Микропроцессор (МП) — это программно-управляемое устрой-
ство, осуществляющее процесс обработки цифровой информации и
управление им. Основное отличие МП от всех ранее рассмотренных
цифровых устройств заключается в способе обработки информации.
В обычных цифровых устройствах — как комбинационных, так и
последовательностных — обработка входных сигналов осуществля-
ется аппаратно, за счет схемы соединения различных элементарных
элементов — И, ИЛИ, НЕ и т.д. В МП процесс обработки информа-
ции осуществляется программно, т. е. путем последовательного вы-
полнения элементарных действий — команд программы, и результат
обработки определяется этой программой. Решаемая задача, таким
образом, задается программой, а сами аппаратные средства (МП и
набор дополнительных узлов) остаются неизменными. Благодаря
этому микропроцессорные устройства являются универсальными.
Микропроцессорная система (МПС) состоит из микроЭВМ и
набора устройств ввода/вывода информации, или внешних устройств
(ВУ). ВУ представляют собой последовательные и параллельные
порты, к которым подключаются устройства, обеспечивающие вы-
числительный процесс и связь с оператором (монитор, клавиатура,
внешние запоминающие устройства и т.д.). Структура любой МПС
является магистрально-модульной, т. е. она состоит из набора моду-
лей, подключенных к общим магистралям, называемым шинами.
Шина — это набор линий связи, по которым передается информация
определенного типа, происходит обмен информацией между различ-
ными модулями системы.
В состав микроЭВМ кроме микропроцессора (центрального про-
цессорного элемента) входят постоянное запоминающее устройство
ПЗУ, оперативное запоминающее устройство ОЗУ и блок интерфей-
са. ПЗУ предусмотрено для хранения управляющих программ, ис-
ходных данных, необходимых для обработки информации, и полу-
ченных результатов, а ОЗУ — для хранения информации, которая
может изменяться в процессе работы системы (данные, промежуточ-
ные результаты вычислений и программы, исполняемые в текущий
момент времени). Весь обмен информацией МП с ВУ осуществляет-
ся через блок интерфейса. ВУ передают данные из внешней среды в
МП или ОЗУ или получают их из микроЭВМ. Для подключения
любого ВУ к МПС его сигналы, скорость передачи информации,
формат кодовых слов необходимо привести к стандартному виду, с
которым работает МП. Все эти преобразования данных выполняют-
ся в интерфейсном блоке. Взаимодействие узлов микроЭВМ между
собой осуществляется с помощью трех шин: шины адреса (ША),
шины данных (ШД) и шины управления (ШУ). Чтобы МП мог одно-
значно выбрать нужную ячейку памяти или регистр ВУ, они имеют
адреса. Адрес ячейки (регистра) передается от МП в память или ин-
терфейсный блок по ША (она однонаправленная, так как направле-
ние передачи информации по ней только одно — из МП). ШД явля-
ется двунаправленной, так как передача данных по ней осуществля-
ется как из МП в память и интерфейс, так и в обратном направлении.
ША и ШД состоят из параллельных линий, передача информации по
которым осуществляется одновременно для всех линий. Число
линий ШД определяется разрядностью МП, а ША — объемом па-
мяти, т.е. разрядностью двоичного кода, необходимого для адреса-
ции всех ячеек. ШУ состоит из отдельных линий, по которым пере-
даются те или иные управляющие сигналы. В основном они пере-
даются из МП в остальные узлы (сигналы чтения и записи,
указывающие, какую именно следует выполнять операцию с ячей-
кой, адрес которой выставлен на ША). Некоторые сигналы имеют
обратную направленность — в МП (осведомительные сигналы за-
проса обслуживания, поступающие от ВУ, а также сигнал сброса МП
в начальное (нулевое) состояние).
ВУ в зависимости от способа передачи информации разделяются
на две большие группы: устройства, обменивающиеся параллельны-
ми словами данных и подключенные соответственно к параллельной
шине, и устройства, обменивающиеся информацией в последователь-
ном коде, т.е. последовательно, бит за битом, и подключенные к
однопроводной шине.
Основными узлами МП являются устройство управления (УУ),
регистр команд (РК), дешифратор команд (ДШК), арифметико-
логическое устройство (АЛУ), регистр флажков (РФ), набор внутренних
регистров, состоящий из адресных регистров (РА) и регистров данных
(РД), программный счетчик (ПС) и устройство управления шинами
(УУШ). Координация работы всех узлов в соответствии с выполняемой
командой осуществляется тремя узлами: УУ, РК и ДШК. РК обеспечи-
вает хранение команды в течение всего цикла ее исполнения, а ДШК
выполняет расшифровку кода этой команды. УУ вырабатывает серию
импульсов, обеспечивающих последовательное срабатывание узлов МП
в соответствии с выполняемой командой, а также обеспечивает прием
и выдачу внешних управляющих сигналов. АЛУ обеспечивает выпол-
нение всех операций, с помощью которых осуществляется обработка
данных в МП. Оно выполняет несложные арифметические, логические
и сдвиговые операции: сложение, вычитание, логические И, ИЛИ, НЕ,
сложение по модулю 2, сдвиг влево и вправо, сложение и вычитание
единицы. В зависимости от результата операции АЛУ формирует при-
знаки результата, называемые флажками и используемые в последую-
щих командах. Они хранятся в РФ.
Каждый регистр МП используется для временного хранения одно-
го слова данных. Регистры могут иметь специальное или многоцелевое
назначение. РА и РД являются внутренней памятью МП. РА исполь-
зуются для временного хранения двоичных чисел, с помощью кото-
рых МП вычисляет адреса ячеек памяти, к которым он обращается
в процессе работы. РД используются для непосредственного хране-
ния двоичных чисел и вычисления адресов ячеек ОЗУ, хранящих
двоичные числа. Через РД также происходит обмен информацией
между МП и ВУ. Программный счетчик служит для хранения адре-
са ячейки памяти, в которой хранится очередная исполняемая ко-
манда программы.
В процессе работы МП постоянно обращается к ША и ШД. Пере-
дача информации внутри МП происходит по внутренним шинам,
которые непосредственно не связаны с внешними шинами: эта связь
осуществляется через буферное устройство управления шинами
(УУШ). Все операции в МП инициируются импульсами синхрони-
зации от генератора тактовых импульсов, частота которых характе-
ризует быстродействие МП. Для современных МП значение тактовой
частоты составляет 10... 200 МГц и выше.
Программируемые логические контроллеры (ПЛК) — микро-
процессорные устройства, предназначенные для управления техно-
логическим процессом. Они представляют собой устройства, пред-
назначенные для сбора, преобразования, обработки, хранения ин-
формации и выработки команд управления в реальном времени в
соответствии с набором записанных в них программ. Работа контрол-
лера заключается в выполнении следующих операций: 1) сбор сигна-
лов с датчиков; 2) обработка сигналов согласно алгоритму управления;
3) выдача управляющих воздействий на исполнительные устройства.
В нормальном режиме работы контроллер непрерывно выполняет
этот цикл с частотой от 50 раз в секунду. Время, затрачиваемое кон-
троллером на выполнение полного цикла, называется временем (или
периодом) сканирования', в большинстве современных ПЛК скани-
рование может настраиваться пользователем в диапазоне от 20 до
30 000 миллисекунд. Для быстрых технологических процессов, где
критична скорость реакции системы и требуется оперативное регу-
лирование, время сканирования может составлять 20 мс, однако для
большинства непрерывных процессов период 100 мс считается впол-
не приемлемым.
По функциональным признакам в ПЛК (рис. 12.6) можно выделить
следующие элементы: 1) центральный процессор (ЦП), предназна-
ченный для выполнения команд (инструкций) управляющей про-
граммы и обработки данных, размещенных в памяти; 2) память
контроллера с жестким распределением областей для размещения
различных типов данных; 3) модуль самодиагностики (МСД), который
осуществляет контроль и диагностику элементов контроллера в про-
цессе его работы и сигнализирует при обнаружении неисправностей;
4) модуль связи с оператором (МСО), с помощью которого выполня-
ется программирование контроллера и оперативное управление в
процессе эксплуатации; 5) модули ввода, обеспечивающие прием и
первичное преобразование информации от датчиков объекта управ-
ления; 6) модули вывода, предназначенные для выдачи управляющих
сигналов на исполнительные устройства (механизмы) объекта управ-
ления. Модули ввода/ вывода также называют устройствами связи с
объектом (УСО). Основными их элементами являются АЦП и
ЦАП.
Интерфейс (совокупность технических и программных средств,
обеспечивающих взаимодействие различных устройств) задает пара-
метры, процедуры и характеристики взаимодействия контроллера с
верхним уровнем АСУ ТП или с другим контроллером в случае рас-
пределенной структуры АСУ ТП.
Посредством внутриблочной шины различные блоки ПЛК связы-
ваются между собой через общую магистраль.
В составе с другими вспомогательными устройствами контролле-
ры выполняют различные функции: обработка информации, управ-
ление, регулирование, мониторинг, измерение, сигнализация, кон-
троль.
12.4. Способы передачи цифровой информации
Передача цифровой информации производится по различным
сетям. Каждая из сетей имеет свои особенности, назначение и реа-
лизуется на определенном типе кабелей. Для подключения к сети все
устройства должны иметь платы с соответствующим цифровым стан-
дартом (интерфейс). Для каждого типа интерфейса и вида кабеля
существуют ограничения по числу подключаемых устройств, длине
кабеля и скорости передачи. Для увеличения числа подключаемых
устройств и длины линии используются повторители. Что же касает-
ся скорости передачи, то проблема заключается в том, что полевые
устройства (датчики, исполнительные механизмы) работают в реаль-
ном масштабе времени и для использования на полевом уровне
высокоскоростных шин необходимы специальные согласующие эле-
менты.
HART-протокол (Highway Addressable Remote Transducer) как
способ передачи цифровой информации разработан фирмой
Rosemount и занимает промежуточное положение между токовым и
чисто цифровым сигналами. Он основан на методе передачи данных
с помощью частотной модуляции. На выходной токовый сигнал
4... 20 мА измерительных преобразователей накладываются импуль-
сы переменного тока, причем сигнал с частотой 1 200 Гц соответству-
ет логической единице, а 2 200 Г логическому нулю (рис. 12.7).
Среднее значение наложенных синусоид равно нулю (частотно-
модулированный сигнал является двухполярным) и не влияет на
токовый сигнал. Скорость передачи данных невысокая и составляет
1,2 кбит/с, время обновления данных 2 — 3 раза в секунду в режиме
запрос/ответ и 3—4 раза в секунду в пакетном режиме, к одной цепи
может подключаться до 15 устройств. Несмотря на относительно
большую длительность цикла, в большинстве случаев он является
достаточным для управления непрерывными процессами. Основное
достоинство HART-протокола — возможность одновременного ис-
пользования аналогового токового и цифрового сигналов в одной
паре проводов, что позволяет подключать к одной линии полевые
устройства с различным выходом.
Интерфейс RS-232 является наиболее простым среди /^-интерфейсов
(Л5 означает «рекомендуемый стандарт»). Это стандарт последователь-
ной синхронной и асинхронной передачи двоичных данных между
терминалом и конечным устройством. В нем источник и приемник
сигналов имеют заземленную точку. Информация передается в ин-
версном коде двухполярными потенциальными сигналами, логической
единице соответствует-12 В, а логическому нулю + 12 В. В отсутствие
передачи данных линия находится в состоянии логической единицы
(-12 В). Поток данных передается по одному проводу бит за битом,
т.е. передающая сторона по очереди выдает в линию 0 и 1, а прини-
мающая отслеживает их и запоминает. Данные передаются пакетами
по одному байту (8 бит). Каждый байт обрамляется стартовым и сто-
повыми битами. Стартовый бит всегда передается уровнем логиче-
ского нуля, а стоповый — единицей. Может также присутствовать бит
паритета. Его состояние определяется настройками: он может до-
полнять число единичных битов данных до нечетности, четности. Эта
передаваемая последовательность называется фреймом. Данные мо-
гут передаваться как в одну, так и в другую сторону (дуплексный
режим). Скорость передачи данных стандартом не нормируется и
может составлять от 110 до 19 200 бит в секунду. Пример одного фрей-
ма (8 битов данных, контроль по нечетности, 1 стоповый бит) по-
казан на рис. 12.8, а. Получив стартовый бит, приемник выбирает из
линии биты данных через определенные интервалы времени, начиная
с младшего бита (bit 0). Бит паритета (parity) в данном случае равен 1.
Недостатком этого стандарта является низкая помехозащищенность,
что ограничивает длину линии связи до 15 м. Линия связи соединяет
источник сигнала с одним приемником. Последней модификацией
данного стандарта является модификация Е, принятая в 1991 г. как
стандрат EIA/TIA-232E.
Интерфейс RS-485, получивший широкое распространение, обе-
спечивает передачу информации на расстояние от 120 до 1200 м, при
скорости передачи от 100 до 104 бит в секунду (минимальное рас-
стояние соответствует максимальной скорости передачи). В качестве
линий связи применяется витая экранированная пара с подключе-
нием до 32 устройств со стандартным входным сопротивлением.
Возможно использование оптического кабеля. В основе интерфейса
Л5-485 лежит принцип дифференциальной (балансной) передачи
данных (рис. 12.8, б). Суть его заключается в передаче одного сигна-
ла (импульсы напряжения ± 1,5 В) по двум проводам, причем по
одному проводу (условно А) идет оригинальный сигнал, а по другому
(условно В) — его инверсная копия. Другими словами, если на одном
проводе «1», то на другом «0» и наоборот. Таким образом, между
двумя проводами витой пары всегда есть разность потенциалов: при
«1» она положительна, при «0» — отрицательна. Именно этой раз-
ностью потенциалов и передается сигнал. Такой способ передачи
обеспечивает высокую устойчивость к синфазной помехе. Синфазной
называют помеху, действующую на оба провода линии одинаково.
Например, электромагнитная волна, проходя через участок линии
связи, наводит в обоих проводах потенциал. Если сигнал передается
потенциалом в одном проводе относительно общего, как в RS- 232,
то наводка на этот провод может исказить сигнал относительно хо-
рошо поглощающего наводки общего провода («земли»), А при диф-
ференциальной передаче искажения не происходит, так как если два
провода пролегают близко друг к другу и перевиты, то наводка на оба
провода одинакова. Потенциал в обоих одинаково нагруженных про-
водах изменяется одинаково, при этом информативная разность по-
тенциалов остается без изменений.
Формат информационных посылок и протокол обмена стандарт
не нормирует. Наиболее часто для передачи байтов данных исполь-
зуются те же фреймы, что и в интерфейсе RS- 232: стартовый бит,
биты данных, бит паритета (при необходимости), стоповый бит. Про-
токолы обмена в большинстве систем работают по принципу «веду-
щий— ведомый». Одно устройство на магистрали является ведущим
и инициирует обмен посылкой запросов подчиненным устройствам,
которые различаются логическими адресами.
В системах с территориально-распространенными средствами из-
мерения для передачи информации используются радиоканалы. Ра-
диомодемы, работающие на частотах 1000...2500 МГц, позволяют
передавать информацию на расстояние до 5 км.
Контрольные вопросы
1. Какие значения может принимать логическая переменная?
2. Назовите основные логические операции.
3. Какие логические элементы образуют основную функционально пол-
ную систему?
4. Каково назначение АЦП?
5. Какие функции выполняет дешифратор?
6. Что такое микропроцессор?
7. Из каких элементов состоит программируемый логический контроллер?
8. Как передается информация посредством HART-протокола?
Гл а в а 13
ЭЛЕМЕНТЫТЕОРИИ АВТОМАТИЧЕСКОГО
УПРАВЛЕНИЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ
13.1. Общие сведения о системах автоматического