ПРОГРАММИРУЕМЫЕ МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ КОНТРОЛЛЕРЫ
Как показывает отечественный и зарубежный опыт, подсистемы связи с датчиками и приемниками (исполнительными механизмами) информации в АСУТП составляют большую часть аппаратуры нижнего уровня УВК и во многих случаях превышают по объему и стоимости электронное оборудование для обработки информации (микроЭВМ).
В общем случае в состав УВК входят: ЭВМ (одна или несколько), комплектуемые необходимым набором стандартных внешних устройств, различные типы устройств связи с объектом (УСО), точнее, устройств связи с датчиками и исполнительными механизмами, и устройства связи с оперативным персоналом (УСОП). УСО и УСОП часто объединяют, называя их устройствами ввода-вывода информации (УВВИ).
Поскольку количество датчиков и исполнительных механизмов для сложного ТОУ может исчисляться сотнями и даже тысячами, а номенклатура – десятками, то возникает задача агрегатирования УСО в виде электронных модулей, при этом стремятся наиболее экономичным способом удовлетворить системные требования. Нахождению для конкретной АСУТП близкой к оптимальной (по критерию экономичности) конфигурации подсистемы сопряжения с датчиками и исполнительными механизмами в известной степени противоречит стремление к сокращению числа вариантов разрабатываемых подсистем путем их типизации и стандартизации, что, как правило, увеличивает среднюю избыточность аппаратуры для каждой АСУТП.
Периферийные устройства микропроцессорных систем
Состав периферийных устройств микропроцессорных систем условно разделен на две группы: группу устройств ввода – вывода информации общего назначения и группу специализированных устройств.
Устройства ввода – вывода общего назначения используются не только в микропроцессорных системах управления, но и в системах обработки информации с ЭВМ, в вычислительных системах. К ним относятся стандартные для вычислительных систем устройства ввода информации, устройства вывода информации в виде печатающих устройств, устройства отображения информации. Специализированные устройства характерны в основном для АСУ ТП, так как включают в себя устройства связи микроЭВМ с технологическими объектами управления и оперативным персоналом.
Термином программируемый микропроцессорный контроллер (ПМК) обозначают изделия группы устройств преобразования, обработки, хранения информации и выработки команд управления, реализованных на базе микропроцессорной техники и являющихся по сути специализированными управляющими микроЭВМ для работы в локальных и распределенных системах управления в реальном времени в соответствии с фиксированным набором рабочих программ, размещенным в ПЗУ, а не в ОЗУ.
Особенности программируемых микропроцессорных контроллеров, отличающие их от мини- и микроЭВМ:
• проблемно-ориентированное программное обеспечение на конкретную задачу или на набор задач;
• схожесть физической структуры ПМК различных назначений;
• программирование ПМК в процессе их изготовления, поэтому изменение программы работы (обычно это делается редко), настройка, реконфигурация и т.п. осуществляются на пульте оператора клавишами, перемычками, как в обычных аналоговых устройствах автоматики;
• ПМК предназначены для эксплуатации в непосредственной близости от технологического оборудования, поэтому в ПМК обеспечивается необходимая защита от промышленных помех, гальваническая развязка от внешних цепей оптронами, ферритовыми трансформаторами;
• модульная структура ПМК, позволяющая наращивать память ПМК, изменять число входов и выходов и т.п.;
• меньший объем памяти и меньшее число электронных блоков в составе ПМК по сравнению с микроЭВМ;
• наличие сканирующих (коммутирующих) устройств для поочередного опроса входов и выходов ПМК.
Контроллеры предназначены для автоматизации технологического оборудования и построения устройств локального управления, что определяет состав выполняемых ими задач:
1. сканирование датчиков;
2. выполнение вычислительных операций (для регулирования и контроля используются стандартные алгоритмы из Теории Управления);
3. управление исполнительными механизмами;
4. организация интерфейса с оператором (клавиатура, отображение текущего состояния на индикаторах);
5. диагностика системы с целью предупреждения аварийной ситуации;
6. осуществление безопасного пуска и останова системы и защита от неправильных действий персонала, защита от сбоев оборудования.
Критерии выбора контроллеров:
1. Стоимость системы.
2. Возможность работы в реальном времени
3. Надежность.
4. Вычислительная мощность.
5. Сложность проведения инсталляционных работ и сервисного обслуживания.
6. Возможность подключения к информационной сети.
7. Графическая визуализация процессов.
По разрядности обрабатываемых чисел контроллеры обычно классифицируют:
1. четырехразрядные - самые простые и дешевые,
2. восьмиразрядные - наиболее многочисленная группа (оптимальное соотношение цены и возможностей), к этой группе относятся микроконтроллеры серии MCS-51 (Intel) и совместимые с ними, PIC (MicroChip), HC68 (Motorola), Z8 (Zilog) и др.
3. шестнадцатиразрядные - МCS-96 и др. - более высокопроизводительные, но более дорогостоящие,
4. тридцатидвухразрядные - обычно являются модификациями универсальных микропроцессоров, например i80186 или i386EX.
По своему назначению – областям проблемной ориентации – ПМК бывают:
1. Микроконтроллерами, предназначенными для замены устройств электро-автоматики на крупносерийном и массовом производстве (для реализации алгоритма типа "время – команды") – релейных и логических схем, командных аппаратов; такие ПМК логического типа появились на базе развития и слияния средств вычислительной техники на микропроцессорах, релейной бесконтактной автоматики и циклового программного управления технологическим оборудованием, и именно логические ПМК положили начало в ряду программируемых контроллеров;
2. Микроконтроллерами, предназначенными для реализации алгоритмов регулирования, динамического и нелинейного преобразования аналоговых и дискретных сигналов в системах автоматического регулирования; такие ПМК регулирующего типа заменяют аналоговые, импульсные и цифровые регуляторы;
3. Микроконтроллерами координирующего типа, предназначенными для реализации функций программных задатчиков (предназначены для выработки напряжения постоянного тока по заданной технологической программе, представляемой кусочно-линейной функцией времени), специальных алгоритмов логико-командного управления периферийными устройствами, функций координирующей микроЭВМ в распределенном управлении (ведущий контроллер).
4. Специализированные контроллеры – предназначены для управления узким классом объектов.
Программируемый контроллер для решения логических задач -ломиконт.Ряд задач, решаемых АСУ ТП, таких, как пуск и остановка агрегатов, распознавание аварийных ситуаций, защита, управление мнемонической схемой, позиционное регулирование, являются типичными логическими задачами. В общем виде эти задачи описываются системой логических (булевых) уравнений.
Для решения систем булевых функций может быть использована любая универсальная ЭВМ, однако система команд таких машин, рассчитанная на выполнение в основном арифметических операций, плохо приспособлена для логической обработки. В результате программные логические устройства, построенные на базе универсальных ЭВМ, получаются медленнодействующими и сложными. При большом объеме обрабатываемой информации возникают трудности при составлении программ. Эти обстоятельства и обусловили появление нового типа устройств, рассчитанных на обработку двухпозиционных сигналов с системой команд, ориентированной на решение логических задач, - программируемых логических контроллеров.
Регулирующий микропроцессорный контроллер – ремиконт – является аппаратно – программным средством многоканальных систем автоматического регулирования (на 8-16 каналов) и ориентирован по своим функциональным возможностям как для работы в локальных системах, так и в распределенных системах управления. В последних ремиконт является узлом локальной управляющей вычислительной системы, выполняющим типовой состав функций регулирования. Для включения ремиконта в распределенную систему управления в его состав входит специальный блок сопряжения с сетевой магистралью. Особенностью ремиконта является внутреннее программное обеспечение, не требующее внешних программных средств – операционных систем, транслятора, ассемблера и т.п. Оператор работает с ремиконтом, как с традиционным аналоговым средством, и требуемый алгоритм, его параметры, связи с внешним аппаратурой набираются оператором с помощью обычных клавиш, обозначенных на панели оператора терминами и символами, общепринятыми в промышленной практике автоматизации. Представление информации оператору осуществляется при помощи светодиодных и цифровых индикаторов.
Другая особенность ремиконта состоит в возможности подключения к его входам аналоговых и дискретных датчиков, а на выходах ремиконта формируются аналоговые и дискретные сигналы сигнализации и управления стандартными исполнительными устройствами.
Третья особенность ремиконта заключается в программной реализации типового состава функций для систем автоматического управления локального уровня и подсистем АСУ ТП.
Типовой состав функций ремиконта включает 25 алгоритмов регулирования: аналоговые и импульсные стандартные пропорционально – интегрально – дифференциальные алгоритмы, пропорционально – интегрально – дифференциальные алгоритмы с нуль - органом, с дифференцированием, с автоподстройкой; динамические преобразования (дифференцирование, интегрирование, слежение, программное задание); нелинейные преобразования (формирование кусочно-линейных функций, булевых функций, селектирование) и другие функции.
Перечисленные особенности ремиконта определили его аппаратное построение как автономного устройства, основу которого составляют средства аналогового и дискретного ввода – вывода, микропроцессор и панель оператора с устройствами отображения информации.