4 Курс / МПСУ, СИИС / SIIS_PZ_2
.docxФедеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Керченский морской государственный технологический университет»
Кафедра: Электрооборудования судов и автоматизации производства.
Практическая работа №2
по дисциплине:
«Судовые информационно-измерительные системы»
на тему: «Аппаратное обеспечение ИИС и ИУС»
Выполнил:
студент 4 курса, гр. СЭ-42
Степаненко Я.А.
Проверил:
преподаватель
Титов И.Л.
Керчь 2024
Цель: ознакомление с техническими устройствами, применяемыми для реализации информационно-измерительных и управляющих систем, изучение программируемых логических контроллеров, модулей сбора данных и управления, коммуникационных модулей и модемов.
ПЛК – микропроцессорный модуль ПЛК, как правило, строится на основе микроконтроллера, представляющего собой микропроцессорную систему в интегральном исполнении (т.е. в одной БИС) со своей памятью, периферией и портами ввода-вывода:
Рисунок– Программируемый логический контроллер
ЦП – центральный процессор микроконтроллера, может иметь RISC- архитектуру (например, МК – PIC 16) или CISC-архитектуру (например, МК – AMD 80188-40, имеет систему команд, аналогичную x86);
RAM – оперативная память (ОЗУ) для гарвардской архитектуры разделена на память программ Code Segment и память данных DataSegment;
PROM Code – постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) для хранения программ начальной инициализации и библиотек ввода-вывода;
EPROM Data – энергонезависимое электрически перезаписываемое ПЗУ в сегменте памяти данных Data Segment для сохранения параметров настройки и констант системы управления;
Clock – внутренние часы, счетчики времени и таймеры (Timer), а также таймер специального назначения WatchDog;
Port in/out – параллельные порты ввода и вывода;
Serial ports – последовательные порты – COM-порты.
Внешние схемы обвязки микроконтроллера, входящие в состав ПЛК, делают его законченным устройством и определяют его конфигурацию в соответствие с конкретными функциональными задачами:
цепи развязки Digital I/O – дискретные порты ввода-вывода с цепями гальванической развязки;
цепи развязки Analog I/O – аналоговые входы и выходы с цепями защиты от переполюсовки, перенапряжения и цепи искрогашения. Для ввода и вывода аналоговых сигналов в структуре ПЛК дополнительно должны присутствовать АЦП и ЦАП;
цепи развязки RS-232/422/485 – последовательные COM-порты, обеспечивающие электрические параметры интерфейсов RS-232, RS-422 или RS-485;
LED/ZUMM/Indicators – доступные для программиста органы сигнализации и индикации: светодиоды (LED), цифровые сегментные индикаторы (Indicators), зуммер (ZUMM);
SRAM – внешнее по отношению к МК ОЗУ статического типа –расширение для хранения больших по объему программ или данных;
FLASH-ROM – внешний твердотельный Flash-накопитель (сменная Flash-карточка), для хранения файлов и папок. Кроме основных функциональных блоков в ПЛК имеется собственный преобразователь напряжения питания (Power supply), для снабжения электропитанием всех внутренний цепей, возможно с несколькими значениями напряжения, от одного внешнего источника питания, например=24 В или 220 В. Также ПЛК снабжен внешними клеммными соединителями и стандартными разъемами, обеспечивающими надежный монтаж в промышленных шкафах управления.В зависимости от конфигурации распределенной системы управления дискретный и аналоговый ввод-вывод (Digital I/O, AnalogI/O) может быть вынесен из состава ПЛК на уровень модулей ввода-вывода, которые соединяются с ПЛК по полевой шине (fieldbus). Такая конфигурация обеспечивает лучшую распределенность и надежность системы.
Число последовательных портов определяется решаемой задачей.
Обычно один из последовательных портов RS-232 отводится для программирования ПЛК, к нему подключается ПК через свой стандартный COM-порт по средствам установленного ПО, которое предназначено для подготовки и внедрения прикладных программ в ПЛК. В качестве такого ПО может быть использована специальная программа, выпускаемая производителем ПЛК, либо SCADA-система, работающая с конкретным ПЛК через его OPC-сервер. Остальные последовательные интерфейсы могут иметь любой тип, в том числе и порт Ethernet и USB. Часто, порты типа RS-232, RS-422 и RS-485 могут быть выбраны пользователем путем установления механических перемычек на печатной плате ПЛК при его инсталляции.Через порт RS-232 и RS-422 возможно подключить только одно устройство, так как эти интерфейсы радиального типа, и отличаются только максимальным расстоянием удаления устройства (до 15 м для RS-232; до 1200 м для RS-422).
Интерфейс RS-485 имеет магистральный тип с максимальной протяженностью линий соединения до 1200 м, к ним можно подключать множество устройств: до 128 или до 256 для каждого интерфейса. Они служат для развертывания промышленных сетей (fieldbus), предназначенных для взаимодействия с различными группами оборудования: модулями ввода- вывода, интеллектуальными датчиками и исполнительными устройствами.
Если ПЛК взаимодействует с несколькими группами оборудования, например от разных производителей, то для каждой группы желательно выделить отдельную сеть RS-485, в которой действует свой протокол обмена. В сети у каждого устройства должен быть установлен свой уникальный адрес.
Функции времени в ПЛК, обеспечивающие режим реального времени, реализованы на таймерах. Обычно в структуре ПЛК несколько таймеров: таймер-часы, таймеры общего назначения, используемые программистом для организации взаимодействия задач реального времени, сторожевой таймер WatchDog. Структурная схема типового таймера основана на работе двоичного счетчика СТ2, на вход которого поступает последовательность импульсов от встроенного тактового генератора МК. Коэффициент деления делителя частоты доступен программисту и может задаваться в прикладной программе. Используя входной сигнал счетчика «сброс» и выходной «owerload» (переполнение) организуется либо в прикладной программе, либо средствами ОСРВ отслеживание заданных временных интервалов в режиме прерываний. Для этих целей через шину данных (ШД) осуществляется программная установка заданного кода при этом прерывание инициализируется от сигнала переполнения счетчика. Возможен и второй вариант, при котором производится считывание параллельного кода, соответствующего прошедшему времени с момента сброса счетчика, прерывание инициализируется при достижении заданного значения кода.
Таймер специального назначения – сторожевой таймер WatchDog служит для предотвращения «зависания» ПЛК, так как «зависание» может привести к нарушению режима реального времени и, как следствие, к аварийным ситуациям и выходу из строя оборудования. Если сторожевой таймер активизирован, то он отсчитывает периоды реального времени, соответствующие переполнению счетчика (≥2n). Если в течение одного такого периода к сторожевому таймеру поступает сигнал сброса от выполняемой прикладной программы, таймер начинает отсчет нового периода.
Если же по каким-то причинам (либо аппаратного сбоя, либо при некорректной работе прикладной программы), произошло «зависание», то до момента истечения периода таймера сигнал программного сброса не поступит, и WatchDog произведет аппаратную перезагрузку всего ПЛК. Для реализации контроля времени выполнения прикладных программ в их алгоритмах должны быть предусмотрены контрольные точки, в которых выдается сигнал сброса сторожевого таймера WatchDog. При перезагрузке автоматически запускается прикладная программа вновь, а так как параметры процесса управления сохраняются в энергонезависимой памяти, то после перезагрузки продолжается штатное функционирование системы и сбой практически не заметен. Обычно период счета сторожевого таймера выбирается в пределах десятков миллисекунд. Производители обычно выпускают не один универсальный ПЛК, а целую серию – ряд ПЛК, в которой контроллеры отличаются числом и типом последовательных портов, количеством дискретных и аналоговых входов и выходов, объемом внешнего ОЗУ и Flash-накопителя, наличием светодиодов, n-разрядного индикатора и зуммера. Таким образом, под конкретную задачу проектировщик системы управления можно подобрать ПЛК из нужной серии, оптимальный по отношению цена/возможности.
Вывод: в ходе этой практической, мы ознакомились с техническими устройствами, применяемыми для реализации информационно измерительных и управляющих систем, изучили программируемые логических контроллеры, модули сбора данных и управления, коммуникационные модули и модемы.