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

4 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

8225. Педагогический процесс: сущность, закономерности и принципы 24.99 KB
  Педагогический процесс: сущность, закономерности и принципы Процесс обучения - это движение по пути познания, от незнания к знанию, от неполного и неточного знания к более полному и точному. В процессе обучения накапливаются знания, формируются...
8226. Характеристика современного процесса обучения: сущность, противоречия, закономерности 15.66 KB
  Характеристика современного процесса обучения: сущность, противоречия, закономерности. Обучение - это совокупность последовательных и взаимосвязанных действий учителя и учащегося, направленных на сознательное и прочное усвоение системы знаний, ...
8227. Характеристика принципов обучения, их реализация на уроках 15.43 KB
  Характеристика принципов обучения, их реализация на уроках. Обучение - это общение, в процессе которого происходит усвоение общественно-исторического опыта, освоение деятельностью, лежащей в основе формирования личности. Принцип - исходное...
8228. Государственный образовательный стандарт: базовая, вариативная, дополнительная составляющие 17.47 KB
  Государственный образовательный стандарт: базовая, вариативная, дополнительная составляющие Содержание образования отвечает на вопрос чему учить. это знание основ наук, умение применять их на практике, навыки, опыт творческой деятельности...
8229. Содержание образования в современной школе 19.16 KB
  Содержание образования в современной школе Обучение - процесс социально обусловленный, выраженный необходимостью воспроизводства человека как субъекта общественных отношений. Отсюда важнейшая социальная функция обучения заключается в формирован...
8230. Характеристика современного урока 16.57 KB
  Характеристика современного урока. Современный урок это неотъемлемая часть всей жизнедеятельности школьников, так как именно на уроке ученик больше всего познает, на уроке происходит его воспитание, развитие, раскрывается его ...
8231. Межпредметные связи в обучении, значение, виды, пути осуществления на уроках(на примере уроков географии) 15.65 KB
  Межпредметные связи в обучении, значение, виды, пути осуществления на уроках(на примере уроков географии) Межпредметные связи согласованное изучение разных учебных предметов. Они позволяют отразить в школьном обучении процесс интеграции раз...
8232. Самостоятельная учебно-познавательная деятельность учащихся: значение, виды самостоятельных работ, условия эффективности 18.64 KB
  Самостоятельная учебно-познавательная деятельность учащихся: значение, виды самостоятельных работ, условия эффективности. К самостоятельной учебно-познавательной деятельности относиться: кружки, практикумы, конференции, консультации, фак...
8233. Сущность понятия учебные достижения. Содержания, формы, виды, методы проверки знаний и умений учащихся 16.24 KB
  Сущность понятия учебные достижения. Содержания, формы, виды, методы проверки знаний и умений учащихся. Установлены следующие педагогические требования к организации контроля за учебной деятельностью учащихся: Индивидуальный характер контроля, осуще...