Технические САУ, Петухов И.В., Стешина Л.А

дования на выпуск другой продукции. Для уникальных проектов, мелкосерийных изделий и опытных образцов желательно иметь универсальный свободно программируемый контроллер.

Универсальный контроллер строится исходя из концепции размещения в рамках выбранного конструктива максимально возможного набора аппаратных средств, избыточного для отдельного конкретного применения.

Может показаться, что большой объем аппаратных ресурсов сделают такое устройство обязательно дорогим, что ограничит его использование. Однако это не так.

Каждый пользователь найдет в составе аппаратных ресурсов универсального контроллера средства, нужные именно ему. Кроме избыточности аппаратных средств мощным фактором универсализации выступает возможность управлять микропроцессорными устройствами с помощью самостоятельно создаваемых пользователем программ. Таким образом, потребителей такого контроллера будет очень много. Большой объем выпуска контроллеров существенно снизит их стоимость, и пользователь просто не будет обращать внимания на не используемые им (для него избыточные) аппаратные средства контроллера. Но самое главное – каждый потребитель будет освобожден от необходимости изготовления устройства управления (разработки схем, печатных плат, конструктива, отладки), что в конечном итоге сократит средства и время, затрачиваемые им на реализацию и внедрение конкретного проекта.

Долгое время применение универсальных контроллеров ограничивалось тем, что достичь достаточно высоких требований по производительности и точности в рамках унифицированных устройств (все-таки при их создании всегда ориентируются на типовые значения параметров и максимально широкий круг пользователей) было весьма трудно. Однако развитие микропроцессорной техники, достижения технологии изготовления интегральных средств в последнее время все больше стирают эти ограничения. И при разработке систем управления технологиче-

151

скими процессами сегодня применение универсальных контроллеров уже занимает доминирующее положение. За универсальными контроллерами закрепился и чаще всего используется термин «программируемые логические контроллеры» (ПЛК).

На контроллеры в современных системах управления возлагаются самые разнообразные задачи и для их решения требуются самые различные технические средства. В этом смысле концепция универсализации контроллеров (широты их применения) наталкивается на необходимость введения в состав каждого из них большого и избыточного для каждой конкретной задачи набора средств, и в конечном итоге эта концепция может потерять смысл.

Выходом из этой проблемы явился модульный подход к реализации контроллеров. При этом подходе каждый из контроллеров состоит как бы из двух частей: базовой части, которая включает в себя обязательный и минимальный набор средств, и части, которая может модифицироваться, набираться из нескольких отдельных модулей. Каждый из модулей включает в себя определенный набор средств. Проектировщик, как из кубиков, набирает тот состав средств, который нужен ему для решения конкретной задачи.

Базовая часть контроллера включает в себя центральный процессорный блок (Central Processors Units – CPU), основными задачами которого являются управление периферийными модулями, хранение программы работы и данных, организация обмена данными и командами с центральным управляющим компьютером, обмен данными с прочими контроллерами того же иерархического уровня, проведение диагностики работоспособности узлов.

Модульный принцип набора функций контроллеров как нельзя лучше соответствует общей концепции создания и использования универсальных контроллеров, что способствует расширению сферы их применения и в конечном счете увеличению объемов их выпуска.

Кроме рассмотренных очевидных факторов, определяющих широту применения универсальных контроллеров, большую роль

152

играют усилия производителей таких устройств, направленные на обеспечение максимального удобства их программирования, отладки систем и возможности включения контроллеров в состав сетей распределенных (децентрализованных) систем управления.

Важнейшую роль при создании систем на основе универсальных контроллеров играет программное обеспечение, которое четко подразделяется на две группы: программы управления процессом и сервисное программное обеспечение. Диапазон используемых сервисных программных продуктов простирается от средств отладки программ, созданных с использованием конкретного языка программирования того или иного контроллера, использования драйверов аппаратуры до программных комплексов, интегрирующих средства разработки элементов различных уровней системы – от нижнего уровня систем автоматизации до планирования ресурсов предприятия, организации обмена данными между приложениями различного уровня.

При выборе программного обеспечения необходимо принимать во внимание не только опыт и предпочтения пользователя, но и современные тенденции и методы построения систем. Имеется ли необходимость, чтобы программные средства были построены на принципах открытой архитектуры? Требуются ли от разработчиков системы определенная квалификация и опыт в области программирования? Насколько программное обеспечение легко в использовании и сопровождении? Ответы на эти и подобные вопросы в конечном итоге определяют, какое именно программное обеспечение следует выбрать.

Расширение сферы применения универсальных контроллеров заставляет проектировщика систем управления четко ориентироваться в многообразии контроллеров, которые сейчас предлагают ему различные производители.

ПЛК ориентированы на длительную работу в условиях промышленной среды. Это обуславливает определенную специфику схемотехнических решений и конструктивного исполнения.

153

Хороший ПЛК обладает мощной и интуитивно понятной системой программирования, удобен в монтаже и обслуживании, обладает высокой ремонтопригодностью, имеет развитые средства самодиагностики и контроля правильности выполнения прикладных задач, средства интеграции в единую систему, надежен и неприхотлив. Мощное вычислительное ядро современных ПЛК делает их очень похожими на компьютеры.

Понятие «программируемые логические контроллеры» не ограничивается понятием «железо». Это целостная современная технология. Она включает специфическую аппаратную архитектуру, принцип циклической работы, специализированные языки программирования, подходы объединения в различные сети и т.д.

Вцелом, в силу дешевизны, надежности и простоты применения, ПЛК доминируют на нижнем уровне систем промышленной автоматики. Они обеспечивают непосредственное управление оборудованием на переднем крае производства. Программируемые контроллеры находят применение в различных отраслях промышленности.

Вчерной и цветной металлургии программируемые контроллеры применяются для управления транспортными операциями на коксовых батареях, загрузке доменных печей, для автоматизации литейных цехов. Их используют также для решения задач, связанных с анализом газов и с контролем качества.

ПЛК нашли широкое применение в металлообработке и автомобильной промышленности. Их можно встретить на автоматических линиях и сборочных конвейерах, на стендах для испытания двигателей, а также на прессах, токарных автоматах, шлифовальных и агрегатных станках, сварочных установках, автоматических станках для разрезки.

Вхимической промышленности ПЛК используются для управления технологическими установками, устройствами дозирования и смешивания продуктов, очистки отходов химического

154

производства, а также на установках по переработке пластмасс и агрегатах в производстве резины.

ПЛК используются на перекачивающих и распределительных станциях, для управления работой и наблюдения за магистральными трубопроводами.

Программируемые контроллеры задействованы на транспортных и погрузочно-разгрузочных операциях: сортировке посылок, почтовых отправлений, механизированном управлении складскими операциями, упаковке, конвейерной пересылке, комплектовании изделий на поддонах, в лифтовом хозяйстве, грузоподъемных механизмах и др.

В текстильной промышленности ПЛК могут применяться для управления операциями автоматического раскроя тканей и контроля нитей, на транспортных конвейерах. В стекольной промышленности в производстве хрусталя ПЛК управляют операциями отрезки и упаковки. Устройства логического управления используются при решении задач, связанных с охраной (зданий, заводов) и обеспечением безопасности (ядерная энергетика) и т. д.

10.2. Цифровые сигнальные процессоры*

Цифровой сигнальный процессор (ЦСП), или сигнальный микропроцессор (СМП), или процессор цифровых сигналов (ПЦС), – специализированный микропроцессор, предназначенный для цифровой обработки сигналов (обычно в реальном масштабе времени).

* Англ. digital signal processor (DSP)

155

сравнительно небольшая длина конвейера, так что незапланированные условные переходы могут занимать меньшее время, чем в универсальных процессорах;

экзотический набор регистров и инструкций, часто сложных для компиляторов. Некоторые архитектуры используют VLIW;

по сравнению с микроконтроллерами, ограниченный набор периферийных устройств. Впрочем, существуют «переходные» чипы, сочетающие в себе свойства DSP и широкую периферию микроконтроллеров.

Сигнальные процессоры применяются в коммуникационном оборудовании, при уплотнении каналов передачи данных, кодировании аудио- и видеопотоков, в системах гидро- и радиолокации, в процессе распознавания речи и изображений, в речевых и музыкальных синтезаторах, анализаторах спектра, управлении технологическими процессами, других областях, где необходима быстродействующая обработка сигналов, в том числе в реальном времени.

Лучшие современные ЦСП характеризуются тактовой частотой 1 ГГц и выше, многоядерностью, наличием двухуровневого кеша, встроенными многоканальными контроллерами прямого доступа к памяти, быстродействием порядка нескольких тысяч MIPS и MFLOPS, выполнением до 8 параллельных инструкций за такт, совместимостью со стандартными шинами (PCI и др.)

Основные параметры ЦСП:

тип арифметики. ЦСП делятся на процессоры, обрабатывающие данные с фиксированной точкой и обрабатывающие данные с плавающей точкой. Устройства с плавающей точкой удобнее в применении, но они заметно сложнее по устройству и более дороги;

разрядность данных. Большинство ЦСП с фиксированной точкой обрабатывают данные с разрядностью 16 бит, процессоры

сплавающей точкой – 32 бита. Многие модели могут обрабатывать данные с двойной точностью;

157

быстродействие. Быстродействие как интегральную характеристику определить достаточно сложно, поэтому скорость работы характеризуют несколькими параметрами, а также временем решения некоторых реальных задач;

тактовая частота и время командного цикла. Для современных ЦСП тактовая внутренняя частота может отличаться от внешней, поэтому могут указываться два значения. Время командного цикла указывает на время выполнения одного этапа команды, то есть время одного цикла конвейера команд. Так как команды могут исполняться за разное количество циклов, а также с учетом возможности одновременного исполнения нескольких команд, этот параметр может характеризовать быстродействие ЦСП достаточно приближённо;

количество выполняемых команд за единицу времени. Различное время исполнения команд, а также исполнение нескольких команд одновременно не позволяет использовать этот параметр для надежной характеристики быстродействия;

количество выполняемых операций за единицу времени (MIPS). Данный параметр учитывает одновременную обработку нескольких команд и наличие параллельных вычислительных модулей, поэтому достаточно хорошо может указывать на быстродействие ЦСП. Некоторой проблемой здесь остается то, что понятие «операции» четко не формализовано;

количество выполняемых операций с плавающей точкой за единицу времени. Параметр аналогичен предыдущему и используется для процессоров с плавающей точкой;

количество выполняемых операций MAC за единицу времени. Данная команда, с одной стороны, является базовой для многих вычислений, а с другой – достаточно проста. Поэтому время её исполнения можно использовать в том числе и для оценки общей производительности ЦСП;

виды и объём внутренней памяти. Объём внутренней оперативной памяти показывает, сколько данных ЦСП может обрабо-

158

тать без обращения к внешней памяти, что может характеризовать общее быстродействие системы, а также возможность работать «в реальном времени». Тип ПЗУ определяет возможности по программированию устройства. Модели с обычным ПЗУ подходят для крупносерийного производства, ППЗУ (однократно программируемое) удобно для небольших тиражей, а применение Flashпамяти позволяет менять программу устройства многократно во время эксплуатации. На данный момент не очень мощные DSP чаще всего снабжены достаточно большой Flash-памятью (её цена неуклонно снижается) и заметным объёмом RAM и поэтому могут являться самодостаточными без добавления внешней памяти и на этапе разработки, и на этапе производства, что повышает конкурентоспособность таких DSP в ряде сегментов рынка. Мощные DSP, как правило, полагаются на внешнюю память, подключенную по достаточно быстрым шинам а размещение там Flash-памяти может быть технически проблематичным, например, из-за заметного выделения тепла;

адресуемый объём памяти. Объём адресуемой внешней памяти характеризуется шириной внешней шины адреса;

способ начальной загрузки;

количество и параметры портов ввода-вывода. Данный параметр показывает возможности ЦСП по взаимодействию с внешними по отношению к нему устройствами;

состав внутренних дополнительных устройств. В число внутренних могут входить разнообразные по назначению устройства, например, общего применения – таймеры, контроллеры ПДП и т. д., а также проблемно-ориентированные – АЦП, кодеки, компрессоры данных и другие;

напряжение питания и потребляемая мощность. Данная характеристика особенно важна для ЦСП, встраиваемых в переносные устройства. Обычно предпочтительнее низковольтные устройства (1,8-3,3В), которые имеют быстродействие аналогично 5В процессорам, но заметно экономнее в плане потребления

159

энергии. Многие устройства имеют режимы экономии при простое либо позволяют программно отключать часть своих устройств;

состав и функциональность средств разработки и поддержки;

перечень языков программирования, для которых есть компиляторы под данную систему;

наличие и возможности средств отладки готовых программ;

доступность документации и технической поддержки;

наличие библиотек стандартных подпрограмм и математических функций;

наличие, доступность и возможности совместимых устройств – АЦП, ЦАП, контроллеры питания и т. д.;

допустимые параметры окружающей среды;

другие параметры (в зависимости от назначения).

Часто используются также интегральные характеристики ЦСП, например показатель «мощность/ток/быстродействие» или ma/MIPS (миллиампер на 1 млн инструкций в секунду), что позволяет оценить реальную потребляемую мощность в зависимости от сложности задачи, решаемой процессором в указанный момент.

Выбор ЦСП целиком определяется назначением разрабатываемой системы. Например, для массовых мобильных устройств важна дешевизна процессора, низкое энергопотребление, в то время как стоимость разработки системы отходит на второй план. С другой стороны, для измерительного оборудования, систем обработки звуковой и видеоинформации важны эффективность процессора, наличие развитых инструментальных средств, многопроцессорность и т. д.

Цифровые сигнальные процессоры строятся на основе так называемой гарвардской архитектуры, отличительной особенностью которой является то, что программы и данные хранятся в различных устройствах памяти: памяти программ и памяти данных (рис. 10.2).

160