10 Цифрові сар

ЦСАР – це такі системи в яких роль автоматичного регулятора виконує ЕОМ, мікропроцесор, мікроконтролер або цифровий регулятор. В цих системах порівняння X_П і X_З відбувається не постійно, а тільки в відповідні моменти часу, які називаються часом дискретизації або квантування (t).

10.1 Функціональна організація цифрових сар з керуючою мікро електронної еом (кмеом)

Сучасні ЦСАР поєднують взаємозв’язані багаторежимні розподілені керуючі системи для керування об’єктами або технологічними процесами. Щоб забезпечити потрібні якісні характеристики САК відносно надійності та ефективності вони повинні відповідати певним вимогам. САК повинні мати ієрархічні та незалежні контури керування на кожному рівні, а також контури керування у системах високого рівня. Великі функціональні можливості КМЕОМ як універсальних компонентів апаратури ЦСАК сприяють більшій свободі при розробці та реалізації розподілених САК різноманітними апаратами та процесами різного функціонального призначення. Розбіжність у функціональному призначені ЦСАК ускладнює класифікацію апаратури розподіленого керування, але у вітчизняних та зарубіжних публікаціях розробляються перші спроби такої класифікації.

За структурою розподілені системи з КМЕОМ містять підсистему передачі даних які визначають структурні зв’язки технічних засобів (датчики, первинні перетворювачі, пристрої зв’язку), що входять до САК.

Тому структури можна розділити на три класи:

- лінійні;

- радіальні;

- гібридні.

Р исунок 10.1 – Структурна схема лінійної розприділеної Ц САК.

Рисунок 10.2 – Структурна схема радіальної розприділеної ЦСАК.

Рисунок 10.3 – Структурна схема гібридної розприділеної ЦСАК.

До системної магістралі (рисунок 10.1) приєднано всі підсистеми, як нижнього L (з’єднання з К01, К02) так і верхнього рівня Н. При радіальній структурі (рисунок 10.1) обмін інформації між підсистемами верхнього Н та нижнього L рівня ієрархії, або на підсистемах одного рівня обмін інформації виконується через цифрову магістраль (ЦМ). Контролери приймання передавання інформації вибирають ту інформацію, яка в даний момент призначена для КМСОМ певного рівня. Гібридним (мішаним варіантом лінійних та радіальних структур розподіленого керування) є структура, яка приведена на рисунок 3. Тут підсистема нижнього рівня розміщена в зоні функціонально зв’язаних КО і об’єднана між собою внутрішньою магістраллю. У свою чергу кожну таку підгрупу КО зв’язану через КПП та КМ даних із КМЕОМ нижнього рівня. Як КМЕОМ у розподілених САК широко використовуються одноплатні МКЕОМ які призначені до стандартної системної магістралі, яка суттєво підвищує продуктивність таких систем.

Позитивними якостями лінійних САК є велика гнучкість і легкість їх під’єднання до заданих САК. До недоліків варто віднести складність передавання великих об’ємів інформації, а також труднощі які пов’язані з вирішенням проблем конфліктів і ресурсом розподілу загальної пам’яті та програм і даних при апаратурній реалізації взаємодії між КМЕОМ. Як при радіальній так і при гібридній структурах керування, передавання та обмін інформації здійснюється за рахунок цифрової магістралі. Передавачами радіальних структур керування витрати на обладнання цієї магістралі та збільшення ефективності передачі даних. Недоліком є складності, які пов’язані з розширенням системи керування. Розподілені системи керування можна також класифікувати за кількістю каналів, які обслуговують КМЕОМ. Якщо перші системи розроблялись, як багатоканальні, то після здешевлення мікропроцесорів появилась можливість включати їх до кожного каналу керування. Кількість каналів насамперед впливає на такі якісні показники системи керування: як живучість, гнучкість, вартість розрахунку на один канал, а також швидкість.

За кількістю каналів розподілені системи керування можна поділити на малоканальні (до 4 каналів), середньоканальні (5-10), багатоканальні (понад 10). Одно канальні та багатоканальні РСХ характеризуються високою надійністю функціоневання і більш високою вартістю розрахунку на один канал керування. До їх недоліків варто віднести складність реалізації в багатоконтурних СК. Порівняно висока надійність середньо та багато контурних РС компенсується простотою реалізації діагностики, зв’язків між канальними, спрощеним резервуанням.

Головною перевагою одноканальних РСК є підвищена живучість, тобто як правило вихід із ладу одного каналу не призведе до аварійної ситуації на ОК. Крім того, як правило, одним каналом оператор може керувативручну до ліквідації аварії.

В багатоканальних СК їх живучість забезпечується за рахунок введення резервування. Для забезпечення належних якісних і функціональних характеристик система розподіленого керування КМЕОМ має виконувати такі функції:

- збір даних про технічний процес;

- обробка вхідної інформації, яка поступає із об’єкту керування;

- контроль;

- регулювання;

- логічно програмне керування;

- підготовка інформації для верхнього рівня ієрархії;

- самодіагностика;

- аварійна сигналізація;

- технічний захист.

Кожна із цих функцій об’єднує кілька підпорядкованих задач. Наприклад, функція обробки вхідної інформації включає: нормування, підсилення, аналогово-цифрове перетворення нестандартних сигналів, які поступають із об’єкту керування.

Функція підготовки інформації для підсистем верхнього рівня зводиться до підсилення, селекції та концентрації її, що виробляється на нижньому рівні ієрархії системи керування. Тенденція дальшого розвитку ЦСАР передбачає збільшення обчислювальної потужності підсистем і на цій основі розширення можливостей розв’язку як локальних так і глобальних задач АР, а також розвиток сервісних функцій, які полегшують експлуатацію системи.

У розподілених ЦСАР використовуються два методи програмування:

- жорстке, при якому у ПЗ записується розроблена програма під час розробки і виготовлення технічних засобів відповідної підсистеми керування;

- вільне (гнучке).

Жорстке програмування реалізує функціональні та багатообчислювальні можливості ЦСАК.

Для розв’язання більш складних та загальних задач керування на середніх та верхніх рівнях ієрархії використовуються технічні засоби керування з вільним програмуванням, які мають кілька рівнів підпрограм для виконання різних арифметичних дій, аналогової обробки інформації та керування перериванням. Останнім часом намітились тенденції поєднання обох методів, що дає можливість підвищити універсальність, гнучкість і живучість системи, а також зменшити вартість програмування завдяки використаннюспеціальних мов для спілкування з мікроЕОМ.

Сучасні керуючі мікропроцесорні ЕОМ характеризуються наявністю бібліотек алгоритмів. В середньому бібліотека може вміщати до 70-80 типових програм обчислення функцій керування. Відзначимо, що кількість функцій в такій бібліотеці тільки частково визначає функціональні можливості самої КМЕОМ і системи керування в цілому.

Для розв’язання живого класу задач важливим є ступінь елементарності алгоритмів, які закладені у пам’ять, універсальність їх. В окремих випадках з елементарних функцій можна формувати багато алгоритмів, ніж з складних.

Розподілені ЦСАК – це взаємнозв’язаний комплекс підсилення і підсистем.

Кількість зв’язків між ними може бути великою і становити значну вартість всієї системи. Основний спосіб зменшення кількості зв’язків у системі, це використання шини.

Шина – це цифровий інформаційний канал, по якому передається інформація багатьом пристроям і підсистемам. Шина разом із контролером для керування нею складає підсистему передачі даних, цифрову магістраль. Основні показники ЦМ – це обсяг інформації, що передається по ній, та кількість підсистем, які можна під’єднати до цієї траси.

Розглянемо деякі характеристики ЦСАК. Швидкість передачі інформації по ЦМ даних змінюється від кількості одиниць до 1000, а на рівні локальних підсистем керування вона суттєво нижча (п 1 або деякі частини). Довжина каналу зв’язку коливається від 1,5 до 6 км. Збільшення її необхідне при розв’язку системи керування та територіальної децентралізації засобів автоматизації.

Як засіб передачі (фізичний канал) використовують звичайний коаксіальний кабель по якому передаються послідовні цифрові сигнали. При низьких швидкостях передачі інформації звичайно використовують двох провідний екранований кабель у вигляді двох провідників. Більш високочастотним каналом з високою пропускною здатністю є волокнооптична лінія, що пропускає світлову частину інформації, завдяки чому пропускну здатність можна збільшити в декілька разів. Ще одна суттєва перевага волоконнооптичних ліній є велика завадозахищеність, недолік – велика вартість.

Прогресивна тенденція у розвитку розподілених систем цифрового керування – це використання багатопроцесорних систем . у таких системах мікропроцесор є більш функціонально спеціалізований, ніж в однопроцесорних. Наприклад, у багатопроцесорних системах КМЕОМ фірми “” один мікропроцесор здійснює операцію керування, а другий обслуговує зовнішні зв’язки підсистеми із цифровою магістраллю. У сучасних ЦСАК в основному використовуються 8-ми та 16-ти розрядні мікропроцесори. Але в залежності від того, якої складності розв’язуються задачі в одній ЦСАК можуть використовуватися мікропроцесори різної розрядності. В КМЕОМ для збереження постійної пам’яті інформації використовується ПЗП, яка заноситься в процесі програмування при виготовленні. Вибір того чи іншого ПЗ залежить від доцільної можливості та класу тих задач які розв’язуються цифровою САК. Найбільш якісним показником розподіленої САК, особливо тих, які працюють в реальному масштабі часу, є надійність. Загальних методичний підхід для забезпечення надійності полягає у автономній реакції системи на відмову, яка виявилася в діагностуванні системи та виявлення неполадок в ній.

Так, як зіпсоване обладнання саме може приймати участь у виявленні неполадок, то можуть виникнути помилки в самій діагностиці. Вважаючи, що надійність системи керування на стадії її виготовлення забезпечення надійними матеріалами та елементами, вдосконаленою технологією, то можна зробити висновок, що надійність залежить від структури системи, системи самодіагностики, та автоматичного захисту функціонування їх. Одним із шляхів підвищення надійності функціональної апаратури САК є введення структурної надмірності, яка характеризується введенням до складу системи резервної ЕОМ або надлишковістю ЦМ даних.

Під самодіагностикою ЦСАК розуміють набір текстів за допомогою яких можна перевірити робочий стан електричних кіл, блоки, вузли та КМЕОМ.

Автоматичний захист функціонування розподільчих систем зводиться до передачі керування резервним блокам та КМЕОМ замість тих, які вибули із ладу.

Особливе місце при побудові ЦСАК посідають мікропроцесорні програмовані пристрої нижнього рівня, що керують об’єктом керування. Основною домінуючою їх функцією є логічно-програмне керування.