Волчкевич Л.И. Автоматизация производственных процессов

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 1.23. Циклограмма автомата изготовления тарелочек

Реплика. Настоящий подраздел при всей скромности объема и иллюстра-

тивного материала, отсутствии математического аппарата, по-видимому,

центральный в книге; он определяет все дальнейшее ее содержание, интегрируя

категории "общности" и "вариантности", формируя основные концептуальные

подходы.

Одно из определений науки как таковой: "Наука – это поиск и нахождение

истин и закономерностей, выходящих за рамки очевидности."

Любое самостоятельное научно-техническое направление, чтобы заслу-

жить на то право, должно содержать три основных компонента:

1) концептуальные основы (важнейшие понятия, термины и определения;

систему взглядов и суждений, отличных от известных и альтернативных прояв-

лений творческой мысли; нетрадиционные принципы и постулаты, используемые

при анализе и синтезе);

2) фундаментально-теоретические основы (качественные и количест-

венные методы анализа сущности процессов и явлений с соответствующим ма-

тематическим аппаратом, количественно раскрывающим функциональные, при-

чинно-следственные связи, взаимозависимость предметов и явлений);

3) прикладную часть, где должны быть выработаны и изложены методы

решения конкретных задач разработки и применения процессов, средств и сис-

тем; это должно вытекать из концептуальных и фундаментально-

теоретических основ и быть "моментом истины" данного научно-технического

направления.

Сейчас можно утверждать, что наука об автоматизации производствен-

ных процессов отвечает этим условиям. Авторская выборка положений данной

науки изложена в настоящей книге.

1. Концептуальные основы – это трактовка понятий и определений,

принципы автоматизации, тезисы общности автоматизированного оборудова-

ОБЩНОСТЬ МАШИ

-АВТО

АТОВ

ния различного назначения, вариантности технических решений и критериев их

выбора. Этому посвящена гл. 1.

2. Фундаментально-теоретические основы – это критериальные начала

автоматизации: теория производительности и надежности; инженерные оцен-

ки экономической эффективности; принципы построения многопозиционных

машин-автоматов и систем машин инструментом теории производительности

и надежности. Данные материалы изложены в гл. 2 – 6.

3. Прикладное направление – это методы выбора оптимальных струк-

турно-компоновочных вариантов машин-автоматов и их систем на этапе тех-

нического предложения; анализ их работоспособности в условиях производства.

Эти материалы рассмотрены в гл. 7 – 10.

1.6. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

На уровне функциональных подсистем машин-автоматов наиболее

высокую общность имеют современные САУ, что проявляется в принци-

пах действия, структуре, аппаратной и программной реализации.

Сердцем любой электронной управляющей системы является мик-

ропроцессор (МП), осуществляющий функции хранения, преобразования

и выдачи информации в заданных виде и последовательности.

Микропроцессор включает в себя ряд типовых компонентов. Опера-

тивная память используется как для хранения программ и данных в про-

цессе их выполнения, так и для размещения служебной информации, не-

обходимой для работы МП. Любые обмены информацией осуществляют-

ся через шины – стандартизованные информационные магистрали. Пор-

ты ввода-вывода информации используются для организации обмена

данными между МП и внешними устройствами: ввода и вывода инфор-

мации, а также используемыми для обмена в обоих направлениях (раз-

личные устройства для долговременного хранения информации, сетевые

адаптеры, модемы и др.).

В плане аппаратной реализации МП – это большая интегральная

схема, которая представляет собой устройство, управляемое тактовыми

импульсами и способное в бесконечной последовательности выполнять

посылаемые ему команды, управляя самыми разными техническими объ-

ектами.

Периферийные устройства, их состав и функционирование опреде-

ляются конкретным назначением управляемой системы производствен-

ного или непроизводственного применения.

Проиллюстрируем общность современных САУ на примере трех

систем: а) цветного телевизора; б) персонального компьютера (ПК)

офисного назначения; в) промышленного компьютера, выполняющего

функции САУ технологическими объектами [2].

Глава 1. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ АВТОМАТИЗАЦИЯ

На рис. 1.24 показана функциональная схема современного цветного

телевизора, предназначенного для приема, усиления и преобразования

радиосигналов изображения и их звукового сопровождения.

Основная начинка телевизора – это электронные приборы (изделия

электронной техники), как электровакуумные (цветные электронно-

лучевые трубки – ЦЭЛТ, световые индикаторы), так и полупроводнико-

вые (интегральные схемы, транзисторы), а также сопротивления, конден-

саторы и т.д.

Большинство моделей современных телевизоров построено по еди-

ной функциональной схеме.

Радиосигнал с антенны поступает на тюнер, где происходит выделе-

ние и первичное усиление сигнала, который передается затем на основной

функциональный узел телевизора (видеопроцессор). Здесь усиливаются и

декодируются сигналы изображения и звука. Видеосигналы трех основных

цветов поступают на выходные видеоусилители, где эти сигналы усилива-

ются до уровней, необходимых для нормальной работы ЦЭЛТ, а именно:

формирования электронных потоков катодами электронно-лучевых пушек.

Сформированные в схемах видеопроцессоров сигналы кадровой и строч-

ной развертки подаются в соответствующие каскады усиления, а оттуда –

на отклоняющую систему (ОС) ЦЭЛТ (см. рис. 1.24).

Рис. 1.24. Функциональная схема цветного телевизора

СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

Напряжение звуковой частоты поступает от видеопроцессора на

усилители низкой частоты, а потом на динамики.

Видеопроцессор имеет также: выход на блок соединителя для под-

соединения видеомагнитофона, компьютера и т.д. в режиме записи; схе-

му автоматического регулирования работы тюнера и других электронных

узлов.

Помимо антенны входные сигналы могут подаваться в режиме вос-

произведения от подключаемых устройств: видеомагнитофона, ЭВМ и

т.д. через блок соединителя и видеопроцессор, т.е. по тому же тракту, но

минуя тюнер.

Блок питания, работающий от сети, формирует постоянное напря-

жение для питания в рабочем режиме и в режиме ожидания.

Основой системы управления телевизором является процессор

управления – микроконтроллер МП, выполняемый в виде отдельного уст-

ройства. Управление осуществляется либо с передней панели, либо с пульта

дистанционного управления ДУ, который вырабатывает импульсы в инфра-

красном диапазоне ИК, принимаемые фотоприемником. Сигналы управле-

ния поступают на блок питания, меняя его режим, а также на видеопроцес-

сор, а оттуда – на другие функциональные узлы (усилители и др.).

Рассмотренные основные компоненты телевизора являются состав-

ной частью современного офисного ПК (даже внешне – основной вывод

информации проводится посредством ЦЭЛТ).

На рис. 1.25 показана функциональная схема аппаратной части ПК,

центральным компонентом которого также является МП.

Основные характеристики МП:

- тактовая частота, измеряемая в мегагерцах (МГц);

- набор команд, которые МП "понимает" и может выполнять;

- разрядность шины данных (ШД);

- разрядность шины адресов – ША (ширина адресного пространства).

По ШД МП получает информацию для обработки и затем выдает

полученный результат. Разрядность (или "ширина") ШД – число бит, ко-

торые МП может одновременно обрабатывать.

Для обращения к памяти используется ША. При обращении в об-

ласть памяти по указанному в программе адресу МП считывает инфор-

мацию из ряда ячеек, которые составляют так называемое "машинное

слово".

Размер машинного слова обычно соответствует разрядности ШД.

Через области памяти, выделяемой для устройств ввода-вывода (порты),

осуществляется обмен информацией МП с внешними устройствами.

На аппаратном уровне МП включает в себя следующие основные

устройства (см. рис. 1.25).

Глава 1. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ АВТОМАТИЗАЦИЯ

Рис. 1.25. Функциональная схема аппаратной части ПК

1. Устройство СК (счетчик команд) – формирует адреса команд во

время выполнения программы в соответствии с заданной очередностью,

когда каждый следующий адрес памяти определяется увеличением пре-

дыдущего на единицу, а при изменении обстановки (подпрограммы, пре-

рывания, переходы с условием и без) насильно устанавливается по дан-

ным из команды.

2. РК (регистр команд) – хранит в течение цикла выполняемую ко-

манду и поставляет информацию для дешифратора команд.

3. ДК (дешифратор команд) – по коду команды вырабатывает управ-

ляющие сигналы для прочих модулей в соответствии с тактовыми им-

пульсами генератора тактовых импульсов (ГТИ).

4. ГТИ (генератор тактовых импульсов) – формирует опорную так-

товую частоту, обеспечивая синхронную работу устройств и пошаговое

выполнение действий.

5. СП (система прерываний) – по каналам прерываний воспринимает

запросы устройств на прерывание работы МП и устанавливает началь-

ный адрес подпрограммы обслуживания прерывания. Содержимое счет-

чика СК (адрес откладываемой при прерывании команды) сохраняется в

специальной памяти-сетке.

СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

6. АЛУ (арифметико-логическое устройство) – является ядром МП.

Управляющий сигнал от ДК обеспечивает выполнение в АЛУ логической

или арифметической операции с одним или двумя операндами. Резуль-

тат – новое двоичное машинное слово.

7. ПП (память программ) – хранит программу. В начале цикла ко-

манды по адресу, определяемому СК, команды считываются из ПП в РК.

8. ПД (память данных) – используется для хранения данных в про-

цессе обработки. Передача данных обычно реализуется за несколько так-

тов.

9. УВвВ (устройства ввода-вывода) – порты ввода-вывода информа-

ции для связи с внешними устройствами. Порт представляет собой об-

ласть памяти, с которой могут выполняться только операции считывания

(ввод) или записи (вывод). Внешние устройства работают с соответст-

вующими им областями памяти и проводят обратные действия: запись

(ввод) и считывание (вывод).

Устройства на схеме (см. рис. 1.25), обведенные пунктиром, являют-

ся управляющими и запускаются от тактовых импульсов, управляемые

устройства побуждаются к выполнению действий сигналами управляю-

щих устройств.

При реализации программы, которая располагается в области ПП, по

некоторому адресу, начиная с первой команды, происходит считывание

этой команды в РК с последующими дешифрацией и формированием ДК

управляющих сигналов для других устройств в соответствии с кодом ко-

манды и записанной в команде информацией. При выполнении арифме-

тико-логических действий необходимые данные поступают в АЛУ из

области ПД по адресам, формируемым ДК, а в случае работы с устройст-

вами ввода – из области пространства памяти УВвВ. Результаты вычис-

лений могут поступать (записываться) в ПД или выводиться в область

пространства адресов устройств вывода.

Если в команде заложен переход к подпрограмме, то СК формирует

адрес следующей команды и сохраняет его значение в стековой памяти.

Дальнейшие действия реализуются, начиная с адреса подпрограммы, ко-

торый указывается в команде.

Для выполнения условных переходов АЛУ выставляет флаг (при-

знак) результата, влияющий на формирование адреса следующей коман-

ды. Флаг служит своего рода сигналом, сообщающим о том, что зало-

женное в команде перехода условие выполнено.

Команда МП имеет строго определенную структуру. Общим являет-

ся то, что в начале команды записывается код, затем информация, необ-

Глава 1. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ АВТОМАТИЗАЦИЯ

ходимая для выполнения команды. МП сначала считывает код команды,

потом данные и служебную информацию, а затем приступает к ее выпол-

нению. Последнее может быть совмещено со считыванием кода следую-

щей команды (конвейерный механизм, применяемый во всех современ-

ных МП).

На программном уровне в цикле команды МП осуществляет сле-

дующие основные действия (рис. 1.26).

1. Вызов команды из ПП в РК (местоположение первой команды

определяется по начальному адресу программы в памяти).

2. Выполнение команды: анализируется и декодируется содержи-

мое РК, а затем реализуется последовательность типовых (для данного

МП) элементарных действий (микрокоманд) для выполнения команды.

3. Формирование адреса следующей команды (в простом случае

путем увеличения адреса на единицу).

Рис. 1.26. Цикл команд МП и виды взаимодействий при их выполнении

СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

4. Проверка запросов на прерывание. Проводится перед выполне-

нием следующей команды. Прерывание – это сигнал, направленный от

устройства к МП и сообщающий ему о необходимости обслуживания

данного устройства. Если есть запрос, то адрес последующей команды

сохраняется в стековой памяти, а СП вырабатывается предусмотренный

для каждого конкретного случая начальный адрес (место размещения)

подпрограммы обслуживания прерывания. После выполнения подпро-

граммы обработки прерывания снова вызывается адрес отложенной ко-

манды. Далее цикл повторяется.

Круг визуальных, расчетных, ситуационных и других задач, решае-

мых обычными ПК, все же относительно невелик, их прямое использова-

ние для целей управления ограничено. Для этого создаются промыш-

ленные компьютеры, которые и являются основой современных САУ.

Они должны по сравнению с обычными ПК удовлетворять ряду дополни-

тельных требований.

1. Повышение требования к надежности. "Зависание" изображе-

ния на экране телевизора или обычного офисного компьютера – привыч-

ный, хоть и не очень приятный факт. Причиной большинства зависаний

является программный или аппаратный сбой, ведущий к нарушению со-

держимого СК МП. После помехи на экране обычного телевизора изо-

бражение восстановится, а вот вероятность того, что после помехи вос-

становится содержимое СК, практически нулевая. Зависание промыш-

ленного компьютера, точнее, центрального процессора, управляющего,

например, ядерной электростанцией, – это уже ЧП. В период зависания

центральный процессор не в состоянии принять должные меры к под-

держанию состояния объекта на предписанном уровне. Это может при-

вести к катастрофическим последствиям.

2. Повышение требования к гибкости системы. ПК взаимодейст-

вует с человеком (клавиатура, мышь и др.), принтером, плоттером, скане-

ром. При управлении технологическим объектом компьютер должен

снимать разнообразнейшую информацию со многих объектов и выдавать

на них команды в дискретном либо аналоговом представлении. Перепро-

граммирование, изменение конфигурации системы и т.п. является посто-

янной задачей.

Функциональная схема типовой САУ технологическим объектом,

например металлорежущим станком, установкой вакуумного нанесения

покрытий, экспонирования при микролитографии и др., приведена на

рис. 1.27. Идентичными с офисным компьютером являются два основных

блока: человеко-машинный интерфейс (аналог УВвВ) и вычислительное

ядро.

Глава 1. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ АВТОМАТИЗАЦИЯ

Рис. 1.27. Структурная схема САУ на основе промышленного компьютера:

ДУ – дискретное управление; ДК – дискретный контроль;

АУ – аналоговое управление; АК – аналоговый контроль

Добавлены: 1) блоки коммутации, которые могут связывать САУ с

другими системами, например управления АЛ или вышестоящими уров-

нями организационно-экономического управления; 2) блок связи с объек-

том управления.

Все компоненты САУ объединяет шина ISА в виде центральной не-

сущей платы.

Конструктивно в зависимости от требований к ней, САУ оформля-

ется различным образом. Если пульт управления представляет собой

стандартную стойку и требуется развитый человеко-машинный интер-

фейс, САУ выполняется как единая рабочая станция. Герметичная кла-

виатура размещена на лицевой панели рядом с дисплеем. Дисплей может

быть оснащен сенсорным экраном, позволяющим вводить информацию

указанием на его различные зоны.

Вычислительное ядро САУ оформлено в виде отдельной (процес-

сорной) платы (рис. 1.28).

На плате помимо собственно МП расположены все элементы, необ-

ходимые для полноценного функционирования вычислительного ядра.

Это контроллеры гибких и жестких дисков, ПЗУ с базовой системой вво-

да-вывода, оперативная память. Часто в единый модуль интегрированы

видеоадаптер и средства коммуникации.

СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

Рис. 1.28. Вычислительное ядро САУ

Главное внимание при разработке процессорной платы обращают на

повышение надежности функционирования, что достигается за счет на-

дежности аппаратной части и работы программного обеспечения. Это

удается получить прежде всего применением более надежных компонен-

тов. Так, оперативная память формируется из более надежных схем ста-

тической памяти. Наиболее важные данные располагают в энергозависи-

мом ОЗУ (см. рис. 1.28). При любых сбоях питания эти данные сохранят-

ся неизменными.

За работой вычислительного ядра постоянно следит специальное уст-

ройство, фиксирующее каждый случай зависания управляющей программы.

Называют его "сторожевая собака" (W/D-WATCHDOG; см. рис. 1.28). Пра-

вильно работающая программа обязана с определенным интервалом по-

давать в это устройство сигнал W/D

–

in и сбрасывать W/D. Если этого

сигнала не будет, WATCHDOG сам сбросит и перезапустит МП сигналом

Reset. Интервал подачи сигнала W/D

–

in составляет обычно от нескольких

десятков миллисекунд до нескольких секунд. Аппаратно контроллер сде-

лан и оснащен таким программным обеспечением, чтобы процесс его

перезапуска составлял несколько секунд (иногда десятых или сотых до-

лей секунды) и после перезапуска продолжал работу с прерванного мес-

та, восстановив свое состояние.

Средства коммуникации, если они не очень развиты, также разме-

щаются на процессорной плате. В современных конструкциях все боль-

шее распространение в распределенных управляющих сетях получает

обмен по радиоканалам.

Глава 1. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ АВТОМАТИЗАЦИЯ