Сиротин Э.Е. Автоматизированные системы управления технологическими процессами. Конспект лекций

Подождите немного. Документ загружается.

измеряемые датчиками Дк. Нижний уровень, непосредственно связанный с

технологическим процессом, образует локальные регуляторы отдельных тех-

нологических параметров.

Рисунок 2.1. Структурная схема системы супервизорного управления.

По данным, поступающим от датчиков Ду и Дк через устройство связи

с объектом, ЭВМ вырабатывает значения установочных параметров в виде

сигналов, поступающих непосредственно на входы систем автоматического

регулирования.

Основная задача супервизорного управления – автоматическое поддер-

жание управляемого процесса вблизи оптимальной рабочей точки. Кроме то-

го, оператор с пульта управления имеет возможность вводить дополнитель-

ную информацию (коррекция установочных параметров, параметров алго-

ритмов регулирования, уточнение критерия управления в зависимости от

внешних факторов и др.).

Супервизорный режим позволяет не только автоматически кон-

тролировать процесс, но и автоматически управлять им вблизи оптимальной

рабочей точки. Функции оператора сводятся к наблюдению за технологиче-

ским процессом и в случае необходимости к корректировке цели управления

и ограничений на переменные. При подобном построении системы управле-

ния повышается надежность системы, так как ее работоспособность сохраня-

ется и при отказах в работе ЭВМ, в то же время появляется практическая воз-

можность реализации более эффективных алгоритмов оптимизации, требую-

щих большого объема вычислений.

ЭВМ

Модель

процесса

Оператор

Устройство связи

с оператором

Устройство связи с объектом

АР

ИМ

Ду

Дк

Технологический (производственный) процесс

…

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХ-

НОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ

Управление технологическим процессом представляет собой информа-

ционный процесс, обеспечивающий выполнение какого-либо материального

процесса.

В наиболее общем случае АСУТП представляет собой замкнутую сис-

тему (рис. 2.2), обеспечивающую автоматизированный сбор и обработку ин-

формации, необходимой для оптимизации управления технологическим объ-

ектом в соответствии с принятым критерием, и реализацию управляющих

воздействий на технологический объект.

Технологический объект управления (ТОУ) – это совокупность тех-

нологического оборудования и реализованного на нем по соответствующим

алгоритмам и регламентам технологического процесса. В зависимости от

уровня АСУ ТП технологическим объектом управления могут быть техноло-

гические агрегаты и установки, группы станков, отдельные производства (це-

хи, участки), реализующие самостоятельный технологический процесс; про-

изводственный процесс всего предприятия, если управление им сводится к

рациональному выбору и согласованию режимов работы агрегатов, участков

и производств. Совместно функционирующие технологический объект

управления и управляющая им

Рисунок 2.2. Структура АСУТП.

Технологический объект

управления

ИМ

ДП

Коммутатор

Преобразователь 2

Преобразователь 1

Коммутатор

Таймер

Коммутатор

Устройство прерывания

Процессор

. . .

...

. . .

...

ЭВМ

АСУТП образуют ГПС. Степень достижения поставленных целей в любой

системе принято характеризовать с помощью, критерия управления. Критери-

ем может быть технико-экономический показатель, например себестоимость

выходного изделия при заданном качестве, производительность технологиче-

ского объекта управления при заданном качестве выходного изделия, техно-

логические показатели, например параметры технологического процесса, ха-

рактеристики выходного изделия и т. п.

В управляемом технологическом процессе можно выделить основные

потоки информации, характеризуемые следующими группами параметров.

1. Измеряемые параметры



= (x

, …, x

, к которым относятся из-

меряемые, но неуправляемые параметры, зависящие от внешних факторов;

выходные параметры, характеризующие качество выпускаемых изде-

лий; выходные параметры, по которым непосредственно или путем вычисле-

ний определяют эффективность производственного процесса или ограниче-

ния, наложенные на условия его протекания.

2. Управляемые параметры



= (y

, ... , y

), которые могут изме-

няться соответствующими исполнительными механизмами, установочными

параметрами регуляторов и т. п.

3.Неизмеряемые и неуправляемые параметры F = (

,

, …, 

) – из-

меняющиеся со временем характеристики технологического оборудования,

характеристики сырья, износ инструмента, отказ оборудования и др. Наличие

подобных случайных факторов, воздействующих на объект управления, мо-

жет значительно влиять на управляемую величину



и придают стохастиче-

ский характер потокам требований на обслуживание.

На вход ЭВМ от датчиков поступает измерительная информация о

текущих значениях параметров



, характеризующих ход технологического

процесса.

ЭВМ обрабатывает эту информацию в соответствии с принятым зако-

ном управления (алгоритмом управления), определяет управляющие воз-

действия U = (u

2, … ,

), которые необходимо приложить к испол-

нительным механизмам для изменения управляемых параметров



, с тем,

чтобы управляемый процесс протекал оптимальным образом.

Многие измерительные датчики вырабатывают свои сигналы в виде на-

пряжения, силы тока, сопротивления, угла поворота и т. п., то есть в форме

непрерывного (аналогового) сигнала. Подводимые к исполнительным меха-

низмам управляющие воздействия U могут вырабатываться также в ана-

логовой форме.

Так как ЭВМ оперирует с цифровыми (дискретными) величинами, то

поступающие на ее вход величины



должны предварительно быть преобра-

зованы в цифровую форму, а вырабатываемые ЭВМ величины управляющих

воздействий – из цифровой формы в аналоговую. Некоторые входные сигна-

лы (например, выдаваемые конечными выключателями, фотореле и др.) и не-

которые выходные управляющие сигналы (например, включение двигателей,

сигнальные транспаранты и др.) имеют релейный характер.

Таким образом, в АСУТП должны входить преобразователи не-

прерывных величин в цифровые и обратно. С целью уменьшения объема обо-

рудования преобразователи непрерывных величин в цифровые и обратно,

обычно выполняют многоканальными. Посредством коммутатора преобразо-

ватель поочередно подключается к каждому датчику и осуществляет преобра-

зование соответствующей аналоговой величины в цифровую форму, после

чего полученный в результате преобразования цифровой код вводится в

ЭВМ.

Важным признаком АСУТП является осуществление управления в тем-

пе протекания технологического процесса, т. е. в реальном масштабе вре-

мени. Понятие реального масштаба времени можно определить следующим

образом: говорят, что обработка информации идет в реальном времени, если

время на запросы, обычно произвольное, ограничивается внешними условия-

ми. Под внешними условиями понимают занятость передающих устройств и

ЭВМ решением других задач, важность и срочность которых определяется

соответствующей системой приоритетов.

В системе, функционирующей в реальном масштабе времени, инфор-

мация, приходящая извне, либо воспринимается и обрабатывается на ЭВМ

непосредственно в момент ее поступления, если ЭВМ не загружена работой

или приоритет запроса самый высокий, либо фиксируется и поступает в обра-

ботку в зависимости от приоритета запрашиваемого абонента. В системе об-

работки информации в реальном масштабе времени для каждой такой задачи

устанавливается реально необходимый промежуток времени, в течение кото-

рого соответствующий запрос должен быть обязательно выполнен. В зависи-

мости от уровня запрашиваемого абонента в структуре технических средств и

важности самого запроса при одинаковом уровне двух или большего числа

абонентов устанавливаются приоритеты запросов абонентов. Указанной сис-

темой приоритетов определяется дисциплина очереди при решении любых

задач управления.

Реализация целей в конкретных АСУТП достигается выполнением в

них определенной последовательности операций и вычислительных проце-

дур, в значительной степени типовых по своему составу и потому объединяе-

мых в комплекс типовых функций АСУТП.

Функции АСУТП подразделяют на управляющие, информационные

и вспомогательные управляющие. Это функции, результатом которых яв-

ляется выработка и реализация управляющих воздействий на технологиче-

ский объект управления.

К управляющим функциям АСУ ТП относят регулирование (стабилиза-

цию) отдельных технологических переменных, логическое управление опера-

циями или аппаратами, программное логическое управление группой обору-

дования, оптимальное управление установившимися или переходными режи-

мами или отдельными стадиями процесса, адаптивное управление объектом в

целом, например управление участком станков с ЧПУ, оперативная коррек-

ция суточных и сменных плановых заданий и др.

Информационные функции АСУТП — это функции системы, содержа-

нием которых является сбор, обработка и представление информации для по-

следующей обработки. К информационным функциям АСУТП относят цен-

трализованный контроль и измерение технологических параметров, косвен-

ное измерение, вычисление параметров процесса (технико-экономических,

внутренних переменных), формирование и выдала текущих и обобщающих

технологических и экономических показателей оперативному персоналу

АСУТП, подготовка и передача информации в смежные системы управления,

обобщенная оценка и проверка состояния ГПС и его оборудования.

Вспомогательные функции состоят в обеспечении контроля состояния

технических и программных средств системы. АСУТП как компонент общей

системы управления промышленным предприятием предназначена для целе-

направленного ведения технологических процессов и обеспечения смежных и

вышестоящих систем управления оперативной и достоверной технико-

экономической информацией. АСУТП, созданные для объектов основного и

вспомогательного производства, представляют низовой уровень АСУП.

ЛЕКЦИЯ №3. МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ ТЕХНИКА В

СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ

ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ МИКРОПРОЦЕССОРОВ (МП)

Процессор - центральное устройство ЭВМ, которое выполняет арифме-

тические и логические операции, заданные программой преобразования ин-

формации, управляет вычислительным процессом и координирует работу пери-

ферийных устройств системы. Процессор, выполненный на одном кристалле

методами интегральной технологии или на нескольких больших ин-

тегральных схемах БИС, называют микропроцессором.

Понятие "микро", в первую очередь, связано с размерами и стоимостью

системы. Однако это понятие накладывает определенные ограничения и на

возможности вычислительной системы; так, ограничена длина машинного

слова микропроцессора, ограничены объем памяти и быстродействие.

Основные функции микропроцессора могут быть определены последо-

вательностью пяти операций.

Считывание входного двоичного кода.

Сравнение считанного кода с внутренним состоянием процессора.

Вывод кода, являющегося результатом сравнения.

Изменение внутреннего состояния на новое состояние.

Повторение описанной последовательности действий для нового входного

кода.

Основными функциональными элементами микропроцессора являются

регистры и арифметико-логическое устройство (АЛУ). Операция сравне-

ния реализуется как некоторая арифметическая или логическая операция в

арифметико-логическом устройстве микропроцессора. АЛУ может осуществ-

лять логическую и арифметическую обработку информации, представляемой в

виде двоичных кодов.

Для хранения и передачи двоичных кодов используются регистры. Они

состоят из нескольких запоминающих элементов, в которые информация запи-

сывается параллельно или последовательно.

Связь между элементами микропроцессора осуществляется с помощью

шин. Каждая шина состоит из отдельных линий связи. По линии связи можно

передать один бит информации. Шины имеют разные функциональные назна-

чение.

Микропроцессоры широко используются для создания различных средств

вычислительной техники и, в первую очередь, при разработке систем управления

различными объектами.

МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ (МК)

Микроконтроллеры (МК) предназначены для построения программи-

руемых контроллеров, встраиваемых в аппаратуру пользователя. МК выполня-

ется в виде микросхемы высокой степени интеграции, содержащей в своем со-

ставе микропроцессор с фиксированной разрядностью и системой команд, так-

товый генератор, память данных и память программ, порты ввода-вывода ин-

формации, таймер-счетчик. Кроме этого в состав микроконтроллера могут

входить различные преобразователи сигналов, например аналого-цифровые

или цифро-аналоговые, а также преобразователи различных интерфейсов об-

мена данными (SPI, RS-232, RS-485, CAN, I

C и др). Отличительной особен-

ностью ОЭВМ является функциональная законченность, позволяющая решать на

ее основе в полном объеме задачи управления определенного класса.

Для МК используется Гарвардская архитектура, в отличие от архитектуры

фон Неймана, используемой для микропроцессоров. Гарвардская архитектура

предусматривает раздельную память программ и данных, обращение к которым

осуществляется разными способами, что дает определенные преимущества..

В качестве примера на рис. 3.1 приведена структура 8-разрядных МК серии

Intel 8051, а на рис. 3.2 – структура 32-разрядных МК серии AT91SAM7S с ин-

терфейсом USB производства компании Atmel.

Рисунок 3.1. Структура МК Intel 8051.

В составе МК i8051 имеется процессорное ядро, которое обрабатывает

данные длиной 8 бит и адреса длиной 16 бит. Тактовые импульсы вырабатыва-

ются встроенным тактовым генератором, использующим внешний кварцевый

резонатор.

Встроенная память данных выполнена в виде ОЗУ с адресным простран-

ством в 256 байт. Первые 128 байт занимают собственно ячейки ОЗУ, а в

старших 128 байтах располагаются специальные регистры (занимают часть ад-

ресного пространства). Эти регистры используются для ввода-вывода, для управ-

ления работой МК и для поддержки режима реального времени.

Встроенная память программ имеет емкость 4 или 8 Кбайт и может вы-

полняться как однократно программируемой (масочное ПЗУ), так и перепрог-

раммируемой с ультрафиолетовым стиранием. В масочное ПЗУ программное

обеспечение можно записать только в процессе изготовления МК, следователь-

но, этот вариант пригоден для массового производства МК определенного на-

значения. Второй вариант подходит для случаев программирования МК пользо-

вателем в соответствии с решаемыми им задачами применения МК. память про-

грамм может и отсутствовать.

Предусмотрено использование МК и с внешней памятью. Внешней может

быть как память данных, так и память программ. Объем и той, и другой может

доходить до 64 Кбайт, что определяется 16-разрядной адресацией ячеек памяти.

Для работы с внешней памятью через порт Р0 формируется 8-разрядная шина

данных, а через одновременно используемые порты Р0 и Р1 - 16-разрядная шина

адреса. Встроенная память программ при этом отключается сигналом ЕА.

Последовательный порт позволяет осуществлять связь МК с другими ЭВМ,

используя стандартный интерфейс SPI. Работа последовательного порта про-

граммируется с привлечением системных регистров МК.

МК имеет 4 порта (Р0, Р1, Р2, РЗ) параллельного ввода-вывода, позво-

Генератор

Процессор-

ное ядро

Таймеры

2х16 разрядов

Блок прерываний

4 порта параллель-

ного в/в

Блок памяти про-

грамм

4/8 Кбайт

Блок памяти

данных

128/256 байт

Последовательный

порт в/в данных

(SPI)

INT0

INT1

AD0-AD7

A8-A15

CLK

ALE

RST

PSEN

Линия связи

ляющих осуществлять ввод-вывод 8-разрядных двоичных кодов. Порт Р0 явля-

ется полностью двунаправленным, а порты P1, P2, РЗ – квазидвунаправленными.

Каждый разряд портов P1, P2, РЗ может быть запрограммирован как на ввод, так

и на вывод информации, независимо от состояния других разрядов. Порт Р0 при

работе с внешней памятью используется в качестве мультиплексируемой шины

"данные/младший байт адреса", а порт Р2 - для передачи старшего байта адреса.

Порт Р3 может использоваться для ввода-вывода системных управляющих сиг-

налов.

Встроенные 16-разрядные таймеры могут использоваться как для генера-

ции меток времени, так и для счета внешних событий. В режиме таймера

осуществляется подсчет числа машинных циклов, получаемых делением на 12

частоты тактовых импульсов.

Система прерываний является двухуровневой с пятью источниками зап-

росов прерывания, которые имеют фиксированные векторы прерывания. Для

управления прерываниями имеются два системных регистра. С помощью этих ре-

гистров программируются уровни приоритета прерывания и его разреше-

ние/запрещение.

МК серии AT91SAM7S разработаны под любую задачу, где требуется

привычный набор возможностей микроконтроллера, но либо производитель-

ности 8-разрядной платформы уже не хватает, либо требуется заложить

большой запас производительности на будущее.

Рассмотрим организацию и характеристики основных блоков

AT91SAM7S рис. 3.2 и рис. 3.3.

Рисунок 3.2 Упрощенная структура МК AT91SAM7S.

AT91SAM7S снабжен контроллером Flash-памяти, который выполняет

следующие функции:

- обеспечивает работу процессорного ядра с Flash-памятью;

- позволяет увеличить производительность процессорного ядра при ис-

пользовании 16-разрядного набора команд Thumb;

Процессорное

ядро

ОЗУ 4/64 Кбайт

Flash-память

32/512 Кбайт

Расширенный

контроллер

прерываний

Набор встроенных

устройств

Мост ASB/APB

Шина

ASB

бит

Шина

APB

- осуществляет функции чтения и записи данных во Flash-память, уста-

новки и снятия битов защиты блоков памяти от случайного и несанкциониро-

ванного чтения и записи.

При выполнении из Flash-памяти программы, содержащей в основном

32-разрядные команды набора ARM, максимальной производительности

можно достичь на тактовой частоте 30 МГц:

- до 27 MIPS с использованием набора команд ARM;

- до 21 MIPS c использованием набора команд Thumb.

При выполнении из Flash-памяти программы, содержащей в основном

16-разрядные команды набора Thumb, максимальной производительности

можно достичь на тактовой частоте 50 МГц, но для этого необходимо исполь-

зовать встроенную функцию кэширования второй 16-разрядной команды, по-

лученной в результате чтения 32-разрядного слова. В результате, при выпол-

нении второй команды образуется дополнительный цикл ожидания, позво-

ляющий без программных задержек считывать данные из Flash-памяти. При

использовании набора команд ARM необходимо программно добавлять цикл

задержки. Этот способ позволяет получить следующие результаты:

- до 24 MIPS с использованием набора команд ARM;

- до 38 MIPS c использованием набора команд Thumb.

Максимальной производительности (50 MIPS) можно достичь, если

дать команду процессору выполнять программу из ОЗУ, предварительно еѐ

туда загрузив.

Записанная во Flash-память программа может быть защищена от не-

санкционированного считывания или случайного стирания установкой Lock-

битов, которые осуществляют защиту памяти по зонам. Этим процессом

управляет контроллер Flash-памяти, который хранит данные для каждой зоны

(например, объем Flash-памяти 64 кБайта разбит на 16 зон, для каждой из ко-

торых можно установить индивидуальный бит защиты).

Функции стирания данных в незащищенной зоне можно производить

постранично, после чего можно производить запись данных (время выполне-

ния процедуры стирания/записи - 2мс/стр.). Также поддерживается функция

полного стирания всего содержимого Flash-памяти (выполняется за 10 мс).

С целью защиты интеллектуальной собственности - данных во Flash-

памяти - предусмотрена функция запрета доступа к Flash-памяти (на чтение и

запись) из "внешнего мира" по интерфейсам внутрисхемного программирова-

ния и интерфейсу FFPI (Fast Flash Programming Interface). Для этого предна-

значен Security Fuse бит, после установки которого доступ к содержимому

Flash-памяти по интерфейсам внутрисхемного программирования и интер-

фейсу FFPI можно будет осуществить только после полного стирания данных

с использованием внешнего вывода Erase.

С точки зрения записи программы во Flash-память, существует не-

сколько вариантов:

1. Параллельный режим программирования по интерфейсу FFPI;

2. Внутрисхемный последовательный режим программирования по ин-

терфейсу JTAG с использованием внутрисхемных программаторов;

3. Внутрисхемный последовательный режим программирования с ис-

пользованием имеющихся на кристалле интерфейсов USB либо DBGU

(DeBuG Unit - UART с усеченными возможностями). В этом режиме прини-

мает участие загрузчик SAMBA, который позволяет производить запись про-

граммы внутрисхемно без использования программатора.

Для обмена данными между оперативной памятью и периферией в мик-

роконтроллеры AT91SAM7S включен периферийный контроллер прямого

доступа к памяти (ПДП), задача которого заключается в организации обмена

данными между памятью и периферией без участия ядра микроконтроллера.

Основные преимущества такой реализации заключаются в высвобождении

вычислительных ресурсов микроконтроллера с возможностью организации

непрерывной передачи данных, не прекращающейся при возникновении пре-

рываний в системе и при остановке процессорного ядра.

Контроллер ПДП позволяет организовать обмен данными блоками по 8,

16 или 32 бита.

Для обмена данными с внешними устройствами в микроконтроллере

предусмотрено 6 преобразователей различных интерфейсов (рис.3.3).

Рисунок 3.3 Функциональные блоки микроконтроллеров AT91SAM7S

Следует отметить, что для обмена данными в AT91SAM7S предусмот-

рено два USART, обеспеченных линиями квитирования для гибкого контроля

процесса передачи данных, а для вывода отладочной информации предусмот-

Контроллер пи-

тания

Тактовый генера-

тор

Регулятор напря-

жения питания

процессорного

ядра

ФАПЧ и делите-

ли частоты

Схема начального

запуска МК

Интерфейс JTAG

Контроллер

прерываний

Перифе-

рийный

контроллер

прямого

доступа к

памяти

(ПДП)

32-разрядное

RISC процессор-

ное ядро

Встроенное ОЗУ

Flash-память

программ

Интерфейс програм-

мирования (FFPI)

Интерфейс USB

Интерфейс SPI

Интерфейс SSC

Интерфейс USART

Таймеры (до 10шт.

16-разрядных)

ШИМ-контроллер

Интерфейс CAN

Интерфейс Ethernet

Цифровые выходы с повышенной

нагрузочной способностью

АЦП 8х8(10) бит