3. Состав па. Средства программного управления оборудованием

   1. Состав и общая классификация

Информационное измерительно -управляющее средство (ИИУС) – электронная система программного функционирования, обеспечивающая:

1. ввод электрических сигналов подключенных датчиков и определение их показаний;

2. периодическое или циклическое выполнение программы функционирования с учетом текущих показаний датчиков;

3. вывод (генерация) управляющих электрических сигналов для исполнительных устройств,

4. возможность ввода, отладки и постоянного контроля состояния программы функционирования;

5. возможность визуализации состояния и возможность управления параметрами программы функционирования;

6. коммуникации данных по каналам связи.

Некоторые из указанные основных функций в любом составе, за исключением п.2, могут отсутствовать.

Типовая архитектура (обобщенная функциональная схема) ИИУС, показана на рис.2.1.

ОЗУ – оперативно – запоминающее устройство

ОЗУ – постоянно – запоминающее устройство

ЦПУ – центральное процессорное устройство

Рис.2.1. Типовая архитектура информационного средства ПА

Схема реального средства может дополняться встроенными или конструктивно связанными средствами визуализации состояния функционирования, управления и ввода программы (дисплей, клавиатура, сигнальные светодиоды и кнопки). ИИУС может дополняться средствами (модулями) удаленного в/в.

Порты программирования и коммуникации, средства ввода и/или вывода электрических сигналов могут отсутствовать. В интегрально- схемном исполнении процессорная часть с универсальным последовательным коммуникационным портом, вводом 8 аналоговых и 16 дискретных сигналов выполняется в одной микросхеме.

Процессорная часть – основная часть ИИУС. Включает ЦПУ, ПЗУ, ОЗУ, часы (реального времени), сторожевой таймер и обеспечивает:

• собор данных из средства ввода в ОЗУ и отсылка данных из ОЗУ в средства вывода;

• обмен данными с устройством программирования;

• периодическое или циклическое выполнение программы функционирования с учетом текущих показаний датчиков;

• возможность ввода, отладки и постоянного контроля состояния программы функционирования;

• коммуникации данных по каналам связи (для этой цели могут использоваться вспомогательные коммуникационные процессоры);

• генерация меток часов реального времени;

• начальная загрузка и исполнение команд операционной системы (ОС);

• управление обменом с памятью.

Основные характеристики:

• тип ОС (например, Windows СЕ, Linux, DOS, OS-9, QNX и др.);

• наличие исполнительной среды для стандартной системы программирования (например, для контроллеров на языках стандарта МЭК 61131-3);

• типы поддерживаемых интерфейсов (например, RS-232, RS-422, RS-485, CAN, USB, Ethernet и др.);

• типы поддерживаемых сетей (например, Modbus RTU, Modbus TCP, Ethernet, Profibus, CANopen, DeviceNet и др.);

• возможность подключения интерфейса оператора (например, светодиодных или ЖКИ индикаторов, клавиатуры, мыши, дисплея, трекбола и др.);

• разрядность адресного пространства ОЗУ (обычно -8, 16, 32 или 64 бита);

• тактовая частота ЦПУ и памяти;

• время выполнения команд;

• объем, иерархия и типы памяти (например, ОЗУ, КЭШ, ПЗУ, внешняя съемная флэш и др.);

• типы встроенных функций (например, для контроллеров: ПИД-регулятор, счетчик, широтно-импульсная модуляция (ШИМ), алгоритмы позиционирования и управления движением и др.);

• бренд производителя ЦПУ (например, Intel, AMD, Atmel и др.).

ЦПУ – обычно выполняется в виде сверхбольшой интегральной схемы (СБИС) и часто называется микропроцессором.

Основные характеристики:

• разрядность;

• тактовая частота;

• архитектура;

• наличие операций с плавающей точкой;

• типы поддерживаемых портов в/в;

• температурный диапазон работоспособности;

• потребляемая мощность.

Производительность микропроцессоров с одинаковой архитектурой пропорциональна тактовой частоте.

Большинство микропроцессоров используют RISC (Reduced Instruction Set Computing) архитектуру с сокращенным набором команд одинаковой длины и большим количеством регистров. Это позволяет повысить эффективность компилятора и исполнять каждую команду за один такт.

Процессор может дополняться сопроцессорами:

• математическим - для ускорения операций с плавающей точкой (операции типа Y = АВ + X выполняются за один такт),

• сигнальным - для ускорения операций свертки или быстрого преобразования Фурье.

В ПА используется большое число видов микропроцессоров, от простых и дешевых 8-разрядных Atmel и Microchip до самых высокопроизводительных серии Intel Pentium, включая 2- и 4-ядерные. Причина: огромное разнообразие задач ПА и сильная зависимость цены от мощности процессора.

Обычно микропроцессоры, используемые в средствах управления ПА, на несколько поколений отстают от процессоров офисных персональных компьютеров (ПК) в связи с относительно малым объемом рынка, который не обеспечивает окупаемость разработки новых средств ПА за период смены поколений микропроцессоров.

ПЗУ (или ROM - Read Only Memory – память только для чтения) используют для хранения редко изменяемой информации (ОС, драйверы устройств, загрузчик, исполняемый модуль программы автоматизации). Обычно реализуется на элементах EEPROM (Electrically Erasable Programmable ROM- электрически стираемая и перепрограммируемая память).

Разновидностью EEPROM является флэш-память, использующая хранение заряда в высокодобротном конденсаторе, образованном плавающим затвором и подложкой МОП-транзистора. Кроме энергонезависимости ее особенность - стирание и перезапись выполняется не отдельными ячейками, а большими блоками, поэтому она получила название (flash – вспышка). Флэш-память широко используется также и как внешняя съемная память.

Недостатком всех ПЗУ является низкое быстродействие и ограниченность количества циклов записи информации во флэш-память (до нескольких десятков тысяч раз).

ОЗУ используется для хранения данных, непрерывно изменяющихся в процессе работы процессора (например, значения тегов (переменных), результаты промежуточных вычислений, диагностическая информация, массивы, выводимые на графики, данные для отображения на дисплее).

В качестве ОЗУ современные микропроцессоры используют 2 вида памяти:

• статическая - SRAM (Static Random Access Memory),

• динамическая - DRAM (Dynamic Random Access Memory) и SDRAM (Synchronous DRAM).

Оба вида элементов памяти теряют свое содержание при прерывании электропитания. Поэтому для сохранения работоспособности памяти при кратковременном прерывании питания используются специальное батарейное питание.

SRAM схемотехнически выполняется на триггерах с 2-мя устойчивыми состояниями, сохраняющимися неограниченно долго при наличии питания. Объем памяти равен 2^м, где М - число двоичных ячеек памяти.

Преимущество: высокое быстродействие, достигающее единиц ГГц. Недостаток: высокая стоимость, связанная с низкой плотностью компоновки триггеров на кристалле, и малое отношение емкости к цене.

DRAM схемотехнически выполняется на простых по микротехнологическому исполнению, но низкодобротных конденсаторах. Наличие относительно больших токов утечки требует периодической регенерации (перезарядки конденсаторов), занимающее до 5…10% времени работы процессора. Недостаток – малое быстродействие, не превосходящее сотен КГц. Преимущество: простота и дешевизна, поэтому наиболее распространена.

Сторожевой таймер (или WDT- Watchdog Timer) является счетчиком импульсов тактового генератора и в нормальном режиме работы процессора периодически им сбрасывается (перезапускается). Если процессор «зависает», то сигналы сброса не поступают в счетчик, он продолжает считать и при достижении задаваемого порога вырабатывает сигнал «Сброс» для аппаратного перезапуска «зависшего» процессора.

Часы реального времени (РВ) - кварцевые часы, питаемые специальной батарейкой и независимые от общего электропитания.

Быстродействие процессорной части обычно оценивают по времени выполнения логических команд, поскольку они наиболее распространены при реализации алгоритмов управления. Но часто приводится также время выполнения операций с плавающей точкой