ЛЕКЦИЯ 8. 1 Технические средства систем управления

 

1 Технические средства систем управления

Иерархия систем управления ГПС и различ­ный тип задач, решаемых на разных уровнях, высокие требования к надежности АСУ, территориальная рассредоточенность объектов управления и некоторые другие при­чины приводят к выводу о необходимости иметь в АСУ ГПС сеть ЭВМ различного класса. Современные вычисли­тельные машины с развитыми периферийными устройст­вами типа дисплеев и дисковой памяти в совокупности с линиями связи между ЭВМ составляют основу техниче­ских средств АСУ ГПС.

Применение ЭВМ в АСУ ГПС. На рисунок 1 показана структурная схема взаимодействия различных вычисли­тельных средств в АСУ ГПС. Верхние уровни управле­ния ГПС типа участка обычно оснащают мини-ЭВМ, ко­торая по линиям связи соединена с микроЭВМ или про­граммируемыми контроллерами (ПК) (специализирован­ные управляющие микро ЭВМ). Возможен вариант схемы с тремя уровнями управления. Например, от мини-ЭВМ управляющие команды передаются на микро ЭВМ 2, ко­торая управляет гибким производственным модулем ГПМ. Тогда на нижнем уровне будут функционировать вычисли­тельные средства 5, 6, 7 для станка с ЧПУ, промышленного робота, контрольно-измерительного устройства КИУ.

Для канала (шины) связи 5 станка показаны устрой­ства, воспринимающие и отрабатывающие управляющие команды. Через контроллер К т. е. устройство согласо­вания и связи, подключены исполнительные механизмы (приводы), релейные схемы, датчики, накопители на магнитной лейте НМЛ или магнитных дисках НМД, индикаторы, дисплей (устройство связи с оператором).

 

Рисунок 1 - Состав технических средств АСУ ГПС

Степень совершенства АСУ ГПС и возможность даль­нейшего развития системы зависят как от характеристик вычислительной техники, линий связи и средств сопря­жения (аппаратная часть), так и от применяемого про­граммно-математического обеспечения.

В настоящее время вычислительные средства для ГПС, начиная от контроллеров и систем управления станками с ЧПУ и кончая ЭВМ верхнего уровня, строят на ин­тегральных микросхемах (ИС). Интегральная микро­схема — это конструктивно законченное устройство, вы­полняющее определенную функцию преобразования сиг­нала и имеющее высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов.

Интегральные схемы имеют огромные преимущества по сравнению с ранее применяемыми дискретными элементами. Их возможности увеличиваются при переходе от ИС малой степени интеграции к большим интегральным схемам (БИС) и сверхбольшим интегральным схемам (СБИС). Они весьма компактны, для питания требуется незначительная мощность источников, при выпуске ИС большими сериями процесс их изготовления автоматизи­руется, что приводит к значительному снижению стои­мости и увеличению надежности. Повышенная надежность ИС определяется также небольшим количеством контактов и паек.

Микропроцессор — это программно управляемое уст­ройство, осуществляющее прием, обработку и выдачу цифровой информации и построенное на одной или не­скольких ИС.

Дальнейшее развитие технологии изготовления БИС и СБИС, новые разработки микропроцессоров и других ИС позволили перейти к выпуску однокристальных микро-ЭВМ. В этих ЭВМ помимо микропроцессора имеется не­большое оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) микропро­грамм, устройства ввода-вывода, таймер (счетчик вре­мени) и генератор тактовых импульсов, которые исполь­зуют для управления работой блоков микро ЭВМ.

Широкое применение в АСУ ГПС, особенно на сред­них и нижних уровнях управления, получили микро-ЭВМ и программируемые контроллеры.

Микро ЭВМ—это устройство, состоящее из микропро­цессора, запоминающего устройства, интерфейса ввода-вывода и пульта управления, объединенных в одной не­сущей конструкции. Интерфейс определяет правила и конструктивные решения для связи объектов с ЭВМ. Интерфейсы реализуются программным способом и аппа­ратными средствами. Они могут обеспечивать взаимодей­ствие нескольких ЭВМ и стандартного периферийного оборудования типа печатающих устройств, перфоленточных фотовводов, дисплеев. Наибольшую сложность пред­ставляют интерфейсы для связи ЭВМ и технологического оборудования, которые могут значительно отличаться друг от друга по исполнительным механизмам, устройст­вам отображения информации, диагностики, средствам связи с оператором. Унификация устройств управления технологическим оборудованием ведет к применению стандартных интерфейсов, что значительно снижает слож­ность программного управления и АСУ ГПС.

 

Рисунок 2 - Периферийные устройства управляющей микро ЭВМ

Структурная схема взаимодействия управляющей микро ЭВМ с периферийными устройствами (рисунок 2) от­ражает не только способы передачи и преобразования ин­формации, но и иллюстрирует возможности микроЭВМ при использовании ее в АСУ ГПС. Каналы связи на схеме разделены на приемные и передающие, что часто исполь­зуется при реализации связей с периферийными устрой­ствами (ПУ).

Использование в технологическом оборудовании ана­логовых сигналов для управления или контроля требует присутствия аналого-цифровых (АЦП) и цифроаналоговых (ЦАП) преобразователей. Например, индуктивные дат­чики измерительных устройств на выходе имеют плавно изменяющиеся напряжения, величина которых зависит от измеряемого размера. В этом случае необходимо в схеме взаимодействия предусматривать АЦП. Примером ис­пользования ЦАП является управление приводами постоянного тока станка или робота, где обычно требуется аналоговый управляющий сигнал для задания напря­жения тиристорного преобразователя.

Контроллеры могут размещаться отдельно от ЭВМ и ПУ, но возможно их выполнение совместно с микро ЭВМ или СУ периферийными устройствами. Для стандартных ПУ типа дисплея или внешнего запоминающего устрой­ства контроллеры разрабатывают производители аппара­туры; контроллеры располагают на одной из плат микро­ ЭВМ.

В системах управления объектами ГПС очень часто используют релейные схемы. Сигналы типа «включить— выключить» необходимы для управления электроавтома­тикой оборудования, для отработки перемещений, по­дачи напряжения на сигнальные лампочки, управления двигателями подачи смазывающе-охлаждающих средств, для получения информации от различных кнопок, ключей, путевых выключателей, средств защиты и т. п. Релейные схемы очень широко используют при программном управ­лении автоматическими переналаживаемыми линиями, где поток информационных и управляющих сигналов свя­зан с десятками и сотнями мест (точек) линии.

Для контроля за работой технологического оборудова­ния, особенно в режиме наладки или ремонта, важно иметь цифровую информацию о перемещениях рабочих органов, номерах кадров управляющей программы. Функ­ции преобразования двоичных чисел в десятичные выпол­няет контроллер двоично-десятичных преобразований.

Выпускаемые промышленностью микро ЭВМ типа «Электроника-60», «Электроника-80» имеют архитектуру и систему команд мини-ЭВМ СМЗ, СМ4, СМ1420, «Электро-ника-79», PDP-11 фирмы DEC, которые широко приме­няют в системах управления производственными процессами. Для указанных ЭВМ характерны удобная для использования в управлении система команд, рациональ­ный интерфейс, широкий набор периферийного оборудо­вания и программного обеспечения.

Семейство этих машин реализовано как ряд совмести­мых снизу вверх процессоров, ориентированных на ис­пользование в системах управления. Совместимость снизу вверх означает, что программное обеспечение с микро-ЭВМ может быть перенесено без изменений на мини-ЭВМ этого семейства. Программная совместимость указанных ЭВМ различного класса и широкий набор системных и прикладных программ, а также перечисленные выше до­стоинства объясняют тот факт, что большая часть систем управления ГПС основана на использовании ЭВМ се­мейства СМ4, PDP-11.

Микро ЭВМ настольного типа, имеющие минимальный набор периферийных устройств в виде дисплея, накопи­теля на гибких магнитных дисках или кассетах с магнит­ной лентой, устройства печати, получили название персо­нальных (личных) компьютеров. По области применения персональные компьютеры делят на бытовые, обучающие и профессиональные. Последние отличаются расширен­ным комплектом периферийных устройств для ввода-вывода информации и высокой производительностью. Эти компьютеры рекомендуют применять в АСУ ГПС.

В устройствах управления ГПС используют микро-ЭВМ мод. «Электроника-60», комплексы «Электроника-60/25», СМ 1300, ДВК.

Наряду с разработкой персональных ЭВМ отмечается и другое направление в развитии микропроцессорной тех­ники. Для устройств с жесткими (постоянными) алгорит­мами управления выпускают большое количество спе­циализированных заказных микропроцессоров и боль­ших интегральных схем (БИС). Заказные микропроцессорные схемы обычно применяют в тех случаях, когда известно, что за время жизненного цикла изделия не должна меняться программа управления устройства, по­строенного на заказных БИС. Кроме этого, аппаратная реализация алгоритмов управления значительно повы­шает производительность систем, сокращает время реак­ции на запрос и улучшает защиту данных.

Программируемые контроллеры (ПК), так же как и заказные БИС, относят к специализированным сред­ствам. ПК представляет собой специализированную уп­равляющую микро ЭВМ, работающую в режиме реаль­ного времени по фиксированным рабочим программам, размещенным в постоянном запоминающем устройстве. Различают три типа ПК: для замены релейных схем авто­матики; для регулирования аналоговых величин техно­логических процессов и используется для замены регуля­торов температуры, давления расхода; для реализации сложных алгоритмов управления станками, роботами, транспортом.

Задачи верхних уровней системы управления ГПС отличаются большей сложностью и разнообразием по сравнению с задачами нижнего уровня АСУ ГПС. Поэ­тому повышаются требования к характеристикам ЭВМ верхнего уровня по быстродействию, вместимости опера­тивной и внешней памяти, оснащенности периферийными устройствами. Для АСУ ГПС верхнего уровня наиболее часто применяют мини-ЭВМ, которые по своим характе­ристикам занимают промежуточное положение между универсальными ЭВМ общего назначения и микроЭВМ. Следует отметить, что в настоящее время наблюдается процесс сближения характеристик микро- и мини-ЭВМ вследствие интенсивных разработок и успехов в техно­логии изготовления микроЭВМ. В ряде случаев только по комплекту периферийного оборудования ЭВМ можно отнести к тому или иному классу.

Мини-ЭВМ, применяемые в АСУ ГПС, ориентированы на управление системы с большим числом источников и приемников данных, имеют объем оперативной памяти до 1 Мбайта, быстродействие на уровне 200—500 тыс. опе­раций/с, внешнюю дисковую память вместимостью в де­сятки мегабайт. Мини-ЭВМ в составе АСУ ГПС дополни­тельно оснащается алфавитно-цифровыми печатающими устройствами, дисплеем с клавиатурой для взаимодейст­вия оператора с ЭВМ, перфоленточным вводом-выводом. В составе внешних запоминающих устройств кроме маг­нитных дисков обычно имеется накопитель на магнитной ленте. Накопители на твердых магнитных дисках являются основным местом хранения рабочих программ АСУ ГПС, справочных данных, числового материала задач большой размерности. На дисках хранятся управляющие про­граммы для станков с ЧПУ. Объем памяти для дисков и их наборов составляет десятки и сотни мегабайт.

Комплектация мини-ЭВМ зависит от набора задач, решаемых в АСУ ГПС. Так как для большинства ГПС механической обработки резанием на верхнем уровне в под­системе ТПП разрабатываются управляющие программы для станков с ЧПУ, то комплект периферийных устройств ЭВМ необходимо дополнить графопостроителем для про­верки программ и исключения грубых ошибок.

Эффективным средством для решения ряда задач про­ектирования технологических процессов и управляющих программ является графический дисплей. Графический дисплей, оснащенный световым пером для управления элементами изображения и устройством для кодирования графической информации, в совокупности с программным обеспечением диалогового режима позволяет значительно повысить производительность технолога-программиста.

Задачи АСУ ГПС, решаемые при технологической и организационной подготовке производства, отличаются значительным объемом вычислений, используют большое количество справочной и текущей информации, требуют аппаратных и программных средств для организации диа­логового режима работы с пользователем. Для задач оперативного управления и регулирования (средний уро­вень) главным является высокая надежность и быстро­действие их выполнения.

Различные требования к функциям АСУ ГПС приводят к тому, что на верхних уровнях управления нередко ис­пользуют более чем одну ЭВМ.

При создании ГПС применяют вариант с использова­нием отдельной ЭВМ для технологической и организацион­ной подготовки производства. В другом варианте на од­ной из ЭВМ решают задачи технологической подготовки производства, на другой рассчитывают календарные планы и необходимые организационно-экономические данные (размеры партий деталей, заделы и пр.). При этом вы­числительные ресурсы используемых ЭВМ позволяют выполнить указанные функции не только для конкрет­ной ГПС, но и для нескольких ГПС или цеха. Такой под­ход объясняется снижением стоимости вычислительной части ЭВМ и стремлением расширить фронт автомати­зации на уровне цеха для дальнейшего объединения с АСУ предприятием. Реализация этих направлений в значи­тельной степени зависит от создания эффективной системы связи между ЭВМ.

Локальные сети связи. Одним из компонентов техни­ческих средств АСУ ГПС являются устройства связи от­дельных ЭВМ в ГПС. Для связи средств вычислитель­ной техники известны два основных метода — глобаль­ные и локальные сети. Узлами (абонентами) сети яв­ляются ЭВМ или терминалы. Терминал — это устройство типа дисплея с пультом управления для связи диспетчера и оператора ГПС с управляющими ЭВМ и доступа к вы­числительным и информационным ресурсам сети.

В глобальных сетях расстояние между удаленными узлами достигает сотен и тысяч километров. Локальная сеть предназначена для обслуживания небольшой тер­ритории (участка, цеха, завода) с расстоянием между або­нентами не более чем несколько километров. В них для передачи данных используют общий канал (моноканал), реализованный парой скрученных проводов или более дорогим, надежным и быстродействующим коаксиальным кабелем.

Лучшие характеристики по скорости передачи и надежности имеют волоконно-оптические линии — световоды, но их применение пока ограничивает высокая стои­мость.

В настоящее время для ЛС более предпочтительны коаксиальные кабели. Скорость передачи данных в за­висимости от длины и типа кабеля составляет от 0,6 до 10 Мбит/с. Без восстановления сигнала длина кабеля мо­жет достигать 0,6—1,2 км. Такие характеристики пере­крывают требования задач по обмену информацией в АСУ ГПС.

Объем передаваемой информации в ЛС зависит не только № возможной скорости и, следовательно, физи­ческих характеристик канала связи, но и от структуры ЛС и способа передачи данных.

Для ЛС в основном используют две схемы построения сети — магистраль (шина) и кольцевой моноканал. По магистральной схеме все абоненты подключаются парал­лельно к каналу связи, и тогда сигналы, передаваемые в одном из узлов ЛС, достигают всех абонентов. В коль­цевых ЛС передаваемые данные обычно поступают в со­седний узел, где производится ретрансляция полученных сигналов к следующей станции. Имеются разработки кольцевых ЛС с резервированием дополнительной линии связи. Данный вариант построения ЛС усложняет ап­паратуру и программное обеспечение сети, но увеличи­вает надежность и позволяет производить подключение новых абонентов или ремонт без выключения всей ЛС.

Методы доступа к ЛС с распределенным управлением весьма разнообразны и постоянно совершенствуются. Можно выделить три основных способа для доступа або­нентов к каналу связи. В ЛС со случайным доступом все подключаемые средства равнозначны и поэтому могут передавать сообщения в любой момент времени. Однако это приводит к частому столкновению сообщений в ка­нале, так как два и более узлов сети могут одновременно осуществлять передачу данных. Эти столкновения при­водят к искажению информации, поэтому сообщения должны передаваться повторно, и опять может возник­нуть подобный конфликт.

Детерминированные способы доступа к каналу связи основаны на определенном порядке в подключении або­нентов для передачи сообщений. Случайные и детермини­рованные способы доступа не позволяют получить коэф­фициент использования канала ЛС более 10—20%.

Коэффициент использования определяется как отноше­ние достигнутой скорости передачи данных к пропуск­ной способности ЛС.

Наиболее перспективные способы доступа в ЛС осно­ваны на прослушивании канала связи всеми абонентами. При этом подключаться к каналу можно только при от­сутствии сигналов в нем Данный способ позволяет исполь­зовать пропускную способность канала связи на 80—98 %. Столкновения сообщений возможны и в этом случае; поэтому в ЛС контролируется переданное сообщение.

Для подключения абонентов к каналу связи исполь­зуют аппаратные и программные средства. Устройство, управляющее доступом к сети и обменом информацией, по сложности соответствует одноплатной микро ЭВМ. Подключаемая ЭВМ имеет программное обеспечение сети, которое включает программное управление передачей и информационным каналом.

Информационный кадр для канала связи имеет сле­дующую структуру: вначале следует заголовок кадра, где указываются адреса отправителя и получателя; да­лее идет главная информационная часть кадра размером от 128 до 1024 байтов в зависимости от типа сети; кадр заканчивается кодовой комбинацией для проверки пра­вильности принятия информации. Таким образом, кадр напоминает почтовый конверт с адресами получателя и отправителя, а основу составляет содержимое конверта.

Функции ЛС для ГПС должна обеспечивать связь между программами в удаленных ЭВМ, организовать доступ к данным независимо от места их физического хра­нения, реализовать связь между персоналом ГПС, выпол­нять загрузку задач, организовать управление ЛС.

В настоящее время разработаны различные ва­рианты ЛС, в том числе и для АСУ ГПС. Из получивших распространение необходимо отметить пакет программ для сетевой телеобработки (ПП СТО), который можно использовать для организации сети из микро- и мини-ЭВМ семейства «Электроника-60», СМ4.

Список используемой литературы:

1 Капустин Н.М., Дьяконова Н.П., Кузнецов П.М. Автоматизация машиностроения. -М.: Высшая школа. 2003 -223с.

2 Терган В.С, Андреев И.Б., Либерман Б.С. Основы автоматизации производства. –М.: Машиностроение. 1982 -272с.

3 Шишмарев В.Ю. Автоматизация технологических процессов. –М.: Академия, 2007. -352с.