Средства распределенного сбора данных и управления

ориентированы на применение в САУ, охватывающих большие

Рис. 1.18.

площади. Состоят из согласованных между собойблоков ввода-вывода, устройств аналоговой об- работки информации и нормализации сигналов датчиков, программируемых логических контрол- леров, способных выполнять функции локальных и узловых контроллеров. Все это охвачено еди- ной сетью, едиными средствами программирования.

Далее мы более подробно остановимся на аспектах выбора и особенностях серийно выпускаемых контроллеров.

Сеть, положенная в основу САУ может иметь различную организацию и архитектуру. По способу объединения абонентов сети бывают радиальные, когда по линии связи могут

28

общаться только два абонента (рис. 1.19, а). Они могут общаться между собой либо последо- вательно, посылая сообщение, затем ответ (полудуплексный режим), либо на линиях связи могут одновременно присутствовать посылки в обеих направлениях (дуплексный режим). Отдельный цикл обмена (запрос – ответ, транзакция) может инициироваться либо одним из абонентов (централизованное управление ведущий – ведомый, master – slave), либо каждым из абонентов (децентрализованное управление доступом).

В радиально-кустовых сетях (рис. 1.19, б), в отличие от радиальных, сообщение между абонентами организуется через ряд узлов, благодаря чему появляется, в отличие от радиальныхлиний, возможность адресации и связираз-

МК1		МК2

а)

МК1

б)

МК1				МК2		МК
МК(n)				МК(n-1)		МК

в)

МК1.1

МК1.2

МК1.3

МК1.3.1

МК1.3.2

МК1.3.3

личных абонентов сети. В таких сетях также возможен ду- плексный режим связи и централизованное, либо децен- трализованное управление.

В кольцевых сетях (рис. 1.19, в) все абоненты замк- нуты в кольцо и сообщение последовательно проходит по сети от одного абонента к другому. Простой вариант коль- цевой сети можно получить, последовательно объединяя междусобойряд радиальныхлиний. Здесь также возможен дуплексный режим связи и централизованное, либо децен- трализованное управление.

В магистральных сетях все абоненты подсоединены к одной линии связи (рис. 1.19, г). Здесь, как правило, дуп- лексный режим невозможен, но управление также может быть централизованным (master – slave), либо децентрали- зованным (сети с произвольным доступом).

Каждый способ организации сети обладает своими преимуществами и недостатками. Наличие многих говорит об отсутствии наилучшего для различных условий приме- нения. Радиальные сети наиболее просты. Практически ка- ждый микроконтроллер обладает хотя бы одним портом последовательного канала. Но такие сети не дают возмож-

^г) Рис. 1.19.

МК1				МК2				МК(n)

ности выбораабонентов. Радиально-кустовыесетидают возможность выбора, но требуют наличия в микроконтрол-

лерах нескольких портов последовательных каналов, либо применения специальных мар- шрутизаторов. Кольцевые сети часто применяют в системах, объединяющих большое коли- чество одинаковых устройств, но выход из строя одного из контроллеров, если не приняты специальные меры, ведет к разрыву сети. Магистральные сети гибки с точки зрения выбора абонента, способны «на лету» проводить подключение и отключения абонентов, но протоко- лы (правила обмена, см. раздел 1.5.) работы таких сетей сложнее. Реальные управляющие се- ти строятся, как комбинация описанных здесь способов соединения и организации обмена.

На рис. 1.20 показана структура управляющей сети установки диффузионной сварки в сверхвысоком вакууме. Техпроцесс включает откачку камеры до сверхвысокого вакуума, ступенчатый нагрев образцов до требуемой температуры с учетом того, чтобы газовыделение из них не приводило к выходу давления за установленные пределы. После чего следует сжа- тие свариваемых элементов строго заданным во времени усилием, выдержка и ступенчатое охлаждение.

Это основные целевые функции технологии. Помимо основных, на САУ возложены сервисные функции по отображению состояния процесса, сигнализации о выходе параметров за установленные допуски и отработки аварийных ситуаций, ведения трендов процесса (не-

29

прерывная запись параметров и их архивирование). Функциями коррекции цели является пе- репрограммирование процесса в диалоговом режиме.

В системе управления можно выделить три основных модуля. На промышленныйком-

пьютер ПК, являющийся

ДУ АК ШИМ

РППТ

M

ЭП АК

в сети центральным, воз- ложены сервисные функ- ции по отображению со- стояния процесса, сигна-

_ДУ УСО

ВАК

ДУ АК

TР

КП

RS-232

RS-232

RS-232

ПК

Монитор

лизации о выходе пара- метров за установленные допуски, ведению трен- дов процесса и функции коррекции цели. Для это- го он имеет монитор,

ДК

СМК

МК1 МК2

I² C

МК3

МК4

RS-232

Рис. 1.20.

Системный блок

СК

К сети Ethernet

клавиатуру и жесткие диски для хранения и ар- хивации трендов.

При составлении, управляющая программа формируется в виде тек- стового файла, содержа- щего информацию по ве- дению и взаимодействию основных процессов тех-

нологии. Оператор может составлять листинг заново в диалоговом режиме, либо непосредст- венно редактировать текстовый файл в редакторе. Работает промышленный компьютер под управлением универсальной операционной системы, например Windows XP и имеет сетевой адаптер и выход в сеть Ethernet для связи с системой управления высшего уровня, например цеховой системой. По сети можно скачивать тренды процессов, получать доступ к цеховой базе данных и задания на обработку очередных деталей и т.п.

С помощью канала RS-232, подключенного к одному из Com-портов промышленного компьютера управляющая программа в упакованном виде передается в специализированный микроконтроллер СМК, поддерживающий выполнение целевых функций САУ. По сути, это узловойконтроллер. Специализированный микроконтроллер содержит на печатной плате че- тыре микроконтроллера МК1 … МК4, объединенных сетью I²C. Это магистральная сеть с распределенным управлением, подробные сведения о ней приведены в разделе П1.1. Микро- контроллер МК4 выполнен на базе однокристального микроконтроллера серии MCS-51 (см. раздел 3). В его функции входит связь с промышленным компьютером и координация работы четырех основных процессов технологии: откачки, нагрева и сжатия свариваемых образцов.

Однокристальный микроконтроллер МК1 серии PIC (см. Приложение П1.2.) управляет работой вакуумной системы и ведет процесс высоковакуумной откачки. Своими сигналами дискретного управления он включает и выключает соответствующие вакуумные насосы и управляетэлектромагнитнымиклапанами. Линиидискретного контролясигнализируют о со- стоянии клапанов и насосов. Выдаются эти сигналы на линии связи через смонтированное на той же плате устройство связи с объектом УСО. С помощью канала RS-232 МК1 связан с многофункциональным вакуумметром ВАК, позволяющим контролировать давление на раз- личных участках вакуумной системы.

30

МК2 (серии PIC-18) управляет процессом нагрева. По линии ДК выдается сигнал на включение нагревателя. Управляет нагревателем локальный регулятор ТР. Он измеряет тем- пературу объекта по линии АК, сравнивает сигнал с уставкой, хранящейся в его памяти, по рассогласованию уставки и фактической температуры вырабатывает управляющее воздейст- вие и выдает его на блок питания нагревателя. Рассчитывается управляющий сигнал по про- порционально-интегрально-дифференциальному(ПИД) закону. Выдается он на блок питания нагревателя в виде широтно-модулированного сигнала. Мощность на нагревателе задается отношением времени включения к периоду широтно-модулированного сигнала (см. раздел ).

Уставканалокальный регуляторТР выдается по каналу RS-232 отМК2, в памяти ко- торого хранится график процесса нагрева. Как хранить этот график? Обычно он разбивается на ряд линейных участков. В памяти микроконтроллера хранится температура окончания участка Т_О, его длительность t_O и период обновления уставки h. Период обновления выби- рается настолько большим, чтобы выдаваемая на регуляторуставка была каждый раз различ- ной, и настолько малым, чтобы отклонение фактического графика температуры от директив- ного лежало в пределах, заданных требованиями к точности ведения процесса нагрева на данном участке. Обычно эту величину, как и параметры ПИД закона, заложенного в регуля- тор ТР, уточняют при отладке программного обеспечения.

МК3 (серии PIC-18) управляет процессом нагружения свариваемых деталей. Процесс реализуется регулируемым приводом постоянного тока РППТ, который представляет из себя скомплектованный привод, включающий электродвигатель М со встроенным безлюфтовым редуктором и контроллер КП. По последовательному каналу можно выставлять команды, по которым РППТ обеспечивает заданную скорость вращения с сохранением крутящего момента в требуемом диапазоне скоростей. Микроконтроллер МК3 формирует такие команды, исходя из заданного графика нагружения. По сути работа РППТ не отличается от работы локального регулятора ТР. Получив требуемое усилие сжатия в виде уставки от МК3, контроллер КП по ПИД-закону регулирования формирует команды, должным образом модулирующие энерге- тические потоки, поступающие на двигатель. В качестве датчика обратной связи в этом ло- кальном контуре регулирования используется датчик усилия, фиксирующий сжатие свари- ваемых образцов.

Это далеко не единственный вариант структурной реализации аппаратного обеспече- ния САУ, который во многом определяет и структурную организацию программного обеспе- чения. Структура САУ вомногомопределяется опытом инаработками ведущего разработчи- ка. Здесь применен достаточно сложный оригинальный модуль СМК, включающий три одно- кристальных микроконтроллера серии PIC и микроконтроллер семейства MCS-51, объеди-

ненных локальной сетью I²C. Разработка такого контроллера и, особенно, оригинального программного обеспечения к нему – достаточно трудоемкая задача, взяться за решение кото- рой может коллектив, имеющий опыт аналогичных разработок и средства программно- аппаратной эмуляции для отладки программного обеспечения.

Надежность САУ такой структуры целиком определяется надежностью работы СМК. Электронику часто в шутку называют наукой о плохих контактах и в этой шутке есть огром- ная доляправды. Объединение практическивсего ядраСАУв одной плате, при ееграмотном исполнении, существенно повышает надежность системы. Для защиты от помех по питанию и программных сбоев МК здесь использованы супервизорные схемы и системы Watchdog, о которых речь пойдет далее в гл. 3.3.

Центральный контроллер на базе промышленного компьютера выполняет лишь сер- висные функции и функции коррекции цели. Основную целевую функцию (выполнение за- данного или директивного технологического процесса) ведут локальные микроконтроллеры.

31

С помощью центрального контроллера в диалоговом режиме программируется технологиче- ский процесс сварки и его параметры передаются локальным микроконтроллерам – это функции коррекции цели.

К сервисным функциям, обеспечивающим наилучшие условия для выполнения основ- ных целевых относятся отображение состояния установки на мониторе, периодический кон- троль за работой модуля СМК, прием сообщений о состоянии локальных процессов и фикса- ция трендов процессов нагрева и нагружения на жестком диске.

Программные сбои и зависания центрального контроллера, при условии их своевре- менного обнаружения и перезагрузи задачи управления с учетом текущего состояния, не кри- тичны. Ведь каждый из локальных микроконтроллеров знает свои задачи

Другой вариант структуры САУдля реализациитех жефункций приведеннарис. 1.21. Здесь за основу взят промышленный компьютер в формате MicroPC. Его картинку Вы мо- жете посмотреть на рис. 1.18. Мы далее подробно познакомимся с различными микрокон-

троллерами на платформе РС. На сис-

ВАК

ДУ АК ШИМ

TР

РППТ

M

ЭП АК КП

Монитор

Клавиатура, мышь

темной магистрали ISA включено вы- числительное ядро CPU, представляю- щее из себя законченный компьютер с твердотельными дисками, видеокон- троллером, сетевымконтроллером Ethernet, контроллером накопителя на жестких магнитных дисках и широкими возможностями расширения. Таким об- разом, мы поддерживаем человеко- машинный интерфейс, сервисные функ-

RS-485

ДУ

MicroPC

ции и функции коррекции цели. По ши- не ISA к вычислительному ядру под- ключена плата DIO, обеспечивающая выдачу необходимых сигналов дискрет-

ДК DIO CPU

ISA

ного контроля и управления. К порту канала RS-485 на CPU подключаем уже

Рис. 1.21.

К сети Ethernet

известные нам блоки ВАК, ТР и РППТ.

Здесь программная поддержка процесса откачки полностью ложится на MicroPC, выполняющего помимо этого функции центрального контроллера.

Процесс нагрева и нагружения обеспечивают, как и ранее, локальный терморегулятор и блок

РППТ.

Возможностей CPU с большим запасом хватит, чтобы взять на себя функции термо- регулятора и блока РППТ. Как видите, мы все более функции аппаратной поддержки пере- кладываем на программное обеспечение центрального контроллера, все усложняя его и уп- рощая аппаратную часть. И здесь есть некоторая «золотая середина». Программно эмулиро- вать локальный терморегулятор несложно, но это не дорогой блок и я бы все оставил, как на рис. 1.21. А вот регулируемый привод РППТ сравнительно дорог, но если нет достаточного опыта разработки таких систем, то пожалуй, разработка технической документации, про- граммного обеспечения, изготовление, отладка и доводка управляющей приводом программы обойдутся гораздо дороже, не говоря о потраченном времени.

***

Необычайно быстрый прогресс микропроцессорных средств обработки информации, появление надежных, дешевых, мощных и достаточно универсальных микроконтроллеров обусловило их широчайшее применение в системах управления технологическим оборудова- нием. Сегодня это основной неотъемлемый составной элемент этих систем, которые строятся как информационно-управляющие сети.

По месту, занимаемому в структуре управляющей сети и выполняемым функциям, контроллеры делят на центральные, узловые и локальные.

С точки зрения разработчика технологического оборудования в соответствии с осо- бенностями построения, комплектации, использования и программирования микроконтрол- леры делят на ряд групп.

Локальные регуляторы – это универсальные микроконтроллеры для управления рядом широко распространенных технологических операций, в которых требуется обеспечивать предписанную траекторию изменения одного, реже нескольких, параметров во времени. На- пример, регуляторы температуры, регуляторы скорости вращения асинхронных двигателей, контроллеры шаговыхдвигателей, регуляторы давления и состава среды в вакуумных техно- логических камерах и т.п. Аппаратно и программно это законченные изделия, требующие минимальной адаптации и настройки в конкретном оборудовании.

Программируемые промышленные контроллеры ПЛК состоятиз модулявычислитель- ного ядра и законченных модулей связи с объектом управления. Имеют встроенное базовое программное обеспечение (специальная операционная система), обеспечивающее выполне- ние и поддержку разработки программ пользователя. Для разработки и отладки управляющих программ имеются ряд универсальных языков программирования (см. раздел 1.5).

Промышленные компьютеры могут работать под управлением различных операцион- ных систем и более гибко адаптируются под объект управления.

Средства распределенного сбора данных и управления состоят из согласованных меж- ду собой блоков ввода-вывода, устройств аналоговой обработки информации и нормализации сигналов датчиков, программируемых логических контроллеров, способных выполнять функциилокальных и узловых контроллеров. Все это охвачено единой сетью, едиными сред- ствами программирования.

Вопросы к экзамену.

1. Микроконтроллер – основная структурная единица аппаратного обеспечения САУ. Состав и функции, выполняемые микроконтроллером.

2. Центральные, узловые и локальные микроконтроллеры. Выполняемые функции и осо- бенности построения.

3. Локальные регуляторы, программируемые логические контроллеры, промышленные компьютеры и средства распределенного сбора данных и управления. Особенности построения и программирования.

4. Типовые топологии управляющих сетей.

5. Вариантность построения управляющих сетей. Примеры.