Склад мікропроцесорної системи управління

В зв’язку з переводом ряду пристроїв автоматизації на електронну базу для керування технологічними процесами (АСУ ТП ГЕС), управлінням обладнанням ГЕС в гідроенергетиці при розробці нових систем автоматизації найчастіше вибирають шлях використання мікропроцесорних контролерів. При цьому контролери застосовуються або самостійно, з мінімальною кількістю складових частин (модулів), або в складі багаторівневих мікропроцесорних систем (МПС) із розвиненими засобами вводу/виводу.

МПС являє собою сукупність апаратних (Hard Ware) і програмних засобів (Soft Ware). Причому апаратні засоби забезпечують максимальну продуктивність або швидкодію, а програмні засоби - розширення кола завдань, розв'язувані МПС. Як правило, реалізація обчислень програмними засобами є менш швидкодіючою. Тому в процесі проектування МПС у цілому необхідно визначити оптимальні співвідношення між апаратними й програмними засобами з метою одержання заданих характеристик МПС. При цьому в процесі проектування продуктивність системи, обсяг пам'яті, габарити, споживана енергія виступають як критерії вибору конкретної структури МПС. Узагальнюючим критерієм вибору структури МПС при рішенні конкретного завдання, як правило, є вартісний критерій, що сполучає в собі всі перераховані вище критерії. А при зміні технічного завдання можна варіювати як апаратними, так і програмними засобами з метою одержання її найкращого варіанта. При проектуванні МПС необхідно враховувати наступні функціональні можливості:

· збір й обробка в реальному часі різноманітних вимірюваних параметрів;

· попередні перетворення різного роду інформації;

· відображення інформації;

· контроль й оцінка параметрів і порівняння зі стандартами;

· діагностика, аналіз функціонування МПС із можливістю виклику діагностичних програм;

· архівація великої кількості даних з можливістю перегляду й аналізу;

· оформлення протоколів на паперовому й магнітному носії;

· зв'язок з іншими системами у вигляді підключення до ліній обчислювальних систем;

· видача сигналів керування для використання в системах сигналізації та керування обладнанням.

При цьому структура проектованої МПС повинна бути типова або універсальна, що скорочує час на розробку такої системи. Апаратні засоби, як правило, не містять надлишкової частини й забезпечують високу швидкодію при малому споживанні енергії, забезпечують можливість підключення великої кількості датчиків і периферійних пристроїв. Для забезпечення надійної роботи передбачений захист від зависання, сумісність із усім набором ефективних пристроїв, використання подвійного живлення.

Типова структура мікропроцесорної системи наведена на рис. 2.1. Вона містить у собі три основних типи пристроїв:

· процесор;

· пам'ять, що включає оперативну пам'ять (ОЗП, RAM - Random Access Memory) і постійну пам'ять (ПЗП, ROM -Read Only Memory), що служать для зберігання даних і програм;

· пристрою вводу/виводу (ПВВ, І/O - Іnput/Output Devіces), для зв'язку мікропроцесорної системи із зовнішніми пристроями, для прийому (вводу, читання, Read) вхідних сигналів і видачі (виводу, запису, Wrіte) вихідних сигналів.

Процесор виконує наступні дії: управляє виконанням команд, здійснює обмін інформацією із зовнішніми пристроями, управляє зовнішніми пристроями в комплексі. Його основні параметри наступні: розрядність, продуктивність, можливість взаємодії із зовнішніми пристроями, будується на базі мікропроцесорного комплекту.

Пам'ять складається із двох компонентів: ПЗП для зберігання програм (постійна пам'ять), ОЗП для зберігання даних (оперативна пам'ять).

Всі пристрої мікропроцесорної системи поєднуються загальною системною шиною (вона ж називається ще системною магістраллю). Системна магістраль містить у собі чотири основні шини нижнього рівня:

· шина адреси (Address Bus);

· шина даних (Data Bus);

· шина керування (Control Bus);

· шина живлення (Power Bus).

 

                                                                                                            Вихідні

                                               Вхідні сигнали                              сигнали

 

Шина

живлення

 

                                                                             Шина даних

                                                                                                           Системна

                                                                             Шина адресу     шина

                                                                                                           (магістраль)

                                                                     Шина управління

 

Рис.2.1 - Структура мікропроцесорної системи

 

Шина адреси служить для визначення адреси (номера) пристрою, з яким процесор обмінюється інформацією в цей момент. Кожному пристрою (крім процесора), кожній комірці пам'яті в мікропроцесорній системі привласнюється власна адреса. Коли код якоїсь адреси виставляється процесором на шині адреси, пристрій, якому ця адреса приписана, робить обмін інформацією. Шина адреси може бути однонаправленою або двонаправленою.

Шина даних - це основна шина, що використається для передачі інформаційних кодів між всіма пристроями мікропроцесорної системи. Звичайно в пересиланні інформації бере участь процесор, що передає код даних у якийсь пристрій або в комірку пам'яті або ж приймає код даних з якогось пристрою або з комірки пам'яті. Але можлива також і передача інформації між пристроями без участі процесора. Шина даних завжди двонаправлена.

Шина керування на відміну від шини адреси й шини даних служить для передачі окремих керуючих сигналів. Кожний із цих сигналів під час обміну інформацією має свою функцію. Деякі сигнали служать для керування передачею або прийомом даних (визначають моменти часу, коли інформаційний код виставлений на шину даних). Інші керуючі сигнали можуть використатися для підтвердження прийому даних, для скидання всіх пристроїв у початковий стан, т.д. Лінії шини керування можуть бути односпрямованими або двонаправленими.

Нарешті, шина живлення призначена не для пересилання інформаційних сигналів, а для живлення системи.

Якщо в мікропроцесорну систему треба ввести вхідний код (або вхідний сигнал), то процесор по шині адреси звертається до потрібного пристрою вводу/виводу і приймає по шині даних вхідну інформацію. Якщо з мікропроцесорної системи треба вивести вихідний код (або вихідний сигнал), то процесор звертається по шині адреси до потрібного пристрою вводу/виводу і передає йому по шині даних вихідну інформацію.

Якщо інформація повинна пройти складну багатоступінчасту обробку, то процесор може зберігати проміжні результати в системній оперативній пам'яті. Для звертання до будь-якої комірки пам'яті процесор виставляє її адресу на шину адреси і передає в неї інформаційний код по шині даних або ж приймає з її інформаційний код по шині даних. У пам'яті (оперативній постійній) перебувають також і керуючі коди (команди виконуваної процесором програми), які процесор також читає по шині даних з адресацією по шині адреси. Постійна пам'ять використається в основному для зберігання програми початкового пуску мікропроцесорної системи, що виконується щораз після включення живлення. Інформація в неї заноситься виготовлювачем раз і назавжди.

Таким чином, у мікропроцесорній системі всі інформаційні коди й коди команд передаються по шинах послідовно, по черзі. Це визначає порівняно невисоку швидкодію мікропроцесорної системи. Воно обмежено звичайно навіть не швидкодією процесора (яке теж дуже важливо) і не швидкістю обміну по системній шині (магістралі), а саме послідовним характером передачі інформації із системної шини (магістралі).

Сучасні інформаційні керуючі електронні системи відрізняються високим ступенем автоматизації процесів, що обчислюють параметрів керування, проведенням процедур вимірювального контролю й керуванням технічними процесами й об'єктами.

МПС керування технологічними процесами повинна забезпечувати:

· програмне керування завданнями регуляторів,

· логічне керування при пуску, зупинці і блокуванню роботи

устаткування,

· автоматичне керування для циклічних процесів,

· контроль змінних процесу, сигналізацію, індикацію.

Вибір контролерів для розподіленої системи керування є складним завданням, для рішення якої потрібно врахувати багато факторів. Вихідними даними для вибору МП служать основні характеристики алгоритмів і устаткування. Склад устаткування характеризується більшим набором пристроїв різного типу і призначення: датчики, виконавчі пристрої, технологічні об'єкти, пульти керування, обчислювальні засоби, засоби зв'язку.

Контролери, що виконують алгоритми логічного керування, призначені для заміни релейних і логічних схем автоматики. Їх називають програмувальними логічними контролерами. Контролери, що виконують алгоритми автоматичного регулювання процесів, заміняють аналогові і аналого-цифрові регулятори. Такий тип контролерів одержав назву програмувальних регулюючих контролерів. Розрізняються також контролери для реалізації спеціальних алгоритмів керування побутовими приладами, контрольно-вимірювальними приладами, транспортними механізмами і т.д. Структурна схема технічних засобів МПС керування представлена на рис.2.2.

 

Рис.2.2 - Структура й склад технічних засобів МПС автоматизації

Центральне місце в ній займають мікропроцесорні пристрої керування - програмувальні логічні і регулюючі контролери, контролери змішаного типу. Разом з тим у системах керування навіть із мікропроцесорними засобами керування нерідко використаються аналогові регулятори  і  логічні контролери з фіксованою структурою.

Важливим елементом МПС керування є первинні вимірювальні перетворювачі (ВП) параметрів функціональних підсистем і параметрів оброблюваних виробів. Розмаїтість технологічних процесів, труднощі виміру параметрів об'єктів роблять завдання контролю досить складної. ВП (датчиком) варто назвати засіб вимірів, що представляє собою конструктивно завершений пристрій, розташовуваний у процесі виміру безпосередньо в зоні досліджуваного об'єкта і виконує функцію вимірювального перетворювача.

Вимірювальні перетворювачі використаються такі, що випускають серійно, так і спеціальні перетворювачі, розроблені для конкретних технологічних процесів. Для сполучення вимірювальних перетворювачів із пристроями мікропроцесорного керування використаються перетворювачі, що виконують функцію нормуванні сигналів, які з високою точністю підсилюють напругу низького рівня вимірювальних перетворювачів до стандартного рівня ±10 В або 0...20 мА. Функції вимірювального перетворювача і перетворювача, що нормує, можуть бути сполучені в одному пристрої - датчику.

Керуючі сигнали із пристрою керування надходять на виконавчі механізми устаткування через підсилювачі потужності і спеціальні перетворювачі тому, що в більшості випадків керування устаткуванням повинне здійснюватися могутнішими сигналами керування. Це пов'язане з конструктивним виконанням керуючої (регулюючої) частини устаткування, при цьому потужність керуючих входів виконавчих механізмів значно більше потужності вихідних каналів МПС. По виду вхідної величини розрізняють вимірювальні перетворювачі переміщень, швидкості, температури, тиску, вологості, витрати газів т.д. Вимірювальні перетворювачі характеризуються видом вхідної величини, діапазоном вимірів, чутливістю, погрішністю перетворення, швидкодією, рівнянням перетворення, видом вихідної величини, принципом дії і т.д. Однієї з головних характеристик вимірювальних перетворювачів є погрішність перетворення, що складається з основної погрішності, властивої перетворювачу при роботі в нормальних умовах, і додатковим, обумовленим впливом різних дестабілізуючих факторів, що виникають при відхиленнях зовнішніх умов від нормальних (наприклад, зміна температури навколишнього середовища).

Основні вимоги до систем керування технологічним устаткуванням:

· забезпечення безпечної роботи обслуговуючого персоналу;

· забезпечення безпеки устаткування в аварійних ситуаціях;

· керування устаткуванням по заданій програмі;

· діагностика стану системи керування;

· гнучкість при зміні технології;

· можливість нарощування й модернізації апаратної частини системи  

· керування і технологічного устаткування;

· можливість роботи в складі автоматизованої лінії;

· мінімальні строки розробки;

· мінімальні строки обслуговування і ремонту.

Можливість виконання цих вимог у значній мірі визначається структурою системи й керування. Використання в системі керування мікропроцесорних програмувальних контролерів дозволяє реалізувати різні варіанти систем керування.