Микропроцессорные управляющие устройства

С появлением микропроцессоров (МП) началась новая эпоха в автоматизации производственных процессов. Благодаря способно­сти устройств на базе МП практически мгновенно реагировать на любые события в технологическом процессе, воспринимать за короткое время информацию, поступающую с большого количе­ства различных датчиков, и формировать большое количество уп­равляющих сигналов микропроцессоры получили широкое рас­пространение на всех уровнях — от сбора и обработки данных до полного ведения технологического процесса. Изменилась и форма представления информации оператору и ее регистрации.

Микропроцессор — информационное устройство; он работает с информацией, представленной в виде двоичных чисел. Огром­ная эффективность МП как ключевого элемента средств управле­ния базируется на двух принципах:

•   любое значение любой физической величины можно записать в виде двоичного числа;

•       любое действие любого исполнительного механизма можно закодировать в виде двоичного числа.

160

Следовательно, организовать причинно-следственную связь между значением технологического параметра (причиной) и тре­буемым воздействием на исполнительный механизм (следствием) можно путем перехода от одного двоичного числа к другому, вы­полненного по определенным правилам.

Такой переход и осуществляет микропроцессор, преобразуя с помощью арифметических и логических операций одни двоичные числа в другие. Какие именно операции нужно произвести, ука­зывает программа управления работой МП, составленная на ос­нове анализа зависимости между значением данного параметра и результатом воздействия данного ИМ на технологический про­цесс.

Микропроцессор — это программно-управляемое устройство, производящее преобразование двоичных чисел и выполненное в виде одной или нескольких интегральных схем.

Все другие функции микропроцессора, такие как обработка информации и формирование управляющих воздействий, отно­сятся не к МП, а к управляющей программе.

Общая схема микропроцессора приведена на рис. 7.3, а.

Микропроцессор состоит из арифметико-логического устрой­ства (АЛУ), устройства управления (УУ) и внутренней памяти — регистров общего назначения (РОН). Устройства связаны тремя шинами. Каждая шина — это группа проводников, по которым передаются двоичные коды в виде сигналов 0 или 1.

Арифметико-логическое устройство выполняет арифметические (сложение, умножение) и логические (И, ИЛИ) операции над 8- или 16-разрядными двоичными числами. Числа поступают с шины данных через регистры, обеспечивающие их временное хра­нение. Устройство управления координирует работу АЛУ и реги­стров в соответствии с командами программы. Устройство уп­равления получает команды с шины данных через дешифратор команд. Команда представляет собой двоичное число: одна его часть — код операции, которую предстоит выполнить АЛУ, а другая часть указывает адрес расположения числа, над которым будет совершена операция (например, один из регистров РОН). Второе число поступает в АЛУ по шине данных. Результат выполнения операции записывается в один из регистров и далее поступает на шину данных.

Современные микропроцессоры состоят из миллионов тран­зисторов и выполняют сотни миллионов операций в секунду. Если снабдить МП более мощной памятью, устройствами ввода-выво­да информации, а при необходимости и пультом управления, позволяющим вводить и отлаживать новые программы, то он пре­вратится в микроЭВМ.

Структурная схема микроЭВМ на базе МП приведена на рис. 7.3, б.

161

МикроЭВМ имеет два вида памяти: постоянное (ПЗУ) и опе­ративное (ОЗУ) запоминающие устройства. Содержимое ПЗУ запи­сывается изготовителем микроЭВМ и не может быть стерто. В ПЗУ хранят программы начальной загрузки микроЭВМ, константы, табличные данные и т.д. В ОЗУ информацию можно записывать и стирать многократно, поэтому оно используется для оперативно­го хранения данных, подлежащих обработке, промежуточных ре­зультатов, отладки программ и т.д. При выключении микроЭВМ информация в ОЗУ пропадает.

Устройства ввода и вывода обеспечивают прием и выдачу дво­ичных кодов обмена информацией с внешними устройствами.

Шины адресов, данных и управления используются для об­мена информацией между всеми подключенными к ним устрой­ствами в режиме разделения времени. Микропроцессор управля­ет подключением к шинам в каждый момент времени тех или иных устройств; для остальных устройств шины в это время не­доступны.

Обычно микроЭВМ представляет собой набор унифицирован­ных микросхем: микропроцессор, ПЗУ, ОЗУ и др. Все они согла­сованы между собой по уровням сигналов, входному и выходно­му сопротивлению, допустимым нагрузкам и иным параметрам.

Совершенствование технологии производства интегральных микросхем позволило создать микроЭВМ, которые вместе с жест­ким магнитным диском (долговременная память) размещаются в унифицированном герметичном корпусе, легко встраиваемом в каркас аппаратуры систем управления.

Варианты использования микропроцессоров и микроЭВМ в системах управления многообразны. До появления микроЭВМ системы управления были централизованными и одна мощная и быстродействующая ЭВМ обслуживала поочередно десятки и сотни датчиков и исполнительных механизмов. В современных децентра­лизованных системах управления центральная ЭВМ может отсут­ствовать вообще или использоваться только для учета и коорди­нации работ, а множество автономных микроЭВМ выполняют функции управления различными единицами оборудования и участками технологического процесса, вплоть до управления от­дельными параметрами процесса.

На рис. 7.4 представлена укрупненная схема одноконтурной системы управления, обеспечивающей поддержание заданного значения регулируемого параметра объекта управления. Она ил­люстрирует возможности устройства с ЭВМ в выборе оптималь­ного варианта управления. МикроЭВМ не просто сравнивает зна­чение регулируемого параметра с заданным, а учитывает резуль­таты проведенного ею анализа поведения параметра в предше­ствующий период и выбирает наилучший в этой ситуации закон регулирования.

163

Устройства на базе микроЭВМ, специально ориентированные на выполнение задач контроля и управления в локальных (мест­ных) системах, получили название «ремиконты» (РЕгулирующие МИкроКОНТроллеры). Кроме микроЭВМ они включают в себя устройства преобразования аналоговой и дискретной информа­ции, которые называются устройствами ввода-вывода информа­ции, и пульт оператора (рис. 7.5). Общая шина контроллера позво­ляет связывать его с другими аналогичными устройствами и глав­ной ЭВМ. При необходимости перестройки системы управления достаточно изменить программу в микроЭВМ, не заменяя блоков и не перепаивая отдельных элементов.

Наряду с микроЭВМ в промышленности применяются про­граммируемые контроллеры (ПК). Их используют в случаях, ког­да управление производится по результатам логической обработ­ки входных сигналов без проведения вычислительных работ. Та­кой контроллер обычно не имеет средств для работы со стандарт­ными языками программирования, применяемыми в микроЭВМ.

 

Программа, вводимая в ПК, содержит набор команд управления, представленных на языке релейно-контактных схем или на анало­гичном языке. Фактически программируемые контроллеры заме­няют широко использовавшиеся ранее релейно-контактные сис­темы управления, существенно превосходя их по надежности, удобству перепрограммирования и возможностям связи с систе­мой управления производством предприятия.

Программируемые контроллеры содержат кроме микропроцес­сора и источника питания большее или меньшее (в зависимости от объекта управления) количество устройств преобразования информации, предназначенных для связи с технологическим обо­рудованием. Это устройства ввода данных, соединяемые с датчи­ками и преобразующие их аналоговые и дискретные сигналы в двоичные коды, принимаемые микропроцессором, и устройства вывода управляющих сигналов, соединяемые с исполнительны­ми механизмами. При необходимости количество этих устройств может изменяться.

Микропроцессор, источник питания и устройства преобразо­вания информации выполняют единообразными по конструкции и размещают в общем каркасе, соединяя их общими шинами и кабелями в единый контроллерный блок (рис. 7.6). Программа заг­ружается в ПК с подключаемого к нему пульта программирова­ния.

Программируемые контроллеры могут работать совместно с ЭВМ, выполняющей функции обработки данных и координации работы ПК. Дальнейшее развитие и удешевление микроэлектрон­ных устройств ведет к тому, что происходит сближение различ­ных видов локальных подсистем управления по их функциям и возможностям. В специальных промышленных компьютерах на базе микроЭВМ, как и в ПК, предусмотрено до 20 мест для установки устройств преобразования информации. Аналогично построены и ремиконты. Общая тенденция развития современных систем уп-

165

равления — распределение всего комплекса задач по управлению технологическим процессом по множеству подсистем, каждая из которых обладает интеллектуальным ядром в виде мощной мик-роЭВМ со своим набором устройств ввода и вывода информа­ции, обслуживающих свой участок технологического процесса и соединенных в единую сеть с главной ЭВМ.

ЭВМ в системах управления

Существуют три основные категории ЭВМ: большие универ­сальные ЭВМ, мини-ЭВМ и микроЭВМ. Принципы их построе­ния одинаковы; отличия заключаются в основном в их мощности и размерах. Все три категории машин можно соединить с устрой­ствами преобразования информации и использовать для ее сбора, обработки и выработки управляющих сигналов.

Однако поскольку области применения ЭВМ чрезвычайно раз­нообразны, производители уделяют основное внимание машинам общего назначения, ориентированным на решение широкого клас­са задач. Массовость производства снижает их стоимость, а широ­та применения облегчает и удешевляет обслуживание.

В то же время ЭВМ общего назначения далеко не всегда подхо­дят для решения производственных задач. Дело в том, что они ориентированы на задачи, не привязанные к текущему времени. Все исходные данные вводятся в машину заранее, и программа по ходу вычислений сама определяет, когда их использовать. Боль­шинство решаемых на ЭВМ задач сводятся к поискам результатов сложных вычислений. Если человека, работающего с ЭВМ, инте­ресуют только эти результаты, то он не вмешивается в работу машины до их получения. Для него не важно, сколько времени машина потратит на расчеты. Никакие внешние обстоятельства и события не сказываются на работе ЭВМ в таком режиме (кроме отключения электропитания).

Совершенно иначе работает ЭВМ в системе управления техно­логическим процессом. Через датчики и исполнительные меха­низмы она соединяется непосредственно с процессом, протекаю­щим в реальном времени. Взаимодействуя с оборудованием, ЭВМ вынуждена работать в темпе, задаваемом ходом ТП, т.е. в режиме реального времени. Действия, выполняемые машиной, часто оп­ределяются ситуацией, реально сложившейся в данный момент в процессе, а не оператором или программой. Программы находят­ся в постоянной готовности к поступлению данных из ТП, кото­рые они тут же начинают обрабатывать, т.е. управляющая ЭВМ «работает» от внешних событий.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        . •

Важно, что реакция машины на сложившуюся ситуацию дол­жна происходить в реальном времени и любые задержки в реали-

166

зации, например, аварийных программ могут быть чреваты мате­риальными и людскими потерями. Поэтому управляющая ЭВМ должна обладать максимальным быстродействием и большой вы­числительной мощностью, которые могут потребоваться в любой момент.

Способность управляющих ЭВМ оперативно реагировать на события, происходящие в технологическом процессе, обеспечи­вается так называемым аппаратным прерыванием, когда выпол­нение текущей программы прерывается, чтобы отреагировать на внешнее событие выполнением специальной программы. После ее завершения машина возвращается к прерванной программе. Прерывание называется аппаратным потому, что оно иницииру­ется аппаратурой, т.е. одним из устройств преобразования инфор­мации, обнаружившим выход параметра за предельно допусти­мое значение. Для приема такой информации в управляющей ЭВМ имеются специальные входы.

В реальных ЭВМ предусмотрено несколько уровней прерыва­ния исходя из требуемой срочности реагирования на выход того или иного параметра за допустимые пределы. Сигнал прерывания более высокого приоритета, т.е. поступивший при отклонении более важного параметра, может прервать выполнение програм­мы, обслуживающей прерывание более низкого приоритета (но не наоборот).

Приведем пример. Вы решили приготовить кофе с молоком, поставили посуду с молоком на плиту и занялись размалыванием зерен кофе в кофемолке. Бросив взгляд на плиту, вы увидели, что молоко вот-вот «сбежит», и в это время раздается звонок в дверь. Какова будет последовательность ваших действий?

Очевидно, процесс размалывания зерен придется прервать, но это не так важно — его можно будет возобновить позже. Что каса­ется сбегающего молока и звонка в дверь, вам придется оценить приоритет каждого из этих факторов и начать с обслуживания того, которому вы присвоите больший приоритет.

Таким образом, размалывая зерна, вы получили два сигнала прерывания этого процесса. В соответствии с их уровнями при­оритета вы сначала, наверное, максимально быстро снимете мо­локо с плиты, затем уже без спешки откроете дверь вашему гос­тю, а после этого вернетесь к продолжению прерванного процес­са размалывания зерен.

Примерно так же реализуются прерывания в управляющей ЭВМ, только в качестве формирователей сигналов прерывания вам послужили ваши глаза и уши, а ЭВМ получает эти сигналы от устройств обработки информации, выданной датчиками техноло­гических параметров.

Следовательно, для управления ответственными и сложными технологическими процессами необходимы специализированные

167

ЭВМ, при разработке которых учитываются все указанные ранее факторы, но разработка, производство и обслуживание таких ма­шин обходятся намного дороже.