3. Перспективы и тенденции применения микропроцессорных технологий.

Современные техника и технологии имеют определенные тенденции развития. Особенно быстрыми темпами развивается микроэлектроника и микропроцессорная техника.

Пятое поколение ЭВМ условно принимается с 1990 по настоящее время. Кратко основную концепцию ЭВМ пятого поколения можно сформулировать следующим образом:

1. Компьютеры на сверхсложных микропроцессорах с параллельно-векторной структурой, одновременно выполняющих десятки последовательных инструкций программы.

2. Компьютеры с многими сотнями параллельно работающих процессоров, позволяющих строить системы обработки данных и знаний, эффективные сетевые компьютерные системы.

Шестое и последующие поколения ЭВМ характеризуются применением электронных и оптоэлектронныехкомпьютеров с массовым параллелизмом, нейронной структурой, с распределенной сетью большого числа (десятки тысяч) микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем.

Параметр
Цель использования компьютера (преимущественно)	Телекоммуникации, информационное обслуживание и управление
Режим работы компьютера	Сетевая обработка
Интеграция данных	Сверхвысокая
Расположение пользователя	Произвольное мобильное
Тип пользователя	Малообученные пользователи
Тип диалога	Интерактивный экранный типа «вопрос-ответ»

Билет №15

1. Автоматизация водогрейных котельных установок. Контур подачи топлива. Схема водяного тракта котельной установки. САР температуры на выходе котельной установки и температуры сетевой воды. Выбор технических средств (датчики, регуляторы, ИМ и т.д.), используемых в данной системе автоматизации.

Основное направление автоматизации котельных в настоящее время – создание комплексных систем контроля, защиты и регулирования, обеспечивающих автоматизацию взаимосвязанных основных технологических процессов в котлах и вспомогательного оборудования котельных.

Система автоматического регулирования осуществляет автоматический пуск и остановку электродвигателей котельной по заданной программе с соблюдением технологической последовательности включения/выключения механизмов, с предельно допустимой минимизацией длительности и оптимизацией параметров переходных режимов вентиляции и розжига котла. Система обеспечивает автоматическое управление механизмами во всем диапазоне изменения производительности котла, в том числе и при изменении числа действующих каналов подачи топлива (горелок, форсунок и т.п.).

Из описания технологического процесса следует, что основными регулируемыми параметрами котельной установки являются:

• расход, температура и давление пара (воды) в выходном тракте;

• подача воздуха в функции топливоподачи, т.е. с поддержанием зависимости «топливо – воздух»;

• подача топлива в зависимости от необходимой производительности котла, т.е. заданных расхода, температуры, давления выходного теплоносителя (в водогрейных котельных – только температуры);

• подача воды питательными, сетевыми, подпиточными насосами в функции потребления;

• поддержание постоянного разряжения в топочной камере с помощью дымососов.

В систему автоматического управления котла входят основные локальные системы автоматического регулирования:

1) САР тепловой нагрузки котла;

2) питания котла (уровня воды в барабане);

3) разряжения в топке котла;

4) общего воздуха;

5) температуры перегретого пара;

6) непрерывной продувки.

Известно, что высокое качество сгорания топлива возможно только при вполне определенном подводе воздуха в топку. На рис. 14.4 представлена схема САУ, получившая название «топливо – воздух», которая решает задачу. Регулятор подачи воздуха в топку Рв воздействует на регулирующий орган подачи воздуха. На его вход подается разность между действительным расходом воздуха Gв и его заданным значением G3 в, которое вырабатывается в командном блоке (КБ) в зависимости от изменения расхода топлива Gт по заранее составленной режимной карте. Режимная карта может быть скорректирована подачей воздействия α.

2. Дифференциальные защиты.

Дифференциальная защита, выполненная на принципе сравнения токов на входе и выходах, применяется в качестве основной быстродействующей защиты трансформаторов и автотрансформаторов. Защита абсолютно селективна, реагирует на повреждения в обмотках, на выводах и в соединениях с выключателями, и действует на отключение трансформатора со всех сторон без выдержки времени. Зона действия дифференциальной защиты трансформатора (ДЗТ) ограничивается местом установки трансформаторов тока, и включает в себя ошиновку СН, НН и присоединение ТСН, включённого на шинный мост НН. Ввиду её сравнительной сложности, дифференциальная защита устанавливается в следующих случаях (Л1):

- на одиночно работающих трансформаторах (автотрансформаторах) мощностью 6300 кВА и выше;

- на параллельно работающих трансформаторах (автотрансформаторах) мощностью 4000 кВА и выше;

- на трансформаторах мощностью 1000 кВА и выше, если токовая отсечка не обеспечивает необходимой чувствительности при КЗ на выводах высшего напряжения (), а максимальная токовая защита имеет выдержку времени более 0,5 сек.

При параллельной работе трансформаторов (автотрансформаторов) дифференциальная защита обеспечивает не только быстрое, но и селективное отключение повреждённого трансформатора (автотрансформатора), что поясняется на рис. 5.2. Если параллельно работающие трансформаторы Т1 и Т2 оснащены только максимальными токовыми защитами, то при повреждении на вводах низшего напряжения трансформатора, например в точке К, подействуют МТЗ обоих трансформаторов, а так как их выдержки времени одинаковы, отключатся оба трансформатора. Дифференциальная защита, действующая без выдержки времени, обеспечивает в рассмотренном случае отключение только повреждённого трансформатора. Для выполнения дифференциальной защиты трансформатора (автотрансформатора) устанавливаются ТТ со стороны всех его обмоток, как показано на рис. 5.2 для двухобмоточного трансформатора. Вторичные обмотки ТТ соединяются в дифференциальную схему и параллельно к ним подключается токовое реле. Аналогично выполняется дифференциальная защита автотрансформатора. При рассмотрении принципа действия дифференциальной защиты условно принимается, что защищаемый трансформатор имеет коэффициент трансформации, равный единице, одинаковое соединение обмоток и одинаковые ТТ с обеих сторон.

При прохождении через трансформатор сквозного тока нагрузки или КЗ ток в реле равен:

При принятых выше условиях и пренебрегая током намагничивания трансформатора, который в нормальном режиме имеет малое значение, можно считать, что первичные токи равны () и, следовательно, вторичные токи.

С учётом этого:

Выбор уставок дифференциальной защиты производится по 2 условиям: отстройка от тока намагничивания и тока небаланса.

Ток намагничивания трансформатора достигает 5-6 величины номинального тока трансформатора. В схеме дифференциальной защиты он не компенсируется, и дифзащита должна отстраиваться от него для исключения ложной работы при включении трансформатора. Отстройка производится по ранее приведенной формуле (5.3):

Коэффициент надёжности определяется в основном типом примененного реле и наличием в нем специальных мер отстройки от броска тока намагничивания.

Ток небаланса в схеме дифференциальной защиты. Токи небаланса в схеме дифференциальной защиты трансформаторов и автотрансформаторов имеют место из-за погрешностей ТТ, из-за изменения коэффициента трансформации защищаемого трансформатора (при регулировании напряжения), из-за неточного выравнивания вторичных токов.

3. Техническое обеспечение микропроцессорных систем. Структура элементов процессора (вычислителя). МП, память, внешние интерфейсы и т.д. Устройство связи с объектами.

• Структура МП определяет состав и взаимодействие основных устройств и блоков, размещённых на его кристалле. В эту структуру входят:

• Центральный процессор, главное вычислительное устройство, состоящее из устройства управления и одного или нескольких операционных устройств.

• Внутренняя память (кэш-память, блоки оперативной и постоянной памяти).

• Интерфейсный блок, обеспечивающий выход на системную шину и обмен данными с внешними устройствами через параллельные или последовательные порты ввода-вывода.

• Периферийные устройства (таймерные модули, аналогово-цифровые преобразователи, специализированные контроллеры).

• Вспомогательные схемы (генератор тактовых импульсов, схемы для выполнения отладки и тестирования, сторожевой таймер и ряд других)

• В современных МП реализуются следующие варианты архитектур.

• CISC – архитектура реализована во многих типах МП, выполняющих большой набор разноформатных команд с использованием многочисленных способов адресации. Типичным примером CISC – процессоров являются МП семейства Pentium. Они выполняют более 200 команд разной степени сложности, которые имеют размер от одного до пятнадцати байт и обеспечивают более 10 различных способов адресации.

• RISC – архитектура отличается использованием ограниченного набора команд фиксированного формата. Такие процессоры обычно реализуют около 100 команд, имеющих фиксированный формат длиной 4 байта. Также значительно сокращается число используемых способов адресации. При этом для сокращения количества обращений к памяти RICS процессоры имеют увеличенный объём внутреннего РЗУ- от 32 до нескольких сотен регистров, тогда как в CISC процессорах число регистров общего назначения обычно составляет 8-16. Указанные достоинства RISC архитектуры привели к тому, что во многих современных CISC процессорах используется RISC ядро, выполняющее обработку данных. При этом поступающие сложные разноформатные команды предварительно преобразуются в последовательность простых RISC операций, быстро выполняемых этим процессорным ядром. Таким образом, RISC – это сокращенный набор команд, уменьшенный фиксированный формат команд, алгоритмическая ориентация на конвейерные структуры с большим числом уровней совмещение в конвейере, что позволяет выполнять команды за один машинный цикл. RISC – архитектурой обеспечивают выигрыш в производительности по сравнению с СISC – процессорами при реализации относительно простых алгоритма управления, но в то же уступают последнем в областях применения, где требуется выполнение сложных расчётов и алгоритмов управления с элементами «искусственного интеллекта». Поэтому лучше универсальные – СRISC. Граница между суперскалярным и СRISC – архитектурами очень условна.

• VLIW – архитектура. Ее особенностью является использование очень длинных команд (до 128 бит и более), отдельные поля которых содержат коды, обеспечивающие выполнение различных операций. Таким образом, одна команда вызывает выполнение сразу нескольких операций параллельно в различных операционных устройствах, входящих в структуру микропроцессора.

• Принстонская архитектура, которая часто называется архитектурой Фон-Неймана, характеризуется использованием общей оперативной памяти для хранения программ, данных, а так же для организации стека. Для обращения к этой памяти используется общая системная шина, по которой в процессор поступают команды и данные.

• Гарвардская архитектура характеризуется физическим разделением памяти команд (программ) и памяти данных. Каждая память соединяется с процессором отдельной шиной, что позволяет одновременно с чтением-записью данных при выполнении текущей команды производить выборку и декодирование следующей команды. Недостатки данной архитектуры связаны с необходимостью проведения большого числа шин, а также с фиксированным объёмом памяти, выделенной для команд и данных, назначение которой не может оперативно перераспределяться в соответствии с требованиями решаемой задачи. Гарвардская архитектура получила широкое распространение в микроконтроллерах – специализированных микропроцессорах для управления различными объектами, рабочая программа которых хранится в отдельном ПЗУ.

• Во внутренней структуре современных высокопроизводительных микропроцессоров реализуется конвейерный принцип выполнения команд. При этом процесс выполнения команд разбивается на ряд этапов.

• 1) Выборка очередной команды

• 2) Декодирование выбранной команды

• 3) формирование адреса операнда

• 4) Приём операнда из памяти

• 5) Выполнение операции

• 6) Размещение результата в памяти

• Выделяются 2 класса: микропроцессоры общего назначения и специализированные микропроцессоры (Рис 2.1.2)

• Микропроцессоры общего назначения предназначены для решения широкого круга задач обработки разнообразной информации. Их основной областью являются персональные компьютеры, рабочие станции, серверы и другие рабочие системы массового применения.

• Микроконтроллеры являются специализированными микропроцессорами, которые ориентированы на реализацию устройств управления, встраиваемых в разнообразную аппаратуру.

• Классификация современных микропроцессоров по функциональному признаку

• 

• 8-разрядные микроконтроллеры представляют наиболее многочисленную группу этого класса микропроцессоров, которые имеют относительно низкую производительность, которая, однако, вполне достаточна для решения широкого круга задач управления различными объектами. Это простые и дешёвые микроконтроллеры, ориентированные на использование в относительно несложных устройствах массового выпуска. Основными областями их применения являются бытовая и измерительная техника, промышленная автоматика, автомобильная электроника, теле, видео, аудиоаппаратура, средства связи. Для этих микроконтроллеров характерна реализация Гарвардской архитектуры, где используется отдельная память для хранения программ и данных.

• 16-разрядные микроконтроллеры во многих случаях являются усовершенствованной модификацией своих 8-разрядных прототипов. Они характеризуются не только увеличенной разрядностью обрабатываемых данных, но и расширенной системой команд и способов адресации, увеличенным набором регистров и объёмом адресуемой памяти. Основная сфера применения таких микроконтроллеров- сложная промышленная автоматика, телекоммуникационная аппаратура, медицинская и измерительная техника.

• 32-разрядные микроконтроллеры содержат высокопроизводительный процессор, соответствующий по своим возможностям младшим моделям микропроцессоров общего назначения. В ряде случаев процессор, используемый в этих микроконтроллерах, аналогичен CISC или RISC – процессорам, которые выпускаются или выпускались ранее в качестве микропроцессоров общего назначения.

• Во внутренней структуре этих микроконтроллеров реализуется Принстонская или Гарвардская архитектуры. Входящие в их состав процессоры могут иметь CISC- или RISC- архитектуру, а некоторые из них содержат несколько исполнительных конвейеров.

• Основные локальные интерфейсы периферийных устройств

  Категория	Международное обозначение	Отечественное обозначение	Примечания
  Параллельный двухточечный	Centronix BS 4421	ИРПР-М ИРПР	8-разрядные 16-разрядные данные
  Последовательный двухточечный	CL (Current Loop) RS232C (нуль-модем)	ИРПС(токовая петля) Стык С2 (нуль-модем)	Наиболее распространённые
  Последовательный многоточечный	RS422, RS423, RS485 USB, USB2	Стык С2-4С

• Для дуплексной связи (одновременно передачи в двух противоположных направлениях) используется четырехпроводная линия. Такой принцип используется в интерфейсе ИРПС. Интерфейс содержит цепь 1 «Передаваемые данные» (Пд+/Пд-) и цепь 2 «Принимаемые данные» (Пр+/Пр-). Интерфейс не регламентирует типы применяемых кабелей и разъемов.

• RS232 – Этот тип интерфейса применим для синхронной и асинхронной связи между устройствами в симплексном, полудуплексном и дуплексном режимах. Стандарт регламентирует состав, назначение и обозначение линий (цепей) интерфейса, их нумерацию, электрические характеристики, обозначения и уровни сигналов интерфейса, скорости передачи данных и тип используемых разъемов. Соединения по интерфейсу RS-232C реализуются через стандартные 9- или 25-контактные разъемы типа DB9 или DB25. Интерфейсы ИРПС и RS232C отличаются лишь параметрами сигналов «0», «1». Информационный сигнал в ИРПС - ток, когда «0» соответствует 2 мА, «1» - 20 мА. В RS232C «0» соответствует -12 В, «1» - +12 В (допуск ±[8..14] В). Скорость и дальность передачи токового сигнала больше, чем сигнала по напряжению. Интерфейсы RS232C и ИРПС легко совместимы между собой.

• Многоточечный интерфейс RS485 отличается от двухточечных тем, что здесь иcпользуется балансная (симметричная) линия связи . Параметры сигнала А – В :

• ± 5 в ( «1» -+5в - 5в; «0» -5в - +5в).