Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ УВК



На протяжении 20 — 25 лет, начиная с 1960-х гг., в качестве основы УВК использовались малые, или мини-ЭВМ. ЭВМ этой категории обладали достаточной производительностью для управления технологическими процессами при существенно меньшей стоимости по сравнению с большими универсальными ЭВМ. Появление микропроцессоров и микроЭВМ привело к существенному расширению сферы применения УВК. Чтобы выполнять функции УВК, базовая ЭВМ дополняется специальными техническими и программными средствами.

Рис. 1. Структурная схема УВК

 

Управляющий вычислительный комплекс имеет два принципиальных отличия от универсальных ЭВМ. Во-первых, он через датчики и регулирующие органы осуществляет непосредственную связь с объектом управления. Во-вторых, УВК должен своевременно откликаться на события, происходящие в объекте управления, с которым он взаимодействует, работать в одном темпе с объектом управления, т.е. в реальном времени. Реальное время — понятие относительное и зависит от темпа протекающих процессов.

Упрощенная структурная схема УВК показана на рис. 1.

Комплекс взаимодействует с внешней средой через устройства связи с объектом (УСО) — устройства аналогового и цифрового ввода и вывода. Физические величины, отображающие протекание технологического процесса (например, его температура), носят преимущественно аналоговый характер. Аналоговый сигнал для передачи в ЭВМ должен быть преобразован в цифровую форму. Преобразование аналоговых величин в цифровые осуществляется устройством аналогового ввода.

Обобщенная структура устройства аналогового ввода представлена на рис. 2. Физическая величина преобразуется датчиком в электрическую. Датчиками с электрическим выходом являются, например, термопары и термосопротивления, измеряющие температуру. Цифровое представление аналогового сигнала обеспечивают аналого-цифровые преобразователи (АЦП). Поскольку уровни сигналов датчиков, как правило, не соответствуют требованиям преобразователя, устройства аналогового ввода дополняются обычно средствами нормирования сигнала, в качестве которых используются аттенюаторы, фильтры и т.д. Для поочередного подключения входных сигналов к АЦП используется мультиплексор.

Рис. 2. Структурная схема устройства аналогового ввода

 

Исполнительные устройства, управляющие технологическим процессом, являются, как правило, аналоговыми. Сопряжение между УВК и аналоговыми исполнительными устройствами осуществляется устройствами аналогового вывода (рис. 3). Аналоговое представление сигнала обеспечивается цифроаналоговыми преобразователями (ЦАП), вырабатывающими аналоговый сигнал, пропорциональный цифровому значению, поступившему от ЭВМ. Устройство управления обеспечивает связь с центральным процессором (ЦП) и передачу данных в ЦАП. Выходной величиной ЦАП является аналоговый сигнал напряжения или тока, пропорциональный входному цифровому сигналу. Выходной сигнал приводится к виду, требуемому для управления исполнительными устройствами.

Рис. 3. Структурная схема устройства аналогового вывода

Информация о технологическом процессе может быть представлена не только аналоговыми сигналами, но также сигналами, принимающими дискретные значения. В некоторых технологических процессах используются датчики импульсов. Электрический импульс, регистрируемый счетчиком, может указывать на какое-либо событие или являться известной мерой какой-либо величины. Может также использоваться дискретный сигнал, соответствующий состоянию контактов «включено-выключено» (состояние двигателя, реле и т.д.) или «в пределах - вне пределов», отражаемому разрядом входного регистра.

Основная функция устройства дискретного ввода (рис. 4) — регистрация или подсчет двоичных сигналов, возникающих в технологическом процессе. Схемы нормализации сигнала преобразуют входные сигналы, представленные в виде тока или положения переключателя, в сигналы напряжения и содержат помехозащитную пороговую схему, выходное напряжение которой соответствует логической единице, если входное напряжение превышает некоторый порог. Устройство управления обеспечивает связь с ЦП и формирование внутренних управляющих сигналов. В ряде случаев управление технологическим процессом требует наличия как аналоговых, так и цифровых выходов. Некоторые исполнительные механизмы, например шаговый двигатель, управляются не аналоговой электрической величиной, а электрическими импульсами. При этом устройство вывода вырабатывает последовательность управляющих электрических импульсов, количество и параметры которых задаются программой в УВК.

Рис. 4. Структурная схема устройства дискретного ввода

 

Обобщенная структура устройства вывода дискретных сигналов представлена на рис. 5. Основная функция таких устройств — функция ключа, управляющего источником напряжения или тока. Это может быть полупроводниковый ключ для коммутации нагрузки малой мощности с высокой скоростью или релейный ключ для коммутации мощной нагрузки при относительно малых скоростях переключения. Длительность замыкания ключа и число импульсов могут программироваться. Каждый бит выходного регистра может использоваться независимо для управления каким-либо технологическим оборудованием.

Рис. 5. Структурная схема устройства дискретного вывода

 

Управляющий вычислительный комплекс должен быстро реагировать на события, происходящие в управляемом технологическом процессе. Момент появления этих событий заранее неизвестен; он не может быть предусмотрен ни оператором, ни программистом, описывающим алгоритм управления. Возможность реакции на внешние события обеспечивается системой прерывания. Датчики, регистрирующие события на объекте, передают информацию в модули УСО, которые посылают в УВК запрос на прерывание. При поступлении сигналов, оповещающих о необходимости реакции УВК на события в управляемом процессе, УВК прерывает работу текущей программы и переходит к выполнению программы, предназначенной для обработки данного события. После выдачи необходимого воздействия на объект управления УВК возобновляет выполнение прерванной программы/Наличие системы прерываний — важная архитектурная особенность УВК.

Работа в реальном времени предполагает использование времени как параметра управления процессом. Управляющие воздействия должны быть выданы через определенное время после появления каких-либо событий в технологическом процессе. Для реализации функций, связанных с отсчетом времени, используются или программируемый таймер, или «часы реального времени», показания которых определяют моменты времени для выполнения управляющих воздействий.

На рис. 6 приведена структурная схема включения УВК в замкнутый контур управления технологическим процессом. Управление осуществляется на основе математической модели технологического процесса, которая разрабатывается в результате всестороннего изучения поведения процесса и его реакции на управляющие воздействия. Модель процесса служит основой для разработки алгоритма управления — процедуры расчета управляющих воздействий. Значения сигналов, поступающих от датчиков технологического процесса, являются входами алгоритма управления. В соответствии с этим алгоритмом создается программа, вычисляющая значения управляющих воздействий, которые реализуются исполнительными механизмами.

Рис. 6. УВК в контуре управления технологическим процессом: х1,..., х2 — параметры процесса; у1,..., уn — управляющие воздействия; D — датчики; ИМ — исполнительные механизмы

 

Эксплуатируются УВК в основном в производственных условиях. В этой связи конструктивной особенностью УВК является пылезащитный и сейсмостойкий корпус, защищающий их при работе в неблагоприятных условиях внешней среды от механических ударов и вибраций, повышенной влажности, запыленности и т.д. Характерным для УВК является модульный конструктивный принцип, обеспечивающий удобство обслуживания и ремонта. Эти комплексы имеют намного большее, чем у офисных компьютеров, количество слотов расширения, что позволяет обслуживать большое количество датчиков и исполнительных устройств. В отличие от офисных компьютеров в УВК платы расширения устанавливаются не на системную (материнскую) плату (что непригодно для промышленных условий), а на пассивную объединительную панель, содержащую только слоты расширения. Системная плата — модуль ЦП — так же, как и модули устройств ввода-вывода, вставляется в слот пассивной объединительной панели. Такая компоновка позволяет снизить механические нагрузки на системную плату и существенно повысить надежность УВК.

УВК используют специализированное программное обеспечение — операционные системы реального времени, главная задача которых состоит в быстрой реакции на события, происходящие в управляемом объекте.

К управляющему комплексу предъявляются более жесткие требования по надежности, чем к универсальным ЭВМ, используемым для научно-технических расчетов, поскольку ложное решение, принимаемое машиной, может привести к аварии на управляемом объекте. Надежность можно считать основным критерием качества УВК. Проблема обеспечения надежности УВК требует решения на всех этапах его проектирования и производства. Требования к надежности управляющей вычислительной техники обычно задаются на уровне требований к надежности основного технологического оборудования, для управления которым она используется.

В особо ответственных промышленных АСУТП с режимом эксплуатации, не допускающим перерывов в работе, УВК должны быть отказоустойчивыми, т.е. продолжать работу без снижения производительности в случае, когда в их аппаратных или программных средствах возникают отказы или сбои. Они должны обеспечить безошибочную работу технологического процесса без его остановки или нарушения во избежание возможных технологических и экономических потерь.

Отметим, что поскольку задача управления представляет собой неравномерную нагрузку для УВК, то в интервалы времени, свободные от управления, возможно выполнение других задач, не связанных напрямую с управлением, например инженерных расчетов.

Области применения УВК весьма разнообразны: автоматизация промышленных технологических процессов, автоматизация процессов диагностики в медицине, автоматизация научных экспериментов и т.д.




Поиск по сайту:

©2015-2020 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.