Микропроцессорные управляющие устройства

С появлением микропроцессоров (МП) началась новая эпоха в автоматизации производственных процессов. Благодаря способно­сти устройств на базе МП практически мгновенно реагировать на любые события в технологическом процессе, воспринимать за короткое время информацию, поступающую с большого количе­ства различных датчиков, и формировать большое количество уп­равляющих сигналов микропроцессоры получили широкое рас­пространение на всех уровнях — от сбора и обработки данных до полного ведения технологического процесса. Изменилась и форма представления информации оператору и ее регистрации.

Микропроцессор — информационное устройство; он работает с информацией, представленной в виде двоичных чисел. Огром­ная эффективность МП как ключевого элемента средств управле­ния базируется на двух принципах:

•   любое значение любой физической величины можно записать в виде двоичного числа;

•       любое действие любого исполнительного механизма можно закодировать в виде двоичного числа.

160

Следовательно, организовать причинно-следственную связь между значением технологического параметра (причиной) и тре­буемым воздействием на исполнительный механизм (следствием) можно путем перехода от одного двоичного числа к другому, вы­полненного по определенным правилам.

Такой переход и осуществляет микропроцессор, преобразуя с помощью арифметических и логических операций одни двоичные числа в другие. Какие именно операции нужно произвести, ука­зывает программа управления работой МП, составленная на ос­нове анализа зависимости между значением данного параметра и результатом воздействия данного ИМ на технологический про­цесс.

Микропроцессор — это программно-управляемое устройство, производящее преобразование двоичных чисел и выполненное в виде одной или нескольких интегральных схем.

Все другие функции микропроцессора, такие как обработка информации и формирование управляющих воздействий, отно­сятся не к МП, а к управляющей программе.

Общая схема микропроцессора приведена на рис. 7.3, а.

Микропроцессор состоит из арифметико-логического устрой­ства (АЛУ), устройства управления (УУ) и внутренней памяти — регистров общего назначения (РОН). Устройства связаны тремя шинами. Каждая шина — это группа проводников, по которым передаются двоичные коды в виде сигналов 0 или 1.

Арифметико-логическое устройство выполняет арифметические (сложение, умножение) и логические (И, ИЛИ) операции над 8- или 16-разрядными двоичными числами. Числа поступают с шины данных через регистры, обеспечивающие их временное хра­нение. Устройство управления координирует работу АЛУ и реги­стров в соответствии с командами программы. Устройство уп­равления получает команды с шины данных через дешифратор команд. Команда представляет собой двоичное число: одна его часть — код операции, которую предстоит выполнить АЛУ, а другая часть указывает адрес расположения числа, над которым будет совершена операция (например, один из регистров РОН). Второе число поступает в АЛУ по шине данных. Результат выполнения операции записывается в один из регистров и далее поступает на шину данных.

Современные микропроцессоры состоят из миллионов тран­зисторов и выполняют сотни миллионов операций в секунду. Если снабдить МП более мощной памятью, устройствами ввода-выво­да информации, а при необходимости и пультом управления, позволяющим вводить и отлаживать новые программы, то он пре­вратится в микроЭВМ.

Структурная схема микроЭВМ на базе МП приведена на рис. 7.3, б.

161

МикроЭВМ имеет два вида памяти: постоянное (ПЗУ) и опе­ративное (ОЗУ) запоминающие устройства. Содержимое ПЗУ запи­сывается изготовителем микроЭВМ и не может быть стерто. В ПЗУ хранят программы начальной загрузки микроЭВМ, константы, табличные данные и т.д. В ОЗУ информацию можно записывать и стирать многократно, поэтому оно используется для оперативно­го хранения данных, подлежащих обработке, промежуточных ре­зультатов, отладки программ и т.д. При выключении микроЭВМ информация в ОЗУ пропадает.

Устройства ввода и вывода обеспечивают прием и выдачу дво­ичных кодов обмена информацией с внешними устройствами.

Шины адресов, данных и управления используются для об­мена информацией между всеми подключенными к ним устрой­ствами в режиме разделения времени. Микропроцессор управля­ет подключением к шинам в каждый момент времени тех или иных устройств; для остальных устройств шины в это время не­доступны.

Обычно микроЭВМ представляет собой набор унифицирован­ных микросхем: микропроцессор, ПЗУ, ОЗУ и др. Все они согла­сованы между собой по уровням сигналов, входному и выходно­му сопротивлению, допустимым нагрузкам и иным параметрам.

Совершенствование технологии производства интегральных микросхем позволило создать микроЭВМ, которые вместе с жест­ким магнитным диском (долговременная память) размещаются в унифицированном герметичном корпусе, легко встраиваемом в каркас аппаратуры систем управления.

Варианты использования микропроцессоров и микроЭВМ в системах управления многообразны. До появления микроЭВМ системы управления были централизованными и одна мощная и быстродействующая ЭВМ обслуживала поочередно десятки и сотни датчиков и исполнительных механизмов. В современных децентра­лизованных системах управления центральная ЭВМ может отсут­ствовать вообще или использоваться только для учета и коорди­нации работ, а множество автономных микроЭВМ выполняют функции управления различными единицами оборудования и участками технологического процесса, вплоть до управления от­дельными параметрами процесса.

На рис. 7.4 представлена укрупненная схема одноконтурной системы управления, обеспечивающей поддержание заданного значения регулируемого параметра объекта управления. Она ил­люстрирует возможности устройства с ЭВМ в выборе оптималь­ного варианта управления. МикроЭВМ не просто сравнивает зна­чение регулируемого параметра с заданным, а учитывает резуль­таты проведенного ею анализа поведения параметра в предше­ствующий период и выбирает наилучший в этой ситуации закон регулирования.

163

Устройства на базе микроЭВМ, специально ориентированные на выполнение задач контроля и управления в локальных (мест­ных) системах, получили название «ремиконты» (РЕгулирующие МИкроКОНТроллеры). Кроме микроЭВМ они включают в себя устройства преобразования аналоговой и дискретной информа­ции, которые называются устройствами ввода-вывода информа­ции, и пульт оператора (рис. 7.5). Общая шина контроллера позво­ляет связывать его с другими аналогичными устройствами и глав­ной ЭВМ. При необходимости перестройки системы управления достаточно изменить программу в микроЭВМ, не заменяя блоков и не перепаивая отдельных элементов.

Наряду с микроЭВМ в промышленности применяются про­граммируемые контроллеры (ПК). Их используют в случаях, ког­да управление производится по результатам логической обработ­ки входных сигналов без проведения вычислительных работ. Та­кой контроллер обычно не имеет средств для работы со стандарт­ными языками программирования, применяемыми в микроЭВМ.

 

Программа, вводимая в ПК, содержит набор команд управления, представленных на языке релейно-контактных схем или на анало­гичном языке. Фактически программируемые контроллеры заме­няют широко использовавшиеся ранее релейно-контактные сис­темы управления, существенно превосходя их по надежности, удобству перепрограммирования и возможностям связи с систе­мой управления производством предприятия.

Программируемые контроллеры содержат кроме микропроцес­сора и источника питания большее или меньшее (в зависимости от объекта управления) количество устройств преобразования информации, предназначенных для связи с технологическим обо­рудованием. Это устройства ввода данных, соединяемые с датчи­ками и преобразующие их аналоговые и дискретные сигналы в двоичные коды, принимаемые микропроцессором, и устройства вывода управляющих сигналов, соединяемые с исполнительны­ми механизмами. При необходимости количество этих устройств может изменяться.

Микропроцессор, источник питания и устройства преобразо­вания информации выполняют единообразными по конструкции и размещают в общем каркасе, соединяя их общими шинами и кабелями в единый контроллерный блок (рис. 7.6). Программа заг­ружается в ПК с подключаемого к нему пульта программирова­ния.

Программируемые контроллеры могут работать совместно с ЭВМ, выполняющей функции обработки данных и координации работы ПК. Дальнейшее развитие и удешевление микроэлектрон­ных устройств ведет к тому, что происходит сближение различ­ных видов локальных подсистем управления по их функциям и возможностям. В специальных промышленных компьютерах на базе микроЭВМ, как и в ПК, предусмотрено до 20 мест для установки устройств преобразования информации. Аналогично построены и ремиконты. Общая тенденция развития современных систем уп-

165

равления — распределение всего комплекса задач по управлению технологическим процессом по множеству подсистем, каждая из которых обладает интеллектуальным ядром в виде мощной мик-роЭВМ со своим набором устройств ввода и вывода информа­ции, обслуживающих свой участок технологического процесса и соединенных в единую сеть с главной ЭВМ.