8.2. Технічні засоби аск
Ієрархія систем керування ГВС і різний тип завдань, розв'язуваних на різних рівнях, високі вимоги до надійності АСК, територіально розосереджених об'єктів керування та деякі інші причини приводять до висновку про необхідність мати в АСК ГВС мережу ЕОМ різного класу. Сучасні обчислювальні машини з розвиненими периферійними пристроями типу дисплеїв і дискової пам'яті в сукупності з лініями зв'язку між ЕОМ становлять основу технічних засобів АСК ГВС.
Застосування ЕОМ в АСК ГВС. На рис. 8.5 показана структурна схема взаємодії різних обчислювальних засобів в АСК ГВС. Верхні рівні керування ГВС типу ділянки зазвичай оснащують міні-ЕОМ, яка по лініях зв'язку з'єднана з мікроЕОМ або програмованими контролерами (ПК) (спеціалізовані управляючі мікроЕОМ). Можливий варіант схеми з трьома рівнями керування. Наприклад, від мініЕОМ керуючі команди передаються на мікроЕОМ 2, яка управляє гнучким виробничим модулем ГВМ. Тоді на нижньому рівні будуть функціонувати обчислювальні засоби 5, 6, 7 для верстата з ЧПК, промислового робота, контрольно-вимірювального пристрою КВП.
Для каналу (шини) зв'язку 5 верстата показані пристрої, що сприймають і відпрацьовують керуючі команди. Через контролер К, тобто пристрій узгодження і зв'язку, підключені виконавчі механізми (приводи), релейні схеми, датчики, накопичувачі на магнітній стрічці НМС або магнітних дисках НМД, індикатори, дисплей (пристрій зв'язку з оператором).
Ступінь досконалості АСК ГВС і можливість подальшого розвитку системи залежать як від характеристик обчислювальної техніки, ліній зв'язку і засобів сполучення (апаратна частина), так і від застосовуваного програмно-математичного забезпечення.
В даний час обчислювальні засоби для ГВС, починаючи від контролерів та систем керування верстатами з ЧПК і кінчаючи ЕОМ верхнього рівня, будують на інтегральних мікросхемах (ІС). Інтегральна мікросхема – це конструктивно закінчений пристрій, що виконує певну функцію перетворення сигналу і має високу щільність упаковки електрично-з'єднаних елементів.
Інтегральні схеми мають величезні переваги в порівнянні з раніше застосовуваними дискретними елементами. Їхні можливості збільшуються при переході від ІС малому ступені інтеграції до великих інтегральних схем (ВІС) і надвеликих інтегральних схем (НВІС). Вони досить компактні, для живлення потрібна незначна потужність джерел, при випуску ІС великими серіями процес їх виготовлення автоматизується, що призводить до значного зниження вартості та збільшення надійності. Підвищена надійність ІС визначається також невеликою кількістю контактів і пайок.
Новий якісний стрибок у розробках технології та застосування ІС стався в 70-ті роки, коли з'явилися перші мікропроцесори, напівпровідникові пристрої, що запам'ятовують і інші БІС, які визначили великий фронт робіт з впровадження засобів обчислювальної техніки у всі області діяльності людини.
Мікропроцесор – це програмно керований пристрій, що здійснює прийом, обробку та видачу цифрової інформації та побудований на одній або декількох ІС.
Рисунок 8.5 – Склад технічних засобів АСК ГВС
Подальший розвиток технології виготовлення ВIС і НВІС, нові розробки мікропроцесорів і інших ІС дозволили перейти до випуску однокристальних мікро-ЕОМ. У цих ЕОМ крім мікропроцесора є невеликий оперативний запам'ятовуючий пристрій (ОЗП), постійний запам'ятовуючий пристрій (ПЗП) мікропрограм, пристрої введення-виведення, таймер (лічильник часу) і генератор тактових імпульсів, які використовують для керування роботою блоків всюди.
Широке застосування в АСК ГВС, особливо на середніх і нижніх рівнях керування, отримали мікро-ЕОМ і програмувальні контролери.
МікроЕОМ – це пристрій, що складається з мікропроцесора, запам'ятовуючого пристрою, інтерфейсу введення-виведення і пульта керування, об'єднаних в одній несучої конструкції. Інтерфейс визначає правила і конструктивні рішення для зв'язку об'єктів з ЕОМ. Інтерфейси реалізуються програмним способом і апаратними засобами. Вони можуть забезпечувати взаємодію декількох ЕОМ і стандартного периферійного обладнання типу друкуючих пристроїв, перфоленточних фотовводів, дисплеїв. Найбільшу складність представляють інтерфейси для зв'язку ЕОМ і технологічного устаткування, які можуть значно відрізнятися один від одного за виконавчим механізмам, пристроїв відображення інформації, діагностики, засобів зв'язку з оператором. Уніфікація пристроїв керування технологічним обладнанням веде до застосування стандартних інтерфейсів, що значно знижує складність програмного керування та АСК ГВС.
Структурна схема взаємодії керуючої мікро-ЕОМ з периферійними пристроями (рис. 8.6) відображає не тільки способи передачі і перетворення інформації, а й ілюструє можливості мікро-ЕОМ при використанні її в АСК ГВС. Канали зв'язку на схемі розділені на приймальні та передавальні, що часто використовується при реалізації зв'язків з периферійними пристроями (ПП).
Рисунок 8.6 – Периферійні пристрої керуючої мікроЕОМ
Використання в технологічному обладнанні аналогових сигналів для керування або контролю вимагає присутності аналого-цифрових (АЦП) і цифро-аналогових (ЦАП) перетворювачів. Наприклад, індуктивні датчики вимірювальних пристроїв на виході мають плавно змінюються напруги, величина яких залежить від вимірюваного розміру. У цьому випадку необхідно у схемі взаємодії передбачати АЦП. Прикладом використання ЦАП є керування приводами постійного струму верстата чи робота, де зазвичай потрібно аналоговий керуючий сигнал для завдання напруги тиристорного перетворювача.
Контролери можуть розміщуватися окремо від ЕОМ і ПП, але можливо їх виконання спільно з мікро-ЕОМ або СК периферійними пристроями. Для стандартних ПП типу дисплея або зовнішнього запам'ятовуючого пристрою контролери розробляють виробники апаратури; контролери розташовують на одній із плат всюди.
У системах керування об'єктами ГВС дуже часто використовують релейні схеми. Сигнали типу «включити-вимкнути» необхідні для керування електроавтоматика обладнання, для відпрацювання переміщень, подачі напруги на сигнальні лампочки, керування двигунами подачі змащувально-охолоджуючих засобів, для отримання інформації від різних кнопок, ключів, шляхових вимикачів, засобів захисту і т. п. Релейні схеми дуже широко використовують при програмному управлінні автоматичними переналагоджуваних лініями, де потік інформаційних і керуючих сигналів пов'язаний з десятками і сотнями місць (точок) лінії.
Для контролю за роботою технологічного обладнання, особливо в режимі налагодження або ремонту, важливо мати цифрову інформацію про переміщення робочих органів, номери кадрів керуючої програми. Функції перетворення двійкових чисел у десяткові виконує контролер двійково-десяткових перетворень.
Робота виконавчих двигунів в кроковому режимі вимагає застосування електронних ключів, що забезпечують узгодження по потужності. У ряді випадків контролер служить буфером даних, переданих від ЕОМ.
До складу стандартного комплекту ПП для мікро-ЕОМ можуть входити: накопичувачі на змінних гнучких магнітних дисках (дискетах) об’ємом до 1 Мбайт; накопичувачі на магнітній стрічці (компакт-касети); друкуючі пристрої; алфавітно-цифровий або графічний дисплей із клавіатурою, що забезпечує діалогове взаємодія оператора з всюди.
Випускаються промисловістю мікро-ЕОМ типу «Електроніка-60», «Електроніка-80» мають архітектуру і систему команд мініЕОМ СМЗ, СМ4, СМ1420, «Електроніка-79», PDP-11 фірми DEC, які широко застосовують в системах керування виробничими процесами. Для зазначених ЕОМ характерні зручна для використання в управлінні система команд, раціональний інтерфейс, широкий набір периферійного обладнання та програмного забезпечення.
Сімейство цих машин реалізовано як ряд сумісних знизу вгору процесорів, орієнтованих на використання в системах керування. Працює знизу вгору означає, що програмне забезпечення з мікро-ЕОМ може бути перенесено без змін на мініЕОМ цього сімейства. Програмна сумісність зазначених ЕОМ різного класу та широкий набір системних і прикладних програм, а також перераховані вище достоїнства пояснюють той факт, що більша частина систем керування ГВС заснована на використанні ЕОМ сімейства СМ4, РDР-11.
Мікро-ЕОМ настільного типу, що мають мінімальний набір периферійних пристроїв у вигляді дисплея, накопичувача на гнучких магнітних дисках або касетах з магнітною стрічкою, пристрої друку, отримали назву персональних (особистих) комп'ютерів. По області застосування персональні комп'ютери ділять на побутові, навчальні та професійні. Останні відрізняються розширеним комплектом периферійних пристроїв для введення-виведення інформації і високою продуктивністю. Ці комп'ютери рекомендують застосовувати в АСК ГВС.
У пристроях керування ГВС використовують мікро-ЕОМ мод. «Електроніка-60», комплекси «Електроніка-60/25», СМ1300, ДОК. Серед вказаних мікро-ЕОМ виділяється діалоговий обчислювальний комплекс ДОК, який в залежності від комплектації виконують в різних модифікаціях (ДВК 1, 2, 2М, 3, 4). Основою для ДОК служить одноплатні мікро-ЕОМ «Електроніка-80/20» з сімейства ЕОМ «Електроніка-60», СМ4. Комп'ютери ДОК, оснащені гнучкими магнітними дисками, можуть бути використані в АСК ГВС для керування автоматизованим складом, розробки керуючих програм для деталей невеликої складності, розв'язання задач планування в ГВС.
Поряд з розробкою персональних ЕОМ відзначається й інший напрям у розвитку мікропроцесорної техніки. Для пристроїв з жорсткими (постійними) алгоритмами керування випускають велику кількість спеціалізованих замовних мікропроцесорів і великих інтегральних схем (ВІС). Замовні мікропроцесорні схеми зазвичай застосовують у тих випадках, коли відомо, що за час життєвого циклу виробу не повинна мінятися програма керування пристрою, побудованого на замовних ВІС. Крім цього, апаратна реалізація алгоритмів керування значно підвищує продуктивність систем, скорочує час реакції на запит і покращує захист даних [33].
Програмовані контролери (ПК), так само як і замовлені БІС, відносять до спеціалізованих засобів. ПК являє собою спеціалізовану керуючу мікро-ЕОМ, що працює в режимі реального часу за фіксованими робочими програмами, розташованим у постійному запам'ятовуючому пристрої. Розрізняють три типи ПК: для заміни релейних схем автоматики; для регулювання аналогових величин технологічних процесів і використовується для заміни регуляторів температури, тиску витрати; для реалізації складних алгоритмів керування верстатами, роботами, транспортом.
Суть роботи ПК полягає в опитуванні вхідних ланцюгів і перенесення їх стану в ОЗП ПК. Далі за алгоритмами керування на виході з'являється нова комбінація нулів та одиниць, тобто формується управлінський вплив. Залежно від розрядності на входах-виходах маємо комбінації з «0» і «1» в чотирьох-або восьмибітових комірках (регістрах). Способи використання та розрахунку схем керування на ПК досить детально висвітлені в літературі [31].
Завдання верхніх рівнів системи керування ГВС відрізняються більшою складністю та різноманітністю в порівнянні із завданнями нижнього рівня АСК ГВС. Тому підвищуються вимоги до характеристик ЕОМ верхнього рівня за швидкодією, місткості оперативної і зовнішньої пам'яті, оснащеності периферійними пристроями. Для АСК ГВС верхнього рівня найбільш часто застосовують мініЕОМ, які за своїми характеристиками займають проміжне положення між універсальними ЕОМ загального призначення і всюди. Слід зазначити, що в даний час спостерігається процес зближення характеристик мікро- і мініЕОМ внаслідок інтенсивних розробок і успіхів в технології виготовлення всюди. У ряді випадків тільки по комплекту периферійного обладнання ЕОМ можна віднести до того або іншого класу.
МініЕОМ, що застосовуються в АСК ГВС, орієнтовані на керування системи з великим числом джерел і приймачів даних, мають об'єм оперативної пам'яті до 1 Мбайта, швидкодію на рівні 200-500 тис. операцій/с, зовнішню дискову пам'ять місткістю в десятки мегабайт. МініЕОМ у складі АСК ГВС додатково оснащується алфавітно-цифровим друкуючим пристроєм, дисплеєм з клавіатурою для взаємодії оператора з ЕОМ, перфострічковим введенням-виводом. У складі зовнішніх запам'ятовуючих пристроїв крім магнітних дисків зазвичай є накопичувач на магнітній стрічці. Накопичувачі на твердих магнітних дисках є основним місцем зберігання робочих програм АСК ГВС, довідкових даних, числового матеріалу задач великої розмірності. На дисках зберігаються керуючі програми для верстатів з ЧПК. Об'єм пам'яті для дисків та їх наборів становить десятки й сотні мегабайт.
Комплектація міні-ЕОМ залежить від набору завдань, розв'язуваних в АСК ГВС. Так як для більшості ГВС механічної обробки різанням на верхньому рівні в підсистемі ТПВ розробляються керуючі програми для верстатів з ЧПК, то комплект периферійних пристроїв ЕОМ необхідно доповнити графобудуванням для перевірки програм і виключення грубих помилок.
Ефективним засобом для вирішення ряду задач проектування технологічних процесів і керуючих програм є графічний дисплей. Графічний дисплей, оснащений світловим пером для керування елементами зображення та пристроєм для кодування графічної інформації, в сукупності з програмним забезпеченням діалогового режиму дозволяє значно підвищити продуктивність технолога-програміста.
Завдання АСК ГВС, які вирішуються при технологічній і організаційній підготовці виробництва, відрізняються великим обсягом обчислень, використовують велику кількість довідкової та поточної інформації, вимагають апаратних і програмних засобів для організації діалогового режиму роботи з користувачем. Для задач оперативного керування та регулювання (середній рівень) головним є висока надійність і швидкодія їх виконання.
Різні вимоги до функцій АСК ГВС призводять до того, що на верхніх рівнях керування нерідко використовують більш ніж одну ЕОМ.
При створенні ГВС застосовують варіант з використанням окремої ЕОМ для технологічної та організаційної підготовки виробництва. В іншому варіанті на одній з ЕОМ вирішують завдання технологічної підготовки виробництва, на другий розраховують календарні плани і необхідні організаційно-економічні дані (розміри партій деталей, заділи та ін.) При цьому обчислювальні ресурси використовуються ЕОМ дозволяють виконати зазначені функції не тільки для конкретної ГВС, але і для декількох ГВС або цеху. Такий підхід пояснюється зниженням вартості обчислювальної частини ЕОМ і прагненням розширити фронт автоматизації на рівні цеху для подальшого об'єднання з АСК підприємством. Реалізація цих напрямів в значній мірі залежить від створення ефективної системи зв'язку між ЕОМ.
Локальні мережі зв'язку. Одним з компонентів технічних засобів АСК ГВС є пристрої зв'язку окремих ЕОМ в ГВС. Для зв'язку засобів обчислювальної техніки відомі два основні методи – глобальні та локальні мережі. Вузлами (абонентами) мережі є ЕОМ або термінали. Термінал – це влаштування типу дисплея з пультом керування для зв'язку диспетчера і оператора ДПС з керуючими ЕОМ і доступу до обчислювальних і інформаційних ресурсів мережі.
У глобальних мережах відстань між віддаленими вузлами досягає сотень і тисяч кілометрів. Локальна мережа призначена для обслуговування невеликій території (дільниці, цеху, заводу) з відстанню між абонентами не більше ніж кілька кілометрів. У них для передачі даних використовують загальний канал (моноканал), реалізований парою скручених дротів або більш дорогим, надійним і швидкодіючим коаксіальним кабелем. Кращі характеристики по швидкості передачі і надійності мають волоконно-оптичні лінії-світловоди, але їх застосування поки що обмежує висока вартість.
В даний час для ЛМ більш кращі коаксіальні кабелі. Швидкість передачі даних в залежності від довжини і типу кабелю становить від 0,6 до 10 Мбіт/с. Без відновлення сигналу довжина кабелю може досягати 0,6-1,2 км. Такі характеристики перекривають вимоги завдань по обміну інформацією в АСК ГВС.