Управляющая вычислительная техника в системах ТГВ

Управляющая вычислительная техника (УВТ) позволила существенно повысить уровень автоматизации технологических процессов. Основные преимущества применения УВТ:

- возможность использования одних и тех же универсальных средств УВТ для автоматизации различных технологических процессов;

- возможность быстрого изменения программы и алгоритма управления;

- сравнительно простое обслуживание всей системы автоматизации;

- достигнута высокая надёжность системы управления за счёт сокращения числа внешних соединений, числа настроек, сокращения числа подвижных элементов, снижения напряжений в блоках обработки сигнала до 1,5 - 5 В.

Применение УВТ стало возможным благодаря достижениям современной микроэлектроники.

Современная технология в микроэлектронике позволяет размещать на одном кристалле полупроводникового материала размером, например мм и толщиной 0,2 мм, десятки и сотни миллионов транзисторов, составляющих единое целое – сверхбольшую интегральную схему (СБИС) определённого функционального назначения.

Электронная промышленность выпускает разнообразные средства управляющей (вычислительной) техники, выполненные на базе СБИС: микропроцессоры, микро- и мини-ЭВМ.

Микропроцессор – это управляемое по программе устройство обработки информации, выполненное на сверхбольшой интегральной схеме. Микропроцессор выполняет следующие операции: ввод и вывод данных, арифметические и логические операции над данными, функции управления.

Первый микропроцессор был разработан в 1971 г. Марианом Хоффом в корпорации Intel Corporation. Фирма Intel анонсировала в июне 1971 г. первый микропроцессор под номером 4004, затем были созданы последовательно процессоры 8008, 8080 (наш отечественный аналог К580ИК80), 8086. На микропроцессоре 8086 был разработан первый персональный компьютер. После этого в 1982 г. был разработан той же фирмой микропроцессор серии 286 (цифра 8 в последующем не указывалась в начале номера), затем, последовательно, процессоры 386, 486, Pentium (пять), Pentium II, Pentium III. В настоящее время выпускается микропроцессор Pentium 4. Все перечисленные микропроцессоры также и других фирм (например, AMD) относятся к разряду универсальных. Как известно, эти микропроцессоры применяются в персональных настольных компьютерах, называемых IBM PC совместимых, но эти же микропроцессоры применяются и для целей управления технологическими процессами в различных отраслях. Многочисленные аналоги этих микропроцессоров под другими названиями выпускают различные фирмы для промышленных целей, в том числе и для автоматизации систем ТГВ.

Следует отметить, что далеко не во всех системах автоматического управления требуются по быстродействию и объёму выполняемых операций микропроцессоры уровня Pentium 4. В системах ТГВ во многих случаях требуются менее быстродействующие микропроцессоры уровня 286, 386, 486, а значит и более дешёвые.

Отдельно взятый микропроцессор никакого управления обеспечить не может, это всего лишь сверхбольшая интегральная схема специального назначения, он должен быть включён в состав микроЭВМ.

МикроЭВМ – вычислительная машина, основу которой составляет микропроцессор, дополненный памятью, внешними устройствами и набором средств связи.

МиниЭВМ – вычислительная машина, ориентированная на решение массовых задач. Возможности этих машин значительно шире, чем у микроЭВМ.

Сейчас граница между микро- и миниЭВМ почти стёрлась.

Вычислительная техника постоянно совершенствуется, расширяется и круг задач, решаемых с её применением. По мере совершенствования технологии производства вычислительной техники резко уменьшается её стоимость.

Универсальные микропроцессоры фирмы Intel, AMD и аналогичные им других фирм для управления технологическими процессами, агрегатами и машинами часто по своим функциональным возможностям являются избыточными.

Например, для управления венткамерой, кондиционером, процессами в тепловых пунктах требуются сравнительно простые вычислительно-управляющие устройства. Для этих целей разработаны специализированные однокристалльные микроЭВМ, выполненные на одном кристалле полупроводникового материала, называются они микроконтроллерами (англ. control – управление). На этом кристалле располагается микропроцессор с количеством функций, необходимых только для управления данным агрегатом. На этом же кристалле расположено постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и порты (устройства) ввода-вывода информации.

Стоимость микропроцессоров, микроЭВМ и других устройств управляющей вычислительной техники снижается. В общей стоимости УВТ значительную часть составляет стоимость программного обеспечения. Программы для управления технологическими процессами не являются универсальными, для каждого конкретного процесса требуется своя программа управления; труд программиста очень трудоёмок.

Программа управления микроконтроллера, микроЭВМ для промышленных целей записывается на том или ином программном носителе: в микросхемах ПЗУ, магнитном диске.

При необходимости программа управления может быть за короткое время заменена новой, заранее составленной и записанной на программном носителе (например, в ПЗУ).

Вариант функциональной схемы системы управления с применением микроЭВМ показан на рис. 2.32. В общем виде такая схема может быть применена для управления, например приточной вентиляционной системой, тепловым пунктом и другими устройствами.

Наличие в системе управления аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразователей (АЦП и ЦАП) является принципиальной необходимостью в случае применения УВТ, поскольку микроЭВМ работает в цифровом коде. В узле АЦП аналоговый непрерывный сигнал датчиков и других входных устройств преобразуется в дискретную форму (в цифровой код), а в ЦАП – из дискретной в аналоговую.

Микропроцессор выполняет все арифметические и логические операции, формирует команды управления.

Таймер на схеме (рис. 2.32) задаёт тактовую частоту, на которой работает микропроцессор.

ОЗУ – это оперативное запоминающее устройство, где кратковременно хранятся результаты вычисления на время выполнения определённой команды или группы команд.

ПЗУ – постоянное запоминающее устройство, хранит в своей памяти всю программу управления или последовательность действий регулятора. ПЗУ может быть перепрограммируемым, тогда его сокращённо называют ППЗУ. При необходимости программа в ППЗУ может быть изменена (перезаписана) с помощью специального устройства – программатора. В этом случае микроЭВМ имеет разъём (вход) для программатора ВП.

Порт ввода и порт вывода микроЭВМ – это специальные схемные структуры, к которым через АЦП и ЦАП подключаются внешние устройства.

Взаимодействие процессора с ОЗУ, ПЗУ и объектом управления происходит через шину адреса, шину данных и шину управления. Здесь термин «шина» обозначает магистраль, через которую поступает поток данных в направлении стрелок на рис. 2.32. Физически же шина выполнена из нескольких параллельных проводников (например, в количестве 8, 16).

Рис. 2.32. Функциональная схема системы автоматического управления

с применением микроЭВМ

Как показано на рис. 2.32, шины справа не ограничены. Это значит, что к этим шинам можно дополнительно подключать ОЗУ, ПЗУ, расширять количество портов ввода-вывода, подключать дополнительные микропроцессоры. Поэтому микроЭВМ является расширяемым (масштабируемым) устройством.

Весь комплекс правил и технических средств микроЭВМ, регламентирующих и обеспечивающих обмен информацией между процессором, ОЗУ, ПЗУ и объектом управления называют интерфейсом (от англ. interface – связующее звено). Составной частью интерфейса являются шины адреса, данных и управления.

Система управления с применением микроЭВМ работает следующим образом. Аналоговые датчики DI … DN вырабатывают сигналы, пропорциональные регулируемым величинам. Аналоговый сигнал датчиков преобразуется в АЦП в дискретную форму. МикроЭВМ принимает информацию от АЦП в дискретной (цифровой) форме и в соответствии с заложенной программой определяет степень её соответствия заданию. Сигнал задания (программа) вводится в ПЗУ с помощью специального программатора.

При отклонении регулируемой величины от заданного значения на выходе микроЭВМ появляется сигнал в дискретной форме, поступающий на ЦАП. В узле ЦАП сигнал из дискретной формы преобразуется в непрерывную форму. Такое преобразование необходимо ввиду того, что исполнительные механизмы работают под воздействием аналоговых сигналов. Исполнительные механизмы воздействуют на соответствующие регулирующие органы, которые изменяют параметры объекта О в требуемом направлении.

Отметим, что, хотя системы управления с применением микроЭВМ функционально и по структуре сложнее по сравнению с системами, выполненными на транзисторах и логических элементах, но они дешевле благодаря достижениям современной микроэлектроники.