Лекция 13. Проектирование аппаратных средств микропроцессорной системы автоматизации технологических процессов

В данной работе мы ознакомились с особенностями организации учета товаров (материалов) на предприятии. Познакомились с основными операциями в работе с поставщиками и покупателями.

32, 1; 30, 3; 28, 5; 26, 7; 24, 9; 22, 11; 20, 13; 18, 15 2, 31; 4, 29; 6, 27; 8, 25; 10, 23; 12, 21; 14, 19; 16, 17

 

Лекция 13. Проектирование аппаратных средств микропроцессорной системы автоматизации технологических процессов.

Систему управления технологическим процессом можно реализовать в виде электронных схем, которые соединены друг с другом так, чтобы сразу дать решение стоящей проблемы; такую систему называют жесткой структурой или аппаратурным решением. Если же имеется возможность путем подачи управляющих сигналов из­менять взаимодействие различных схем друг с другом, то такую систему называют гибкой структурой, или програм­мной реализацией. Последовательность сигналов управле­ния на каждом шаге изменяет функции, выполняемые аппаратурой, и дает возможность получить решение лю­бой, самой сложной проблемы. Эта последовательность и образует программу.

Изучение микропроцессоров и их программирования лучше начинать с самого простого устройства, имеющего минимальный набор команд. Это позволит разобраться в том, как приступать к разработке алгоритма и кодирова­нию программы, и приобрести начальные сведения об использовании микропроцессоров в системах автомати­ческого управления технологическими процессами, не осложняя задачу изучением тех свойств микропроцес­соров, которые потенциально возможны, но не исполь­зуются в простых системах. Самый простой микро­процессор может использоваться для решения любой, даже очень сложной задачи. При этом задача будет решаться дольше, объем программы увеличится, а про­граммирование может потребовать много времени по срав­нению с большой ЭВМ. Однако общие принципы реше­ния и программирования останутся одинаковыми.

АРХИТЕКТУРА МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Понятие архитектуры системы сложилось примерно в середине 60-х годов с появлением ЭВМ третьего поколе­ния. В отличие от структуры, связанной с внутренней организацией и функциями аппаратуры, архитектура определяет состав, назначение, логическую организацию и порядок взаимодействия всех функциональных средств, объединенных для решения проблемы определенного вида, характеризует систему в целом, а именно: как система (микропроцессор или микро-ЭВМ) представляется пользо­вателю, каков ее «фасад». Поэтому в понятие архитектуры включается весь комплекс программных и аппаратных средств, с помощью которых выполняются задания поль­зователей.

В любом микропроцессоре имеются четыре основных архитектурных элемента: устройство управления, арифметическо-логическое устройство, устройство памяти, устрой­ства ввода-вывода.

Арифметически-логическое устройство (АЛУ) выпол­няет предписанные устройством управления арифме­тические и логические операции над данными, поступаю­щими из устройств памяти или ввода-вывода. Устройство управления декодирует записанные в программе команды и генерирует сигналы, необходимые для того, чтобы АЛУ и вся система могли выполнять необходимые функ­ции. В микропроцессорных системах устройство управле­ния и АЛУ соединены в одну большую интегральную схему (БИС), которая называется центральным процес­сорным элементом (ЦПЭ) или просто центральным процессором (ЦП), выполняющим все функции обработки данных и управления.

Устройства ввода-вывода (УВВ) обеспечивают связь ЦПЭ с внешними, или периферийными, устройствами.

Устройство памяти, или запоминающее устройство (ЗУ) — это место хранения программ и данных, закоди­рованных в бинарной (двоичной) форме. Само устройство памяти не может различать, что является данными, а что — программой. Физически память представляет собой электронное устройство, состоящее из одинаковых по свойствам регулярно расположенных ячеек. Для разли­чения ячеек между собой им присваиваются неповторяющиеся номера, которые принято называть адресами этих ячеек. В каждой ячейке хранится одно машинное слово фиксированной длины, например 4, 8 или 16 двоичных разрядов. Машинное слово есть то количество информа­ции, которое может быть записано в память, или взято из нее, за один цикл. Важным параметром любого устройства памяти является емкость памяти, т. е. макси­мальное число ячеек в этом устройстве.

Организация микропроцессорной системы

Эффективность микропроцессорной системы управле­ния и особенно потенциальные возможности ее развития в значительной степени зависят от имеющегося пери­ферийного оборудования и возможности подключения до­полнительных внешних устройств. Последнее определяется способом связи основных архитектурных элементов си­стемы между собой.

 

Два вида связи базовых блоков между собой показаны на рис. 1.1. Блок ввода-вывода может записывать инфор­мацию в память, оттуда ее можно передавать для обработки в АЛУ, а результат снова сохранять в памяти. Соответственно из памяти данные могут быть переданы во все внешние устройства. Обмен данными должен происходить между центральным процессором и другими устройствами системы, поэтому процессор должен иметь набор выходов для каждого устройства и специальную схем (мультиплексор) для выбора нужного устройства. Если машинное слово имеет 8 разрядов, то для просто системы, включающей в себя три внешних устройств; потребуется 48 линий связи: 24 для ввода и 24 для вывод;

Конфигурация, показанная на рис. 1.1, б, являете более общей архитектурной формой: центральный процессор соединен со всеми устройствами через общие шины. Физически шины представляют собой печатные проводники или кабели, к которым подключаются все блоки системы. Однонаправленная (передающая информацию в одну сторону) адресная шина дает возможность устройству управления выбирать любое слово памяти или любое входное и выходное устройств соответствующей комбинацией единиц и нулей на шине. Двунаправленная, т. е. действующая в любую сторон; шина данных позволяет передавать информацию с устройств ввода в память или АЛУ и точно так же -из памяти в АЛУ или на устройство вывода. Передаваемая информация может представлять собой команды, адреса и данные.

Достоинство такой архитектуры с общими шинам заключается в том, что она дает возможность практически неограниченного развития системы управления если необходимо увеличить объем памяти или ввести дополнительные входные и выходные устройства, все новые модули просто подключаются к соответствующим проводникам системных шин.

Шина данных двунаправленная, но в каждый момент информация может передаваться только в каком-то одном направлении, поэтому необходимо иметь специальный сигнал, указывающий это направление. Такой сигнал вырабатывается центральным процессором и имеет следующий вид:

ЧТЕНИЕ (ЧТ), т. е. в общем случае прием информации центральным процессором из устройств памяти или устройств ввода;

ЗАПИСЬ (ЗП), т. е. передача информации от центрального процессора в устройства памяти или вывод;

В некоторых случаях эти два сигнала передаются по одной линии в виде ЧТ/ЗП, т. е. высокий уровень сигнала соответствует чтению, а низкий — записи. Сигналы приема и передачи являются линиями третьей шины микро­процессора — шины управления.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ АППАРАТНЫХ СРЕДСТВ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Микропроцессорный комплект БИС серии К.580 поз­воляет строить системы автоматического управления раз­личной конфигурации и назначения. Для их создания требуется прежде всего иметь центральный процессор, т. е. БИС КР580ИК80, но, кроме того, нужны генератор тактовых импульсов, системный контроллер, память и схемы интерфейса. Некоторые схемы, выполняю­щие требуемые функции, входят в состав той же серии К580, к которой относится центральный процессор. Но можно использовать и устройства, входящие в состав дру­гих серий интегральных схем, так как все они согласованы по уровням логических сигналов и напряжениям питания.

Описываемые блоки являются типовыми и используются в различных системах — от простейших до самых сложных.

ВЫБОР ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ

1. Датчики (входные преобразователи)

 

 

Датчики (входные преобразователи) 1

Автоматические измерительные преобразователи

Преобразователи ручных 1 воздействий

Датчики теплоэнерге­тических параметров системы ГСП

Датчики механических величин

Датчики технико-экономической информации 1

Элек­триче­ские

Пнев­мати­ческие

Элект­риче­ские взрыво-защи- щенные

С ком­пенса­цией магнит­ных по­токов

Переме­щения и усилия

Момен-| та вра-| щения, 1 разме-1 ров и 1 уровня]

1 Руч-1 ного 1 ввода

Регист­раторы инфор­мации

пп. 1-3

п. 4

п. 5

 

Определение и классификация. Устройства для непрерывного или прерывистого пре­образования параметров (например, избы­точного, вакуумметрического и абсолютного давления, расхода, уровня, температуры, ме­ханических величин) в сигналы, которые мо­гут быть использованы в технических сред­ствах и системах, называют датчиками.

Датчики используют в комплекте со вто­ричными приборами, регуляторами и други­ми устройствами автоматики, машинами централизованного контроля и системами управления.

Кроме того, иногда учитывают инерцион­ность датчика, динамические характеристики, удобство монтажа и обслуживания, напра­вленность действия, характеризующую сте­пень влияния нагрузки на выходе датчика на режим входной цепи.

Классификация датчиков

Кроме указанных в приложении датчи­ков следует отметить отсчетные и дозирую­щие устройства (мерная тара, баки, автома­тические весы и т. п.), стандартные устрой­ства с ручным вводом сигнала (тумблеры, клавишные выключатели, кнопки и др.), а также со смешанным (ручным и автомати­ческим) вводом сигнала.

Методика выбора датчиков.При выборе датчиков технологических параметров и дру­гих средств выделения информации следует учитывать ряд факторов метрологического и режимного характера, наиболее суще­ственные из которых следующие:

допустимая для АСУ ТП погрешность, определяющая класс точности датчика;

инерционность датчика, характеризуемая его постоянной времени;

пределы измерения с гарантированной точностью;

влияние физических параметров контро­лируемой и окружающей среды (темпера­туры, давления, плотности, влажности) на нормальную работу датчика;

разрушающее влияние на датчик контро­лируемой и окружающей среды вследствие абразивных свойств ее, химического воздей­ствия и т. п.;

наличие в месте установки датчика недо­пустимых для его нормального функционирования вибраций, магнитных и электриче­ских полей, радиоактивных излучений и др.;

возможность применения датчика с точки зрения требований пожаро- и взрывобезопасности;

расстояние, на которое может быть пере­дана информация, выделяемая датчиком;

предельные значения измеряемой вели­чины и других параметров среды.

Датчики выбирают, как правило, в два этапа. На первом этапе задается разновид­ность датчика (например, при измерении температуры — манометрический термометр, термометр сопротивления, термопара). На втором этапе определяется типоразмер вы­бранного датчика (например, термометр со­противления медный, градуировки 23, типа ТСМ-5071, головка водозащищенная).

Выбор датчиков уровня, концентрации, состава и влажности газа, плотности, угла поворота, перемещения, наличия силы, ско­рости вращения и ускорения в основном сво­дится к учету и подбору упомянутых выше факторов и характеристик. При использова­нии датчиков, реагирующих на радиоактив­ность, необходимо постоянно контролиро­вать влияние проникающей радиации и соблюдать специальные санитарно-технические правила и технику безопасности.

Для некоторых типов датчиков, таких как кондуктометрические, емкостные и другие, следует учитывать влияние на них темпера-

различные датчики температуры, а также вид выходного сигнала. Эти две характери­стики являются основными, в значительной степени определяющими выбор того или иного датчика.

При выборе датчиков следует учитывать среду, в которой они должны работать.

Термометры сопротивления и термопары обеспечивают измерения с точностью 0, 5%, а контактные, и манометрические термо­метры — не более 1, 5—2, 5%.

В диапазоне температур от —50 до + 500 °С, как правило, отдается предпочте­ние термометрам сопротивления, менее под­верженным действию электрических и маг­нитных полей. Причем при измерениях в диапазоне температур от — 50 до + 150 °С следует применять медные, а не платиновые термометры сопротивления, как более де­шевые и лучше переносящие вибрацию.

Применение термопар особенно удобно при необходимости измерения температуры в трудно доступном или ограниченном раз­мерами месте. Термопара обычно позволяет определить «местную» температуру, в то время как термометр сопротивления и мано­метрический термометр измеряют среднюю температуру тела или объема.

При необходимости получения пневмати­ческого сигнала возможно применение как манометрических термометров с пневмовыходом, так и термопар с последующим пре­образованием термо-ЭДС в пневмосигнал.

Выбор датчиков давления.Различают приборы для измерения давления (атмосфер­ного, избыточного и абсолютного) в преде­лах о/ 0 до 16 • 10⁷ Па, напора — до 5000 Па (500 мм вод. ст.), разрежения — до 5000 Па (500 мм вод. ст.) и вакуума — до 0, 1 МПа (760 мм рт. ст.), а также разности (перепада) давления — до 0, 13 МПа (1000 мм рт. ст.).

При выборе датчиков давления, кроме ос­новных характеристик, которые были пере­числены выше, следует учитывать:

характер изменения давления во времени, если давление не изменяется или изменяется плавно; датчик (особенно приборного типа) должен быть подобран так, чтобы показание измеряемого давления находилось в пре­делах от 1/3 до 2/3 шкалы, при колеблющем­ся давлении — в пределах от 1/3 до 1/2 шкалы датчика;

влияние контролируемой среды; для воз­духа, азота и углекислого газа может быть применен любой датчик давления; для аце­тилена, аммиака, сернистого газа недопусти­мо применение датчиков с деталями из медных сплавов я других цветных металлов; для кислородной среды необходимо принять меры, предотвращающие попадание масла; для агрессивных жидкостей и газов должны быть предусмотрены разделительные сосуды и другая защитная арматура;

допустимое статическое давление для датчиков контроля перепада давления.

Допустим, что нам нужно измерить раз­режение в аппарате, которое может меняться в пределах от —40 кПа до —60 кПа. При этом известно, что имеется электрический вторичный прибор. По каталогам находим, что датчик, удовлетворяющий указанным требованиям, — вакуумметр, показывающий, с электрическим выходным сигналом (тип ВП4 — VI) предел измерения — 100 кПа — 0 кПа, выходной сигнал 0 — 5 мА (см. при­ложение 5.1).

Выбор датчиков расхода.Расход жидко­сти и газа на современных промышленных предприятиях измеряют различными спосо­бами, однако подавляющее большинство промышленных установок оснащено для этой цели дроссельными расходомерами.

Основными элементами дроссельных рас­ходомеров являются сужающее устройство, обеспечивающее перепад давления на участ­ке трубопровода, дифференциальный мано­метр, соединительные линии, а также упра­вляющая, разделительная и защитная аппа­ратура.