генератор?

  

 

МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СРЕДСТВА УПРАВЛЕНИЯ

ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ