Размещено на http://www.allbest.ru/

Аппаратура распределенных автоматизированных систем управления. Каналы связи



1. Аппаратура современных АСУ

Аппаратуру современных АСУ можно с полным основанием отнести к новому поколению, использующему все, последние достижения технологии микроэлектроники. Интегральные микросхемы (ИМС) либо полностью вытеснили дискретные электронные схемы, либо наложили совершенно новый отпечаток на неэлектронные (механические, электромеханические, электромагнитные, оптические и др.) узлы аппаратуры и позволили в ряде случаев реализовать новые принципы.

Применение нового поколения аппаратурных средств не ограничивается собственно распределенными АСУ, а распространяется на все структуры, но именно эти новые средства, прежде всего микропроцессоры, позволили развивать распределенные структуры.

Средства передачи данных являются неотъемлемым атрибутом распределенных АСУ. К новой аппаратуре передачи данных относятся высокоскоростные коаксиальные и оптические линии связи, высокочастотная канальная аппаратура, в том числе и оптоэлектронная, и специальные цифровые ИМС, реализующие протоколы связи.

Новая аппаратура обработки данных - это универсальные и специализированные микропроцессоры. Последние применяются либо в качестве регуляторов, реализующих заранее заданные законы регулирования, либо в качестве управления устройств различными компонентами АСУ- связью с сетью, терминалами и т. п. Дешевизна микропроцессоров позволила широко оснащать ими различные терминалы - датчики, местные устройства управления, устройства общения между оператором и системой - и таким образом эффективно распределять функции АСУ между различными ее узлами.

Устройства связи с процессором обновились прежде всего вследствие возможности введение ИМС в аппаратуру, работающую с микропроцессорами, обрабатывающими данные, - аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, коммутаторы; в промежуточные преобразователи электрических сигналов, устанавливаемые между датчиками и ЭВМ; в местные устройства управления аппаратурой связи с процессом.

Наконец, практически полностью обновилась аппаратура связи с оператором. Для ввода команд почти исключительно применяются современные конструкции клавиатур и в меньшей степени средства аналогового ввода, для вывода на оператора - прежде всего дисплеи, а в качестве дополнительного средства - печатающие устройства или графопостроители. В современных комплексах средств для построения распределенных АСУ основной аппаратурной единицей является набор аппаратуры, размещаемый в одном каркасе и присоединяемый к сети передачи данных со своим адресом. Эту аппаратурную единицу чаще всего (хотя и не всегда) называют станцией. Хотя далее дается другое определение понятия станции, основанное на логической структуре сети передачи данных, известное сходство обоих понятий позволяет сохранить за нами один и тот же термин «станции».

микропроцессор данные цифровой оптический

2. Каналы связи

Физический канал связи состоит из передающей линейной аппаратуры передающего и приемного линейных узлов и соединяющей их линии. Хотя, экономически оптимальным считается равномерное распределение стоимости между оконечной аппаратурой и линией связи, линия связи в АСУ зачастую оказывается лимитирующим элементом физического канала.

Импульсы, которые передают цифровую информацию по каналу, занимают в зависимости от их формы и частоты следования определенный спектр частот. Этот спектр совпадает с полосой частот канала только в том случае, когда полоса частот, занимаемая сигналом в линии, начинается с нулевой частоты, т. е. передача осуществляется видеоимпульсами в основной полосе частот канала. Цифровой сигнал после усиления и фильтрации в передатчике посылается в линию.

Рис. Дискретная модуляция: а - бивалентная; б - четырехвалентная; и - уровень сигнала в линии

Приемник, получив сигнал, распознает его дискретное состояние, а следовательно, и передаваемый им цифровой код, с помощью детектора.

В тех случаях, когда спектр сигнала не совпадает с полосой сигнала необходимо преобразование спектра сигнала, что выполняется с помощью модуляции.

Самый простой вид модуляции - бивалентная. При бивалентной модуляции сигнал, передающий бит, может принимать одно из двух возможных состояний (рис.).

При мультивалентной модуляци и состояние сигнала определяется не одним битом, а их сочетанием. Так, например, если состояние сигнала определяется сочетанием двух битов, то он может принимать одно из четырех значений (рис.).

Использование для передачи сигнала той части полосы частот, которую пропускает физический канал, позволяет уплотнять канал по частоте, применяя его для организации связи между несколькими абонентами, присоединенными одной и той же оконечной аппаратуре. Данные по линии чаще, передаются последовательно (битами). Использование одного физического канала для обмена данными между различными станциями сети распределенной АСУ достигается только разделением времени канала. Различным станциям канал предоставляется с помощью сетевых средств.

Передачу по электрическим цепям можно вести в их основной полосе частот, но нередко из соображений, связанных с гальванической развязкой, переходят к работе в некоторой смещенной полосе. Чаще всего при этом пользуются стандартным, телефонным каналом.

Стандартный телефонный канал в соответствии с рекомендациями Международного консультативного комитета телеграфии и телефонии (МККТТ) занимают полосу частот от 300 до 3400 Гц, но допускается и пользование каналами с суженной полосой - до 2400 или 2000 Гц. Для передачи данных отводится либо вся полоса телефонного канала (с небольшим расширением) 300 - 3480 Гц, либо полосы, остающиеся неиспользованными в верхней части телефонного канала при сужении его полосы.

Рекомендуемое нормами МККТТ деление полосы 300 - 3480 Гц на частные каналы для передачи данных приведено на рис.19 допускается шесть вариантов деления полосы: максимум на 26, 13, 8, 6, 2 или 1 канал. При передаче данных по телефонной линии непосредственно видеоимпульсами пользуются скоростями передачи 600 и 1200 бод.

Скорость передачи двоичных данных по каналу связи V измеряется числом битов, передаваемых за 1 с. Скорость дискретной модуляции В, измеряемая в бодах, совпадает со скоростью передачи по каналу только при бивалентной модуляции, а при мультивалентной она может быть ниже, чем скорость передачи. При бивалентной модуляции скорость передачи и скорость дискретной модуляции равны:

В=V= 1/Т, (1)

Т - длительность интервала, занимаемого одним битом.

Для мультивалентной модуляции скорости V и В связаны соотношением

V= В Log2m (2)

где m -валентность (число возможных дискретных состояний)сигнала.

Таким образом, повышением валентности модуляции, может существенно увеличить скорость передачи, в канале, не расширяя его полосы пропускания, а следовательно, улучшить его показатели.

Отношение между верхней границей скорости дискретной модуляции Вм, и шириной полосы канала df зависит от рода модуляции. Теоретически коэффициент k в соотношении

k=Вм/df (3)

равен 2 для видеоимпульсов и 1 для амплитудной, фазовой и частотной модуляции. На практике, однако, он ограничивается значениями 1,4 и 0,7 соответственно.

Рис. Деление стандартного телефонного канала на полосы по рекомендациям МККТТ

Качество аппаратуры канала связи удобно характеризовать произведением:

р= dfL (4)

где L -дальность передачи, а качество канала дискретной передачи данных в целом - произведением

б=BL (5)

В каналах связи распределенных АСУ нередко применяются такие же линии, как и для телефонной связи внутри предприятия, или же просто пользуются парами проводов в кабелях, ранее проложенных для телефонной сети.

Кабели с воздушно-бумажной изоляцией, применяемые для внутризаводской телефонной связи, характеризуются волновым сопротивлением, убывающим с частотой: оно составляет 1 - 1,5 кОм на частоте 300 Гц и 300 - 400 Ом на частоте 4 кГц. Погонное затухание этих кабелей растет с частотой: с 0,5 - 1 дБ/км при 300 Гц до 2 - 3 дБ/км при 4 кГц. Погонная емкость этих кабелей незначительна: при воздушно-бумажной изоляции она составляет 40 - 80 нФ/км, а при полиэтиленовой - 45 нФ/км на частоте 800 Гц.

Качество физического канала о с телефонной линией, по которой ведется передача видеоимпульсами, характеризуется показателем порядка 0,2 км Мбит/с.

Для модуляции несущей частоты на передающей стороне и демодуляции на приемной стороне применяют устройства, получившие название модемов (модуляторы - демодуляторы). Качество модемов характеризуется двумя показателями: отношением средней передаваемой мощности к мощности шума в полосе



df =2/Т (6)

где Т - интервал, занимаемый одним битом, и отношением k скорости передачи В к полосе частот df по (3).

Максимальная скорость передачи данных по телефонному каналу с применением модемов достигает 9600 бит/с.

В последние годы в целях повышения быстродействия и дальности связи в распределенных АСУ улучшают качество самой линии связи. Для повышения помехоустойчивости, а следовательно, и скорости передачи применяют экранированные симметричные витые пары. Выпускаемые промышленностью радиочастотные симметричные кабели со скрученными жилами имеют погонное затухание в зависимости от марки кабеля от 0,006 - 0,013 дБ/км на частоте 1 МГц до 0,13 - 0,28 дБ/км на 100 МГц. Ввиду значительно большей стоимости этих линий связи их применяют при сравнительно небольших расстояниях или в магистральных структурах, требующих относительно небольшой затраты проводов. Качество каналов связи на таких кабелях характеризуется показателем, достигающим = 1,5 км Мбит/с. Впрочем, на практике часто в целях повышения помехоустойчивости на указанный верхний предел не выходят, ограничиваясь значением =0,8км Мбит/с.

Военный стандарт США 1553В предусматривает применение для последовательной передачи данных экранированной скрученной пары проводов. Требуется не менее 13 витков на метр, погонная емкость не более 100 пФ/м.

Оба конца кабеля замыкаются на сопротивление от 70 до 85 Ом. Кабель соединяется с терминалом через два резистора сопротивлением по 55 Ом, последовательно с которыми ставится разделительный трансформатор 1: 1,4.

Существенно лучшие электрические характеристики имеет коаксиальный кабель, у которого электромагнитное поле не выходит, за пределы цилиндрической экранной оболочки, т. е. полностью лежит внутри кабеля. Коаксиальные кабели широко применяются в последние годы в качестве линии связи в промышленных АСУ. В отечественной практике пользуются преимущественно кабелем РК-75, т. е. с волновым сопротивлением 75 Ом. Погонная емкость этого кабеля 67 пФ/м.

В США пользуются коаксиальными кабелями двух типов: с волновым сопротивлением 93 Ом (так называемый кабель высшего качества) и телевизионным кабелем с волновым сопротивлением 75 Ом. Видеоимпульсы, как правило, передают по кабелю первого типа, кабель второго типа служит для передачи модулированных сигналов.

Типичным примером применяемого в распределенных АСУ коаксиального кабеля может служить Cellflex 1/4" Cu24 с волновым сопротивлением 75Ом, погонной емкостью 54 пФ/м, диаметром внутреннего провода 1,5 мм, наружного проводника 10 мм; затухание составляет 2,5 дБ/км на частоте 500 кГц и 3,5 дБ/км на частоте 1 MГц. Реально достигнутый показатель качества физического канала при применении такого кабеля составляет =1,5 км Мбит/с.

Стандарт ЕСМА-80 на линию связи для локальной сети с передачей в основной полосе предусматривает применение коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 50~2 Ом. Затухание кабеля на длине 500 м до 8,5 дБ на частоте 10МГц до 6 дБ на частоте 5 МГц. Передача ведется в основной полосе с рабочей скоростью 10 Мбит/с.

Каналы передачи данных по коаксиальному кабелю характеризуются показателем а, примерно равны 1 - 5 км Мбит/с, хотя могут быть получены значения до 600 км Мбит/с, как, например, в системе передачи данных американской фирмы Interactive Systems Inc.

Заметим, что линии из одинарного или двойного коаксиального кабеля используются в большинстве современных промышленных распределенных АСУ.

При построении распределенных АСУ для управления бортовыми системами корабля использован триаксиальный кабель, состоящий из трех концентрических проводов этот кабель позволил обеспечить передачу данных со скоростью 10 Мбит/с на расстояния до 300 м, что соответствует показателю качества дискретного канала =3 км Мбит/с.

Оптические линии передачи данных являются сравнительно новым техническим средством. Носителем сигнала здесь служат близкие к монохроматическим световые колебания, которые модулируются передаваемым сигналом по амплитуде. Свет может проходить только по прозрачному веществу - стеклу или прозрачной пластмассе. К достоинствам оптических каналов передачи данных по сравнению с электрическими относятся: нечувствительность к внешним электромагнитным полям, колебаниям температуры, отсутствие коротких замыканий; меньшие габариты по сравнению с медными проводами; высокая пропускная способность (более 30 Гбит/с); большое значение показателя р (более 1 ГГц км). Для преобразования электрического сигнала в оптический в передающем линейном узле используют либо светодиоды, либо полупроводниковый лазер.

Световая мощность, отдаваемая светодиодом, пропорциональна модулирующему электрическому току и в современных приборах не превышает 0,1 мВт. Светодиоды стоят сравнительно дешево, имеют длительный срок службы, однако по сравнению с лазерами страдают серьезным недостатком: они излучают свет не в одном направлении, а под весьма широким углом.

Полупроводниковые лазеры обеспечивают генерирование когерентных световых колебаний с очень узким спектром. Светоотдача лазера не пропорциональна модулирующему электрическому току: она растет быстрее после не которого, порогового значения. Средняя отдаваемая мощность лазера составляет 0,6 мВт при длине волны 820 нм.

Основным материалом для изготовления световодов служит двуокись кремния (кремнезем), являющаяся основой многих минералов или входящая в их состав, а потому в отличие от меди отнюдь не являющаяся дефицитным сырьем. Различают три вида световодов: со ступенчатым профилем, градиентные и мономодные. Световод со ступенчатым профилем (рис.20,а) имеет стержень из материала с показателем преломления п1~ и оболочку с показателем преломления п2~. Световые лучи распространяются в световоде, многократно полностью отражаясь от границы между стержнем и оболочкой. Однако полностью отражаются только лучи, падающие на границ под углом удовлетворяющим соотношению:

cosn1/n2 (7)

Следовательно, распространяться по световоду будут только лучи входящие в световод под углом в2, где угол ф1 определяется коэффициентом преломления на входе в стержень световода.

Этим условиям хорошо удовлетворяют лучи, испускаемые лазером, но в меньшей степени - лучи от светодиода. Величина sinф1, носящая название числовой апертуры, является существенной характеристикой световода.

Рис. Принцип распространения луча в световодах: а - ступенчатый профиль световода; б - градиентный световод; в - мономодный световод; 1 - поперечный разрез световода; 2 - изменение показателя преломления по диаметру; 3 - входной импульс; 4 - канал передачи; 5 - выходной импульс



В градиентных световодах (рис.) полное отражение не используется: здесь лучи непрерывно отклоняются в сторону оси стержня так что они распространяются почти по синусоидальным траекториям. Показатель преломления стержня изменяется в функции радиуса:

(r)=п1 / (--d(r2 /а2)) (8)

где n - показатель преломления оболочки; d - нормированная разность показателей преломления:

d= (n1 - n2) /n1 (9)

а - радиус световода.

Наконец, в мономодном световоде (рис.) возможно распространение только отдельных световых лучей. Так как внутренний стержень этого световода имеет диаметр всего 2-4 мкм, световод пропускает практически только осевые лучи. Мономодные световоды превосходят по пропускной способности световоды первых двух типов, но на практике предпочитают применять градиентные световоды ввиду того, что их изготовление более просто.

В своем распространении по световодам лучи претерпевают затухание и размывание. Затухание сигнала, входящего в световод, обусловлено в основном рассеянием и поглощением в световоде. Рассеяние в световоде, называемое также рассеянием Рэлея, пропорционально _4 (где - длина волны света). Кроме того, затухание имеет место в сопряжениях на входе в световод и на выходе из него. Поэтому затухание при передаче данных тем больше, чем из большего числа сопряженных между собою отрезков световодов состоит линия передачи. Затухание определяется (в децибелах) как логарифм отношения интенсивностей сигнала на входе и на выходе:



=10Lg I I вх I выхI (9)

Общее затухание оптического канала передачи данных составляет

0=вх +l + n +вых , (10)

где 0 - общее затухание; вх - затухание на входном сопряжении в световоде; l - длина световода; - затухание на единицу длины световода; n - число промежуточных сопряжении; v - затухание в промежуточном переходе; вых - затухание в сопряжении на выходе из световода.

У лучших из выпускаемых в настоящее время типов стеклянных световодов затухание не превышает 1дБ/км, а это означает, что на длине световода 1 км теряется 20% мощности. В [7] указывается, что если бы морская вода была столь же прозрачна, то можно было рассмотреть дно океана в самом глубоком его месте.

Затухание в материале световода зависит также от длины волны света. По мере увеличения длины волны затухание убывает, причем при некоторых значениях существуют так называемые окна, где затухание особенно мало; такое окно имеется, например, в диапазоне 820 нм, следующее - при 1040 км. С этим обстоятельством естественно связано стремление так конструировать передатчики, чтобы они имели максимальное излучение, а приемники - так, чтобы они имели максимальную чувствительность на этих волнах.

Размывание сигнала в световодах обусловлено двумя причинами: одна из них связана со свойствами материала, другая - с временем распространения света. Материал влияет на размывание сигнала в связи с тем, что свет, излучаемый лазером или светодиодом, не является чисто монохроматическим, а представляет собой смесь разных частот в некотором диапазоне волн, составляющем 2 нм для лазера и 40 нм для светодиода. Поскольку показатель преломления n2~ зависит от длины волны , различные составляющие по-разному преломляются. При применении лазера размывание сигнала, обусловленное свойствами материала, незначительно.

Так как световые лучи входят в световод под различными углами в пределах 1, возникает разница в длине проходимого лучами пути, а следовательно, во времени распространения. Для световода со ступенчатым профилем эта разница составляет

dt = (l /с) n2d (11)

Для градиентных световодов

t = (l /с) n2d /2 (12)

Таким образом, величина t пропорциональна длине световода l. Так как пропускная способность световода зависит от t, то она зависит и от длины световода. Разница во времени распространения у градиентных световодов меньше, чем у световодов со ступенчатым профилем, отчего первые находят значительно более широкое применение на практике.

Затухание выпускаемого в продажу световодного кабеля d24 дБ/км. Если необходимо связать с помощью волоконной оптики (без применения промежуточных усилителей) устройства, отстоящие больше чем на 10 км, то приемный линейный узел должен быть способен регистрировать очень малые сигналы. Кроме того, он должен иметь максимальную чувствительность на волне, излучаемой передающим линейным узлом. На практике в качестве приемных линейных узлов применяют фотодиоды с p-i-n- и-структурой или же лавинные фотодиоды. Фотодиоды с р-i-n- и-структурой состоят из одной полупроводниковой, области с р-проводимостью и одной с n-проводимостью (кремний), разделенных высокоомной нелегированной областью. Падающий световой поток вызывает в диоде электрический ток, пропорциональный интенсивности света. Фотодиоды с р-i-n-структурой очень надежны и дешевы, но менее чувствительны, чем лавинные диоды.

В лавинном диоде падающий световой поток вызывает появление свободных электронов, причем в результате цепной реакции число носителей заряда растет лавинообразно. Эти диоды очень чувствительны.

Дальность действия оптической системы передачи данных зависит от мощности передающего узла, затухания в кабеле, чувствительности приемного узла, скорости передачи (в битах в секунду). Важнейшим фактором является затухание кабеля, ибо оно, как правило, налагает ограничение на дальность передачи. При некоторых идеальных предпосылках, а именно при применении полупроводникового лазера в передающем линейном узле (мощность больше 10 мВт), градиентного световода (погонное затухание до 2 дБ/км) и.лавинного диода в приемном линейном узле, можно уверенно передавать данные со скоростью 106 бит/с на расстояние 70 км. В реальных условиях (погонное затухание около 5 дБ/км) передача с такой скоростью возможна на расстояние 10 - 15 км.

В зарубежных промышленных АСУ оптические каналы передачи данных находят с каждым годом все более широкое применение, постепенно заменяя каналы с коаксиальным кабелем. На коротких расстояниях нередко пользуются низкокачественной волоконной оптикой: до 30 м - кабелями с погонным затуханием свыше 100 дБ/км, от 30 до 100 м - кабелями с затуханием от 10 до 100 дБ/км. Числовая апертура у световолокон с высокими потерями (свыше 100 дБ/км) обычно превышает 0,5, у световолокон со средними потерями (10 - 100 дБ/км) лежит в пределах от 0,25 до 0,5, а у высококачественных световодов (потери ниже 10 дБ/км) - в пределах от 0,1 до 0,25.

Весьма типичны для рынка США световолоконные кабели, выпускаемые фирмой Sicoг. В кабеле - от одного до 10 волокон. Числовая апертура равна 0,21, погонное затухание для волны 820 нм - от 6 до 10 дБ/км.

Показатель р составляет 200 МГц км для каналов на стандартных кабелях и 400 МГц км для каналов на кабелях с улучшенными характеристиками.

До сих пор рассматривалась аппаратура, реализующая функции на уровне физического канала. Для решения задач более высоких уровней в последние годы применяют микропроцессоры, которые по исполняемой ими роли получили название связных процессоров. Программа их работы, реализующая протоколы связи (см. гл. 4), обычно фиксирована и хранится в постоянном запоминающем устройстве в виде микропрограмм.

С развитием технологии ИМС получила распространение программно-аппаратурная форма реализации канального протокола с повышенной долей участия аппаратурных средств. Программы, реализующие протоколы, уже заложены в аппаратуре, программирование которой заключается лишь в выборе того или иного протокола. Одно из первых устройств, разработанных для этой цели фирмой Intel в США, названо UART - Universal Asynchronous Receiver -Transmitteг, т. е. «универсальный асинхронный приемопередатчик». Устройство выполнено на одном кристалле. Оно реализует асинхронное преобразование параллельного кода микропроцессорного слова в последовательный код линии и обратное преобразование кода линии в параллельный код микропроцессора.

Фирма Intel выпускает одноплатное программируемое интерфейсное устройство USART, способное реализовать большинство канальных протоколов передачи данных, как синхронных, так и асинхронных. Пользователь задает применяемый протокол в программе связного микропроцессора. Устройство USARТ передает в связной микропроцессор сигнал о начале передачи с данной станции и о приеме каждого знака для данной станции. Микропроцессор всегда может определить состояние, в котором находится интерфейсное устройство в данный момент.



3. Аппаратура обработки данных

В современных АСУ данные обрабатываются преимущественно в цифровом виде.

Аппаратура цифровой обработки различается прежде всего способом задания реализуемой ею программы. Для решения фиксированных, весьма узких логических или вычислительных - задач применяют специализированные цифровые устройства, в которых программа задана аппаратурно. Такие схемы часто называют контроллерами.

Функционально контроллер в ответ на каждое сочетание двоичных сигналов (код), подводимое к его входам параллельно или последовательно, выдает на одном или нескольких выходах определенный набор (наборы) двоичных сигналов.

Контроллеры служат, во-первых, для решения внутрисистемных задач: управления связью, т. е. реализации протоколов одного или нескольких уровней архитектуры (контроллеры связи); управления внешними устройствами, такими как коммутаторы переменных, дисплеи, печатающие устройства, измерительные приборы и т. п. (периферийные контроллеры); наконец, диагностики системы. Кроме того, контроллеры применяют также для решения прикладных задач, особенно на массовых объектах. Среди них объекты, требующие логического управления, такие как станки, конвейеры, лифты, насосы, электрические подстанции, железнодорожные стрелки, светофоры, стиральные и моечные машины, и объекты с непрерывными процессами - устройства отопления, кондиционеры, небольшие печи, реакторы периодического действия.

Конструктивно аппаратурные контроллеры выполняются в настоящее время на ИМС, причем устройство обычно реализуется на одной или нескольких ИМС и во всяком случае на единственной плате.

Первым шагом к отказу от специализации при разработке и изготовлении контроллеров является микропрограммирование, при котором отдельные специфические операции управления процессом закладываются в устройство в виде микропрограмм, а программирование при построении АСУ заключается в задании последовательности микропрограммных операций. Примером микропрограммного автомата для автоматического регулирования процессом может служить цифровой регулятор Мudicon, реализованный на основе 16-разрядной микро-ЭВМ типа 2901.

Следует, однако, отметить, что с развитием микропроцессорной техники все большую часть функций, прежде выполнявшихся аппаратурными контроллерами, возлагают на универсальные программируемые устройства, ядром которых является микропроцессор.

Микропроцессор, дополненный запоминающими устройствами (оперативным, постоянным, полупостоянным), устройствами микропрограммного управления и ввода-вывода, образует микро-ЭВМ, которая служит основным устройством обработки данных в современных распределенных АСУ, по крайней мере на нижнем их уровне, связанном с процессом.

Задачи, которые ранее возлагались на аппаратурные контроллеры, в настоящее время передаются программируемым контроллерам, выполненным в виде микро-ЭВМ и называемым поэтому микроконтроллерами. Разумеетcя, программируемые микроконтроллеры, будучи универсальными устройствами, имеют меньшее быстродействие, но зато они по этой же причине дешевле в производстве.

Если программа функционирования микроконтроллеров записывается в постоянном запоминающем устройстве (ЗУ), т. е. определяется на стадии изготовления микроконтроллера, то тогда с точки зрения пользователя программируемые микроконтроллеры не отличаются от аппаратурных.

Однако программируемые контроллеры наделены некоторыми дополнительными функциональными возможностями, которые обеспечивает входящий в их состав микропроцессор, а именно функциями арифметической обработки данных и отсчета времени.

Наряду с постоянными ЗУ для хранения программ применяются также перепрограммируемые (ППЗУ) и оперативные (ОЗУ) ЗУ, что позволяет пользователю самому вносить и исправлять программу.

В последние годы получили распространение как более надежные однокристальные 8- и 16-разрядные микроконтроллеры, причем доля последних с каждым годом увеличивается.

Число двоичных входов колеблется от 16 до 2048, но может достигать и значительно больших значений, например 64К. Емкость памяти колеблется от 2К до 64К, причем она может по-разному распределяться между постоянной, полупостоянной и оперативной частями памяти. В некоторых последних разработках память достигает 96К с возможностью расширения до 256К. При хранении программы в ОЗУ последние выполняют энергонезависимыми, например на ферритовых сердечниках или магнитной проволоке.

Характеристики микроконтроллеров даны подробно в литературах.

Вычислительные возможности микроконтроллеров по существу стирают границу между микроконтроллерами и управляющими микро-ЭВМ, из-за чего микро-ЭВМ, предназначенные для регулирования ТП, нередко также называют микроконтроллерами. В качестве цифровых регуляторов ТП используются микро-ЭВМ общего назначения. Специализация микро-ЭВМ, предназначенной для автоматического регулирования ТП, проявляется лишь в том, что в ее ПЗУ или ППЗУ вносятся программы регулирования.

Цифровые регуляторы на микропроцессорах программируются для одно- или многоконтурного регулирования. Как пример одноконтурного цифрового регулятора на микропроцессорах можно назвать плату комплекса NAF-Unic шведской фирмы SААВ Scania или 5260К американской фирмы ТауlоrInstruments. Структурная схема регулятора 5260К показана на рис.21.

Сигнал регулируемой переменной х, пройдя через разделительный усилитель У1 и коммутатор КМ, поступает на вход аналоговой схемы сравнения СС. На второй вход схемы сравнения СС через цифро-аналоговый преобразователь ЦАП подается задание х0, из микропроцессора МП типа RСА1802. Знак с выхода схемы сравнения вводится в виде двоичного сигнала на микропроцессор. Управляющее воздействие, вычисленное в МП по избранному закону регулирования, выводится через ЦАП как аналоговый сигнал у на фиксатор Ф, а оттуда - на исполнительный механизм.

Задание х, может вводиться также помимо микропроцессора, дистанционно в аналоговой форме через разделительный усилитель У2. Задание и параметры настройки регулятора вводятся в МП с клавиатуры КЛ и контролируются по цифровому индикатору ЦИ. Микропроцессор связан с остальной системой управления многопроводной шиной Ш.

Нередко на одну и ту же микро-ЭВМ возлагают кроме вычисления управляющего воздействия также линеаризацию входных сигналов, обнаружение отклонений, реализацию связи между контурами регулирования, переключения в схеме управления, логическое (цикловое) управление, связь с магистралью; таковы, например, программы 32-контурного цифрового регулятора комплекса Centum японской фирмы «Екогава дэнки». Столь же универсальны функции микро-ЭВМ 8-контурных цифровых регуляторов комплекса Мicon МDC)С200.

Цифровой регулятор комплекса Р4000 английской фирмы George Kent, Ltd снабжен набором стандартных программ, записанных в полупостоянном ЗУ. В этом наборе - программы регулирования по П-, ПИ-, ПД-, ПИД-законам, с зоной нечувствительности или без нее, программы арифметических операций, например для преобразования (извлечения квадратного корня) подводимого извне задания и регулируемой переменной, ограничения задания или управляющего воздействия. Общая программа управления на конкретном объекте собирается одним из трех способов: с передней панели самого регулятора заданием адресов и настройкой регулирования с помощью переключателей с контролем по цифровому индикатору; с клавиатуры портативного терминала, который можно подключать к передней панели регулятора; с центрального пульта АСУ.

Построение регуляторов на базе микропроцессора делает их чрезвычайно гибкими и удобными в эксплуатации, расширяет их функциональные возможности. Так, устройство сигнализации отклонений и электромеханические или полупроводниковые реле для включения различных электрических аппаратов могут дополнять регулятор лишь тогда, когда это требуется на данном объекте. Цифровое управление регулятором делает его настройку более удобной, чем у аналоговых регуляторов: входные переменные, управляющие воздействия, задания, положение исполнительных органов представляются оператору в цифровой форме. Режимы управления объектом и настройки регулирования устанавливаются кнопочными (клавишными) переключателями. В некоторых цифровых регуляторах (например, в регуляторах семейства 80 американской фирмы Doric Scientific имеется возможность программного изменения задания в функции времени. Зависимость задания от времени аппроксимируется ломаной линией, содержащей до девяти отрезков. Сенсорная панель позволяет изменять программу, включая и отрезок, отрабатываемый в данный момент времени. Оператор может изменить длительность участка, задания на концах отрезков, пропускать отдельные участки, начинать программу с любой промежуточной точки. Можно ввести в программу выдачу импульса или включение реле в определенный момент отработки программированного задания.

Рис. Структурная схема цифрового регулятора 5260R:

В цифровых регуляторах удобно вводить задания кодом из управляющей ЭВМ. Во избежание резких изменений управляющего воздействия на выходе регулятора при введении нового задания регулятор отслеживает положение исполнительного механизма, благодаря чему достигается переход на работу по новому заданию.

Еще одна функция, реализуемая программным путем в цифровых регуляторах, - регулирование отношения двух технологических переменных. Оператор может наблюдать в цифровой форме либо заданное отношение, либо задание ведомому контуру регулирования. Возможен также режим, при котором задания двум контурам регулирования находятся в определенном постоянном отношении.

Иногда большие программы управления сами хранятся во внешних ЗУ, преимущественно на гибких магнитных дисках. Однако чаще в целях повышения надежности стремятся исключить гибкие диски из АСУ, более же надежные и весьма перспективные внешние ЗУ на цилиндрических магнитных доменах только начинают получать применение в АСУ.

Наряду с цифровыми устройствами обработки технологических данных успехи микроэлектроники позволяют развивать и аналоговые устройства, в первую очередь аналоговые регуляторы. Эти устройства включаются в комплексы средств, предназначенных для построения распределенных АСУ, либо с расчетом на более или менее автономную работу, либо с возможностью связи с системой.

Так, в составе комплекса РIDСОМ, выпущенного в 1977 г. американской фирмой Beckman, имелись одноконтурные аналоговые регуляторы типа 8800 и микропроцессоры, связывающие эти регуляторы с магистралью; один микропроцессор рассчитан на соединение с магистралью до 64 регуляторов.

Аналоговые регуляторы двух видов - для ПИ- и для ПИД-регулирования - входят также в состав комплекса Р4000. Каждый регулятор выполнен в виде вставной платы.

Платы могут содержать схемы для простых аналоговых вычислений - умножения, деления, извлечения квадратного корня.

В этом комплексе тоже предусмотрена связь регуляторов с магистралью системы путем цифрового преобразования аналоговых сигналов.



Контрольные вопросы

Расскажите о современной аппаратуре, используемой в АСУ.

Из какой аппаратуры состоит физической канал?

Перечислите виды модуляции.

Напишите формулы, связывающие скорость дискретной модуляции при бивалентной и мультивалентной модуляции.

Что улучшают в целях повышения быстродействия и дальности связи в последние годы?

Достоинства оптических каналов передачи данных по сравнению с электрическими.

Преимущественно в каком виде обрабатываются данные в современных АСУ?

Роль микро-ЭВМ в обработке данных АСУ

Расскажите о современных цифровых регуляторах.

10. Применение аналоговых регуляторов в распределенных АСУ.

Размещено на Allbest.ur

...