ЛЕКЦИИ ПО ТСАУ

Лекция № 1. Введение в проблемы построения автоматизированных систем

Дисциплина «Технические Средства Автоматизации и Управления» посвящена изучению приборов и комплексов технических средств для управления объектами автоматизации, измерения параметров их в автоматизированных системах.

Автоматизированная система (далее АС) – совокупность технических средств и математических методов, обеспечивающих управление объектом или процессом в соответствии с заданной целью. По цели создания различают:

автоматизированные системы для получения, преобразования или использования материалов или энергии. Сюда относятся автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП), автоматизированные системы управления предприятием (АСУП), отраслевые (ОАСУ).

автоматизированные системы для получения новой информации об объекте автоматизацииавтоматизированные система для научных исследований (АСНИ).

Основные вопросы, рассматриваемые в курсе:

1.Возможности ЭВМ различных видов для построения АС.

2.Методы обмена данными между ЭВМ и объектами автоматизации.

3.Типовые компоненты для реализации интерфейса.

4.Принципы построения и техническая реализация каналов измерения и управления объектом.

5.Алгоритмы обработки информации цифровыми методами.

1.1. Функциональные компоненты, необходимые для построения автоматизированного комплекса

1. Объект автоматизации – воспроизводит исследуемый процесс или явление.

Сюда относятся: физические объекты, физические модели объектов, математические модели.

2.Устройство непосредственного управления объектом (исполнительные органы). Служит для изменения состояния объекта в соответствии с сигналами на их входах.

3.Устройства измерения параметров объекта автоматизации (датчики). Служит для преобразования информации в объекте в форму для дальнейшего использования — обычно электрический сигнал. Объект автоматизации снабженный датчиками и устройствами управления называется экспериментальной (или технологической) установкой

4.Автоматизированная система – комплекс технических средств, обеспечивающих управление объектом автоматизации, обработки, хранения, отображения информации.

5.Оператор (в АСУТП - технолог, в АСНИ - экспериментатор) может вмешиваться в работу системы.

Объект автоматизации, снабженный устройствами управления и измерения, называется – технологическая установка (экспериментальная установка).

1

1)Объектно-ориентированные подсистемы. Как правило, располагаются вблизи от ОА и решают следующие задачи:

Измерение параметров объекта в реальном времени,

Управление объектом, Сбор данных измерений,

Оперативная обработка,

Представление данных оператору и их временное хранение.

2)Инструментальные подсистемы могут находиться вдали от ОА и решают следующие задачи:

Подготовка и отладка программ работы АС,

Управление объектными подсистемами,

Обработка информации в режиме разделения времени,

Накопление, длительное хранение информации, Документирование результатов.

3.Модульный принцип построения аппаратных средств.

Предусматривает выполнение отдельных компонентов системы в виде законченных модулей фиксированного назначения. Совокупность модулей должна покрывать задачи, решаемые автоматизированной системой.

Примеры типовых модулей:

АЦП – аналого-цифровой преобразователь,

Усилитель аналоговых сигналов,

Коммутатор (мультиплексор),

ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь, Таймеры. 4. Программная управляемость

модулей.

Дает возможность программным путем управлять работой модулей и даже изменять их технические характеристики. 5. Магистральная организация системы.

Предусматривает наличие общей системы проводников (магистрали), к которой подключаются отдельные модули, в том числе и ЭВМ. Наличие общей магистрали обеспечивает одинаковую доступность любого компонента системы для ЭВМ. 6. Унификация программных и аппаратных средств.

Позволяет использовать ограниченный набор модулей, выполненных в соответствии с определенными стандартами, для реализации различных систем. Унификация программных средств позволяет снизить сроки разработки системы.

3

Средства управления объектами автоматизации

Основное средство управления объектами автоматизации — ЭВМ. Все ЭВМ можно разделить на универсальные и специализированные, это обычно ЭВМ или программируемые логические контроллеры (ПЛК).

Критерии выбора ЭВМ:

1.Гибкость взаимодействия с нестандартными внешними устройствами.

2.Соответствие вычислительной мощности и требуемой скорости обработки информации в ходе работы системы.

3.Наличие необходимого объема запоминающих устройств (ЗУ) для накопления и оперативной обработки информации.

Современные ЭВМ образуют программно совместимые семейства. Наиболее распространенное на данный момент семейство ЭВМ - IBM PC совместимые ЭВМ на процессорах фирмы Intel. Ранее так же существовало довольно распространненое семейтво PowerPC (Macintosh) на процессорах фирмы Motorola. На сегодняшний день в Macintosh используются процессоры Intel Работа ЭВМ может рассматриваться на трех уровнях: 1) Электронные компоненты ЭВМ.

Без некоторых из этих элементов не может быть построена ни одна современная АС: таймер, программируемый контроллер прерываний (ПКП), контроллер прямого доступа к памяти (КПДП).

2)Архитектура ЭВМ включает такие элементы:

Набор регистров центрального процессора (ЦП),

Адресное пространство,

Система команд,

Способы представления информации,

Способы подключения к УСО

3)Программное обеспечение

Системное

Прикладное

Для объектно-ориентированных подсистем могут применяться программированные логические контроллеры (ПЛК, PLC - Programmable Logic Controller), которые имеют следующие преимущества:

Экономичность (нет ничего лишнего)

Высокое быстродействие (система команд ЭВМ ориентирована на определенный круг задач).

Надежность при работе в экспедиционных условиях.

Различают:

•Аппаратную надежность – способность устройства функционировать при определенных условиях окружающей среды и противостоять ее вредному воздействию (обеспечивается тщательной герметизацией и вентиляцией).

•Программная надежность – способность системы функционировать при возникновении ситуаций, требующих реакции в заданное время. Определяется степенью отлаженности ПО.

4

Преимущества программируемых логических контроллеров IBM PC:

Открытость

Родственность с компонентами верхнего уровня.

5

Лекция № 2. ЭВМ в автоматизированных системах

2.1.Архитектурные возможности ЭВМ в автоматизированных системах

Сточки зрения архитектуры в любой ЭВМ можно выделить:

1.Центральный процессор (ЦП) – набор регистров и система команд. Используется для обработки данных, управления ходом вычислительного процесса и правления компонентами АС.

2.Основная память. От других видов памяти ее отличает возможность произвольного считывания любой ячейки памяти и время доступа к любой ячейки примерно одинаково.

3.Каналы ввода/вывода информации.

Центральный процессор

С точки зрения пользователя, процессор представляет собой набор регистров и систему команд. Основные регистры процессора:

1.Счетчик команд (программный счетчик) – всегда содержит адрес следующей выполняемой процессом команды.

2.Указатель стека – хранит адрес последней занятой ячейки стековой памяти. Программе часто требуется временно запомнить информацию и затем считывать ее в обратном порядке. Это реализуется посредством стека

LIFO (Last In, First Out) - обозначает принцип «последним пришѐл — первым ушѐл».

Стек всегда растет в сторону младших адресов. При включении элементов в стек производится автоматический декремент указателя стека. При извлечении элементов из стека – инкремент указателя стека.

3. Регистр состояния процессора хранит коды условий выполнения последней арифметической или логической операции в арифметико-логическом устройстве (АЛУ) и управляет запросами на обслуживание от внешних устройств (ВУ). Основные регистры процессора ЭВМ

семейства Macintosh.

Регистр состояния процессора PSW ЭВМ семейства Macintosh содержит разряды, которые устанавливаются ЦП при выполнении следующих условий:

T – Внутреннее прерывание для отладки

N – Отрицательный результат

Z – Нулевой результат

V – Арифметическое переполнение

C – Выполнен перенос из старшего разряда

P1, P2, P4 – определяют приоритет выполняемой процессором программы.

1

В качестве основной памяти используются ПЗУ и ОЗУ. ОЗУ (Оперативное запоминающее устройство) используется для хранения команд и данных, изменяется в процессе работы системы. В ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) хранятся загрузчики ОС и тестовые программы, выполняющие самотестирование при включении питания.

Основная память разбивается на слова определенной длины n двоичных разрядов. Каждое слово основной памяти снабжается адресом.

Минимальная адресуемая единица памяти, как правило, байт —n = 8 двоичных разрядов, даже если ЦП может оперировать со словами большими чем 1 байт.

Характеристики основной памяти:

1. Объем памяти. 2. Время доступа – время подачи команды на считывание или запись до завершения операции.

Это средство общения ЭВМ с внешним миром.

Набор проводников, по которым передаются сигналы одного функционального назначения принято называть шиной.

Магистралью называется набор проводников, по которым передаются сигналы различного функционального назначения.

Различают 3 шины магистрали: шина данных, адресная шина и шина управления.

По способу соединения между собой ЦП, основной памяти и каналов ввода-вывода данных различают два типа архитектур ЭВМ:

1.ЭВМ с общим магистральным каналом

2.ЭВМ с изолированными магистралями.

2.2.Архитектура ЭВМ с общим магистральным каналом (семейство Macintosh)

3

Общий магистральныйканал

Рис. 2.1. Архитектура ЭВМ с общим магистральным каналом

Особенности:

•Все устройства подключаются к магистрали одинаково и имеют единый интерфейс.

•Одно адресное пространство используется для основной памяти и ВУ.

•Определенная часть адресного пространства зарезервирована для ВУ.

•Для обращения к ВУ используются те же команды, что и для обращения к памяти.

•ВУ имеют возможность обмена данными с любым регистром процессора.

2.3.Архитектура ЭВМ с изолированными магистральными каналами

Рис. 2.2. Архитектура ЭВМ с изолированными магистральными каналами обмена данными Особенности:

•С функциональной точки зрения имеются два тракта передачи данных. Имеются две изолированные области адресов.

0 0

0

Регистры

ВУ

Левый рис. Относится к схеме 2.1, правый – к схеме 2.2

Рис. 2.3. Адресное пространство ЗВМ на основе единого магистрального канала и ЭВМ на основе изолированных магистральных каналов

4