Игумнов Н. П. Типовые элементы и устройства систем автоматического управления (стр. 29 из 33)
Отметим, что совокупность МП, памяти и интерфейса, который включает в себя ИУ, УС, и ОШ, получили название микро-ЭВМ.
По назначению МПС и микро-ЭВМ подразделяются на универсальные и специализированные.
К универсальным относятся МПС и микро-ЭВМ, способные как обеспечивать управление различными объектами (в том числе и ЭП), технологическими процессами, промышленными предприятиями, так и выполнять различные вычислительные операции. Для выполнения этих функций МПС имеет широкий набор внешних (периферийных) устройств, показанных на рисунке 8.5. Обычно при конкретном применении часть этих устройств может быть не задействована, т.е. универсальные МПС и микро-ЭВМ обладают элементной избыточностью.
Специализированными называются МПС, которые уже на стадии своего создания ориентированы на конкретное применение – схемы управления станка или робота, измерительные системы и др. В этом случае МПС содержат только те устройства и имеют такое программное обеспечение, которое обеспечивают выполнение конкретных, заранее определенных функций.
Широко распространенным примером специализированной МПС является программируемый контроллер (ПК).
Для лучшего понимания выполняемых ПК функций и особенностей его структуры обратимся к схеме, рисунок 8.6, реализующим различные логические операции при управлении: запрещение включения одного контактора при включенном другом, разрешение включения двигателя при нажатии кнопки управления и отсутствии запрещающего сигнала защиты и др. Подобные схемы получили название жесткой (или монтажной) логики, так как осуществление заданных логических операций обеспечивается определенным набором элементов и связями между ними. При реализации сложных систем управления (20…30 элементов и более) схемы с жесткой логикой приобретают большие массу и габаритные размеры, возрастает их энергопотребление, усложняются наладка и диагностика их работы и соответственно ремонт. Самый же существенный недостаток таких схем, как уже отмечалось, состоит в сложности их переделки (перемонтажа) при введении новых функций или их частичном изменении.
Альтернативным (технически и экономически более целесообразным) решением при создании сложных схем управления является применение программируемых контроллеров как разновидности МПС. Применение ПК позволяет избежать всех тех недостатков, которые характерны для схем с жесткой логикой, и в первую очередь отсутствия гибкости при реализации сложных законов управления. Программируемый контроллер – это специализированная МПС, предназначенная для обработки логических входных сигналов, их преобразование и выработки управляющих воздействий и работающая по заранее заданной программе. Процесс обработки поступающей информации и выработки управляющих воздействий осуществляется в ПК по программе и происходит в реальном масштабе времени.
Рисунок 8.6 Структурная схема программируемого контроллера
В состав ПК, рисунок 8.6 входят запоминающее устройство ЗУ, в котором содержится программа его работы; логический процессор ЛП (АЛУ на схеме рисунок 8.4), осуществляющий логические операции над последовательно вводимыми в него сигналами; коммутаторы входных К1 и выходных К2 сигналов; устройства сопряжения ПК с входными УС1 и выходными УС2 сигналами, а также память П, в которую поступают результаты выполнения логических операций.
Входные сигналы uвх1, uвх2,… uвх3, содержащие информацию о ходе технологического процесса, режимах работы отдельных частей системы управления, состоянии защиты, поступают на вход устройства сопряжения УС1, которое обеспечивает их гальваническую развязку и формирование их них сигналов, соответствующих по значению и виду, используемым в данном ПК.
Сформированные таким образом сигналы поступают на вход коммутатора К1, который последовательно подает на ЛП тот из них, адрес которого содержится в очередной команде, поступающей из ЗУ.
После выполненных ЛП преобразований, которые также определяются заложенной в ЗУ программой, сигналы через коммутатор К2 поступают в регистр памяти П и далее через УС2 на выход ПК.
Заметим, что последовательный принцип выполнения операций увеличивает время обработки информации, но так как время выполнения одной отдельной операции составляет всего лишь несколько микросекунд, быстродействие ПК в большинстве случаев оказывается вполне достаточным.
В качестве входных допускаются сигналы напряжением от 5 до 250 В постоянного или переменного тока, общее число которых может достигать тысячи и более. Выходные устройства сопряжения УС2 обычно строятся на основе оптронных тиристоров, обеспечивающих гальваническую развязку выходных цепей и позволяющих управлять достаточно мощными исполнительными устройствами - реле, контакторами, катушками электромагнитов и др.
В теории цифровых систем управления показывается, что любые логические преобразования могут быть выполнены с помощью простейших логических операций И, ИЛИ, НЕ. Это положение определяет простоту программного обеспечения работы ПК, доступного, в том числе персоналу, не имеющему специальных знаний в области программирования МПС. Типовыми командами ПК являются команды загрузки, логические, присвоения, управления циклом и специальные. Система команд имеет соответствующие мнемоническое обозначение.
Контрольные вопросы:
1. Что называется логическим элементом и какие основные логические элементы применяются в САУ?
2. Назначение аналого-цифрового преобразователя.
3. Назначение цифро-аналогового преобразователя.
4. Что называется микропроцессором?
5. Какие функциональные блоки включают в себя микропроцессорная система?
6. Дайте определение микропроцессорной системы.
7. Что представляет собой программируемый логический контроллер?
Глава 9. Устройства представления информации
Для отображения информации в системах автоматического управления широко используются индикаторные устройства. Чаще всего информация отображается с помощью оптических индикаторов, поскольку именно с помощью зрения человек воспринимает основной объем информации, используемой в производственной деятельности. Кроме оптических индикаторов используются звуковые (акустические) индикаторы. Например, для сигнализации аварийных ситуаций наиболее приемлемы именно звуковые сигналы (звонок громкого боя, сирена, гудок, ревун) в сочетании с привлекающими внимание персонала световыми (т.е. оптическими) сигналами.
Оптические индикаторные устройства. Различают активные и пассивные оптические индикаторы. К активным индикаторам относятся лампы накаливания, газоразрядные приборы и другие устройства, излучающие свет в видимой части спектра. К пассивным индикаторам относятся те устройства, которые сами не излучают свет, а лишь отражают свет внешних источников. К ним относятся шкалы измерительных приборов, цифровые индикаторы (например, счетчика активной энергии), жидкокристаллические индикаторы.
Светодиод в настоящее время является одним из наиболее простых и распространенных активных индикаторов. Принцип действия его основан на том, что при протекании прямого тока через полупроводниковый диод происходит излучение фотона (т.е. световой энергии). В кремниевых и германиевых диодах это излучение происходит в невидимом глазом диапазоне длин волн. А если выполнить диод на основе арсенида-фосфида галлия (GaPAs), то излучение происходит в диапазоне волн от 0,58 до 0, 65 микрон. Это излучение человек воспринимает как желтый (0,58 мкм), оранжевый (0,63 мкм) или красный (0,65 мкм) свет. Светодиод, изготовленный на основе фосфида галлия (GaP), излучает зеленый (0,56 мкм) свет, а изготовленный на основе арсенида галлия (GaAs), - инфокрасный (0,90 мкм), хотя и невидимый человеческим глазом, свет, но удобный для дистанционного управления объектами. В зависимости от количества и пропорции примесей можно изменять длину волны максимума излучения, т.е. цвет свечения фотодиода. Материалы, используемые для изготовления светодиодов, дороже кремния и германия, поэтому светодиоды дороже обычных диодов. Коэффициент полезного действия светодиодов очень мал, только у инфокрасных диодов он составляет примерно 5%, а у других в сто раз меньше. Быстродействие светодиодов очень высокое: при подаче скачкообразного входного сигнала яркость диода изменяется за сотую долю миллисекунды.
Входным сигналом для светодиода является прямой ток. От его величины зависит и яркость свечения. Хорошая видимость даже при дневном свете обеспечивается при прямом токе от 5 до 20 мА. При этом напряжение на светодиодах составляет 2 – 3 В. Светодиоды по своим параметрам хорошо согласуются с транзисторными и интегральными схемами. На рисунке 9.1 показаны схемы включения светодиодов VD с помощью транзисторного ключа (а – высоким уровнем напряжения, б – низким уровнем). Поскольку транзистор VТ обладает усилительными свойствами, ток, потребляемый от источника сигнала, в десятки раз меньше прямого тока светодиода.
Рисунок 9.1 – Схемы включения светодиодов
Сопротивление резистора Rогр ограничивает прямой ток светодиода и его величина равна: Rогр = (Е - UVD)/IVD.