Многоадресный параллельный канал связи (шина).

С расширением иерархической структуры ГПС расширяется и структура СУ ГПС. На рис. 1.2. показана структура СУ гибким автоматизированным участком, состоящим из нескольких ГПЯ или ГПМ, транспортно-накопительной системы (ТНС), устройств и систем контроля (СК) и некоторых дополнительных технологических систем (ДТУ), например, системы удаления отходов, подготовительные участки и т.п. Как видно из схемы, с расширением иерархического уровня ГПС, расширяется состав и структура системы управления: происходит р асширение системы в «ширину» и в «высоту ».

При этом рост в «ширину» происходит в основном за счет увеличения числа примерно однотипных устройств управления, в то время как рост в «высоту» происходит за счет усложнения технических средств системы и соответственно умощнения средств программной поддержки СУ.

А. УЧПУ КС УЧПУ Б. УЧПУ

станка робота станка

КС КС

КС КС

станок робот станок робот

.

В. УУ ГПЯ

КС

УЧПУ УЧПУ УУ

станка робота КДС

КС КС КС

станок робот КДС

Рис. 1.1. Структуры СУ ГПЯ.

Сложные системы управления имеют три вида организационных структур:

· централизованная,

· децентрализованная

· комбинированная.

Типовой пример централизованной системы показан на рис.1.2.

УУ ГАУ

УУ ГПЯ 1 УУ ГПЯ2 УУ ГПЯn УУ ТНС УУ КДС

УЧПУ УЧПУ УЧПУ УЧПУ УУ ТНС КДС

станка робота станка робота КДУ

Станок Робот Станок Робот КДУ

Рис.1.2. Структура СУ ГАУ.

Такие системы обладают высоким быстродействием, однако имеют пониженную надежность, поскольку при выходе из строя одного из элементов системы, особенно на верхних иерархических уровнях, прекращается работа всех систем, обменивающихся информацией через данное устройство.

На рис.1.3. показан типовой пример децентрализованной СУ. Подобная организация СУ значительно повышает надежность работы за счет дублирования не только каналов связи, но и за счет взаимной передачи функций управления другим, аналогичным по мощности устройствам. Такие системы более предпочтительны, поскольку они существенно дешевле, хотя и имеют несколько меньшее быстродействие, вследствие использования разными устройствами одних и тех же каналов связи.

КС КС

УУ1 УУ2 УУ3

КС КС

КС КС

УУ4 УУ5 УУ6

Рис.1.3. Структура децентрализованной СУ.

При большом числе устройств, входящих в общую систему управления, более эффективной может быть комбинированная структура. В таких системах ряд устройств, обычно относящихся к одному иерархическому уровню, объединяются в подсистему, имеющую децентрализованную структуру, а связь между такими подсистемами осуществляется через специальные узлы связи (УС) типа «мост» или «шлюз», образуя, таким образом, общую централизованную систему управления.

УУ1 УУ2 УУ3

УУ4 УС

УУ5 УС

УУ6 УУ7 УУ8

Рис.1.4. Структура комбинированной системы управления.

Несколько слов о технической реализации СУ ГПС. Техническая реализация элементов общей СУ ГПС в сильной степени зависит от места расположения элементов в общей структуре. Устройства непосредственного управления технологическим оборудованием весьма разнообразны по структуре, составу, функциональным возможностям и даже по элементной базе. В основном это устройства числового программного управления и программируемые контроллеры (ПК). Большое разнообразие этих устройств объясняется таким же разнообразием управляемых технологических процессов и соответственно оборудованием для выполнения этих процессов, хотя в последнее время наблюдается тенденция к унификации устройств управления оборудованием и адаптация их к конкретному оборудованию за счет соответствующего программно-математического обеспечения. Таким примером может служить устройство типа МС2101, представляющего собой УЧПУ нового поколения, и может быть применено для управления токарными, фрезерными, сверлильными станками, обрабатывающими центрами и даже транспортными системами. Конкретные устройства управления каждым видом оборудования будут отличаться естественно программно-математическим обеспечением и набором необходимых типовых модулей.

Элементы СУ более высоких иерархических уровней представляют собой специальные и универсальные ЭВМ различного класса, включая и наиболее распространенные сейчас персональные компьютеры - ПЭВМ.

· помехоустойчивость,

· нагрузочная способность.

Структурная схема типового канала связи показана на рис. 1.5. и состоит из передатчика, приемника и линий связи.

 

Передатчик Приемник

ПИ УЛС УЛС Ф ПИ

ПРД ПРД ПРМ ПРМ

Линия связи

Рис. 1.5. Структурная схема канала связи.

В свою очередь передатчик включает в себя усилитель источника информации (УИ), преобразователь информации (ПИ ПРД), блок управления линиями связи (УЛС ПРД). Соответственно, приемник состоит из блока управления линиями связи (УЛС ПРМ),усилителя (УИ ПРМ), фильтра (Ф), преобразователя информации (ПИ ПРМ). При конкретной реализации некоторые из приведенных элементов канала могут отсутствовать или один элемент может выполнять несколько функций, например, при передаче цифровой информации на небольшое расстояние нет необходимости усиливать принятый сигнал и т.п.

Используемые в системах управления каналы связи отличаются большим разнообразием по назначению, виду передаваемой информации, элементной базе при технической реализации. На рис. 1.6. приведена классификация некоторых каналов связи, применяемых в системах управления ГПС.

 

Каналы связи

 

 

Симплексные Полудуплексные Дуплексные Мультиплексные

 

Цифровые Аналоговые

 

Параллельные Последовательные

 

 

Одно- Много- Одно- Много- Ампли- Частот- Фазо-

адресн. адресн. адресн. адресн. тудные ные вые

 

“Стык” “Токовая петля” Сетевые каналы

 

Рис. 1.6. Классификация каналов связи.

 

По принципу работы каналы подразделяются на симплексные, полудуплексные, дуплексные и мультиплексные.

Симплексные - это такие каналы в которых двусторонний обмен между двумя устройствами-абонентами производится по одним и тем же линиям связи, но с разделением передач по времени, т.е. поочередно. В таких каналах, естественно, значительно сокращается число линий связи, но и уменьшается скорость передачи, в некоторых случаях, например, при применении оптоволоконных линий связи, существенно усложняется конструктивное исполнение блоков УЛС.

К полудуплексным относятся такие каналы, в которых обмен информацией осуществляется по разным сигнальным линиям, но поочередно. Такие каналы имеют несколько лучшую надежность за счет “возвратного” обмена, т.е. передача очередного объема информации производится после приема и анализа предыдущего.

Дуплексные каналы применяются в тех случаях, когда необходимо вести одновременно двусторонний обмен информацией. Это самые быстрые каналы связи.

Мультиплексные каналы применяются в тех случаях, когда необходимо быстро передавать информацию от одного источника нескольким потребителям.

В современных системах управления наибольшее распространение получили цифровые каналы, так как они, несмотря на некоторое снижение по сравнению с аналоговыми, скорости обмена, обладают большой надежностью и более высокой нагрузочной способностью. Кроме того, цифровые каналы используют унифицированные технические средства, что сводит к минимуму процесс адаптации канала к конкретной системе управления. В большинстве случаев адаптация заключается в разработке соответствующего программного обеспечения

Аналоговые каналы связи применяются в ограниченных случаях, когда требуется передать информацию с высокой скоростью и на небольшое расстояние (не более 2...3 метров). В системах управления ГПС к ним относятся каналы связи с различными аналоговыми датчиками (до преобразователей аналогового сигнала в цифровой), управление аналоговыми приводами исполнительных органов оборудования и т.п.

Основными же каналами связи в СУ ГПС являются все же цифровые. Как видно из классификационной диаграммы, цифровые каналы делятся на два класса - параллельные и последовательные. Принцип работы первых заключается в том, что передаваемый объем - дискрета - информации передается абоненту одновременно по нескольким параллельным линиям связи. Число этих линий зависит от объема дискреты и числа вспомогательных сигналов, необходимых для надежной передачи. В последовательных каналах производится “побитная” (последовательная) передача дискреты информации по одной сигнальной линии. Работу обоих каналов рассмотрим подробнее.

3. Одноадресные параллельные цифровые каналы связи + Типовой набор сигналов, циклограмма сигналов в параллельном канале

Параллельные цифровые каналы бывают двух типов: одноадресные и многоадресные.

Особенность работы первых заключается в том, что о бмен информацией может производиться только между двумя, заранее конструктивно определенными устройствами, и переключение одного устройства на работу с другими абонентами требует остановки работы обоих устройств и аппаратного переключения канала связи.

В многоадресных каналах обмен происходит также между двумя устройствами, но одновременно “на связи” находится большое число устройств, с которыми возможен обмен по инициативе ведущего устройства или любого их них.

Основной технической характеристикой таких каналов является разрядность, определяемой как число единиц информации (бит), одновременно передаваемой по каналу. Соответственно разрядность определяет собой и число основных информационных линий связи. Помимо информационных линий связи в параллельных каналах используются и дополнительные, командные сигнальные линии. Число их зависит от сервисных возможностей канала. Минимально необходимый набор сигналов в однобайтовом параллельном канале приведен в таблице 1.1.

В данной таблице:

· D0...D7 - биты передаваемой дискреты информации – байта (данные)

· ГИ - сигнал, сообщающий приемнику о том, что источник готов к работе и возможно будет передача информации.

· ГП - сигнал, сообщающий источнику о том, что приемник подключен к каналу связи и при определенных условиях может принять информацию.

· ЗП - запрос приемника - сигнал, сообщающий источнику о том, что он готов принять очередную дискрету информации, т.е. предыдущая дискрета принята и обработана.

· Стр. - сигнал приемнику о том, что передаваемая источником дискрета информации установлена на информационных сигнальных линиях канала и может быть сосчитана приемником. Обычно этот сигнал имеет импульсную форму, а если сигнал имеет потенциальную форму, то исполнительным является момент изменения уровня сигнала.

 

Таблица 1.1.

Обозначение	Назначение сигнала	Направление сигнала передатчик приемник	Активный уровень
D0..... D7	Биты информации
ГИ	Готовность источника
ГП	Готовность приемника
ЗП	Запрос приемника
Стр	Строб источника

 

На форму командных сигналов обычно никакие ограничения не накладываются, но чаще используется отрицательный перепад уровня, т.е. переход сигнала от “1” уровня к “0”. Это связано с одной стороны с большей степенью унификации технических средств канала, а с другой - с тем, что некоторые типы интегральных цифровых микросхем (К155, К555 и др.) разрыв линии связи на своих входах воспринимают как уровень логической единицы. Это затрудняет диагностику канала связи и может привести к дополнительным ошибкам при передаче.

Типовая циклограмма сигналов на линиях одноадресного параллельного канала (в минимальной конфигурации) показана на рси.1.7. Как видно из циклограммы, вспомогательные сигналы ГИ и ГП являются сервисными, устанавливаются один раз за весь период передачи всей информации. Рабочими командными сигналами являются ЗП и СТР. Передача каждой дискреты - байта - начинается с установки активного уровня сигнала ЗП, которым приемник сообщает о своей готовности принять очередную дискрету. Получив этот сигнал, передатчик устанавливает на сигнальных информационных линиях код передаваемой дискреты и с некоторой задержкой выставляет на линии сигнал Стр., по которому приемник считывает с информационных линий принятый код. Задержка передатчиком момента выдачи сигнала СТР обусловлена необходимостью полной установки передаваемой информации на входах приемника.

Конец обмена

D0...Di

ГИ

ГП

Стр.

ЗП

Рис.1.7. Циклограмма сигналов в одноадресном

параллельном канале.

Таким образом, скорость передачи по таким параллельным каналам можно рассчитать по формуле:

V = n / T (бит/сек), где:

n - разрядность канала,

T = t1 + t2 + t3 + t4 + t5

t1 - время установки кода на выходах УЛС передатчика,

t2 - время задержки сигнала СТР по отношению к времени выдачи кода.

t3 - время прохождения сигнала по линиям связи.

t4 - время установки принятых сигналов на элементах УЛС приемника.

t5 - время обработки приемником принятой дискреты информации.

Из приведенных составляющих периода передачи наибольшее внимание заслуживает время t5, поскольку времена t1, t2, t4 только от времени распространения сигналов через интегральные микросхемы, и для современных ИМС составляют несколько наносекунд. Время прохождения сигналов по линиям связи и того меньше, поэтому основным “тормозящим” элементом является сам приемник, а точнее время обработки принятого информационного кода. Поэтому при проектировании устройств, включаемых в общую СУ ГАУ с использованием параллельных каналов связи необходимо предусматривать возможность быстрой обработки принимаемой информации. Чаще всего это требование выполняется с помощью запоминания принимаемой информации в специальных буферах - устройствах буферной памяти. Здесь в наших лекциях был другой пример!!!

В качестве примера параллельного канала рассмотрим схему канала связи для передачи информации от аналогового амплитудного датчика, например, тензометрического датчика силы резания на металлообрабатывающем станке, к устройству для анализа и использования этой информации, например, к устройству числового программного управления станком. Структурная схема канала показана на рис. 1.8.

 

Источник Аналого - Регистр - ЛС Регистр - Приемник

информации цифровой передатчик приемник информации

(тензодатчик) преобразов.

 

Рис. 1.8. Структурная схема информационного канала.

Информация от тензодатчика после усиления поступает на аналого - цифровой преобразователь (АЦП), где непрерывный аналоговый сигнал преобразуется в цифровой код с периодичностью, определяемой временем работы канала. С выходов АЦП цифровой код записывается в выходной регистр передатчика (Вых.Р ПРД) Далее по линиям связи код поступает в входной регистр приемника (Вх.Р ПРМ), откуда и направляется потребителю (УЧПУ). Упрощенная принципиальная схема канала приведена на рис. 1.9.

 

D1 Q1 D1 Q1

D2 Q2 D2 Q2

D3 Q3 D3 Q3

АЦП D4 D1 Q4 D4 D2 Q4 УЧПУ

D5 Q5 D5 Q5

D6 Q6 D6 Q6

D7 Q7 D7 Q7

D8 Q8 D8 Q8

Готов C ЗПо С ЗП о Готово

D3.5 ВР ВР

о о В1 В1

В2 В2

 

D3.1 D3.4 Стр.

о о о о

ЗП

Пуск Чтение

ГП

 

+5в ГИ

GND

 

Рис. 1.9. Принципиальная схема параллельного канала связи.

В качестве АЦП может быть использована микросхема типа с типовым алгоритмом работы: по сигналу “Пуск”, пришедшему из канала связи, запускается в АЦП цикл преобразования. По окончании цикла АЦП вырабатывается сигнал “Готово”, означающий, что на выходах АЦП и, следовательно на входах регистра установлен цифровой код. Сигналом “Готово” этот код записывается в регистр, для которого выбран режим сквозной передачи, при котором код с входов регистра сразу поступает на выход и далее на сигнальные линии. Задержанный на элементах D3.1…D3.4

сигнал “Готово” превращается в сигнал канала Стр. По этому сигналу в приемнике информация с входов регистра переписывается во внутренний буферный регистр, а на выход