Из таблицы следует, что некоторый дискретный автомат после­ довательно за четыре такта получает на свой вход сигналы Х х\ Х2; Х,\Х<.

Этот дискретный автомат может произвольно принимать четы­ ре возможных внутренних состояния: аь а2, а3, а4. Согласно этой таблице, при действии сигнала X t автомат из состояния at остается в этом же состоянии, но из состояния а2 переходит в состояние а3, а из состояния а4 возвращается в состояние а,. В этом такте состоя­ ние а} автомата безразлично, т. к. из него возможен переход в любое другое состояние. Аналогично объясняются переходы состояний автомата в последующих тактах.

5.2.2. Таблица выходов (функция Я.)

Таблицей выходов каждому внутреннему состоянию дискрет­ ного автомата на соответствующем такте задается величина выход­ ного сигнала. В общем случае это описывается табличной функци­ ей Я,[в(г), *(?)]:

Смысл этой таблицы состоит в том, что за четыре входных так­ та Хх\ Х2; Х3; Х4дискретный автомат формирует конкретный вход­ ной сигнал при соответствующем внутреннем его состоянии: ah аъ аъ 04-

Согласно соответствию, приведенному выше, при действии сигнала Х х на выходе автомата при его внутреннем состоянии ах

4.Ветвления;

5.Цикла;

6.Подпрограммными.

Рассмотрим принцип построения граф-схемы алгоритма на примере фрагмента алгоритма работы автоматическогорегулятора температуры, представленного на рис. 8. После ввода задающих па­ раметров, определяющих верхнюю и нижнюю границу регулирова­ ния температуры, производится опрос датчика температуры. Если нижняя граница заданного температурного диапазона будет ниже фактической температуры, то алгоритм переключается на повтор­ ный опрос датчика (так реализуется петля графа). Этот процесс бу­ дет продолжаться до тех пор, пока при нажатии на кнопку «пуск» не выполнится условие «да», после чего произойдет переход на включение нагревателя. Продолжение алгоритма будет аналогич­ ным, только контроль в этом случае будет происходить по верхней границе температурного диапазона, при превышении которого про­ изойдет переход к выключению нагревателя.

5.2.5. Логические схемы алгоритмов

Функциональная последовательность работы дискретного ав­ томата мажет быть структурно представлена в виде логической блок-схемы. Рассмотрим принцип построения таких схем на приме­ ре защитной автоматики (рис. 9).

В этой схеме на вход логического элемента «И» одновременно по­

5.3. Структурный синтез дискретных автоматов как систем управления

Для структурного синтеза дискретного автомата выберем нижний уровень системы управления шахтного водоотлива. Функциональная структурная схема этой системы представлена на рис. 10.

Рис. 10. Функциональная схема системы управления шахтного водоотлива: БЗ — блок задержки времени; ДП33 — датчик положения задвижки (закрыто); ДП30— датчик положения задвижки (открыто); fi — время заливки насоса; <2 —

время набора производительности насосом; У У — устройство управления насо­ сом; ДН — двигатель насоса; ЗУ — устройство заливки насоса; П З— привод за­ движки; Н — насос; 3 — задвижка

С верхнего уровня управления этой системы на вход устройст­ ва управления поступает сигнал «пуск» (или «стоп»), который од­ новременно запускает блок задержки времени. Этот блок последо­ вательно выдает два временных сигнала. Первый сигнал t{регист­ рирует время заливки насоса, второй сигнал t2регистрирует время разгона привода насоса. Входные сигналы датчиков ДПЗ, и ДПЗ„ фиксируют положение задвижки 3 (открыто или закрыто). Один из выходных сигналов устройства управления включает устройство заливки насоса ЗУ, а другие — приводы главного насоса ДН и за­ движки ПЗ. Положение задвижки контролируется датчиком поло­ жения задвижки ДПЗ.

На рис. 11 представлен упрощенный вариант схемы системы управления шахтным водоотливом, которая будет использована как

представим в табл. 3,4 и 5.

насосом шахтного водоотлива состоит из восьми тактов. В такте Х 0 система находится в состоянии ожидания приема с верхнего уровня управления сигнала «пуск». Сигналы t{ и t2 в этом такте находятся на безразличном уровне, так как таймеры не запущены. Сигнал дат­ чика ДП30 имеет нулевой уровень, потому что задвижка закрыта, а сигнал датчика ДП33 имеет, наоборот, единичный уровень. Эти сигналы не меняют своего состояния в течение пяти тактов, пока за­ движка остается закрытой. В такте Х\ на вход «Пуск/стоп» устрой­ ства управления приходит единичный пусковой сигнал, который остается таким в течение последующих шести тактов.

После получения этого сигнала блок задержки времени запус­ кает заливочное устройство и таймер tu поэтому на этом входе пер­ воначально появляется нулевой сигнал запуска таймера. На сле­ дующем такте Х2таймер выдает единичный сигнал прекращения заливки насоса.

На такте Х ъблок задержки времени запускает таймер /2>кото­ рый контролирует время запуска двигателя главного насоса.

Для построения графа алгоритма системы управления шахтно­ го водоотлива построим следующую таблицу, в которой объединим содержание двух предыдущих таблиц.

Список внутренних состояний:

-ах— начальное состояние;

-а2— заливка насоса;

-аъ— включение двигателя насоса;

-аА— включение привода задвижки и работа насоса;

-а5— нормальная работа насоса с открытой задвижкой;

-ав— выключение привода насоса и закрытие задвижки.

Во время такта Х0 система находится в состоянии ожидания, при этом любая попытка включения привода в состояниях аАу а5у а6 вызывает появление сигнала У4, обеспечивающего возврат. В такте Х\ из начального состояния система переходит в состояние заливки насоса и находится в этом состоянии в течение следующего такта. В такте Х 3включается привод главного насоса, в такте ХАпри рабо­ тающем насосе производится включение привода задвижки. В этом состоянии система находится весь следующий тактХ5. ТактХ6 явля­ ется основным тактом работы насоса при открытой задвижке. Такт X-j является режимом работы насоса при аварии, при котором закры­ вается задвижка и выключается привод насоса, после чего система переходит к начальному состоянию.

Далее на основе таблицы строим граф алгоритма управления по вышеизложенной методике. Общий вид этого графа представлен на рис. 12.

6. МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СИСТЕМЫ

УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ

ПРОЦЕССАМИ

Современные микропроцессорные системы автоматического управления технологическими процессами выполняются на основе микроконтроллеров, которые могут быть встроенными непосредст­ венно в технологическое оборудование или объединяться в распре­ делительные промышленные сети для управления конкретным тех­ нологическим процессом.

В отличие от аналоговых систем автоматики* структура кото­ рых определяется структурой алгоритма управления, микропроцес­ сорные (цифровые) системы автоматики имеют постоянную струк­ туру, а их функциональное назначение определяется только про­ граммой (алгоритмом) управления.

6.1. Структура микропроцессорных систем

Несмотря на разное конструктивное исполнение, все микро­ процессорные системы автоматического управления имеют общую внутреннюю структуру (рис. 13).

Основой любой микропроцессорной системы управления явля­ ется микропроцессор, или вычислитель, предназначенный для об­ работки дискретных цифровых сигналов и команд управления. Как основной структурный блок этой системы, микропроцессор связан со всеми остальными структурными блоками через систему трех шин. Шиной в микропроцессорной системе называют пучок прово­ дов для передачи сигналов определенного назначения. Таких шин в микропроцессорной системе как минимум три. Среди них шина адреса (ША), шина данных (ШД) и шина управления (ИГУ).

передачи сигналов к аналоговым исполнительным устройствам - цифроаналоговые преобразователи.

Внутренняя структура программируемого параллельного ин­ терфейса показана на рис. 16. Все структурные элементы этого ин­ терфейса связаны внутренней шиной, к которой с одной стороны примыкают буфер шины данных, устройство управления и регистр управления, а с другой стороны — буферы портов.

Рис. 16. Структура связей ППИ с микропроцессором и внешними

устройствами

Буфер шины данных предназначен для промежуточного хране­ ния цифровых сигналов перед их передачей в шину данных или во внутреннюю шину ППИ. В качестве этих сигналов могут быть ко­ манды управления для самого ППИ, или цифровые сигналы, пред­ назначенные для передачи внешним устройствам, или сигналы, снимаемые с внешних устройств.

В регистре управления хранится управляющее слово, которое является программой для управления работой ППИ. Исполнение этой программы производится устройством управления с учетом команд, поступающих от микропроцессора через шину управления. Буферы портов служат для непосредственного подключения к ним периферийных устройств в виде датчиков или приводов исполни­ тельных устройств.

ройствах, для включения чипа (микросхемы) в работу через сигнал дешифратора внешних устройств.

С абонентной микропроцессорной системой данная система со­ единяется по системе линий связи ЛС, в которой выделяются две ли­ нии — линия передачи данных и линия синхронизации этой переда­ чи. Данная схема ПосПИ представляет синхронную систему после­ довательной передачи данных, в которой обе микропроцессорные системы взаимно согласуются по частоте обмена цифровой инфор­ мацией. Принцип работы такой системы рассмотрим на примере структуры, представленной на рис. 20.

Рис. 20. Внутренняя структура программируемого последовательного интерфейса

Все структурные элементы последовательного интерфейса ПосПИ связаны внутренней шиной, к которой с одной стороны при­ мыкают буфер шины данных, регистр управления и регистр управ­ ления модемом, а с другой стороны к этой шине подсоединены ре­ гистры сдвига приемопередатчика. Буфер шины данных предназна­ чен для промежуточного хранения цифровых сигналов перед их передачей в шину данных всей системы или при приеме из нее сиг­ нала на внутреннюю шину ПосПИ. По команде «запись» (Зп) этот интерфейс пересылает в буфер данных сигналы из системной шины

Рис. 21. Структура синхронной взаимосвязи двух микропроцессорных систем

Принцип взаимной передачи информации по этой схеме состоит

вследующем. Ведущий микропроцессор по уровню сигналов TxRDY

иТхЕ опрашивает состояние передатчика и буфера шины данных, по­ сле чего выставляет на шине данных цифровой сигнал, одновременно с этим подавая на шину управления команду «запись». По этой коман­ де сигнал из шины данных запишется в буфер этой шины последова­ тельного порта 1 (ведущего микропроцессора), после чего последова­ тельный порт (интерфейс) этого микропроцессора работает уже неза­ висимо от него по собственной программе (управляющему слову).

При заполнении из буфра данных регистра сдвига передатчика этого порта сигналом данных формируется команда DSR, которая передает­ ся на вход CTS последовательного порта 2 (ведомого микропроцессо­ ра). Если регистр сдвига последовательного порта 2 пуст, то он форми­ рует обратную команду RTS, которая передается на вход DTR после­ довательного порта 1. В результате этого становится возможной передача данных по каналау TD или RD в линии связи, и приемник по­ следовательного порта 2 включается в работу.

Регистр сдвига этого микропроцессора по каналау TD последо­ вательно заполняется битами данных цифрового сигнала (см. рис. 20) с тактовой частотой ТхС ведомого микропроцессора. При полном заполнении этого регистра формируется сигнал RxRDY, по которому микропроцессор 2 приостанавливает выпол­ нение всех операций, не связанных с приемом этого сигнала из ли­ нии RD, и переходит на связь с его последовательным портом.

По этой же команде содержимое регистра сдвига приемника последовательного порта 2 пересылается в его буфер данных, из ко­

Рис. 24. Структура связи двух микропроцессорных систем

по асинхронному варианту

Устройство управления UART содержит несколько регистров, позволяющих контролировать заполняемость регистров сдвига приемопередатчика в процессе обмена данных. Если по запросу сигнала DTR будет получен сигнал DSR нулевого уровня, свиде­ тельствующий о неготовности к работе принимающего (ведомого) порта, то ведущий порт формирует команду OUT1 на прерывание работы своего микропроцессора по передаче данных.

Работа этого микропроцессора переключается на выполнение других операций, не связанных с передачей данных, и возобновля­ ется только тогда, когда принимающий порт будет готов к приему сигнала, т. е. только тогда, когда сигнал DSR достигнет единичного уровня. Данный способ последовательной передачи данных отно­ сится к физическому протоколу типа RS-232. Однако существуют и другие типы последовательных портов (интерфейсов) с физиче­ скими протоколами — RS-422, RS-485, «токовая петля».

Особенностью физического протокола (интерфейса) RS-485 яв­ ляется то, что для передачи информации по линии связи в последо­ вательном коде для него нужно всего четыре (а иногда и два) прово­ да типа «витая пара». При этом одна из этих пар используется для передачи информации, а другая — для подвода питания к микро­ процессорным устройствам, соединенным линией связи. Схема соединения двух микроконтроллеров по интерфейсу RS-485 пред­ ставлена рис. 24, б. Последовательные порты интерфейса RS-485 работают только в асинхронном режиме и оснащаются соответст­ вующей системой UART.

Микропроцессорные системы различных производителей мо­ гут связываться между собой через асинхронные последовательные

в

Рис. 26. Типы распределенных сетей управления

модулей. Информация в контроллерах удаленного ввода/вывода формируется по принципам асинхронного обмена через порты ин­ терфейса RS-485. Схема сети удаленного ввода/вывода показана на рис. 26, в.

На самом нижнем уровне микропроцессорной системы управ­ ления к модулям нижнего уровня подключаются датчики и испол­ нительные устройства (внешние устройства). Такое подключение может осуществляться двояко: через параллельные или последова­ тельные порты этих модулей. Параллельные порты модулей нижне­ го уровня обеспечивают непосредственное подключение аналого­ вых или дискретных внешних устройств. При этом каждый из таких устройств требует, как минимум, пары проводов для подключения. При большом количестве внешних устройств увеличивается не только расход монтажного провода, но и возрастает сложность компоновки и монтажа этих устройств.

Устранение этого недостатка стало возможным при использо­ вании в структуре промышленной сети полевых шин. Полевая ши­ на— это разновидность промышленной сети нижнего уровня, кото­

рая позволяет использовать двужильный монтажный кабель специ­ ального профиля для подключения через последовательный порт принимающего модуля до 62 внешних устройств. При этом пита­ ние, опрос и выдача команд доя этих устройств производится по од­ ному и тому же кабелю. Внедрение полевых шин стало возможным только тогда, когда внешние устройства стали интеллектуальными, т. е. в структуру этих устройств были введены микропроцессоры, позволяющие преобразовывать аналоговые сигналы в цифровые. Это позволило по полевой шине передавать цифровую информа­ цию в последовательном коде. Полевые шины строятся на основе специального протокола — AS-интерфейса.

Полевая шина на основе AS-интерфейса может иметь только одно ведущее устройство (мастер) и до 62 ведомых устройств (слейвов). При опросе датчиков или исполнительных устройств ведущий модуль циклически опрашивает каждый из них, при этом на весь опрос затрачивается около 5-10 мс.

6.6.2. Программное обеспечение распределепной системы управления

Успешному внедрению промышленных логических контролле­ ров способствовало появление программного обеспечения, полу­ чившего совместно с ПЛК название SCADA-системы. Для этих сис­ тем строятся программы двух уровней. На верхнем уровне это про­ граммные пакеты, которые управляют потоком информации в промышленной сети, оперируя при этом десятками тысяч имен переменных (тегов). На нижнем уровне это программы-драйверы для устройств нижнего уровня промышленной сети, которые назы­ ваются ОРС-серверами. Основная задача ОРС-серверов состоит в привязке состояния конкретных переменных (тегов) пакетов про­ грамм верхнего уровня к параметрам конкретных внешних уст­ ройств. SCADA-системы могут работать только в определенной операционной среде. Основной средой для них считается Windows в разных версиях.

Разработчики SCADA-систем выставили на рынке множество программных пакетов верхнего уровня, среди которых InTouch фирмы Wonderware; GENES1S32 фирмы Iconis; WinCC фирмы Siemens; iFIX фирмы Intellution.

Среди программ ОРС-серверов преобладает универсальный па­ кет Universal ОРС фирмы Fastwel. Другие разработчики также пред­ ставили для пользователей подобные продукты. Например, фирма Advantech разработала PCLS-OPC/ADM ОРС-сервер для модулей серии ADAM. ОРС-серверы позволяют создавать дополнительные программы-драйверы для оборудования, которое не внесено в биб­ лиотеки стандартных ОРС-серверов. Для написания этих приложе­ ний применяют языки высокого уровня, такие как Visual Basic, Visual С, С и C++. Но чаще всего в стандартном ОРС-сервере обнов­ ляется его библиотека, в которую с помощью одного из вышеука­ занных языков вносится новое оборудование.