2. Микроконтроллер – основная структурная единица аппаратного обеспечения сау

Подобно структуре технологической машины, рассмотренной нами во введении, раз- витая система автоматического управления строится иерархически, как вычислительно- управляющая сеть. Выполнение общепринятых принципов построения открытых сетевых

систем придает гибкость системе в аппарат-

Последовательные каналы

Система ввода-вывода

ном и программном плане. Дает возможность наращивать систему с минимальными изме-

Микроконтроллер (МК)

Вычислительное

нениями, накапливать опыт построения сис- тем и широко использовать его в новых раз- работках. Позволяет заимствовать аппарат-

ядро (ВЯ)

Шина МК

Человеко-

-машинный интерфейс

ные и программные решения сторонних про- изводителей.

Основной структурной единицей ап-

Адаптер сети

Устройство связи с объектом (УСО)

паратного построения САУ является микро- контроллер (МК) (рис. 1.15). Его назначение

АК ДК

АУ ДУ

– обработка поступающей информации и вы- дача управляющих воздействий для реализа-

Преобразователи

^МК энергетических

потоков Датчики

МК Периферийные компоненты

Рис. 1.15.

ции всей совокупности возложенных на САУ функций. В состав развитого микроконтрол- лера входит вычислительное ядро (ВЯ), не- посредственно обрабатывающее поступаю- щую информацию и организующее обмен с элементами объекта управления. Сервис вы- числительному ядру при вводе и выводе ин- формации от оператора оказывают челове- ко-машинный интерфейс и система вво-

да-вывода. Это обычно монитор, клавиатура, мышь и средства связи с ними, которые часто непосредственно входят в состав вычислительного ядра.

Деление микроконтроллера на отдельные элементы мы проводим по функциональным (выполняемые функции) и конструктивным признакам. Конструктивные признаки определя- ют, входят ли те или иные элементы в конструктив микроконтроллера («чип», плату или иную сборочную единицу– модуль) или нет. С этой точки зрения многие элементы человеко- машинного интерфейса (контроллер дисплея, контроллер клавиатуры, параллельный канал LPT) обычно расположены на вычислительном ядре, поэтому выделение их в отдельный мо- дуль весьма условно. Компоновка элементов в отдельные модули с конструктивной точки зрения во многом определяется серийностью выпуска. Чем более интегрирована конструк- ция, тем экономически дешевле она обходится при серийном выпуске, но, чем более она ин- тегрирована, тем уже множество ее возможных применений.

Устройство связи с объектом представляет вычислительному ядру услугипри обме- не элементарными сигналами аналогового АК и дискретного ДК контроля с датчиками, ха- рактеризующими состояние объекта управления и сигналами дискретного ДУ и аналогового АУ управления на преобразователи энергетических потоков. В качестве периферийных ком- понентов САУ, непосредственно связанных с объектом управления здесь используются, на- пример, электромагнитные реле, включающие и выключающие различные устройства (элек- тромагнитные клапана, двигатели и т.п.), твердотельные реле и транзисторные ключи.

Адаптер сети необходим для подключения микроконтроллера в сеть. Каждый мик- роконтроллер выполняет возложенные на него функции управления. Если он поддерживает температуру в печи, по сети от микроконтроллера высшего уровня он получает уставку, оп- ределяющую, какую температуру поддерживать. Отвечает на запросы этого микроконтрол- лера, ответственного за проведения всего технологического процесса о состоянии печи (зна- чение температуры печи, ее градиент и т.п.). На той же сети находятся микроконтроллеры, ответственные за проведение других процессов, например контроллер вакуумной системы, который должен напустить технологический газ, когда температура достигнет заданной. Этот приказ он может получить от МК высшего уровня или от рассматриваемого нами регулятора печи. Часто адаптер сети бывает конструктивно встроен в вычислительное ядро. Причем на вычислительном ядре бывает несколько последовательных каналов и сетевых адаптеров. Различие между последовательным каналом и сетевым адаптером мы разберем позже, пока же просто констатируем их наличие.

По последовательному каналу МК может получать информацию от «интеллектуаль- ных» датчиков, оснащенных собственным микроконтроллером. Здесь информация будет по- ступать не в виде, например, токового сигнала с размахом от 4 до 20 мА, с началом шкалы в 20°С и верхнимпределомв 100°С, а, как цифровойпоследовательный код. По командам«ин- теллектуальный» датчик может проводить самотестирование, переключать шкалу измерения и т.п. К одному каналуможет быть подключено несколько таких датчиков и устройств управления мощностью, причем, можно организовать этот сегмент сети так, что подчинен- ные устройства смогут обмениваться информацией друг с другом, минуя рассматриваемый нами контроллер.

Линиями связи микроконтроллер связан с другими компонентами локальной управ- ляющей сети. Периферийные компоненты САУ служат для управления энергетическими потоками, поступающими на исполнительные механизмы и иные компоненты машины, нуж- дающиеся в энергопитании. Обмен с ними идет, как правило, элементарными сигналами дискретного и аналогового управления (ДУ и АУ). Управляют энергетическими потоками ключи – устройства, способныеуправляющий информационный сигнал преобразовать в энергетический поток с требуемыми параметрами.

Датчики, входящие в состав периферийных компонентов, выдают на линии связи сигналы, характеризующие состояние объекта управления. Это, как правило, элементарные сигналы аналогового (АК) и дискретного контроля (ДК).

Для построения систем автоматического управления (САУ ) широкого класса обору- дования достаточно иметь три типа микроконтроллеров (МК) всоответствии с тремяуровня- ми иерархии:

1. МК верхнего уровня - центральные МК. Это контроллеры для управления отдель- ными машинами, производственными участками, цехами, имеющие развитые сервисные воз- можности (вычислительные, графические, накопления информации, встраивания в ло- кальные вычислительные сети и др.). Конструктивнотакойконтроллер строитсякак много- платная конструкция и содержит вычислительное ядро и блок связи с объектом, ведущий информационный обмен с отдельными элементами машины. Этот контроллер координирует работу всей системы, выдает задания на исполнение локальным и узловым, он стоит во главе сети САУ.

2. МК среднего уровня - узловые МК. Такие МК управляют достаточно развитой под- системой машины, командуют фрагментом управляющей сети или отдельными сложными механизмами, когда разместить на одной плате устройство, совмещающее функции управле- ния и энергообеспечения не удается. Конструктивно узловой контроллер выполняется как многоплатный и содержит плату обработки информации (ВЯ) и платы связи с объектом, со- гласующие информационные потоки междуконтроллером и объектомуправления в удобный

26

для обмена и управления вид. От центрального такой контроллер отличается меньшимивы- числительными и сервисными возможностями (как правило, отсутствие дисплея и клавиа- туры, меньший объем памяти и быстродействие и, как следствие, меньшая стоимость).

3. МК низшего уровня - локальные МК. Это контроллеры, располагаемые на перифе- рии сети САУ и встраиваемые в управляемое устройство; как правило - это одноплатная конструкция, совмещающая функции преобразования энергии и информации.

Деление МПСУ на 3 группы несколько условно, в реальном оборудовании наличие МК всех трех уровней не обязательно и одни могут успешно заменять другие. Узловые и центральные МК, благодаря модульной гибкой конфигурации, достаточно универсальны и могут управлять достаточно широким классом технологического оборудования, поэтомувы- пускаются серийно, локальные контроллеры, как правило, узко специализированы и разраба- тываются под конкретный механизм.

Это деление с позиций места и функций, выполняемых в системе. Сейчас рынок за- полнен различными микропроцессорными средствами управления. Их, в соответствии с осо- бенностями построения, комплектации, использования и программирования делят на ряд групп.

Локальные регуляторы (ЛР) управляют каким либо исполнительным механизмом широкого применения, например, нагревателем, электродвигателем (асинхронным, двигате- лем постоянного тока, шаговым). Часто локальный регулятор совмещает функции электропи- тания и управления. Программирование сводится к заданию констант и уставки пропорцио-

нально-интегрально-дифференциального закона регулирова- ния. Большинство современных локальных регуляторов име- ют возможность автоматического определения констант зако- на регулирования, имеют память и последовательный канал связи, по которому могут получать и хранить параметры на ряд этапов технологии. Например, подъем температуры в пе- чи с заданной скоростью до определенного предела, затем выдержка температуры в течении заданного времени, охлаж- дение с заданным градиентом до заданной температуры и т.п. Локальный регулятор может, помимо формирования управ- ляющего воздействия на энергетический поток, обмениваться

Рис. 1.16, а).

с объектом управления и другими командами дискретного контроля и управления, сообщать о состоянии объекта управ-

ления, имеет средства местного и дистанционного программирования. Такой регулятор мо- жет полностью взять на себя функции локального контроллера и по своим возможностям адаптации и универсальности приближается к программируемым логическим контроллерам.

Программируемые логические контроллеры (ПЛК) уже не привязаны к исполни- тельному механизму, как локальный регулятор. Конструктивно состоят из отдельных моду- лей в собственных корпусах, объединенных между собой системной шиной (рис. 1.16, б).

Модули исполняют функции вычислительного ядра и уст- ройств связи с объектом и коммуникационных устройств и могут комплектоваться исходя из потребностей заказчика, естественно с некоторыми ограничениями по их количеству. Для программи- рования ПЛК разработаны специальные языки программирова- ния, закрепленные в международном стандарте МЭК 61131-3, о

Рис. 1.16, б).

которых речь пойдет в следующем разделе. Эти языки представ- ляют программисту достаточно широкие возможности для раз-

работки управляющих программ.

27

ПЛК поуровню сложности делят на три группы или уровня. Особенно выражено про- грамму выпуска всех трех уровней поддерживает фирма Siemens. Простейшие ПЛК (Siemens LOGO) призваны заменить системы на жесткойлогике и выполняют функции локальныхили узловых МК, хотя могут и полностью управлять простыми технологическими объектами.

ПЛК среднего уровня (Siemens SIMATIC) обслуживают уже до сотни и более линий аналогового и дискретногоконтроляи управленияимогут поддерживать более сложноепро- граммное обеспечение и выполнять функции центральных и узловых МК.

ПЛК высокого уровня сложности (Siemens PC) имеют развитый человеко-машинный интерфейс и выполняют функции центральных контроллеров.

Промышленные компьютеры (ПК) еще более гибко комплектуются под объект управления. Их главным отличием от ПЛК высокого уровня сложности заключается в том, что они могут работать под управлением универсальных операционных систем и выполнять широкий круг задач общего применения. Работать в распределенных сетях с базами данных, использовать ACAD, Word, Excel и т.п. Главным отличием ПК от обычного офисного ком- пьютера является отсутствие материнской платы. Она выполнена в том же конструктиве, что и платы УСО и подключается в какую либо системную шину наряду с другими платами. Од- нако программно и аппаратно ПК совместим с офисными компьютерами семейства РС и можно плату УСО вставить в офисный компьютер и работать с ней.

На рис. 1.17 представлен промышленный компьютер в конструктиве «рабочая станция», когда все средства ввода- вывода, обработки и визуализации информации объединены в одном корпусе.

Достаточно сложно провести четкую грань между ПЛК высокого уровня сложности и ПК. Главным отличием ПЛК является наличиеспециальной системнойшины и заложенная в базовое программное обеспечение способность работать в жестком реальном времени, в то время как для работы про-

Рис. 1.17.

мышленного компьютера в жестком реальном времени следу- ет применять специальное программное обеспечение.

Далее мы будем подробно изучать отдельные виды ПК, однако уже сейчас, в общем обзоре следует выделить так на- зываемые встраиваемые ПК, отличающиеся от упомянутых выше типовых ПК компактностью, повышенной надежно- стью, жесткими требованиями к условиям эксплуатации. Ти- повая плата вычислительного ядра в формате MicroPC приве- дена на рис. 1.18. На этой плате интегрировано практически все необходимое для полноценной работы: твердотельные flesh-диски, видеоконтроллер, порты клавиатуры, Ethernet, же- стких дисков, последовательных каналов и т.д.