3.2 Логічне керування

Логічне керування здійснюється керуючим автоматом (КА) дискретної дії, який повинен реалізовувати задану логічну послідовність вмикання і вимикання виконавчих механізмів і тому його також називають пристроєм програмно – логічного керування (ППЛК).

За способом задання алгоритму функціонування розрізняють КА з “жорсткою” і “гнучкою” логікою. В перших логіку їх роботи можна змінити тільки змінивши схему з’єднань і характер зв’язку між елементами автомату. Такі КА називають також апаратними. Другі є керуючими автоматами з логікою, яка зберігається в пам’яті, тому зміна їх алгоритму функціонування досягається за рахунок зміни програми, що вводиться в пам’ять (програмно-реалізовані керуючі автомати - ПРКА). До них відносяться програмовані логічні регулятори (ПЛР), але функцію ПРКА на рівні з іншими функціями може виконувати і міні-ЕОМ.

Апаратні КА прості по конструкції, зручні в обслуговуванні, їх звичайно використовують для керування окремими АПД за відносно простим алгоритмом без зв’язку з цифровою ЕОМ – децентралізовані ППЛК. Програмно реалізовані КА, які мають канал для зв’язку з цифровою ЕОМ, є централізованими ППЛК і дозволяють будувати ієрархічні системи керування складним технологічним процесом, наприклад, комплексом АПД. Їх перевагами є низька вартість в розрахунку на одну реалізовану функцію і простота зміни алгоритму функціонування. В той же час їх застосування для реалізації простих логічних послідовностей економічно невигідне. Тому апаратні КА рекомендується застосовувати при децентралізованому керуванні, коли логічна схема може бути реалізована за допомогою не більше 25 багато контактних реле. Зазначимо також, що елементна база ПЛР повинна значно відрізнятися від елементної бази міні-ЕОМ, так як елементи перших повинні бути нечутливими до перешкод і успішно працювати у важких промислових умовах.

Математичною моделлю керуючого автомату є абстрактний автомат, який визначається вектором S={Y,X,Q,δ,λ}, в якого

Y={y₁, …, y_g, …, y_G} – множина вхідних сигналів (вхідна абетка);

X={x₁, …, x_m, …, x_M} – множина вихідних сигналів (вихідна абетка);

Q={q₁, …, q_f, …, q_F} – множина (внутрішніх) станів (абетка станів);

δ : Q Y Q – функція переходів, яка встановлює залежність внутрішнього стану автомату в наступний момент часу від стану входу і внутрішнього стану в теперішній момент часу;

λ : Q Y X – функція виходів, яка встановлює залежність стану виходу автомата від стану входу і внутрішнього стану.

Наявність множини внутрішніх станів автомата характерно тільки для автомата з пам’яттю, в якого вихід залежить не тільки від стану входу в даний момент часу, але і від сигналів, які поступали на вхід автомата раніше. Автомат із кінцевою пам’яттю має кінцеву кількість внутрішніх станів. В автомата без пам’яті вихід визначається тільки входом і не залежить від внутрішнього стану. Такий автомат можна розглядати як автомат, що визначається вектором S={Y,X,λ}, тобто має один внутрішній стан. Автомати без пам’яті часто називають комбінаційними схемами. Кінцеві автомати можуть бути синхронними і асинхронними в залежності від того, чим визначається тривалість інтервалу часу при незмінному стані входу автомата. В синхронному автоматі вхідні сигнали діють на його вхід тільки моменти часу, що визначаються генератором тактових (або синхронізуючих) сигналів. В асинхронному автоматі тривалість незмінного стану входу є змінною величиною, залежною тільки від зміни стану входу, яка відбувається після того, як автомат перейшов у певний внутрішній стан. В якості математичної моделі апаратних КА може бути використаний асинхронний автомат із кінцевою пам’яттю структурна схема якого наведена на рис.3.2.

Комбінаційна

частина

Пам’ять

Рисунок 3.2–Структурна схема асинхронного автомата з кінцевою пам’яттю

Входи Виходи

1

2

3

4

Рисунок 3.3–Структурна схема керуючого програмно – логічного пристрою

Структура ППЛК включає вхідний 1 і вихідний 3 блоки, які здійснюють зв’язок пристрою з об’єктом керування, а також блоки логічного 2 і програмного 4 керування, призначених для реалізації алгоритму керування і утворюючих частину пристрою (рис.3.3).

Елементи вхідного блоку здійснюють нормалізацію вхідного сигналу, джерелом якого можуть бути командоапарати (кнопки і ключі керування), безконтактні і контактні давачі з релейною характеристикою чи аналоговими вихідними сигналами, шляхові чи кінцеві вимикачі, реле і т.д. Крім того, в ряді випадків використання електричних ППЛК необхідне гальванічне відокремлення електричних кіл.

Елементи вихідного блоку призначені для формування і підсилення вихідних сигналів, що діють на позиційні виконуючі механізми технологічних апаратів, пристрої світлової і звукової сигналізації, а в деяких випадках здійснюючих зв’язок з обчислювальними пристроями.

Центральна частина ППЛК, яка в загальному випадку складається з блоків логічного і програмного керування призначена для реалізації алгоритму функціонування керуючого автомата.

При проектуванні ППЛК виділяють наступні основні етапи: формулювання вихідних даних у вигляді технічного завдання; розробка алгоритму функціонування КА(алгоритмічне проектування); реалізація алгоритму керування у вигляді структури КА (логічне проектування) і технічна реалізація ППЛК.

Вихідні дані для проектування ППЛК звичайно представляються у вигляді технологічної схеми об’єкта із зображенням виконуючих механізмів і давачів;

словесних описів технологічного процесу і обладнання; переліку операцій по керуванні технологічним об’єктом із в казанням послідовності їх виконання і взаємозв’язку, способів представлення оператору необхідної інформації. Якщо ППЛК буде функціонувати в складі АСК ТП, то у вихідні дані включаються дані про спряжені пристрої, вимоги щодо розміщення апаратури на об’єкті, необхідна довжина ліній зв’язку.

При розробці алгоритму функціонування КА (алгоритму керування технологічним об’єктом) на основі початкових даних математично записують поведінку КА. Початкові дані, як правило, не містять всієї необхідної інформації, тому в процесі виконання цього етапу їх уточняють. Як вказувалося вище, алгоритм функціонування КА є логічною частиною логіко-динамічної моделі АПД, тому доцільно почати його розробку зі складання параметричної ЛДМ об’єкта.

Алгоритм функціонування КА записують на спеціальній мові, до якої пред’являється ряд вимог. По-перше, не повинні виникати ускладнення при переході з рівня мови для опису алгоритму функціонування на рівень мови для опису структури КА, який використовується при логічному проектуванні. По-друге, він повинен володіти достатньою кількістю технологічної виразності і бути пристосованим для опису паралельно-послідовних алгоритмів, які допускають паралельне виконання декількох операторів. Як зазначалося вище в якості мов для опису алгоритму функціонування КА можуть бути використана мова ЛСА або ГСА із розширенням для опису паралельно-послідовних алгоритмів; мова ЯРУС; мова, заснована на застосуванні маркованого графа або інші подібні мови. В цьому випадку при переході від алгоритмічного до логічного проектування застосовують ще один мовний рівень – мову для опису структур КА. Існують також методи проектування КА, в яких використовують три ієрархічних мовних рівня:

первинний – для запису алгоритму функціонування КА; базовий – проміжна мова, яка відображає формальні особливості першої мови і використовується для часткового проведення оптимізацій них тотожних перетворень;

автоматний – для подальших перетворень і отримання структури КА.

Прикладом системи з мовами трьох ієрархічних рівнів є діалогова система автоматизованого проектування, в якій використовуються мови УМОВА і ФОРУМ, а в якості базової – мова операторних схем паралельних алгоритмів з пам’яттю (ОСПАП).

При необхідності алгоритм нормального функціонування КА доповнюють описом налагоджувального режиму. Якщо існують відповідні методи, то проводять оптимізаційні тотожні перетворення моделі алгоритму функціонування КА, наприклад, мінімізують кількість логічних умов ЛСА.

Логічне проектування починають з визначення блочної структури (архітектури) КА, потім переводять алгоритм функціонування автомата на мову для опису елементної структури КА і проводять необхідні оптимізаційні перетворення, визначаючи остаточну структуру КА.

Якщо математична модель КА може бути представлена у вигляді асинхронного автомата з кінцевою пам’яттю то його блочна структура аналогічна блочній структурі цього автомата (рис. 3.2), який функціонує наступним чином . Певному входу Y і внутрішньому стану Q, коли всі елементи знаходяться в рівновазі, відповідає деякий вихід X. При зміні вхідного сигналу в елементах пам’яті починаються перехідні процеси, які завершуються новим рівноважним станом, який однозначно визначається зміненими Y і Q і натає раніше наступної зміни сигналу на вході.

Існує і другий вид блочної структури асинхронного автомата зі скінченою пам’яттю, яка отримала назву позиційної. Позиційна структура КА включає наступні блоки:

умови, що формують сигнал переходу від операції до операції; логічний, призначений для виправлення критичних станів при переходах від операції до операції; пам’яті, кількість елементів якої рівна кількості операцій, тому при виконанні кожної операції активований тільки відповідний елемент пам’яті; виходів, які гарантують відсутність хибних сигналів на виході. Позиційна структура має деяку апаратурну надлишковість порівняно з іншими асинхронними структурами, але вона забезпечує стійкість функціонування КА при зміні часових характеристик елементів, спрощує відладку, обслуговування і діагностику неполадок.

Кожній з вибраних при логічному проектуванні блочних структур КА відповідає один або декілька методів синтезу програмного і логічного блоків, що відрізняються мовою, яка використовується для опису їх структури і способом оптимізацій них перетворень. Для синтезу схеми логічного блоку використовують методи синтезу комбінаційних схем, засновані на оптимізації булевих функцій, для синтезу схем програмного блоку застосовні методи: синтезу часових і рекурентних булевих функцій ; топологічного синтезу кінцевих автоматів; синтезу асинхронних і синхронних кінцевих автоматів ; синтезу мікропрограмних автоматів та ін. Основним критерієм оптимізації є кількість використовуваних елементів схеми, яка в результаті застосування вказаних методів мінімізується.

Технічна реалізація УПЛК включає в себе вибір елементної бази пристрою і комплексу технічних засобів; побудова принципової схеми на базі вибраних технічних засобів і у відповідності зі структурною схемою, одержаною при логічному проектуванні; розробку робочої документації, необхідної для виготовлення, відладки і випробовування УПЛК.

Елементна база може бути мікро елементною,пневматичною або електроконтактною. При цьому враховується характеристика технологічного об’єкта і спряжених пристроїв, наявність різних шкідливих впливів (перешкод, пилюки, газів, високотемпературних поверхонь), вимоги до швидкодії і надійності, пожежо- і вибухобезпечність, економічні фактори. Якщо вимоги до швидкодії апаратури не мають вирішального значення, то застосовується пневматична апаратура, яка має високу надійність, проста в обслуговуванні, економічна, може застосовуватися в пожежо- і вибухонебезпечних приміщеннях, не потребує захисту від різного роду електричних і електромагнітних перешкод.

При реалізації УПЛК на мікроелектронній або пневматичній базі доцільно використовувати агрегатні комплекси технічних засобів, які представляють собою функціонально повні комплекси субблоків, призначених для монтажу на універсальних типових конструкціях (УТК). Найбільше поширення в даний час отримали агрегатний комплекс на мікроелектронній апаратурі, ЦИКЛ, розроблений СКБ САУ (Харків) на базі інтегральних схем, комплекс ЦИКЛ, створений спільно Інститутом проблем управління і заводом ”Тизприбор” на пневматичній струминно – мембранній апаратурі. Перший серійно випускається Чернівецьким заводом засобів обчислювальної техніки, другий – заводои “Тизприбор”.

В цьому випадку спочатку вибирають субблоки, включаючи ті з них, які не беруть участь в реалізації алгоритму керування (субблоки нормалізації, підсилення та інші), а потім у відповідності з функціональною структурою схеми, отриманої при логічному проектуванні, з’єднують входи і виходи логічних елементів, розташованих на монтажних платах субблоків, складаючи таким чином принципову схему. Далі із субблоків компонують блоки, а з останніх УПЛК, оформлюючи схеми з’єднань елементів блоку і блоків, у вигляді таблиць.

Робоча документація, необхідна для виготовлення УПЛК, повинна містити відомість компонованих виробів, схеми розміщень, з’єднань і зовнішніх підключень, а також таблиці тестового контролю для перевірки правильності функціонування пристрою.