Сопряжение ЭВМ с объектом управления

Все технические средства контроля и управления технологи­ческими процессами, включая ЭВМ, можно разделить по месту их расположения на две основные группы:

1)                  средства, которые располагаются непосредственно на тех­нологическом оборудовании или рядом с ним;

2)            средства, которые размещаются в помещениях службы кон­троля и управления либо рядом с ними, на удалении от оборудо­вания технологического процесса.

К первой группе относятся датчики и исполнительные меха­низмы, ко второй группе — ЭВМ и электронные устройства пре­образования сигналов. Связующим звеном между ними являются переходные устройства.

Тем не менее при существующем многообразии технических средств и ЭВМ система контроля и управления технологическим процессом должна представлять собой единый организм, постро­енный единообразно и функционирующий по общим правилам. Наиболее рациональный путь создания таких систем заключается в использовании стандартных устройств, выпускаемых промыш­ленностью и удовлетворяющих следующим требованиям.

1.            Системные требования. Должна быть предусмотрена возмож­ность связи с широкой номенклатурой датчиков (давления от ва­куума до 10⁷ Па; температуры от -270 до 3 000 °С; частоты враще­ния от 10 до 300000 об/мин и т.д.) и исполнительных механиз­мов (электродвигатели постоянного и переменного тока, элект­роклапаны, пускатели, электромагниты и реле с напряжением от 12 до 380 В и т.д.).

2.            Требования к соединению с ЭВМ. Они связаны с удобством подключения технических средств к ЭВМ, обмена сигналами с ЭВМ, помехозащищенностью каналов связи с ЭВМ и т.д.

3.            Конструктивные требования. Они связаны с созданием удоб­ной для эксплуатации конструкции технических средств АСУ.

Организация связи технических средств системы контроля и управления с ЭВМ называется сопряжением ЭВМ с технологиче­ским процессом.

Перечисленные ранее требования удовлетворяются при исполь­зовании магистрально-модульного принципа построения элект­ронных средств АСУ.

Согласно этому принципу каждое из электронных устройств (усилители, АЦП, ЦАП, входные и выходные регистры, в том числе силовые устройства для управления исполнительными ме­ханизмами) или группа однотипных устройств представляет со­бой отдельный унифицированный модуль со своими входными и выходными разъемами. Это может быть отдельная плата, включа-гмая в один из свободных слотов (разъемов) промышленного ком-

172

пьютера, или законченный унифицированный блок, располагае­мый в унифицированном каркасе (крейте).

Все модули (и отдельные платы, и унифицированные блоки) подключаются к единой стандартной магистрали, по которой пе­редаются в ЭВМ преобразованные в двоичные коды данные о параметрах ТП, а от ЭВМ поступают (также в виде двоичных ко­дов) управляющие сигналы для исполнительных механизмов. Ра­боту всех модулей синхронизирует контроллер, выполненный, как и остальные модули, в едином конструктивном оформлении.

Первая магистрально-модульная система САМАС (Computer Application to Measurement And Control — применение компьюте­ра для измерения и управления) была разработана в 70-х гг. XX в. в США. Это была информационно-измерительная система для проведения сложных экспериментальных исследований в области ядерной физики, но затем она стала использоваться в медицине, промышленности и даже в сельском хозяйстве.

В России аналогичная система СУММА (Система унифициро­ванных модулей многомашинного анализа) появилась в конце 1970-х гг. в Институте физики высоких энергий (г. Протвино), а уже в 1980-е гг. широко выпускалась в Дубне как магистрально-модульная система «Вектор».

Принцип систем «Вектор» и САМАС один и тот же, одинако­вы и конструктивные решения, за исключением того, что разме­ры модулей в системе «Вектор» измеряются в миллиметрах, а в системе САМАС — в дюймах. В обеих системах стандартизованы:

•        виды модулей (блоков): входные и выходные регистры, уси­лители, АЦП, ЦАП, коммутаторы, счетчики, измерители давле­ния, температуры, вакуума;

•        размеры конструктивных элементов: плат, разъемов, карка­сов, стоек;

•       источники питания: напряжения +5, -5, +12, -12, +24, -24 В постоянного тока, 220 В переменного тока частотой 50 Гц;

•     параметры сигналов от датчиков: ток — от 0 до 5 или до 20 мА, напряжение — от 0 до 10В;

•        электрические схемы соединений;

•       правила обмена данными между устройствами.

[Основной конструктивный элемент обеих систем — стойка, в которой размещается до трех каркасов с модулями и источниками питания. В каждом каркасе устанавливается до 25 модулей одиноч­ной ширины (20 мм для системы «Вектор» и около 2/3 дюйма (17,2 мм) для САМАС) с 90-контактными разъемами на задней панели. В свою очередь, на задней стенке каркаса размещены 25 стан­дартных 90-контактных разъемов, подключенных к магистрали.

Магистраль обмена данными между модулями и ЭВМ пред­ставляет собой большое количество проводников (в виде отдель­ных проводов или дорожек печатной платы), соединяющих па-

173

раллельно все одноименные выводы всех разъемов (за исключе­нием разъема источника питания, который имеет свою схему со­единений). Группы проводников магистрали, передающих одно­родные сигналы или выполняющих однородные функции, назы­ваются шинами: шины данных, шины питания и т.д. Каждый мо­дуль по специальным направляющим вставляется в каркас до пол­ного соединения разъемов и подключения к общей магистрали.

Модуль представляет собой плату с микросхемами и является, как правило, многоканальным устройством (регистры на 16, 32, 64, 128 каналов; измеритель температуры на 16 каналов и т.д.). Возможно размещение на одной плате нескольких различных ус­тройств (например, АЦП, ЦАП, усилитель).

На передней панели каждого модуля устанавливаются разъе­мы, с помощью которых он соединяется с датчиками и исполни­тельными механизмами. Это, как правило, тоже многоконтакт­ные разъемы.

Если для управления технологическим процессом недостаточ­но того количества модулей, которое размещается в каркасе (т.е. датчиков и исполнительных механизмов много), то в стойку по­мещают второй каркас с собственным набором модулей, а при необходимости — и третий каркас.

Обмен информацией между модулями и ЭВМ обеспечивает единый для всей стойки контроллер. В его состав может входить свой микропроцессор, ведущий сложную обработку сигналов и управляющий очередностью их обработки другими модулями. В пер­вую очередь, обрабатываются аварийные сигналы, затем — сиг­налы в цепях защиты, далее — быстроизменяющиеся сигналы и т.д.

Микропроцессор контроллера выполняет предварительную обработку сигналов и накопление информации от модулей стой­ки, что ускоряет работу всей системы управления.

Контроллер связан магистралью со всеми модулями каркаса. Особенностью магистрали является работа в режиме поочередной передачи информации, т.е. в каждый момент магистраль занята каким-то одним модулем, от которого она получает или которо­му передает информацию. Именно контроллер определяет, како­му из модулей предоставлять магистраль в каждый конкретный момент.

Магистраль имеет следующую структуру (рис. 7.7):

•     шины адресов и операций, по которым передается код допус­каемого контроллером к магистрали модуля и условный код со­вершаемой операции (например, передача данных из устройства № 2 выбранного модуля в ЭВМ);

•         шины данных, по которым передается в цифровом виде от модулей в ЭВМ информация о технологических параметрах и от ЭВМ в модули коды управляющих сигналов;

174

• шины служебных сигналов, например сигналов прерываний, сигналов аварийных ситуаций, запроса модулем магистрали или

i сигнала готовности модуля к работе и др.

В памяти микропроцессора контроллера хранится программа опроса модулей. Например, необходимо получить от одного из

•датчиков информацию о значении технологического параметра. Известно, с каким именно модулем соединен выход датчика. Кон­троллер выводит на шины адресов двоичный код этого модуля, соединяя с источником напряжения те из шин, на которых в со­ответствии с кодом должен быть логический сигнал 1. Этот дво­ичный код поступает на все модули, подключенные к магистрали. • Но только в одном модуле дешифратор «опознает» код как свой, разрешая расположенным в этом модуле устройствам выполнить указанную контроллером операцию, например преобразовать сиг­нал от нужного датчика в двоичный код. Этот же дешифратор разрешает выходным цепям модуля вывести двоичный код ре­зультата на шины данных, по которым он поступает для дальней­шего анализа в микропроцессор или ЭВМ.

Для управления технологическим оборудованием микропроцес­сор выдает на шины адресов код модуля, с которым соединен,нужный исполнительный механизм, а на шины данных — двоич­ный код управляющего сигнала.

, Обычно этот код принимает модуль цифроаналогового преоб­разователя, который и формирует аналоговый управляющий сиг­нал для исполнительного механизма.

175

Магистрально-модульный принцип организации передачи ин­формации между различными устройствами широко применяется в современных системах контроля и управления технологически­ми процессами.

Контрольные вопросы

1.              Что такое командоап парат? Когда он используется?

2.            Что такое обратная связь?

3.             Опишите работу механического командоаппарата.

4.                  Приведите пример электронного командоаппарата и опишите его работу.

5.          Что такое микропроцессор?

6.                Перечислите основные части микропроцессора и их функции.

7.             Перечислите основные части микроЭВМ.

8.               Что называют шиной? Какие шины и для чего использует микро-ЭВМ?

9.           Что такое ремиконт?

10.                   Каковы функции программируемого контроллера?

11.            В чем особенность работы ЭВМ в АСУ ТП?

12.              Что такое аппаратное прерывание и зачем оно нужно?

13.              Объясните смысл приоритетов сигналов прерывания.

14.               Какая разница между машинными языками и языками высокого уровня?

15.                     К какому языку — машинному или высокого уровня — ближе язык программ для станков с ЧПУ?

16.             Зачем в ЭВМ используют мультипрограммный режим?

17.              Что называют сопряжением ЭВМ с объектом управления?

18.             В чем заключается магистрально-модульный принцип построения электронных средств АСУ?

19.              Какие магистрально-модульные системы вы знаете?

20.                    Какова роль контроллера при использовании магистрально-мо-дульного принципа?

21.               Как происходит выбор модуля и передача в него данных по маги­страли?

ГЛАВА 8