71273

Системы управления автоматизированным технологическим оборудованием. История развития вычислительной техники

Лекция

Информатика, кибернетика и программирование

Период становления отечественной электронной вычислительной техники занимает промежуток времени с момента появления в 1946 г. первой ЭВМ ЭНИАК и до 1955 г. Начиная с 1955 г. каждые последующие пять лет в вычислительной технике обновлялись конструктивно-технологические...

Русский

2014-11-04

1.15 MB

5 чел.

Лекция 6. Системы управления автоматизированным

технологическим оборудованием.

История развития вычислительной техники.

Период становления отечественной электронной вычислительной техники занимает промежуток времени с момента появления в 1946 г. первой ЭВМ ЭНИАК и до 1955 г. Начиная с 1955 г. каждые последующие пять лет в вычислительной технике обновлялись конструктивно-технологические и схемно-логические принципы построения ЭВМ, что дало возможность говорить о поколениях ЭВМ.

ЭВМ первого поколения (с 1955 г.). Они строились на дискретных радиодеталях и электронных вакуумных лампах. В запоминающих устройствах этих ЭВМ в качестве накопителей информации использовались магнитные барабаны, ультразвуковые линии задержки и электронно-лучевые трубки.

ЭВМ первого поколения применялись для решения научно-технических задач, характеризующихся малым количеством входной информации и большим количеством вычислительных операций. Примером ЭВМ первого поколения являются микроЭВМ типа "Урал", "Днепр".

ЭВМ второго поколения 1960 г.). В качестве элементной базы в них использовались полупроводниковые приборы, миниатюрные дискретные радиодетали. Носителями информации в оперативных запоминающих устройствах (ОЗУ) стали магнитные ферри-товые кольцевые сердечники. По сравнению с ЭВМ первого поколения снизились габариты устройств, существенно возросла надежность ЭВМ.

ЭВМ второго поколения использовали не только для решения научно-технических задач, но и для автоматизации процесса производства. Возрастающая сложность программирования задач для этих ЭВМ вызывала необходимость создания проблемно-ориентированных алгоритмических языков. Примером ЭВМ второго поколения является ЭВМ серии "Минск".

ЭВМ третьего поколения (с 1965 г.). В качестве элементной базы используется микроэлектроника. Эти ЭВМ имеют меньшие габаритные размеры и мощность потребления, значительно лучшую надежность и быстродействие по сравнению с машинами второго поколения.

В ЭВМ этого поколения тактовая частота составляет десятки мегагерц. С появлением ЭВМ третьего поколения производительность вычислительных машин возросла на три-четыре порядка по сравнению с ЭВМ первого и второго поколений. Для повышения надежности этих машин используются аппаратурная и информационная избыточности, позволяющие обнаруживать и исправлять ошибки.

Появилась стандартизация систем элементов, блоков и устройств, а также устройств ввода - вывода. Машины одной серии имеют программную совместимость.

Для кодирования буквенной информации введена специальная единица - байт, состоящая из 8 бит (при обработке десятичной информации с помощью одного байта можно представить две десятичные цифры).

С появлением ЭВМ третьего поколения для более равномерной загрузки всех устройств и повышения производительности ЭВМ стал применяться мультипрограммный режим работы, т.е. возможность решения в одной машине одновременно не скольких задач. Примером ЭВМ третьего поколения являются ЭВМ серии ЕС ЭВМ, СМ ЭВМ.

ЭВМ четвертого поколения (с 1970 г.). К ним относятся микроЭВМ "Электроника 60" и др. В качестве элементной базы используются БИС с высокой степенью интеграции и интегральные носители информации в запоминающих устройствах. Во внутренней структуре высокопроизводительных ЭВМ и вычислительных системах (ВС) используют несколько процессоров. Многопроцессорные вычислительные машины позволяют значительно увеличить производительность обработки информации при решении сложных задач.

Развитие диалоговых режимов работы средств вычислительной техники дает возможность использовать ЭВМ для исследовательских разработок, автоматизации проектирования в различных областях деятельности, решения сложных логических и экономических задач.

Развитие микроэлектронной технологии позволило снизить стоимость электронных схем, и ЭВМ с малой разрядностью (в типичном случае 16 разрядов) стала экономически выгодной для обработки сравнительно небольших объемов информации при несложных алгоритмах.

Использование мини-ЭВМ для управления технологическими процессами определило ряд новых требований, например необходимость обработки информации в режиме реального времени и предъявило повышенные требования к надежности ЭВМ.

Дальнейшее развитие микроэлектронной техники привели к созданию микроЭВМ. Проблемно-ориентированные заказные комплекты БИС позволили реализовать в микроЭВМ системы команд известных мини-ЭВМ с большим объемом уже разработанного программного обеспечения. Созданы персональные микроЭВМ с входным языком программирования высокого уровня, легкость программирования и универсальность которых обеспечивает многочисленность их использования в разных областях.

Высокие технико-экономические параметры микроЭВМ обеспечивают низкую стоимость, малую материалоемкость, высокую надежность БИС.

Микропроцессоры и микроЭВМ позволяют встраивать вычислительные средства в станки, промышленные и экспериментальные установки, приборы и агрегаты, что качественно изменяет характер технологического оборудования, станков, бытовой техники. За счет контроля и управления встроенным микропроцессором или микроЭВМ становятся реальными условия создания полностью автоматизированных производств.

Выделяют следующие типы микроЭВМ, на основе которых создаются современные системы автоматизации.

Управляющие микроЭВМ. Они предназначены для построения систем управления сложными объектами или процессами: технологическими линиями, силовыми и энергетическими установками, измерительными комплексами, транспортными потоками и т.д. В комплект подобных ЭВМ могут входить блоки сопряжения с объектом управления, специализированные пульты, алфавитно-цифровая и функциональная клавиатура, устройства визуального отображения и т. д.

Однокристальные микроЭВМ (микроконтроллеры). Они предназначены для решения локальных задач управления объектами и могут использоваться как контроллеры устройств, подключаемых к микроЭВМ, или как управляющие устройства нижних контуров управления технологическими процессами.

Однокристальные микроЭВМ применяются в оргтехнике: принтерах, сканерах, плоттерах, в бытовой технике: в стиральных и посудомоечных машинах, в пылесосах, микроволновых печах, телевизорах и т.д.

Одним из быстро развивающихся направлений использования однокристальных микроЭВМ для построения систем управления сложными объектами или процессами являются ПЛК.

Физически ПЛК представляет собой один или несколько блоков, имеющих определённый набор входов для подключения датчиков и выходов для управления исполнительными механизмами (см. рис.1). Логика его работы описывается программно и выполняется встроенной однокристальной микроЭВМ (микропроцессором). В результате один и тот же ПЛК может выполнять совершенно разные функции. Для изменения алгоритма работы не требуется каких-либо переделок аппаратной части.

Сегодня существуют миниатюрные программируемые контроллеры, оснащённые небольшим дисплеем и встроенными возможностями программирования, подобные контроллеры получили название программируемых реле. Типовые задачи программируемых реле – очень простые локальные системы, имеющие до десятка входов и несколько силовых релейных выходов. Один такой ПЛК способен заменить десятки регуляторов, десятки различных таймеров и реле систем электроавтоматики, реализуемых на жесткой логике.

Для разработки и отладки сложной программы ПЛК имеют интерфейс связи с персональным компьютером. Применение PC в качестве программирующей станции упрощает программирование ПЛК, решает задачи архивирования проектов, подготовки документации, визуализации и моделирования, т.е. даёт удобный универсальный инструмент как для программирования простейших локальных задач на ПЛК, так и для АСУ ТП.

Рис   . Пример использования ПЛК для управления технологическим процессом.

Рис   . Схема подключения ПЛК150.

Структура управляющей микроЭВМ.

Рис 1. Структурная схема управляющей микроЭВМ.

Современная система управления технологическими процессами как правило реализуется на базе IBM PC – совместимых компьютеров. Это связано в первую очередь с тем, что для этих компьютеров разработана огромная база программного обеспечения и различных периферийных устройств. При этом по своим техническим характеристикам IBM PC – совместимый компьютер не самый первый по быстродействию и надежности.

Но как показала практика, для управления технологическими объектами не требуется высокого быстродействия, а вопросы надежности компенсируются высокой ремонтнопригодностью за счет модульного принципа исполнения.

На рис. 1 представлена структурная схема управляющей микроЭВМ с использованием системной шины ISA. Необходимо отметить, что мы не рассматриваем другие типы интерфейсов, такие как EISA (Extended ISA), PCI (Peripheral Component Interconnect) и т.д. Выбор системной шины ISA в качестве основной системной магистрали для технологически ориентированных персональных компьютеров объясняется тем, что она является наиболее распространенной. Разъемы (слоты) ISA имеются как в допотопных IBM PC XT, так и в Pentium-компьютерах.

Помимо центрального процессора, системной памяти (оперативной и постоянной), стандартных средств ввода/вывода, входящих в любую микропроцессорную систему, здесь следует отдельно выделить встроенные контроллеры прерываний и прямого доступа к памяти (ПДП), перестановщик байтов данных, программируемый таймер и контроллер регенерации памяти. Эти устройства могут быть расположены на материнской (системной) плате (motherboard) компьютера или вставленные в слоты ISA (устройства ввода/вывода).

Универсальные модули ввода/вывода недостаточны для построения устройств управления технологическим оборудованием. В связи с этим используются объектно-зависимые модули устройств сопряжения (УС), устанавливаемые в слоты ISA. Их тип и количество может варьироваться в зависимости от конкретной технологической задачи.

Обмен данными между двумя какими либо устройствами осуществляется по циклам обмена. В каждом цикле обмена инициатором обмена данными всегда является только одно устройство.

Наибольшую часть времени инициатором обмена данными является центральный процессор (самая обычная ситуация). Остальную часть времени инициаторами обмена могут выступать различные устройства, в том числе контроллер ПДП, контроллер регенерации памяти и некоторые внешние платы.

Перечислим основные виды объектно-зависимых модулей УС, наиболее часто применяемые для сопряжения управляющей микроЭВМ и соответствующего технологического оборудования.

  1.  Модули ввода дискретной информации.
  2.  Модули вывода дискретной информации.
  3.  Модули ЦАП.
  4.  Модули АЦП.

Модуль ввода дискретной информации.

Для решения локальных задач управления технологическими объектами необходимо контролировать ряд некоторых дискретных параметров, характеризующих состояние управляемого объекта. Эти параметры, как правило, представлены двумя состояниями, например «Включено» или «Выключено». Это могут быть, например кнопки и переключатели пульта оператора, конечные и путевые выключатели технологического оборудования, контакты электромагнитных реле электроавтоматики, позволяющие контролировать включение/выключение тех или иных функций управления технологическим объектом и т.д.

Такие сигналы имеют вид уровня напряжения или тока, характеризующих состояние соответствующих контактов («Замкнуто-разомкнуто»). В этой связи основной функцией модуля ввода дискретной информации является, во-первых, гальваническая развязка слаботочных цепей системы управления от силового напряжения системы электроавтоматики технологического оборудования, во-вторых, преобразование уровня напряжения электроавтоматики (24 В) к стандартному ТТЛ-уровню входных цепей системы управления (0,4 В – 5 В).

Эти функции обеспечиваются использованием во входных цепях модуля ввода дискретной информации т. н. оптронной развязки. Блок-схема модуля ввода дискретной информации представлена на рис.  .

Модуль вывода дискретной информации.

Цифро-аналоговое преобразование.

На рис.  показана одна из возможных схем ЦАП, преобразующего 4-разрядный код на входе в аналоговое напряжение. Преобразователь содержит источник эталонного напряжения Uэт, резистивную матрицу типа R-2R, ключи Кл1 - 4, операционный усилитель ОУ. Резистор R* служит для точной подстройки.

Верхнее положение ключа определяет состояние 1 соответствующего бита, а нижнее - состояние 0.

Если младший бит равен единице (входной код 0001), то на выходе ЦАП появляется напряжение U, соответствующее элементарному кванту. Единица во втором бите (код 0010) вызывает появление напряжения 2U, единица в третьем бите (код 0100) -напряжения 4U, единица в четвертом бите (код 1000)-напряжения 8U, т. е. напряжение на выходе пропорционально целой степени двойки. В общем случае для разрядного ЦАП число возможных ступеней напряжения равно 2" (включая и нулевое напряжение). На рис.  показан график выходного напряжения для четырехразрядных ЦАП.

Рис...Схема ЦАП.

Рис. График выходного напряжения ЦАП.

Аналого-цифровое преобразование.

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) решают задачу поиска однозначного соответствия аналоговому сигналу цифрового кода. На вход АЦП поступает аналоговый сигнал и после определенного конечного времени преобразования на его выходе появляется цифровой код.

В настоящее время разработано много различных методов аналого-цифрового преобразования, например методы последовательного счета, поразрядного уравновешивания, двойного интегрирования; с преобразованием напряжения в частоту, параллельного преобразования.

Работа схемы АЦП последовательного приближения иллюстрируется функциональной схемой (рис. ). Для правильного функционирования АЦП необходимо наличие некоторой внешней управляющей системы, которая должна формировать последовательности синхронизирующих сигналов.

Рис.  1. Функциональная схема АЦП последовательного приближения.

Основой функциональной схемы служит коммутируемая матрица конденсаторов. Значение каждого бита данных определяется пороговым детектором в зависимости от величины заряда каждого весовых конденсаторов, составляющих матрицу АЦП. Рис.  соответствует десятиразрядному АЦП. По рисунку видно, что число конденсаторов, содержащихся в матрице, должно быть на единицу больше, чем число разрядов.

Относительный вес каждой цепи матрицы конденсаторов определяется в соответствии с последовательностью степеней числа два, то есть от 1 до 512 для десятиразрядного АЦП.

В начале цикла преобразования логическое управляющее устройство замыкает все ключи Sт и Sс, вследствие чего все конденсаторы повременно заряжаются до уровня входного напряжения Vi (режим выборки). Затем все ключи размыкаются (режим хранения) и пороговый детектор начинает формировать биты данных, сравнивая напряжение REF- с напряжениями на каждом из конденсаторов матрицы.

Первым обрабатывается напряжение на конденсаторе, установленном в цепи матрицы с максимальным весом (в данном случае - вес 512). Для этого узел 512 подключается к источнику напряжения REF+, а все остальные узлы подключаются к REF-. Если напряжение й суммирующей точке больше порога срабатывания детектора, примерно равного VCC/2, то бит данных устанавливается в нулевое состояние, а узел 512 подключается к источнику напряжения REF-.

Если же напряжение в суммирующей точке меньше порога, бит данных устанавливается в единичное состояние, а узел 512 подключается к источнику REF+ до завершения процесса преобразования. Та же последовательность операций повторяется для цепи с весом 256, потом с весом 128 - и так до тех пор, пока не будет определено значение каждого разряда регистра данных.

Следует помнить, что n-разрядный АЦП может сформировать лишь 2" различных двоичных кодовых слов (256 для 8 разрядов, 1024 для 10 разрядов, 4096 для 12 разрядов и т.д.). Разница между двумя соседними кодовыми словами соответствует аналоговому весу младшего значащего разряда (МЗР). Изменение входного напряжения на величину, меньшую по сравнению с этой разницей, может быть не отражено в выходных данных. Некоторые преобразователи, кроме того, вносят дополнительную погрешность и формируют результат с точностью до одного или даже до двух МЗР. Такая дискретность результатов преобразования является следствием характерной для АЦП передаточной характеристики в виде «ступеньки» (рис. а).

Совершенно очевидно, что в этом случае, как и при любом другом процессе аналого-цифрового преобразования, полученный результат содержит некоторую погрешность, называемую ошибкой квантования. Причины ее возникновения поясняются в графике, приведенном на рис.  .

Ошибка квантования появляется в результате замены истинной величины отсчета входного сигнала ее дискретным эквивалентом в виде выходного кода и определяется как разность между графиками ступенчатой передаточной характеристики и идеальной прямой. Максимальная величина ошибки для передаточной характеристики, приведенной на рис.  а, равна половине величины шага квантования (половине аналогового веса МЗР).

Важно учитывать эту особенность, которая, если взять для примера 8-разрядный АЦП с полной шкалой 5 В, проявляется в неизбежной погрешности преобразования величиной до 20 мВ. И хотя эта величина составляет лишь 0,4%, ее следует принимать во внимание.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

81847. Основные свойства транспортного узла 26.03 KB
  Узлы играют важную роль в организации комбинированных перевозок и совершенствовании взаимодействия различных видов транспорта. В зависимости от хозяйственного профиля города можно выделить транспортные узлы обслуживающие: центры обрабатывающей промышленности центры добывающей промышленности многоотраслевые центры непромышленные и курортные центры. Классифицируются узлы и по числу взаимодействующих видов транспорта. Кроме того по расположению узлов в транспортной системе узлы бывают транзитные обслуживающие преимущественно транзитные...
81848. Значение транспорта в развитии экономики страны 26.12 KB
  Транспортный комплекс Казахстана включающий в себя железнодорожный автомобильный водный и воздушный транспорт сеть автомобильных дорог с твердым покрытием трубопроводный и городской электрический транспорт ежегодно в среднем перевозит около 400 млн.т грузов и свыше 750 млн. Транспортная система Казахстана обеспечивает перевозки в среднем в год 70 млн. угля 1415 млн.
81849. Автомобильный транспорт. Зарождение и развитие а/т, его роль в ЕТС. Достоинства и недостатки 27.23 KB
  Первый отечественный автомобиль с двигателем внутреннего сгорания создан в С. Выдающимся русским автоконструктором с мировым именем был Борис Григорьевич Луцкий который в начале 90х годов прошлого столетия спроектировал несколько двигателей внутреннего сгорания предназначавшихся для самодвижущихся экипажей но отечественная промышленность еще не была готова к их освоению. 1 по виду двигателя: внутреннего сгорания карбюраторные дизельные газобаллонные газотурбинные электрические солнечные 2 грузоподъемности: малый средний...
81850. Процессы взаимодействия в транспортных узлах 27 KB
  Основная масса грузовых и пассажирских перевозок осуществляется с участием 2 х и более видов транспорта. Практически вся нефть из трубопроводов передается на другие виды транспорта а автомобиль взаимодействует со всеми видами транспорта особенно велик его вес для пассажирских перевозок. Во взаимодействии различных видов транспорта должна возродиться ЕТС единая транспортная система. Взаимодействие различных видов транспорта заключается в слаженной и согласованной работе транспорта в общем перевозочном процессе.
81851. Железнодорожный транспорт. Достоинства и недостатки 27.17 KB
  Но в неё в силу природных условий входили вспомогательные субъекты – больницы школы общепит учреждения культуры и другие. В законодательном порядке определена государственная политика в области железнодорожного транспорта направленная на создание условий для удовлетворения потребностей населения и экономики страны в перевозках. Преимущества: быстрая доставка на большие расстояния; независимость от климатических условий; большая грузоподъёмность 34 тыс.
81852. Понятие о транспортно-экономических балансах 21.37 KB
  Транспортно-экономический баланс состоит из трех основных частей: баланс производства или отправления грузов их потребления или прибытия объема перевозок и транспортно-экономических связей. Оптимальные внутрирайонные и межрайонные связи являются исходной базой для определения потоков грузов по участкам транспортной сети грузооборота и средней дальности перевозок. невозможности определения коэффициента повторное перевозок; отсутствие учета объема перевозок тары и др.
81854. Морской транспорт. Роль морского транспорта в перевозочном процессе 26.92 KB
  Роль морского транспорта в перевозочном процессе. Перестройка экономики и неизбежный спад производства приватизация речных судов в основном привели к наблюдаемому практическому отсутствию этого вида транспорта в перевозочном процессе. Для возрождения речного транспорта Казахстана необходимо выполнить большие объемы работ по улучшению дна рек созданию навигационных систем судоходства регулированию сроков навигации с учетом периода нереста рыб и т. Для развития водного транспорта Казахстана особое значение имеет Каспийское море и порт Актау.
81855. Техническая политика в области специализации различный видов транспорта 28.16 KB
  Научно-техническая политика на транспорте тесно связана со структурной определение темпов пропорций и приоритетов в развитии транспортной отрасли и инвестиционной определение объема структуры и направлений капиталовложений с целью обновления основных транспортных фондов. Структурная политика направлена: на ускоренное развитие наукоемких составных частей различных видов транспорта определяющих рост производительности труда и повышение социальноэкономической эффективности транспортного производства; на свертывание неэффективных...