Немного позже появились ПЛК, которые можно было программировать на машинно – ориентированном языке, что было проще конструктивно, но требовало участия специально обученного программиста для внесения даже незначительных изменений в алгоритм управления. С этого момента началась борьба за упрощение процесса программирования ПЛК, которая привела сначала к созданию языков высокого уровня...

Поделитесь работой в социальных сетях

Если эта работа Вам не подошла внизу страницы есть список похожих работ. Так же Вы можете воспользоваться кнопкой поиск

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Бийский технологический институт (филиал)

Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова»

Кафедра "Методов и средств измерений и автоматизации"

Реферат

на тему: «Программируемые логические микроконтроллеры. Назначение, область применения.

выполнил

студент гр. ПС–24 _____________________ Р.А.Титов

Подпись, и.о. фамилия

проверил

преподаватель каф. МСИА ___________________ Д.С. Абраменко

подпись, и.о. фамилия

Бийск 2014

Введение

1. Понятие программируемого логического контроллера 5

2. Назначение и применение контроллеров 7

3. Сравнительный анализ рыночных моделей 10

4. Программирование ПЛК 16

Заключение 20

Список использованных источников 21

ВВЕДЕНИЕ уемый

Слово "контроллер" произошло от английского " control" (управление), а не от русского "контроль" (учет, проверка). Контроллером в системах автоматизации называют устройство, выполняющее управление физическими процессами по записанному в него алгоритму, с использованием информации, получаемой от датчиков и выводимой в исполнительные устройства.

Первые контроллеры появились на рубеже 60 – х и 70 – х годов в автомобильной промышленности, где использовались для автоматизации сборочных линий. В то время компьютеры стоили чрезвычайно дорого, поэтому контроллеры строились на жесткой логике (программировались аппаратно), что было гораздо дешевле. Однако перенастройка с одной технологической линии на другую требовала фактически изготовления нового контроллера. Поэтому появились контроллеры, алгоритм работы которых мог быть изменен несколько проще - с помощью схемы соединений реле. Такие контроллеры получили название программируемых логических контроллеров (ПЛК ), и этот термин сохранился до настоящего времени.

Немного позже появились ПЛК, которые можно было программировать на машинно – ориентированном языке, что было проще конструктивно, но требовало участия специально обученного программиста для внесения даже незначительных изменений в алгоритм управления. С этого момента началась борьба за упрощение процесса программирования ПЛК, которая привела сначала к созданию языков высокого уровня, затем – специализированных языков визуального программирования, похожих на язык релейной логики. В настоящее время этот процесс завершился созданием международного стандарта IEC (МЭК) 1131–3 [ Bertocco ], который позже был переименован в МЭК 61131-3 [ IEC ].

Широкое применение средств автоматизации производственных процессов, напрямую влияющее на сокращение издержек и повышение качества продукции, становится главным фактором развития российского промышленного производства. Лучшее доказательство этому – растущее влияние на мировом рынке российских металлургов, нефтяников, предприятий оборонного комплекса. Инвестируя в автоматизацию, модернизацию и развитие производства, сегодня именно эти отрасли становятся локомотивом всей отечественной промышленности.

Современное предприятие наряду с полностью автоматизированными или роботизированными линиями включает в себя и отдельные полуавтономные участки – системы блокировки и аварийной защиты, системы подачи воды и воздуха, очистные сооружения, погрузочно – разгрузочные и складские терминалы и т.п. Функции автоматизированного управления для них выполняют программно – технические комплексы (ПТК). Они строятся с использованием аппаратно – программных средств, к которым относятся средства измерения и контроля и исполнительные механизмы, объединенные в промышленные сети и управляемые промышленными компьютерами с помощью специализированного ПО. При этом, в отличие от компьютерных сетей, центральным звеном ПТК является не главный процессор, а программируемые логические контроллеры, объединенные в сеть.

Автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП) объединяют различные объекты и устройства, локальные и удаленные, в единый комплекс и позволяют контролировать и программировать их работу как в целом, так и по отдельности. Этим обеспечивается максимальная эффективность и безопасность производства, возможность оперативной наладки и переналадки, строгий учет и планирование показателей операционной деятельности, оптимизация бизнес – процессов .

1. 
   Понятие программируемого логического контроллера

Программируемый логический контроллер (сокращенно, ПЛК) – электронный компонент, применяемый в современных системах автоматизации. Программируемые логические контроллеры используются главным образом при автоматизации промышленных и производственных процессов. ПЛК различных типов также применяются для организации автоматизированного управления системами вентиляции и кондиционирования, для поддержания заданного температурного режима в помещении и т.д. Применение логических контроллеров позволяет создать практически полностью автономную систему управления, осуществляющую свою деятельность с учетом свойств, характеристик и состояния контролируемого объекта. Участие оператора сводится к общему наблюдению за процессом управления и, при необходимости – изменению заданной программы работы.

Контроллеры ПЛК относятся к категории устройств реального времени и обладают целым рядом существенных отличий от оборудования со сходными назначением и архитектурой. В частности, главным отличием программируемых логических контроллеров от обычных компьютеров является развитая система обработки входящих и исходящих сигналов исполнительных механизмов и различных датчиков; главным отличием от встраиваемых систем управления – схема монтажа, отдельного от объекта управления.

Первые логические контроллеры представляли собой достаточно крупногабаритные системы, состоящие из соединенных между собой контактов и реле. Схема функционирования этих устройств задавалась еще на стадии проектирования и впоследствии не могла быть изменена.

Контроллеры, программируемые с помощью особого языка Ladder Logic Diagram («лестничной логики»), стали следующим поколением и заменили собой устройства с жестко заданной логикой. Внутренняя физическая коммутация (то есть, контакты и реле) была заменена в них виртуальной и представляла собой программу, исполняемую микроконтроллером устройства. Современной разновидностью контроллеров, программируемых после проектирования и сборки, являются так называемые свободно программируемые контроллеры. Для изменения рабочих параметров, диагностики и обслуживания этих устройств используются специальные устройства – программаторы, или ПК, оснащенные соответствующими интерфейсами для подключения и программным обеспечением. Кроме того, для управления свободно программируемыми контроллерами применяются различные системы человеко-машинного интерфейса, в частности – операторские панели. Важнейшими элементами комплексов автоматизированного управления являются также датчики и исполнительные устройства, подсоединяемые к ПЛК централизованно или по методу распределенной периферии.

Для программирования ПЛК контроллеров был разработан ряд стандартизированных языков, описанных в международном стандарте МЭК 61131 .

2. Назначение и применение контроллеров

Программируемые логические контроллеры (ПЛК), являются широко распространенными средствами автоматизации в составе локальных и распределенных систем контроля и управления.

Термином ПЛК обозначают устройства, осуществляющие преобразование, обработку, хранение информации и выработку команд управления или управляющих регулирующих воздействий, реализованные на базе микропроцессорной техники и являющиеся, по сути, специализированными управляющими вычислительными комплексами для работы в локальных и распределенных системах управления в реальном масштабе времени.

Программируемые логические контроллеры предназначены для создания систем автоматизированного управления технологическим оборудованием в энергетике, на транспорте, в т.ч. железнодорожном, в различных областях промышленности, жилищно – коммунального и сельского хозяйства (рисунок 1).

Программируемые логические контроллеры (ПЛК) в основном ориентированы на реализацию логических функций, а не арифметических операций в реальном масштабе времени и используются вместо релейных схем управления, т. е. для управления полупроводниковыми схемами электроавтоматических устройств технологических объектов.

ПЛК реализуют всевозможные функции командоаппаратов и микроконтроллеров и создаются на базе микро – ЭВМ. Данные микро – ЭВМ можно рассматривать как универсальную программно – настраиваемую модель цифрового управляющего автомата. Возможность применения ПЛК в качестве универсального локального устройства управления всевозможными технологическими процессами достигается путем внесения в ПЛК программы, определяющей алгоритм работы конкретного объекта управления без изменения его электрической структуры .

Таким образом, ориентация ПЛК, как устройства общего назначения, в какой – либо области применения, достигается благодаря соответствующему программированию.

ПЛК может представлять собой либо целый, неделимый продукт, поставляемый одним производителем, либо несколько продуктов – составных частей, поставляемых одним или разными производителями.

По функциональному назначению в ПЛК можно выделить следующие основные части:

а) процессор, осуществляющий прием, обработку и выдачу информации,

б) устройство сопряжения процессора с объектом (УСО),

в) устройство сопряжения процессора с человеком – оператором,

г) программное обеспечение (ПО)(рисунок 2).

Рисунок 2 – Архитектура ПЛК

Требования, предъявляемые к ПЛК, разнообразны, так как ПЛК используются для всевозможных видов деятельности (рабочими, технологами, инженерами) .

Рисунок 1 – Возможные схемы работы контроллеров в промышленности

1. Сравнительный анализ рыночных моделей

На данный момент существует много фирм, производящие ПЛК. Однако наличие различных ПЛК ставит следующий вопрос: как выбрать из этого обилия необходимый контроллер? Большинству потребителей требуется не превосходство одной какой-то характеристики, а некая интегральная оценка, позволяющая сравнить ПЛК по совокупности характеристик и свойств. А это уже отдельная проблема. Так при маркетинге выяснилось, что многие фирмы не приводят данные по надежности (MTBF и MTTR). Однако там, где эти параметры есть, разброс идет на порядки.

Один из самых важных параметров ПЛК быстродействие в каталогах фирм указывается в совершенно разных вариантах. Могут фигурировать время выполнения бинарных команд, время опроса 1К дискретных входов, время выполнения смешанных команд и т.д.

Спектр контроллеров, предлагаемых сегодня, чрезвычайно широк. Все они построены по магистрально – модульному принципу, монтируются на панель или DIN–рейку, работают от напряжения +24 В, поддерживают протоколы обмена Fieldbus, имеют широкий набор модулей:

• модули дискретных входов / выходов;
• коммуникационные модули;
• модули аналогового ввода / вывода;
• модули терморегуляторов;
• модули позиционирования;
• модули ПИД – регулятора;
• модули контроля движения.

Контроллеры имеют равные функциональные возможности, близкие технические и эксплуатационные характеристики и даже почти одинаковые размеры. В такой ситуации необходимо определить критерии оценки и выбора ПЛК, удовлетворяющего поставленной задаче.

Учитывая специфику устройств, критерии оценки можно разделить на три группы:

• технические характеристики;
• эксплуатационные характеристики;
• потребительские свойства.

Кроме того, необходимо разделить характеристики на прямые (для которых положительным результатом является её увеличение) и обратные (для которых положительным результатом является её уменьшение).

Так как характеристики между собой конфликтны, т.е. улучшение одной характеристики почти всегда приводит к ухудшению другой, необходимо для каждой характеристики определить весовой коэффициент, учитывающий степень влияния данной характеристики на полезность устройства.

Ниже приведены несколько компаний, производящих ПЛК.

Advantech. Контроллеры и модули ввода / вывода

Тайваньская компания Advantech предлагает производит широкую линейку контроллеров и модулей ввода / вывода. Многофункциональные PC–совместимые устройства этой компании имеют широкие возможности и могут быть использованы как для простых задач автоматизации, так и для высокоответственных приложений с высоким быстродействием.

Рисунок – Внешний вид контроллеров Advantech Launches its BAS –3000 Series

Существуют две основные серии контроллеров Advantech – это APAX –5000 и ADAM – 5000. APAX – 5000 с открытой архитектурой, позволяющей использовать различные приложения и имеет высокоскоростной вычислительный процессор (APAX5570XPE/5571XPE), обеспечивая при этом гибкие функции ввода / вывода, повышающие масштабируемость системы. ADAM – 5000 оснащены широким набором интерфейсов для связи, обеспечивающих гибкость коммуникационных соединений.

ICP DAS

Рисунок – Внешний вид контролеров WinCon, uPAC, XPAC

Компания ICP DAS выпускает ПЛК и модули ввода-вывода широко известных в России серий I – 7000, I – 8000, uPAC, WinCon, WinPAC, XPAC, iPAC и т.д.

Возможность применения более дешевых, отработанных и быстро развивающихся открытых архитектур на базе РС – совместимой платформы позволяет широко использовать изделия компании ICP DAS для задач, где раньше применялись только обычные PLC.

Достоинствами контроллеров ICP DAS являются:

• невысокая цена PLC;
• использование открытых протоколов;
• простота программирования и доступность широкого спектра программного обеспечения;
• простота интеграции с системами управления более высокого уровня.

Контроллеры ОВЕН (ПЛК ОВЕН)

Компания ОВЕН уже более 15 лет производит широкий ряд приборов первичной автоматики. Компания ОВЕН в 2005 году начала разработку управляющих контроллеров для широкого применения. В них использовалась современная элементная база и с самого начала закладывались мощные аппаратные ресурсы и широкие программные возможности.

Рисунок – Внешний вид ПЛК ОВЕН

Для их программирования используется среда CoDeSys, разработанной немецкой компанией 3S-Software. Кроме того, контроллеры ОВЕН могут программироваться с помощью интегрированной SCADA и SoftLOGIC системы MasterSCADA .

Контроллеры Сегнетикс

Российская компания «Сегнетикс» (Segnetics) производит три линейки контроллеров. Первая линейка – SMH2010 – универсальные панельные контроллеры для автоматизации широкого спектра объектов в области ЖКХ, автоматизации зданий и промышленности. Вторая линейка предназначена для автоматизации систем вентиляции – Pixel.

Рисунок – Внешний вид ПЛК Сегнетикс

Третья линейка – SMH 2G – второе поколение панельных ПЛК, предназначенных для автоматизации инженерных систем зданий и технологических процессов в промышленности .

1. Программирование ПЛК

Использование ПЛК характеризуется:

а) наглядное описание автоматизируемых технологических процессов и дальнейшая отладка в терминах исходного описания;

б) мобильность – способность к переносу на различные аппаратные и операционные платформы, эффективное исполнение программы в реальном времени;

в) наглядность описания определяется характером объекта и следующими задачами по управлению объектом:

1) задачи параллельной обработки большого числа логических контуров (сотен и тысяч) с обработкой исполнительных действий при наступлении тех или иных событий. В основе логического контура лежит проверка истинности логической функции от нескольких переменных, а событие равнозначно истинности этой функции. Задачи такого рода характерны, например, для таких технологических объектов, как электростанции, химические производства и производства по переработке нефти. Задача адекватно и наглядно описывается системой булевых уравнений. Все языки стандарта, за исключением SFC, хорошо подходят для описания подобных задач, поскольку они или содержат в себе средство представления булевых функций (языки IL, ST), или являются графической формой их отображения (языки LD, FBD).

2) задачи управления процессом, проходящим в своем развитии через ряд состояний (шагов, стадий). Переход от одного состояния к другому происходит по событиям, формируемым по сигналам датчиков процесса. Такие задачи управления возникают, например, при управлении транспортно-складскими системами, агрегатными станками, робототехническими комплексами, характерны они и для объектов, перечисленных в п. 1, в частности, при пуске и останове турбины и др. Задачи данного типа наиболее наглядно представляются автоматными моделями. В стандарте такая модель строится с использованием языка SFC (разметка состоянии, логика управления) и любого другого языка (описание действии, связанных с состоянием, и событий, предписывающих смену состояний). Заметим, что подобные задачи могут быть полностью представлены с помощью других языков стандарта, например языка FBD с использованием элементов памяти – триггеров, но в этом случае автоматная модель будет выражена неявно.

3) задачи автоматического регулирования (ПИД – законы, нечеткое управление и т.д.) встречаются практически везде. Здесь как правило, используются библиотеки заранее разработанных компонентов – графических блоков для языков LD и FBD и подпрограмм для языков ST и PL.

4) задачи управления распределенными технологическими объектами, оптимизационные, а также задачи, связанные с интеллектуальным анализом данных. Задачи такого типа решаются в сложных технологических объектах типа химических производств. Здесь в качестве средств адекватного описания могут использоваться языки ST, универсальные типа С, С++, Паскаль, сценарные типа Visual Basic, объектно-ориентированные типа Java.

Мобильность языков, т.е. способность к переносу на различные аппаратные и операционные платформы, может поддерживаться для языков стандарта в случае использования пакета от одного разработчика. Это связано с невозможностью сосуществования в одной разработке программ на одинаковых языках от разных поставщиков, так как требования стандарта IЕС 61131 – 3 носят рекомендательный характер, а значит, приводят к различиям в реализации языков у разных производителей.

Эффективное исполнение в РВ дает ответ, насколько быстро сможет отреагировать система управления (ПЛК) на происшедшее событие. Обычно используется понятие «временной цикл», т.е. заранее задаваемый интервал времени, например, в диапазона 10…300 мс, в течение которого ПЛК сможет гарантированно отреагировать на входное воздействие. Для обеспечения более быстрой реакции служат так называемые инициативные сигналы, которые обрабатываются по прерыванию (от десятков до сотен микросекунд).

Для широкого круга приложений задача обеспечения требуемого временного цикла решается достаточно легко благодаря высокому быстродействию процессоров, используемых в ПЛК. Haпример, в контроллерах Modicon применяются процессоры компании Intel от Intel 286 до Pentium. Тем не менее здесь есть одна проблема: неэффективное использование процессора при управление объектами, в которых осуществляется в основном обработка логической информации, при которой используется только один разряд из 32. Если найти решение этой проблемы, то по крайней мере можно будет понизить класс применяемого процессора, что выгодно по экономическим соображениям.

Согласно требованиям стандарта, не предопределенные объекты должны иметь имя и тип, объявленные программистом, предопределенные объекты распределяются на три зоны: зону памяти (%М), зону входов (%1) и зону выходов (%Q). Объектами могут быть: биты (X), байты (В), слова (W), двойные слова (D), «длинные» слова (L) – 64 бита

Ограничения стандарта:

а) не фиксируется имя задач;

б) размер графического редактора оставляется на выбор пользователя;

в) нет минимального количества функций, готовых к реализации, но

если используется имя по стандарту (функциональный блок и т.п.), то

оно должно соответствовать стандарту;

г) сервисные утилиты и средства разработки и отладки приложения

(редакторы, языки, документирование и т.п.) не определены;

д) нет точных правил выполнения программы (например, для

функциональных блоков);

е) не описана конвертируемость языков.

Сертификат IЕС 61131 – 3 на сегодня не существует, нет определенного «класса соответствия». Каждый разработчик, объявивший свое соответствие норме, должен представить документацию таблиц соответствия, а также список дополнительных расширений.

Преимущества стандарта для конечных пользователей состоят в том, что уменьшается стоимость обучения, пользовательские приложения однородны, структура программ идентична, используются предопределенные объекты и т.п. Разнообразие стандартных языков позволяет каждую функцию приложения запрограммировать наиболее подходящим для данной задачи языком.

Следование стандарту позволяет разработчикам ПЛК обеспечить соответствие разработки техническим требованиям, предъявляемым потребителями, и даже ввести дополнительные функции, что не могут сделать мелкие поставщики ПО .

Заключение

Первое и главное преимущество ПЛК, обусловившее их широкое распространении, заключается в том, что одно компактное электронное устройство может заменить десятки и сотни электромеханических реле.

Второе преимущество в том, что функции логических контроллеров реализуются не аппаратно, а программно, что позволяет постоянно адаптировать их к работе в новых условиях с минимальными усилиями и затратами.

Применение ПЛК обеспечивает высокую надёжность, простое тиражирование и обслуживание систем управления, ускоряет монтаж и наладку оборудования, обеспечивает возможность быстрого обновления алгоритмов управления (в том числе и на работающем оборудовании) .

Список использованных источников

1. И.Г. Минаев, В.В. Самойленко «Программируемые логические контроллеры. Практическое руководство для начинающего инженера». – Москва.: «Аргус», 2009.

2. И.В. Петров «Программируемые логические контроллеры. Стандартные языки и приемы прикладного программирования». – М.: «Солон–Пресс», 2004.

3. Энциклопедия [Электронный ресурс]. – Форма доступа – http :// wikipedia .

4. Овен [Электронный ресурс]. – Форма доступа – http://www.owen.ru.

5. Техническая коллекция Schneider Electric . Выпуск №16. «Системы автоматического управления на основе программируемых логических контроллеров». – «Schneider Electric Publisher», 2008.

6. Segnetics [Электронный ресурс]. – Форма доступа – http :// www . segnetics . com .

Другие похожие работы, которые могут вас заинтересовать.вшм>
233.		Системы ферм и область их применения в строительных конструкциях	711.56 KB
	Фермы Системы ферм и область их применения в строительных конструкциях Стальные фермы широко применяются в покрытиях промышленных и гражданских зданий ангаров вокзалов и т. Большепролетные мосты радиобашни и мачты опоры линий электропередачи и многие другие конструкции выполняются в виде стальных ферм. Фермы по сравнению со сплошными балками экономичны по затрате металла им легко придают любые очертания требуемые условиями технологии работы под нагрузкой или архитектуры они относительно просты в изготовлении. Фермы применяют при...
6489.		Логические элементы и логические функции	184.65 KB
	1 Классификация электрических сигналов Основная задача любого электронного устройства – обработка информации которую несут в себе электрические сигналы. В самом общем виде электрические сигналы можно классифицировать следующим образом: аналоговые – напряжение и токи непрерывно изменяющиеся во времени; информация содержится в амплитуде частоте или фазе сигналов; дискретные – импульсные – скачкообразно изменяющиеся сигналы; информация содержится в амплитуде частоте или форме импульсов; дискретные – цифровые – сигналы амплитуда которых...
193.		Логические элементы	384.14 KB
	Определение логических элементов Логические элементы ЛЭ – это электронные схемы реализующие простейшие логические операции. Классификация логических элементов 1.15 показаны УГО логических элементов по европейскому стандарту DIN которые не сильно отличаются от обозначений по российскому стандарту. EmitterCoupled Logic ECL] используемая в МС с высокой скоростью переключения элементов 052 нс; инжекторноинжекторной логики И2Л с инжекционным питанием; на МДПтранзисторах МДП = МеталлДиэлектрикПолупроводник [англ.
4449.		Логические основы ЭВМ	40.08 KB
	Основы математической логики; логические законы. Основные логические элементы; логические схемы. Полусумматор, сумматор. Триггер.
8888.		ЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АРГУМЕНТАЦИИ	20.21 KB
	Суждения используемые при обосновании тезиса. В качестве аргументов выступают посылки а в качестве тезиса – заключение вывода. ДОКАЗАТЕЛЬСТВО это аргументация в которой осуществляется полное обоснование истинности некоторого суждения тезиса путем выведения его из других суждений аргументов принимаемых за истинные. Иными словами при прямом доказательстве истинность тезиса непосредственно следует из истинности аргументов тезис является логическим следствием аргументов.
2745.		Логические элементы в Workbench	135.54 KB
	Нарисуем моделируемую схему в программе ElectronicsWorkbench После запуска схемы в логическом анализаторе получили следующее Составим таблицы истинности по 4 значения из логического анализатора и по ним определим название логических элементов...
10477.		Логические основы компьютера	10.94 KB
	Вовторых булева алгебра делает это таким образом что сложное логическое высказывание описывается функцией результатом вычисления которой может быть либо истина либо ложь 1 либо 0. Логическое высказывание: это высказывание относительно которого можно однозначно сказать истинно оно или ложно. Например высказывания Париж столица Франции и Париж столица Англии это логические высказывания так как относительно каждого можно сказать что первое высказывание истинно а второе ложно. Что такое простое логическое высказывание Это фразы...
6469.		Сумматоры и арифметико-логические устройства	219.59 KB
	Полусумматор это комбинационная схема которая выполняет операцию арифметического суммирования двух одноразрядных двоичных чисел без учета переноса из младшего разряда. Использование сумматоров На основе одноразрядных полусумматора и полных сумматоров можно построить разрядный полный сумматор путем последовательного соединения схем сумматоров по линиям передачи сигнала переноса рис. последовательно соединяя выход переноса микросхемы суммирующей младшие разряды со входом переноса микросхемы суммирующей старшие разряды...
78.		Объектная привязка. Логические функции	87.88 KB
	Цель работы: приобрести навыки настройки параметров и использования объектной привязки а также логических функций при разработке плоских чертежей. Установка параметров привязки для всего чертежа Вызов Главное меню TOOLS Object Snp Setings. Выбор режима привязки в процессе черчения.
6272.		Предметная область теории распределения информации	30.53 KB
	Информационные процессы и конфликты обслуживания. Основные определения теории систем массового обслуживания. Модели потока требований В курсе Теория телетрафика ТРИ рассматриваются процессы обработки информации в телекоммуникационных сетях с точки зрения теории систем массового обслуживания СМО. Если число серверов недостаточно для обслуживания всех поступивших заявок то возникает конфликт разрешение которого состоит в том что часть заявок отбрасывается или помещается в очередь.

Режимы применения “ТКМ - 52” в АСУ ТП

Контроллер “ТКМ - 52” предназначен для сбора, обработки информации и формирования воздействий на объект управления в составе распределенных иерархических или локальных автономных АСУ ТП на основе сети Ethernet или RS-485(MODBUS). Контроллер может использоваться:

а) как автономное устройство управления небольшими объектами;

б) как удаленный терминал связи с объектом в составе распределенных систем управления;

в) одновременно как локальное устройство управления и как удаленный терминал связи с объектом в составе сложных распределенных систем управления.

Контроллер в дублированном режиме рассчитан на применение в высоконадежных системах управления. В контроллер, в зависимости от вариантов исполнения, может устанавливаться одна из операционных систем: DOS или Системное Программное Обеспечение (СПО) на базе OS LINUX. В первом случае МФК можно осуществлять посредствам универсальных средств программирования с помощью программы TRA - CE MODE.

В автономном применении контроллер решает задачи средней информационной емкости (50 - 200 каналов). К нему можно подключить периферийные различные устройства по последовательным (RS - 232, HRS - 485) и параллельному интерфейсу, а также по сети Ethernet. В качестве пульта оператора-технолога может использоваться встроенный блок клавиатуры и индикатора V03.

В режиме применения удаленного терминала связи с объектом, управляющая программа исполняется на вычислительном устройстве верхнего уровня иерархии (например, на IBM PC), соединенному с контроллером по последовательному каналу (RS - 232 или RS - 485. По протоколу Modbus), либо по сети Ethernet, а контроллер обеспечивает сбор информации и выдачу управляющих воздействий на объект.

Применение в смешанном режиме (в качестве интеллектуального узла распределенной АСУ ТП) управление объектом производится прикладной программой,

хранящейся в энергонезависимой памяти контроллера. При этом контроллер подключен к сети Ethernet, что позволяет вычислительному устройству верхнего уровня иерархии, иметь доступ к значениям входных и выходных сигналов контроллера и значениям рабочих переменных прикладной программы, а также воздействовать на эти значения. В контроллере могут быть использованы все свободные интерфейсы, а также его клавиатура и индикатор. Одновременное исполнение прикладной программы и работа по сети Ethernet поддерживается средствами операционной системы контроллера и системой ввода-вывода.

Данный вариант в наибольшей степени использует ресурсы контроллера “ТКМ 52”, и позволяет создавать с его помощью гибкие и надежные распределенные АСУ ТП любой информационной мощности (до десятков тысяч каналов). При этом обеспечивается живучесть отдельных подсистем.

Состав и характеристики контроллера

Контроллер “ТКМ - 52” является проектно-компонуемым изделием, состав которого определяется при заказе. Контроллер состоит из базовой части,блока клавиатуры-индикации и модулей ввода-вывода (от 1 до 4) . Базовая часть контроллера состоит из корпуса, блока питания, процессорного модуля PCM423L с модулем TCbus52 и блоком клавиатуры и индикации V03.

Корпус контроллера металлический, состоит из секций, соединенных между собой с помощью специальных винтов. В задней секции размещается блок питания и процессорный модуль. В остальных секциях размещаются модули ввода-вывода. В передней секции всегда размещается блок клавиатуры и индикации VОЗ. В зависимости от количества секций для модулей ввода-вывода различаются следующие комплектации базовой части контроллера:

Контроллер “ТКМ - 52” работает от сети переменного тока частотой 50 Гц и напряжением 220 В, потребляемая мощьность 130 Вт.

Контроллер “ТКМ - 52” рассчитан на непрерывную круглосуточную работу.

Диапазон рабочих температур окружающей контроллер среды от плюс 5 до плюс 50 С. Контролер имеет пылебрызгозащищенное исполнение IP42.

Основные характеристики процессорного модуля:

а) процессор: FAMD DX-133(5x86-133);

б) системное ОЗУ-8Мбайт, в зависимости от установки модуля памяти может расширяться до 32 Мбайт;

в) FLASH - память системных и прикладных программ-4 Мб (может расширяться до 144 Мб;

г) последовательные порты: СОМ1 RS232, COM2 RS232/RS485 совместимы UART 16550, параллельный порт LPT1: поддерживает режимы SPP/EPP/ECP;

д) Ethernet интерфейс: контроллер Realtek RTL8019AS, программно совместим NE2000;

е) таймер аппаратного сброса WatchDog, астрономический календарь-таймер с питанием от встроенной батареи, питание - 5 В ± 5 %, 2 А.

Микроконтроллеры и одноплатные компьютеры предлагают разработчикам различные возможности для приложений автоматизации, в первую очередь заключающиеся в гибкости настройки и дешевизне решения. Но можно ли доверять данным элементам в условиях промышленной среды при использовании в оборудовании, бесперебойное функционирование которого критически важно?

Ассортимент микроконтроллеров и мини-ПК, появившихся в мире энтузиастов, быстро расширяется, без каких-либо причин ослабления. Эти компоненты, в том числе Arduino, и Raspberry Pi, предлагают необычные возможности, в том числе обширную экосистему, включающую интегрированную среду разработки, поддержку и аксессуары, при этом все очень дешево. Некоторые из инженеров в некоторых случаях предполагают возможность применения таких микроконтроллеров в устройствах промышленной автоматизации вместо программируемых логических контроллеров (ПЛК). Но разве это мудро?

Хороший вопрос, но не нужно спешить с ответом, поскольку зачастую есть решение, которое может быть очевидным с первого взгляда. Давайте посмотрим ниже поверхности и рассмотрим факторы, имеющие отношение к обсуждению. С помощью беглого обзора мы увидим, что сегодня на рынке доступно около восьмидесяти различных плат, в том числе платы с микроконтроллерами, платы с ПЛИС FPGA и мини-ПК с широким спектром возможностей. В этом материале все они будут условно называться микроконтроллерами. Аналогичным образом, несмотря на то, что ПЛК обладают широким спектром возможностей, в этом материале предполагается ПЛК с хорошо продуманным и надежным контроллером.

Рассмотрим небольшой промышленный процесс, требующий двух или трех датчиков и исполнительного механизма. Система связывается с более крупной системой управления, и для управления процессом необходимо написать программу. Это несложная задача для всякого небольшого ПЛК ценой примерно 200 долларов, но заманчиво задействовать значительно более дешевый микроконтроллер. При разработке сначала выполняется поиск периферии ввода-вывода, здесь нет никаких проблем с ПЛК, но, вероятно, это проблема для микроконтроллера.

Некоторые микроконтроллерные выходы относительно легко конвертируются, например, в интерфейс токовой петли 4-20 мА. Другие несколько сложнее преобразовать, например, аналоговый выход с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Определенное количество преобразователей сигналов доступно в качестве стандартных продуктов, но они увеличивают общую стоимость. Инженер, настаивающий на полном самостоятельном производстве, может попробовать сделать преобразователь сам, но такое обязательство может быть непростым и потребует немалого времени на разработку.

ПЛК работают, можно сказать, с любым промышленным датчиком и в основном не требуют внешнего преобразования, поскольку они предназначены для подключения к огромному многообразию датчиков, исполнительных механизмов и прочих промышленных элементов посредством модулей ввода/вывода. ПЛК также легко монтируется, а плата микроконтроллера с контактами и разъемами требует некоторой работы по монтажу и согласованию.

Микроконтроллер – это «голое» устройство без операционной системы или с какой-либо простой операционной системой, которую нужно настраивать под конкретные нужды. В конце концов, одноплатный компьютер, продающий за $40 и имеющий Linux, вряд ли будет иметь много возможностей для встраиваемого программного обеспечения, поэтому пользователю остаётся кодировать все, кроме самых основных возможностей.

С другой стороны, хотя даже если приложение будет простым, ПЛК имеет множество встроенных возможностей, чтобы сделать многое «за кулисами», без использования специального программирования. ПЛК имеют программные сторожевые таймеры, чтобы следить за исполняемой программой и аппаратными устройствами. Эти проверки происходят при каждом сканировании с ошибками или предупреждениями, если возникает проблема.

В принципе, каждая из этих возможностей может быть внесена в микроконтроллер посредством программирования, но пользователь должен будет либо написать подпрограммы с нуля, либо найти уже имеющиеся программные блоки и библиотеки для повторного использования. Естественно, их необходимо проверить в условиях целевого приложения. Инженер, пишущий несколько программ для одного и того же контроллера, может повторно задействовать уже испытанные куски кода, но такие возможности имеются в операционной системе практически каждого ПЛК.

Помимо этого, ПЛК спроектированы так, чтобы выдерживать требования промышленной среды. ПЛК представляет собой прочный аппарат, он изготовлен и протестирован, чтобы выдерживать удар и вибрацию, электрический шум, коррозию и широкий диапазон температур. Зачастую такими преимуществами микроконтроллеры не обладают. Для микроконтроллеров редко проводят такую подробную и доскональную проверку, и обычно эти устройства будут включать лишь главные требования к определенным рынкам, такие как, например, управление бытовой техникой.

Также стоит сказать, что многие промышленные механизмы и оборудование работают в течение десятилетий, поэтому контроллеры также обязаны работать очень долго. В связи с этим пользователям необходима долгосрочная поддержка. Оригинальные производители оборудования обязаны в долгосрочной перспективе рассчитывать на продукты, которые они применяют в своих устройствах, и должны быть готовы, когда клиент желает приобрести запасные части для системы, внедренной двадцать лет назад или раньше. Компании, занимающиеся микроконтроллерами, бывает, не в состоянии обеспечить такую долгую жизнь своего продукта. Большинство производителей ПЛК предоставляют качественную поддержку, некоторые при этом даже предлагают бесплатную техническую поддержку. Впрочем, следует отметить, что пользователи микроконтроллеров часто формируют собственные группы технической поддержки, ответы на многие вопросы зачастую встречаются в дискуссионных группах и форумах с потребностями, аналогичными вашим собственным.

Таким образом, микроконтроллеры и различные типы отладочных плат являются скорее инструментами для обучения, экспериментирования и прототипирования. Они дешевы и значительно упрощают обучение сложным концепциям программирования и автоматизации. Но в то же время, если задача состоит в том, чтобы производство эффективно работало, причем безопасно и без сбоев, ПЛК предоставляют широкий спектр возможностей с надежностью, которая была проверена и применялась на протяжении очень долгого времени. Когда фабрика должна работать бесперебойно, и продукты должны быть изготовлены качественно и без промедления на производственных линиях, надежность и безопасность важнее всего.

.
   Если Вы хотите, чтобы интересные и полезные материалы выходили чаще, и было меньше рекламы,
   Вы можее поддержать наш проект, пожертвовав любую сумму на его развитие.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

1. Технико-экономическое обоснование проекта

2. Уровни управления

3. Человеко-машинный интерфейс

Заключение

Список используемой литературы

Введение

В данное время в экономике наблюдается тенденция, при которой играет одну из ведущих ролей в управлении производством продукции и ее следующей реализации. В развитых странах управления качеством на предприятии притягивает особое внимание всех подразделов, которые влияют на качество продукции, которая выпускается. Для лучшего взаимодействия и, для более эффективного результата на предприятиях разрабатываются разные подходы к управлению качеством.

Использование микроконтроллеров в изделиях производственного и культурно-бытового назначения не только приводит к повышению технико-экономических показателей изделий (стоимости, надёжности, потребляемой мощности, габаритных размеров) и позволяет многократно сократить сроки разработки и отодвинуть сроки морального старения изделий, но и придаёт им принципиально новые потребительские качества такие как расширенные функциональные возможности, модифицируемость, адаптивность и т.д.

Качество продукции (включая новизну, технический уровень, отсутствие дефектов при выполнении, надежность в эксплуатации) есть одним из важнейших средств конкурентной борьбы, завоевание и удержание позиций на рынке. Поэтому фирмы уделяют особое внимание обеспечению высокого качества продукции, устанавливая контроль на всех стадиях производственного процесса, начиная с контроля качества используемых сырья и материалов и заканчивая определением соответствия выпущенного продукта техническим характеристикам и параметрам не только в походке его испытаний, но и в эксплуатации, а для сложных видов оборудования - с предоставлением определенного гарантийного срока после установки оборудования на предприятии заказчика. Поэтому управление качеством продукции стало основной частью производственного процесса и направлен не столько на выявление дефектов или брака в готовой продукции, сколько на проверку качества изделия в процессе его изготовления.

В наше время для экономического и социального развития страны необходимо кардинальное ускорение научно-технического прогресса на основе широкого внедрения новой техники и технологии, комплексной автоматизации и автоматизации производства и технологических процессов, повышение производительности работы, повышение технического уровня и качества продукции. На современном этапе развития общества решение поставленных задач невозможно без внедрения микропроцессорной техники во всех областях народного хозяйства страны. Применение микропроцессорной техники обеспечивает важный рост производительности работы, улучшение технического уровня и качества продукции, экономию сырья и материалов.

Использование микроэлектронных средств в изделиях производственного и культурно-бытового назначения не только приводит к повышению технико-экономических показателей изделий (стоимости, надежности, потребляемой мощности, габаритных размеров) и разрешает многократно уменьшить сроки разработки и отодвинуть сроки "морального старения" изделий, но и предоставляет им принципиально новые потребительские качества (расширенные функциональные возможности, модификация, адаптивность и т.д.).

1. Технико-экономическое обоснование проекта

За последние годы в микроэлектронике быстрое развитие получило направление, связанное с выпуском микроконтроллеров, которые предназначенные для "интеллектуализации" оборудования разнообразного назначения. Использование микроконтроллеров в системах управления обеспечивает достижение исключительно высоких показателей эффективности. Особой популярностью пользуются 16-разрядные микроконтроллеры MCS-96 фирмы Intel, что нашли применения в промышленности, автомобилестроении, медицине и в бытовой технике разнообразнейшего назначения. Их архитектура оптимизирована для систем управления событиями в реальном масштабе времени. Так, например, семейство MCS-96 обеспечивает аналого-цифровое преобразование, широтно-импульсную модуляцию и быстродействующий введение-вывод информации.

Работа современных предприятий и перерабатывающих заводов предполагает выполнение множества сложнейших операций. Для точного управления оборудованием и производственными процессами, в работе используются современнейшие датчики, электромеханические узлы и сервоприводы.

В качестве примера привлекательности применения высокотехнологичных методов для получения возможности точного управления, можно рассмотреть сетевую автоматизацию производственного цеха и подключение ее к IT-сетям для получения необходимой бизнес-информации и стратегии, на основании чего принимаются конкретные решения по производственному управлению.

Такой централизованный и коммуникационно-ориентированный взгляд на решение задач промышленного управления предоставляет службам технического обслуживания и промышленным инженерам доступ к хранилищам данных для подробного анализа и оптимизации процессов. Заводские менеджеры и руководители предприятия могут получить исчерпывающую информацию для оценки общей эффективности производства, буквально просто бросив взгляд на приборную панель, отображающую параметры процессов.

Впоследствии процессы могут контролироваться вручную, и каждая производственная ячейка управляется независимо от других. Имея доступ к суммарной информации об общем фактическом функционировании предприятия в режиме реального времени, его руководство получает возможность анализа дневных производственных показателей для корректировки бизнес-стратегии, основываясь на оперативно полученных данных.

Постепенный переход от изолированных друг от друга узлов производственной цепочки к сетевому взаимодействию осуществлялся в течение несколько лет. В связи с тем, что этот переход был во многом узконаправленным и не распланированным, когда каждая текущая разработка очередного узла промышленной управляющей системы базировалась на собственном для данного проекта наборе шин, сетей и контроллеров, что делало этот узел изолированным от общей промышленной системы управления.

Несмотря на то, что на данный момент присутствует единое видение проблем сетевого промышленного управления в направлении "сверху вниз", взгляд на эти проблемы в направлении "снизу вверх", со стороны модуля центрального процессора каждого сегмента - сильно фрагментирован. До сегодняшнего дня выбрать единую процессорную архитектуру, которая эффективно работала бы на всех уровнях управляющей инфраструктуры, было просто невозможно.

Современные разработки в области процессорных технологий предоставляют разработчикам возможность инноваций в рамках использования единой концепции в реализации систем промышленного управления. Путем тщательного анализа требований к производительности, функциональности и способам коммуникаций на каждом уровне управления, разработчик может остановиться на стандартной процессорной архитектуре с единым ядром, что обеспечивает не только получение оптимального решения при конкурентоспособной стоимости, но и сокращение цен на разработку, существенное снижение длительности цикла проектирования и возможность повторного использования уже разработанного программного обеспечения.

2. Уровни управления

Как правило, система управления производственными процессами представляется в виде иерархии, состоящей из четырех уровней

· Датчики и исполнительные механизмы, использующиеся для мониторинга производственных процессов путем предоставления отчетов по текущему статусу и фиксации изменений состояния;

· Электродвигатели и другие системы, такие как например индуктивные нагреватели для осуществления воздействий на состояние процесса или выполнение операции;

· Элементы управления, анализирующие информацию, получаемую от узлов датчиков и выдающие команды для системы исполнительных механизмов с целью достижения желаемых изменений, включающие в себя сети программируемых логических контроллеров (PLC, Programmable Logic Controller) и сети программируемых контроллеров автоматизации (PAC, Programmable Automation Controller), объединяющие устройства;

· Модули человеко-машинного интерфейса (HMI, Human-Machine Interface), осуществляющие визуальное и алгоритмическое представление текущего состояния производства для инженеров и технических служб.

Рис. 1. Автоматизированное производство, состоящее из четырех основных уровней управления процессами

До сегодняшнего дня ни одна программно-совместимая процессорная архитектура не могла позволить экономически эффективно охватить все четыре уровня модели промышленного управления. Используя общую архитектуру процессора, разработчики могут уменьшить количество приобретаемых программных средств разработки, получить возможность постоянной работы в исключительно знакомой среде разработки с возможностью повторного использования написанного кода.

Архитектура ARM® является открытой архитектурой со свободным лицензированием, без необходимости приобретения прав собственности. Преимущество открытости сделало архитектуру ARM фактически стандартом, благоприятствующим разработке надежных, разноплановых и всеобъемлющих систем с использованием стороннего программного и аппаратного обеспечения. микроконтроллер управление сетевой

Являясь лидером в области встраиваемых процессоров, компания ARM Ltd. предлагает широкий спектр микропроцессорных ядер, способных удовлетворить требования по производительности для реализации всех уровней промышленного управления. Эволюционная стратегия развития ядер удостоена наград за программную совместимость и архитектурную непрерывность. Полная программная совместимость при миграции с микроконтроллеров с ядром Cortex™-M3 кмикропроцессорам Cortex-A8, обеспечивает простую разработку системы управления с алгоритмами коммуникации, разработанными и отлаженными всего один раз, но теперь уже с возможностью выбора из целого спектра характеристик производительности. Надо заметить, что в некоторых ARM-ядрах присутствует интегрированная поддержка функций промышленного управления, включая детерминированные режимы и мультизадачность.

Хотя уже сами по себе данные ядра являются прекрасной отправной точкой, микроконтроллеры и микропроцессоры с ARM-архитектурой должны также предоставлять соответствующие комбинации интегрированной периферии и опций памяти. Тенденция постоянного роста числа приложений для реализации задач промышленного управления диктует необходимость производства большого количества семейств, применением которых можно было бы охватить полные диапазоны возможных решений, отвечающих требованиями по стоимости, производительности и функциональности.

И, наконец, для помощи разработчикам в создании систем промышленного управления в рамках единой архитектурной концепции, в первую очередь необходимы профессиональные программные отладочные средства, облегчающие процесс разработки и предоставляющие максимальные возможности для повторного использования кода.

Лучшим способом иллюстрации гибкости и разнообразности ARM-продуктов и определения наилучшего сочетания наборов периферии микроконтроллеров и микропроцессоров для реализации функций дискретного управления - анализ требований, предъявляемых на каждом уровне иерархической модели управления, представленной на рис.1.

Уровень управления производственным оборудованием обычно представляет собой большое количество функционирующих в его пределах программируемых логических контроллеров (PLC, Programmable Logic Controller). Программируемые логические контроллеры получают информацию от датчиков и используя ее принимают решение о изменении хода производственного процесса, а также управляют реле, двигателями или другим механическими технологическими устройствами. Они могут контролировать и управлять большими массивами линий ввода-вывода в составе сотен сетевых узлов.

Контроллеры обычно должны работать в детерминированном режиме - это означает, что реакция каждого порта ввода/вывода занимает строго определенное время (или количество вычислительных циклов). Там, где требования к детерминированному выполнению в режиме реального времени не такие жесткие, в некоторых программируемых контроллерах применяются операционные системы реального времени (RTOS, Real-Time Operating System), что облегчает прикладное программирование под конкретную задачу, но предполагает, что система реагирует через какой-то отдельный промежуток времени.

Одной из отличительных характеристик ядра ARM Cortex-M3 является аппаратная поддержка детерминированного функционирования. Вместо извлечения данных из кэша, ядро Cortex-M3 получает инструкции и данные непосредственно из внутренней Flash-памяти. Это обеспечивает аппаратные способы сохранения состояния процессора во время обработки исключений. При получении сигнала внешнего прерывания, передача управления его обработчику занимает всего 12 циклов, а в случае вложенных прерываний передача управления обработчику занимает всего шесть циклов.

С точки зрения разработки, встроенный в ядро Cortex-M3 детерминизм делает возможным замену двухкристального решения системы управления электродвигателем однокристальным, на основе одного микроконтроллера. В двухкристальном решении требуется DSP-процессор для управления двигателем, привязанным к узлу сети, в то время как постоянная связь с системой поддерживается микроконтроллером. Применение микроконтроллера с ядром Cortex-M3 является однокристальным решением обеих задач одновременно.

Аппаратная поддержка детерминированного функционирования наиболее эффективна при применении специально разработанных для данных режимов работы сетевых протоколов. Для этого подходит протокол IEEE1588 Precision Time Protocol (PTP), основной чертой которого является точность поддерживаемых временных интервалов и возможность реализации режимов мульти-адресации. С точки зрения автоматизации разработки это означает, что модуль 10/100 Ethernet с поддержкой режима IEEE1588 PTP является важным периферийным узлом. В некоторых программируемых контроллерах автоматизации технологических процессов (PAC, Programmable Automation Controller) самого высокого уровня требуется поддержка стандарта Gigabit Ethernet, что вполне очевидно ввиду увеличения потоков передаваемых данных.

Другой популярный метод сетевого объединения устройств промышленной автоматики - применение протоколов CAN (Controller Area Network), позволяющее создавать распределенные и дублирующие системы.

Беспроводные сети стали популярными для организации сетевого взаимодействия программируемых логических контроллеров, датчиков и других оконечных устройств. Также, беспроводные коммуникации WLAN (wireless Ethernet) применяются для связи программируемых логических контроллеров с программируемыми контроллерами автоматизации технологических процессов.

ARM-микроконтроллеры семейства Sitara™ компании TI имеют на кристалле модули Ethernet MAC, CAN и SDIO для сетей WLAN и обладают необходимыми уровнями производительности для поддержки сетевых протоколов.

Рис. 2. Микроконтроллеры семейства Sitara AM35x на базе ядра Cortex-A8

Для реализации сетей датчиков широкое распространение получил протокол ZigBee. Основываясь на радиоспецификации IEEE802.15.4, интерфейс ZigBee позволяет создавать сети с ячеистой топологией для создания надежных самопрограммирующихся сетей, идеально подходящих для промышленных применений.

Микроконтроллеры с ядром Cortex-M3 обладают требуемой производительностью для реализации протокола ZigBee и решения сопутствующих задач, за исключением организации радиоканала. Также, производительности ядра Cortex-M3 достаточно для обеспечения коммуникаций в стандарте 10/100 Base T Ethernet в полу- или полнодуплексном режимах с поддержкой режима auto-MDIX.

Значительным преимуществом микроконтроллеров ARM Cortex-M3 семейства Stellaris® от компании TI является наличие интегрированных на кристалле модулей Ethernet PHY и MAC, благодаря чему возможно снижение стоимости изделия и уменьшение занимаемой на плате площади по сравнению с традиционным двухчиповым решением. Для проектов, где требуется более высокая производительность по сравнению с 10/100 Ethernet, разработчикам следует остановиться на семействе микроконтроллеров с ядром Cortex-A8, таких как семейство Sitara от компании TI.

Ядро Cortex-M3 оптимизировано для одноциклового доступа к интегрированной на кристалле FLASH и SRAM памяти, и предоставляет разработчику производительность, недостижимую в микроконтроллерах, ранее представленных на рынке. Благодаря возможности доступа к FLASH и SRAM за один цикл, разработчики, при использовании микроконтроллеров семейства Stellaris на частоте 50 МГц, получают производительность работы соизмеримую с производительностью других контроллеров на частоте 100 МГц.

3. Человеко - машинный интерфейс

С точки зрения организации работы системы, человекомашинный интерфейс (HMI, Human-Machine Interface), который находится на верхнем уровне иерархии, является наиболее требовательным.

Основные пользовательские интерфейсы, представляющие собой сенсорные кнопки управления на экране, слайд-бары и элементы основной 2D-графики могут быть реализованы на базе микроконтроллера, например, с ядром ARM Cortex-M3. Кроме этого требуется высокоуровневая операционная система, поэтому реализация пользовательского интерфейса смещается от микроконтроллеров в сторону микропроцессорных систем.

В автоматизированных системах, операторы, осуществляющие управление с удаленных рабочих станций, должны иметь максимальные возможности для мониторинга производства и охватывать наблюдением производственное оборудование настолько широко, как только это возможно. Для того, чтобы добиться полноценного наблюдения, необходимы графические возможности более высокого уровня, такие как 3D-видео и графика. Например, один из методов обеспечения оператора возможностью управлять распределенной системой управления - реализация доступа к каждой ее части путем выбора соответствующей механизму или сегменту вкладки на экране графического дисплея.

Развитые варианты реализации человеко-машинного интерфейса имеют возможности отображения данных в форме алгоритмического представления, 2D и 3D-графики, а также видеоинформации от контрольных видеокамер слежения, установленных на производстве. Также предусматривается возможность оконного отображения параметров особо ответственных процессов и свойств производимой продукции. Масштабирование, визуализация и оконность являются общими свойствами для всех развитых вариантов реализации человекомашинного интерфейса. Сенсорные экраны и клавиатуры и голосовое управление являются дополнительными способами ввода данных, и все они нуждаются в интерфейсной или периферийной поддержке микропроцессорной системой.

Необходима высокая степень интерактивности с производственными процессами, вбирающая в себя переключение следящих видеокамер, получение по запросу текущих отчетов и возможность выдачи команд для управления производственным процессом или технологической линией. Консоль управления легко обеспечивает получение и обработку информации от сотен устройств управляющей сети, находящихся в ее узлах на нижних уровнях иерархии.

С точки зрения выбора микропроцессора, для достижения наиболее высоких уровней интерактивности, требуется устройство со встроенными возможностями обработки графики и видео, богатым функционалом ввода-вывода данных и значительной вычислительной мощностью. Также, при выборе микропроцессора немаловажную роль играет наличие требуемой периферии и необходимых библиотек программного обеспечения.

Среди нескольких семейств, удовлетворяющих упомянутым выше требованиям, заслуживают внимания процессоры на базе архитектуры ARM Cortex-A8. Периферийные и интерфейсные особенности, а также характеристики производительности данных продуктов будут более подробно рассмотрены ниже в данной статье.

Вопросы проектирования

Ключевым моментом для принятия окончательного решения в выборе процессора является доступность программного обеспечения, благодаря которому существенно сокращается время выхода конечного продукта на рынок. Программное обеспечение, как правило, включает в себя операционные системы, библиотеки и коммуникационные стеки.

Требования к графическим возможностям часто оказываются определяющим фактором при выборе операционной системы. Приложения управления, работающие с 2D или 3D графикой, потоковым видео и с высокими разрешениями экрана обычно также требуют использование полноценных операционных систем реального времени, например Embedded Linux или Windows™ Embedded CE, устанавливаемых на процессоры с ядрами ARM9™ или Cortex™-A8, таких как ARM-микроконтроллеры семейства Sitara™, имеющие в своем составе полнофункциональный блок управления памятью (MMU, Memory Management Unit).

Интеллектуальный дисплейный модуль, способный обрабатывать текст, 2D-графические примитивы и QVGA JPEG-изображения, обычно является пределом применения для микрокон-троллеров на базе ядра Cortex-M3. В состав ядра Cortex-M3 входит блок защиты памяти (MPU, Memory Protection Unit), способствующий эффективному использованию компактных операционных систем реального времени и "легких" ядер ОС Linux, таких как ядро Unisom от компании RoweBots.

Одним из преимуществ ARM-архитектуры, упомянутым ранее, является то, что она сама по себе является мощной экосистемой. В результате этого на рынке доступно большое количество сертифицированных коммуникационных стеков от сторонних производителей, включая специализированные стеки протоколов связи, необходимые для объединения в сеть оборудования промышленной автоматики. Для сокращения времени выхода на рынок конечных устройств, построенных на базе микроконтроллеров семейства Stellaris от компании TI, предоставляется пакет программного обеспечения StellarisWare®, состоящий из библиотек драйверов периферийных устройств, графической библиотеки, библиотеки USB для организации как ведущего (Host), так и ведомого (Device) устройства, с поддержкой режимов On-the-Go, и загрузчика, в совокупности с IEC 60730-библиотекой самотестирования, которая может применяться для диагностики устройств в составе промышленных приложений.

Этот подход для сокращения времени выхода на рынок распространяется и на микроконтроллеры семейства Sitara™, для которых доступны аппаратные средства разработки, драйверы и программные пакеты поддержки системы (BSP) под открытые системы Linux, Windows Embedded CE6 наряду со сторонней поддержкой операционных систем, таких как Neutrino, Integrity и VxWorks.

Энергопотребление

Потребляемая устройством мощность стала важной характеристикой для всех приложений, в том числе и для устройств, работающих от сети электропитания. Однако, в то время как для разработчиков портативных устройств наиболее интересно потребление процессора, внимание разработчиков промышленных систем сосредоточено на вопросах поддержания минимального потребления в течение всего времени работы оборудования для снижения коммунальных расходов и расходов на электроэнергию. Пониженное энергопотребление также имеет позитивные экологические эффекты.

Практически на всех предприятиях и производствах применяются электродвигатели, потребление которых, как правило, составляет большую процентную часть от общей мощности потребления предприятия. Как это ни удивительно, но возможность детерминированного функционирования играет значительную роль в энергетической эффективности. В микроконтроллерах семействе Cortex-M3 на 60 процентов увеличена производительность системы обработки прерываний, что значительно снижает мощность, потребляемую системой. Система прерываний, работающая на 60 процентов быстрее, означает, что микроконтроллер способен в 60 раз быстрее останавливать и запускать двигатель, что за год экономит существенное количество электроэнергии. Кроме того, производительность ядра Cortex-M3 подходит для реализации интеллектуальной цифровой коммутации, что предоставляет возможность выбора менее мощного двигателя для приложения, выбор более эффективного двигателя, или улучшить производительность уже существующего двигателя (например, в управлении асинхронным двигателем переменного тока использовать пространственно-векторную модуляцию вместо простого синусоидального алгоритма) - все это уменьшает общее энергопотребление системы. Микроконтроллеры семейства Stellaris имеют специальные ШИМ-каналы для управления электродвигателями с таймерами пауз переключения и интерфейс квадратурного энкодера (QEI, Quadrature Encoder Interface) для организации замкнутых контуров управления, позволяющие разработчику эффективно использовать вычислительные возможности ядра Cortex-M3 для повышения производительности при одновременном снижении потребления.

Другой проблемой энергопотребления в развивающейся тенденции разработки полностью замкнутых систем промышленной автоматики - защита от пыли и других загрязняющих веществ, обычно имеющих место на производстве. Если для охлаждения процессора и связанной с ним электроники используется не только радиатор, разработчик вынужден предусматривать либо отверстия для воздушного охлаждения и вентиляторы, что в совокупности противоречит понятию замкнутости системы, либо устанавливать дорогостоящие системы принудительной очистки поступающего воздуха. Микроконтроллеры развитого семейства Sitara™ предназначены для решения задач энергопотребления путем применения адаптивных программных и аппаратных методов с динамическим управлением напряжением, частотой и мощностью.

Периферия и ввод-вывод

Множество процессорных ядер, базирующихся на стандартной ARM-архитектуре, имеет целый ряд преимуществ. В то время как устройства системного уровня выполняются на базе микропроцессоров и микроконтроллеров, предоставляемые производителями микросхем функциональные модули окружения ядра системы на кристалле, также имеют важное значение. Определяющее значение имеет развитость функций работы с памятью. Наряду с этим, так как разнообразие применения определяется богатством периферии, количество и типы периферийных модулей и интерфейсов ввода-вывода также является ключевым моментом.

Два важнейших коммуникационных блока - контроллер интерфейсов CAN и MAC-контроллер сети Enternet, также PHY-модуль с поддержкой стандарта IEEE 1588 уже рассмотрены. Ниже рассматриваются различные опции ввода-вывода, многие из которых широко используются в самых разнообразных приложениях для передачи информации:

· Интерфейс I2C: мультимастерная последовательная компьютерная шина, предназначенная для подключения низкоскоростной периферии

· UART/USART: развитая высокоскоростная периферия общего назначения

· Интерфейс SPI: широко используемый метод связи для передачи данных в полнодуплексном режиме

· Аудиоинтерфейс I2S: помехозащищенная передача сигналов на внешние схемы в аудио-приложениях

· Внешний периферийный интерфейс (EPI, External Peripheral Interface): конфигурирумый интерфейс памяти с режимами поддержки SDRAM, SRAM/Flash, 8- и 16-разрядной Host-Bus-периферии, а также поддержка скоростного параллельного межмашинного интерфейса передачи данных (M2M, Machine-to-Machine) со скоростью 150 МБайт/сек

· Интерфейс USB: интерфейс связи двух или более устройств, часто совмещающий возможность работы в режиме USB-хоста и работу в режиме USB Оn-The-Go.

Для промышленных приложений управления электродвигателями, устройствами механизации и другим производственным оборудованием, наибольшее значение имеют такие функциональные возможности, как высокоскоростные линии ввода-вывода общего назначения (GPIO, General Purpose Input/Output), модули широтно-импульсной модуляции (PWM, Pulse Width Modulation), входы с квадратурным кодированием и каналы с аналого-цифровым преобразованием (ADC, Analog-Digital Convertion).

Многообразие таких функций, которые могут быть реализованы на кристалле, хорошо иллюстрируется на рисунке 3, блок-схеме современного высокоинтегрированного микроконтроллера.

Рис. 3. Обширный набор периферии микроконтроллера серии Stellaris® 9000 на базе ядра Cortex-M3

Весь реализуемый на кристалле функционал, описанный ранее, предлагается большинством производителей микроконтроллеров. В некоторых случаях, отличительной особенностью являться исполнение с более высокими характеристиками надежности работы. Интегрированные модули Ethernet MAC и PHY, совместимые со стандартом IEEE 1588, в составе продуктов семейства Stellaris - яркий пример подобной отличительной особенности данных микроконтроллеров.

Другим примером является программируемый блок реального времени (PRU, Real-Time Unit), представленный в семействе семейства микроконтроллеров Sitara на базе ядра ARM9 от компании TI. Данный модуль является небольшим процессором с ограниченным набором команд, и может быть сконфигурирован для выполнения каких-либо специальных функций реального времени, не реализованных в основном кристалле.

В приложениях промышленного управления, модуль PRU обычно конфигурируется для реализации функций ввода-вывода данных. Это может быть отдельный интерфейс или блок ввода-вывода, не представленный в микроконтроллерах какой-либо линейки продукции. При исполнении однообразных функций, использование модуля PRU более предпочтительно по сравнению с добавлением дополнительного чипа с точки зрения стоимости изделия. К примеру, при помощи PRU разработчик может реализовать дополнительные стандартные интерфейсы, такие как UART или промышленные Fieldbus и Profibus. Полная программируемость блока PRU позволяет разработчикам даже извлекать прибыль за счет добавления заказываемых потребителем собственных интерфейсов.

В виду возможностей программирования блока PRU, он может использоваться в качестве модуля ввода-вывода различных типов при работе в различных условиях, благодаря чему возможно повышение производительности системы с одновременным снижением потребляемой мощности. Например, PRU может выполнять специализированную обработку данных, исключив на это время работу ARM9-процессора путем прекращения его тактирования.

Заключение

Микроконтроллеры развиваются невероятными темпами и их можно встретить в огромном количестве современных промышленных и бытовых приборов: станках, автомобилях, телефонах, телевизорах, холодильниках, стиральных машинах... и даже кофеварках. Среди производителей микроконтроллеров можно назвать Intel, Motorola, Hitachi, Microchip, Atmel, Philips, Texas Instruments, Infineon Technologies (бывшая Siemens Semiconductor Group) и многих других.

Поскольку все больше полупроводниковых компаний вливаются в ряды производителей микропроцессоров и микроконтроллеров на базе ARM-архитектуры, разработчикам оборудования для промышленного управления будет доступен все более широкий выбор микросхем для реализации своих проектов. Конечный выбор продукта будет определяться интеллектуальностью полупроводника (сбалансированные функции работы с памятью, быстродействующие модули ввод-вывод и периферии, интегрированные средства коммуникации, сокращающие время выхода устройств на рынок), а также доступностью качественных программных средств разработки, программных библиотек и стеков промышленных протоколов. На самом деле производителю будет недостаточно просто иметь в номенклатуре самые лучшие микропроцессоры и микроконтроллеры. Наивысшим приоритетом для него будет создание разработчику всех необходимых условий для возможности быстрого старта проекта - предоставление готовых инструментариев и открытого программного обеспечения.

Список используемой литературы

1. Фрунзе А.В. Микроконтроллеры фирмы Philips семейства х 51 Том 1. - Додэка-XXI, 2005г.

2. Белов А.В. Самоучитель разработчика устройств на микроконтроллерах AVR. - Наука и техника, 2008г.

3. Фрунзе А.В. Микроконтроллеры? Это же просто. - Додэка-XXI, 2007г.

5. Таненбаум Э. Архитектура компьютера. - СПб: Питер, 2007г.

6. "Математические основы теории систем автоматического управления", А.Р. Гайдук, Москва, 2002.

7. Учебно-методическое пособие по выполнению курсового проекта по дисциплинам "Автоматизированное управление в технических системах" и "Проектирование микропроцессорных систем промышленной электроники", Т.А. Пьявченко, Таганрог, 1999.

8. "Управление технологическими процессами производства микроэлектронных приборов", В.А. Пузырев, Москва, 1984.

9. П.И. Черныш "Локальные системы управления", Таганрог, 1993.

10. "Цифровые системы управления", П. Изерман, Москва, 1984.

11. Методические указания по разработке функциональных схем автоматизации технологических процессов и производств в курсовых и дипломных проектах, А.С. Клюев, Иваново, 1993.

12. Тавернье К. PIC-микроконтроллеры. Практика применения: Пер. с фр. -М: ДМКПресс, 2008. - 272 с.: ил. (Серия "Справочник").

13. Борзенко А.Е. IBM PC: устройство, ремонт, модернизация. - 2-е изд. перераб. и доп. - М.: ТОО фирма "Компьютер Пресс", 2006. - 344с.: ил.

14. Цифровые интегральные микросхемы: Справ./М.И. Богданович, И.Н. Грель, В.А. Прохоренко, В.В. Шалимо.-Мн.: Беларусь, 2001. - 493 с.: ил.

15. ДСТУ 3008-95. Документация. Отчеты в сфере науки и техники. Структура и правила оформления.

16. Охрана труда в вычислительных центрах. Ю.Г. Собаров и др. - М.: Машиностроение, 2000. - 192с.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

Семейство 16-разрядных микроконтроллеров Motorola 68HC12, их структура и функционирование. Модуль формирования ШИМ-сигналов. Средства отладки и программирования микроконтроллеров 68НС12. Особенности микроконтроллеров семейства MCS-196 фирмы INTEL.

курсовая работа , добавлен 04.01.2015


Понятие и виды микроконтроллеров. Особенности программирования микропроцессорных систем, построение систем управления химико-технологическим процессом. Изучение архитектуры микроконтроллера ATmega132 фирмы AVR и построение на его основе платформы Arduino.

курсовая работа , добавлен 13.01.2011


Использование компьютерной техники для создания систем диспетчерской централизации и автоматизации управления станционными и перегонными объектами. Применение микроконтроллеров и модемов для отображения телемеханической информации о поездной ситуации.

статья , добавлен 14.02.2012


Использование микроконтроллеров AVR фирмы Atmel в проектируемой аппаратуре. Архитектура и общие характеристики прибора, предназначение арифметики логического устройства и понятие флэш-памяти. Формат пакета данных, алгоритм их передачи и система команд.

контрольная работа , добавлен 12.11.2010


Проектирование измерительных приборов. Параметры цифрового вольтметра. Принцип время-импульсного преобразования. Области применения микроконтроллеров. Алгоритм приложения для цифрового милливольтметра постоянного тока. Сборка элементов на печатной плате.

дипломная работа , добавлен 17.06.2013


Адресное пространство микроконтроллеров MSP430F1xx. Байтовая и словная формы инструкций. Система команд MSP микроконтроллеров. Периферийные устройства микроконтроллеров MSP430F1xx. Аналого-цифровой преобразователь ADC12, его технические характеристики.

курсовая работа , добавлен 04.05.2014


Рассмотрение структуры и принципов работы таймеров/счетчиков (общего назначения, сторожевого, типов А, В, С, D, Е) микроконтроллеров и аналого-цифрового преобразователя семейства AVR с целью разработки обучающего компьютерного электронного пособия.

курсовая работа , добавлен 06.03.2010


Микроконтроллеры - микросхемы, предназначенные для управления электронными устройствами, их классификация. Структура процессорного ядра микроконтроллеров, основные характеристики, определяющие его производительность. CISC и RISC архитектура процессора.

курсовая работа , добавлен 03.10.2010


Микроконтроллер (MCU) - микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами. Их можно встретить во многих современных приборах, в том числе и бытовых. Рассмотрение архитектуры различных микроконтроллеров, ядра, памяти, питания, периферии.

реферат , добавлен 24.12.2010


Использование помехоустойчивого кодирования в системах передачи информации. Построение структурной схемы восьмиразрядного микроконтроллера M68HC11. Разработка алгоритма кодирования и декодирования информации. Подключение внешних портов ввода/вывода.

Среди разнообразных отраслей отечественной промышленности наиболее востребована сфера промышленной автоматики. Практически любой вид производства требует огромного количества компонентов, позволяющих автоматизировать те или иные производственные процессы. В конечном итоге каждое производственное предприятие заинтересовано в том, чтобы процесс управления технологическими процессами осуществлялся оперативно и автоматически.

Сердцем любой автоматической системы управления (АСУ) служит промышленный контроллер.

Историческая справка
Первый промышленный контроллер появился в 1969 году в США. Его создание инициировала автомобильная корпорация General Motors Company, а разработала компания Bedford Associates.

В те годы АСУ строились на жесткой логике (аппаратное программирование), что делало невозможным процесс их перенастройки.

Поэтому каждая технологическая линия требовала наличия индивидуальной АСУ. Затем в архитектуре АСУ стали использовать устройства, алгоритм которых можно было менять с помощью схем соединений реле.

Такие устройства получили название «промышленные логические контроллеры» (ПЛК). Однако АСУ, реализованные с использованием электромагнитных реле, отличались сложностью и большими размерами. Для размещения и технического обслуживания одной системы требовалось отдельное помещение.

Разработанный инженерами компании Bedford Associates (США) микропроцессорный ПЛК позволил использовать информационные технологии в процессах автоматизации производственных процессов, сведя при этом человеческий фактор к минимуму.

Современный промышленный контроллер

В общем виде ПЛК представляет собой микропроцессорное устройство, с помощью которого осуществляется коммутация подключенных сигнальных проводов. Необходимые комбинации их подключения задаются программой управления на экране компьютера и затем заносятся в память контроллера.

Программирование осуществляется как на классических алгоритмических языках, так и на языках, оговоренных стандартов МЭК 61131-3. Таким образом на предприятиях появилась возможность реализации различных АСУ, используя одно микропроцессорное устройство.

Со временем разработчики систем промышленной автоматики перешли на элементную базу, совместимую с компьютерами IBM (ПК). Существует два направления в развитии аппаратных средств ПК-совместимых с ПЛК, в которых максимально сохраняется архитектура и конструктивные решения:

1. ПЛК — с одновременной заменой его процессорного модуля на ПК-совместимый модуль с открытым программным обеспечением (серия контроллеров ADAM5000).
2. IBM PC — в малогабаритных встраиваемых системах (модульные контроллеры стандартов РС104 и micro PC).

Поэтому современные ПЛК — это ПК-совместимый модульный контроллер, предназначенный для решения задач локального управления. Их развитие в конечном итоге должно привести к:

• уменьшению габаритных размеров;
• расширению функциональных возможностей;
• использованию единого языка программирования (МЭК 61131-3) и идеологии «открытые системы».

Принцип действия и область применения ПЛК

Любой вид ПЛК представляет собой электронное устройство, предназначенное для исполнения алгоритмов управления. Принцип действия всех ПЛК одинаков — сбор и обработка данных и выдача управляющих воздействий на исполнительные механизмы.

В промышленности ПЛК применяются очень широко. Этим и объясняется существование большого количества их разновидностей, среди которых можно выделить контроллеры:

1. Общепромышленные (универсальные).
2. Коммуникационные.
3. Предназначенные для управления позиционированием и перемещением, в том числе роботами.
4. С обратной связью (ПИД-регуляторы).

Классификация ПЛК

Существует большое количество параметров, по которым классифицируют ПЛК.

1. Конструктивное исполнение:

• моноблочные;
• модульные;
• распределенные;
• универсальные.

1. Количество каналов «ввод-вывод»:

• нано-ПЛК, с числом каналов менее 16;
• микро-ПЛК (16…100 каналов);
• средние (100…500 каналов);
• большие, с числом каналов более 500.

1. Способы программирования.

ПЛК могут программироваться с:

• лицевой панели устройства;
• помощью переносного программатора;
• использованием компьютера.

1. Виды монтажа.

• стоечный;
• настенный;
• панельный (устанавливаются на дверку шкафа или специальную панель);
• на DIN-рейке (установка внутри шкафа).

Пишите комментарии,дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на , буду рад если вы найдете на моем еще что-нибудь полезное.