§ 3. Методы микропроцессорного управления электроприводами и промышленными установками

При реализации любой задачи и любого метода управления встает задача о выборе разрядности. Так, для логической обработки и управления простыми устройствами (простые контроллеры) применяется 4-разрядные микропроцессоры, обрабатывающие двоично-кодированные десятичные цифры с относительно низкой производительностью.

8-разрядные микропроцессоры применяются для логических, управляющих и измерительных контроллеров, для управления неответственными приводами, обработки данных при среднем относительном уровне производительности.

16-разрядные микропроцессоры и микро ЭВМ относительно высокого уровня производительности могут эффективно осуществлять управление сложными динамическими объектами, выполнять достаточно сложные арифметические вычисления, сбор и высокопроизводительную обработку данных.

При необходимости сложных арифметических вычислений, обработки данных с высокой скоростью, аппаратурной реализации языков высокого уровня используются 32-разрядные микропроцессоры.

Для увеличения вычислительных возможностей, таким образом, используются более мощные процессоры (16- и 32-разрядные). Второй путь, перспективный для электропривода, заключается в применении многопроцессорных систем. Он обеспечивает:

возможность распределения различных функций на несколько микропроцессоров, каждый из которых предназначен для решения отдельной задачи (например, арифметический блок для алгоритма регулирования, процессор ввода-вывода для управления данными, универсальный микропроцессор для диагностических подпрограмм);

использование в системе модульной структуры с тем, чтобы дополнительно запрашиваемые функции добавлять к существующим наращиванием (присоединением) новых модулей;

пониженную сложность программных средств: подпрограммы, выполняющие различные задачи, могут быть представлены в виде процедур на разных модулях, что может исключить необходимость обработки в реальном масштабе времени на более мощном устройстве;

использование высоконадежных систем с избыточностью и перекрестным управлением в различных блоках;

создание многоуровневой системы управления и определение закона управления для каждого уровня регулирования под наблюдением центрального блока управления;

осуществление простого интерфейса с другими микропроцессорными устройствами.

Качество процессов управления определяется надежностью работы системы, корректностью алгоритма управления и средствами его представления в системе, помехоустойчивостью каналов передачи данных, надежностью электрооборудования, средствами диагностики сбоев и отказов.

Для электропривода и устройств автоматизации промышленных установок характерно применение принципов централизованного и децентрализованного управления. Это определяется видом связи между технологическими операциями: синхронной или; асинхронной.

§ 4. Функциональная схема электропривода с микропроцессорным управлением

Микропроцессорное управление может применяться на уровне модулей двигателя, регулятора, регулируемого источника питания, силового преобразователя, передаточных устройств. При этом МП используются для решения логических и вычислительных задач управления на уровне модулей. При объединении их в систему они образуют МП-сеть, которая управляется общим вычислительным устройством.

Рис. 3. Типичная система электропривода с МП-управлением

Возможно и другое решение: для управления электроприводом используется стандартное устройство управления, на которое возлагается задача реализации всех логических и арифметических функций управления объектом. Чаще всего предпочтительным является использование в этом случае программируемого контроллера подходящего типа. Часть задач при этом может быть решена с помощью устройства жесткой логики. Это относится к задачам, не требующим гибкого управления. Структура МП-управления электроприводом может иметь большое число разновидностей. Одна из них, которую можно принять за типичную, приведена на рис. 3 в виде функциональной схемы. Структура МП-электропривода включает в себя следующие блоки и устройства.

1 — устройство связи (УС) со старшей по иерархии ЭВМ или с оператором. В УС используются преобразователи кодов, пульт управления с устройством отображения.

2— управляющее вычислительное устройство (УВУ), состоящее из аппаратных средств (АС) и программного обеспечения (ПО). Аппаратные средства — это по существу комплекс жестко закоммутированных автоматов, который за счет использования специальных программ становится функциональным узлом специфического применения. В системе управления УВУ занимает центральное место, вырабатывая управляющие сигналы на основании директив, поступающих через УС от ЭВМ следующего по иерархии уровня, и сигналов с датчиков, установленных в устройствах 3—8 системы.

3— устройство жесткой логики (УЖЛ) представляет со­ бой систему отдельных жестко закоммутированных блоков управляющей аппаратуры. Эта аппаратура служит для автономного управления процессом при выходе из строя ЭВМ, при необходимости вмешательства обслуживающего персонала в ход управления процессом. В ряде случаев эти блоки или часть их участвуют в автоматическом режиме работы, если от системы требуется высокое быстродействие. Выходные сигналы УЖЛ поступают на входы источника питания (ИП) и силового преобразователя (СП).

4— управляемый источник силового питания. В случае частотно управляемого электропривода в качестве ИП применяется управляемый выпрямитель на тиристорах или транзисторах. В системе ШИП — Д постоянного тока или в вентильном приводе ИП обычно реализуется на неуправляемом выпрямителе. В системах УВ—Д и ЦК — АД функции ИП и СП совмещаются в устройстве СП. Жирными стрелками на рис. 3 отмечено направление потока электроэнергии в двигательном и рекуперативном режимах, светлыми — потоки информации. ИП получает от УВУ и ЖЛ управляющие сигналы, в обратном направлении следует диагностическая и сигнальная информация.

5— силовой преобразователь СП питания для силовых цепей требуемых параметров. Обычно СП представляет собой управляемый выпрямитель, широтно-импульсный преобразователь или источник напряжения или тока переменной частоты. Поток электроэнергии в СП также двусторонний в зависимости от режима двигателя. От ЖЛ и УВУ поступают управляющие сигналы, в обратном направлении следует диагностическая и сигнальная информация.

6— электродвигатель (Д) представляет собой модуль, состоящий из собственно двигателя, датчиков скорости, пути и датчика температуры обмоток.

7 — передаточное устройство (ПУ): соединительные муфты (неуправляемая или управляемая типа электромагнитной муфты скольжения), редуктор, а также необходимые датчики. Устройства управления некоторыми ПУ, например муфтами скольжения, могут быть достаточно сложными, и поток информации может быть двусторонним.

8 — рабочий орган (РО) механизма (например, резец, схваты робота, приводное колесо и т. д.) с соответствующими датчиками.

Конструктивно некоторые устройства могут быть объединены в одном модуле. Например, легко представить себе модуль двигатель — колесо транспортного промышленного робота, объединяющий в себе СП, Д, ПУ и РО, а также МП-систему управления им. С другой стороны, в модуле могут отсутствовать некоторые устройства. Так, в случае непосредственного привода, конструктивно сливающегося с РО, может отсутствовать ПУ.

Для понимания функциональных взаимозависимостей в системе рассмотрим прохождение информации. Основным информационным компонентом системы является УВУ, в качестве которого может применяться микроЭВМ или программируемый контроллер. На входы УВУ информация поступает от ЭВМ соседнего по иерархии уровня. При удалении УВУ от ЭВМ на несколько метров и более эта директивная информация передается в последовательном коде, в то время как УВУ работает в параллельном коде (8 или 16 разрядов). Для преобразования кодов применяются устройства сопряжения. Связь УВУ с устройствами 3—8 системы осуществляется с помощью аналоговых, цифровых и импульсных сигналов. Для этого в состав УВУ вводятся аналого-цифровые, цифро-аналоговые, цифро-импульсные (ЦИП), импульсно-цифровые (ИЦП) преобразователи. Для связи с оператором применяются устройства ввода-вывода: пульт с дисплеем или без него, печатающее устройство и т. п.

На УВУ поступает информация с датчиков о ходе процессов и состоянии параметров ИП и СП. Эта информация используется для коррекции управляющих сигналов и для контроля работоспособности.

Двигатель, промежуточное устройство и рабочий орган также оборудуются датчиками состояния и информация с них постоянно или по запросу подается на УВУ, где используется в качестве сигналов обратных связей или диагностических сообщений.