Поява МП та мікроЕОМ зумовила розробку та широке впровадження в промисловість високонадійних, гнучких щодо заміни алгоритму і порівняно дешевих АСК ТП. Загалом для реалізації складних розподілених АСК ТП необхідна наявність сучасних універсальних ЕОМ (комп'ютерів) з відповідними операційними системами, а також набір мікроконтролерів з широким діапазоном технічних характеристик. МП та мікроЕОМ здійснюють програмне керування верстатами, виробничими лініями, промисловими роботами та іншими складовими АСК ТП. Вони регулюють параметри технологічних процесів та виконують низку інших функцій.
Будь-яка система автоматичного чи автоматизованого керування виконує три основні функції: прийом вхідних даних; їх логічні та арифметичні перетворення; вироблення на основі цих перетворень керуючих дій.
При розробці АСК ТП першим етапом є уточнення цілей і задач, які вона повинна вирішувати. Необхідно уточнити якомога детальніше і математично точно всі логічні зв'язки між причинами та висновками. Це бажано мати в такому вигляді: «Якщо кнопка А натиснута і реле В замкнуте, то повинна вмикатися сигнальна лампа Н і через 5с (10, 20...) — запрацювати двигун М».
Розробка МПС автоматичного керування технологічними процесами складається з таких етапів:
1) вироблення базової концепції;
2) розробка алгоритму керування;
3) проектування апаратних засобів;
4) складання та кодування робочих програм.
Базова концепція — загальне уявлення, первинна ідея, яка визначає принцип дії і метод реалізації проектованої системи.
Вироблення базової концепції починається з прийняття рішення про те, що повинно бути створене: система автоматичного керування (САК, тобто система, що працює без участі людини) або автоматизована система керування (АСК).
Технічна реалізація САК, як правило, значно простіша порівняно з АСК, оскільки не потрібні органи ручного керування, засоби введення та зміни програми, пристрої індикації та ін. Апаратна частина у такому випадку простіша.
Алгоритм — набір процедур або чітка послідовність дій, виконання яких дає потрібний результат.
Основні задачі мікропроцесорних пристроїв і систем в АСК ТП:
1. Контроль технологічного процесу:
а) первинна обробка даних про роботу технологічного агрегата або вузла, обладнаного датчиками. Метою є контроль достовірності даних та їх перетворення для подальшого використання. Первинна обробка даних передбачає: фільтрацію перешкод, лінеаризацію, масштабування, порівняння поточних значень із гранично допустимими та ін.;
б) обчислення поточних значень параметрів, що не підлягають безпосередньому вимірюванню;
в) стеження за швидкістю вимірювання параметрів з індикацією граничних значень;
г) виявлення фактів порушення технічного регламенту;
д) оперативний розрахунок техніко-економічних показників (продуктивності та ін.).
2. Керування технологічним процесом:
а) стабілізація параметрів шляхом регулювання за класичними законами (пропорційним, інтегральним тощо);
б) двопозиційне керування за логічними законами, автоматизована реалізація технологічного регламенту протягом певного часу (наприклад, протягом пуску), корекція оперативних планових завдань.
Мікропроцесори в АСК ТП використовують в режимах: 1) збирання даних; 2) порадник оператора; 3) суперві-зорне керування; 4) безпосереднє цифрове керування.
Система збирання даних є однією з найпростіших форм використання МП. У даному випадку параметри виробничого процесу перетворюються на цифрову форму, сприймаються підсистемою введення і переміщуються в запам'ятовуючий пристрій. МП здійснює логічну обробку і перетворення інформації, що поступила. Результати обчислень використовують для керування. Для цього вони можуть відображатись на екрані дисплея чи друкуватися у формі, зручній для сприймання оператором.
Порадник оператора є наступним за складністю використання мікропроцесорів в АСК ТП. У цьому випадку виходи МП не пов'язані з органами керування технологічним обладнанням, а лише виводяться на пристрій відображення. Система за введеною в неї математичною моделлю розраховує керуючі дії, необхідні для наближення режиму процесу до оптимального, і виводить їх для спостереження. Оператор приймає рішення — враховувати чи ігнорувати рекомендації, які видає йому система. В останньому випадку він здійснює керування на підставі власного досвіду та інтуїції. Одним із серйозних недоліків такого режиму використання мікропроцесорів в АСК ТП є обмеження, пов'язані з участю людини-оператора.
Супервізорне керування ще складніше порівняно з порадником оператора з погляду застосування мікропроцесорів в АСК ТП. У цьому випадку процесор працює в замкнутому контурі, тобто виходи системи керування пов'язані з технологічним обладнанням, і всі вставки регуляторів здійснюються безпосередньо системою. Робота вхідної частини такої системи ідентична роботі системи в режимі порадника оператора. Але в останньому випадку значення вставок перетворюються на величини, які можуть змінювати настроювання регуляторів. Функції оператора щодо спостереження і втручання вимагаються лише в разі виникнення відмов системи або непередбачених ситуацій.
У моделі процесу супервізорного керування враховується значно більше змінних, ніж у попередньо зазначених режимах використання мікропроцесорів в АСК ТП.
Безпосереднє цифрове керування передбачає подачу керуючих сигналів, які використовуються для приведення в дію виконуючих механізмів, безпосередньо з керуючої ЕОМ. Регулятори окремих параметрів взагалі вилучаються із системи. Система керування розраховує реальні дії і передає відповідні сигнали безпосередньо на керуючі механізми. В попередніх випадках розраховувались тільки вставки. Розрахунки реальних дій і передання відповідних сигналів на керуючі механізми здійснюються окремо для кожного контура керування. Кількість таких контурів може змінюватись від кількох десятків до кількох сотень. Зрозуміло, що така система повинна працювати в режимі реального масштабу часу, тому затримки часу в кожному контурі необхідно обов'язково враховувати та аналізувати.
Техніка числового програмного керування (ЧПК) набула значного поширення. Сучасна техніка ЧПК стала істотним фактором підвищення продуктивності праці, стимулом для втілення у виробництво кращих досягнень із сфер механіки та електроніки, електротехніки та гідравліки, обчислювальної техніки і техніки зв'язку. Галузь верстатобудування була однією з перших, де почали широко застосовувати мікропроцесорну техніку.
Мікропроцесорний пристрій ЧПК — автономний спеціалізований обчислювальний пристрій (проблемно-орієнтований), обробним елементом якого є МП. У літературі існують й інші визначення мікропроцесорного пристрою ЧПК, зокрема: пристрій, пристосований до роботи у виробничих умовах в режимі керування в реальному часі; пристрій, побудований на базі мікропроцесорного набору та інтегральних схем загального призначення, чи мікропроцесорних модулів або універсальних мікроЕОМ; пристрій, що має розвинуту систему інтерфейсів для обміну сигналами з об'єктами керування, та ін.
Існує кілька класів архітектурної побудови мікропроцесорного пристрою ЧПК. Найпростіший варіант — однопроцесорний. МП входить до складу універсальної ЕОМ і служить центральною частиною спеціалізованого модуля (ЕОМ), оптимізованого відповідно до задач ЧПК. Різноманітні канали мікроЕОМ і ЧПК пов'язані через адаптери, призначені для програмно-налагоджувального з'єднання пристроїв з різними способами подання даних. Функції контролерів периферійних пристроїв мікроЕОМ полягають в адресуванні абонентів, прийманні та буферизації повідомлень, контролі передачі повідомлень. Інтерфейсні блоки здійснюють зв'язок з об'єктом, зокрема приводами та автоматикою верстата і периферією ЧПК-дисплея, панеллю оператора та ін.
Нарощують обчислювальні можливості та відповідно функції ЧПК двома способами: 1) центральний процесор складається з одного МП, але всі пристрої зв'язку з периферією мікроЕОМ і ЧПК та зв'язку з об'єктом також побудовані на МП, збільшення обчислювальної потужності забезпечується звільненням центрального процесора ЧПК від трудомістких функцій вводу/виводу; 2) безпосередньо збільшується потужність центрального процесора за рахунок його побудови як мультипроцесорної системи.
Наступна можливість досягнення заданого рівня функціональності полягає в декомпозиції всієї системи на структурно однорідні та функціонально завершені блоки, кожний з яких має свій обчислювач, групу периферійних пристроїв та засоби міжагрегатного зв'язку. Агрегати орієнтовані на введення, редагування керуючої інформації та підготовку даних, на інтерполяцію і керування приводами подання, на керування автоматикою верстата.
Одним з основних способів підвищення функціональності систем ЧПК є збільшення кількості процесорів і побудова розподіленої обчислювальної системи, в якій функції керування децентралізовані.
Орієнтація потужних систем ЧПК з мікропроцесорами на «безлюдну» технологію передбачає:
—автоматичну зміну таблиць корекцій інструмента, базових зміщень та вихідних координат за результатами вимірювання інструмента, деталі, базової поверхні;
—автоматичне визначення пошкодження інструмента, ідентифікацію поломки і вибір стратегії її усунення;
—контроль за неперевищенням стійкості інструмента, автоматичну заміну інструмента, який вичерпав свій ресурс;
—автоматичне центрування та ін.
Особливості застосування мікропроцесорних пристроїв у радіоелектронній апаратурі
Розвиток сучасної радіоелектронної апаратури (РЕА) характеризується широким застосуванням цифрових методів обробки, перетворення і реєстрації сигналів.
Прогрес у галузі мікроелектроніки зумовив створення мікропроцесорних ВІС та НВІС, елементної бази для побудови нового класу цифрової РЕА — мікропроцесорних пристроїв, які є функціонально закінченими, програмно керованими обчислювальними пристроями.
Найчастіше МПП застосовують разом з цифровими пристроями жорсткої логіки, розширюючи функціональні можливості РЕА. Радіоелектронні пристрої об'єднують аналогові, цифрові та аналого-цифрові вузли. За конструкцією такі пристрої, як правило, є моноблоком. МПП, що реалізують певні функціональні вузли РЕА, вбудовуються в нього і конструктивно становлять одну чи декілька комірок моноблока.
Сфери застосування МПП у сучасній РЕА зумовлені переважно їх швидкодією та функціональними можливостями порівняно з комбінаційними пристроями. В міру зміни цього співвідношення на користь МПП розширюються й сфери їх застосування.
Виходячи із сучасного рівня функціональних можливостей МПП, виділяють такі сфери застосування мікропроцесорів в РЕА:
1. цифрові системи радіозв'язку;
2. цифрова обробка сигналів;
3. керування променем фазованих антенних решіток (ФАР) радіолокаційних станцій (РЛС);
4. спеціалізовані пристрої.
У цифрових системах радіозв'язку застосовуються широкосмугові шумоподібні модулюючі сигнали. їх використання дає змогу розосередити енергію випромінюваного сигналу в широкому діапазоні частот, зумовленому шириною спектра модулюючого сигналу.
Цифрова обробка сигналів передбачає цифрову фільтрацію, спектральний аналіз, кореляційну обробку тощо. Алгоритм керування променем ФАР РЛС складається з двох частин: одна призначена для обчислення напрямних косинусів за даними кутового положення літального апарата в просторі та попередньої вказівки пеленга цілі; друга дає змогу за отриманими значеннями напрямних косинусів розрахувати фазове розподілення у ФАР.
У спеціалізованих пристроях МП застосовуються для заміни пристроїв, виконаних на інтегральних схемах середнього та малого ступенів інтеграції. Такі схеми виконують функції блоків синхронізації, кодуючих та декодуючих пристроїв, пристроїв керування та ін.
МП створюють широкі можливості розв'язання багатьох задач програмним шляхом. За допомогою МП можна реалізувати найскладніші алгоритми обробки сигналів. Ці розв'язки можуть наближатися до оптимальних і, відповідно, покращувати технічні параметри систем та надавати їм нові функції. Висока продуктивність МП і мік-роконтролерів нового покоління значно полегшує розв'язання задачі об'єднання і спільної обробки інформації від різних джерел при створенні радіотехнічних комплексів. Стало можливим розширення комплексування за рахунок збільшення ступеня інтеграції пристроїв і систем, що входять до складу радіотехнічних комплексів. На основі цього підвищились точність та надійність їх роботи. Комплексування стало здійснюватись не тільки під час вторинної обробки інформації, а й на етапі первинної обробки. Ефективність такого підходу зростає в разі передбачення керування внутрішньою структурою комплексу при зміні розв'язуваних задач або умови їх розв'язання, а також у разі відмови різних пристроїв і систем, що входять до складу комплексу.
Для реалізації зазначених можливостей радіоінженер повинен знати способи апаратно-програмної реалізації алгоритмів на основі сучасних МП і мікроЕОМ.