Застосування мікропроцесорів та мікроЕом для автоматизації технологічних процесів.

Поява МП та мікроЕОМ зумовила розробку та широке впровадження в промисловість високонадійних, гнучких щодо заміни алгоритму і порівняно дешевих АСК ТП. За­галом для реалізації складних розподілених АСК ТП не­обхідна наявність сучасних універсальних ЕОМ (комп'ю­терів) з відповідними операційними системами, а також набір мікроконтролерів з широким діапазоном технічних характеристик. МП та мікроЕОМ здійснюють програмне керування верстатами, виробничими лініями, промисло­вими роботами та іншими складовими АСК ТП. Вони регу­люють параметри технологічних процесів та виконують низку інших функцій.

Будь-яка система автоматичного чи автоматизованого керування виконує три основні функції: прийом вхідних даних; їх логічні та арифметичні перетворення; вироблен­ня на основі цих перетворень керуючих дій.

При розробці АСК ТП першим етапом є уточнення ці­лей і задач, які вона повинна вирішувати. Необхідно уточ­нити якомога детальніше і математично точно всі логічні зв'язки між причинами та висновками. Це бажано мати в такому вигляді: «Якщо кнопка А натиснута і реле В зам­кнуте, то повинна вмикатися сигнальна лампа Н і через 5с (10, 20...) — запрацювати двигун М».

Розробка МПС автоматичного керування технологіч­ними процесами складається з таких етапів:

1) вироблен­ня базової концепції;

2) розробка алгоритму керування;

3) проектування апаратних засобів;

4) складання та коду­вання робочих програм.

Базова концепція — загальне уявлення, первинна ідея, яка виз­начає принцип дії і метод реалізації проектованої системи.

Вироблення базової концепції починається з прийняття рішення про те, що повинно бути створене: система автома­тичного керування (САК, тобто система, що працює без учас­ті людини) або автоматизована система керування (АСК).

Технічна реалізація САК, як правило, значно прості­ша порівняно з АСК, оскільки не потрібні органи ручно­го керування, засоби введення та зміни програми, прис­трої індикації та ін. Апаратна частина у такому випадку простіша.

Алгоритм — набір процедур або чітка послідовність дій, виконан­ня яких дає потрібний результат.

Основні задачі мікропроцесорних пристроїв і систем в аск тп:

1. Контроль технологічного процесу:

а) первинна обробка даних про роботу технологічного агрегата або вузла, обладнаного датчиками. Метою є контроль достовірності даних та їх перетворення для подальшого використання. Первинна обробка даних передбачає: фільтрацію перешкод, лінеаризацію, масштабування, порівняння поточних значень із гранично допустимими та ін.;

б) обчислення поточних значень параметрів, що не підлягають безпосередньому вимірюванню;

в) стеження за швидкістю вимірювання параметрів з індикацією граничних значень;

г) виявлення фактів порушення технічного регламенту;

д) оперативний розрахунок техніко-економічних по­казників (продуктивності та ін.).

2. Керування технологічним процесом:

а) стабілізація параметрів шляхом регулювання за класичними законами (пропорційним, інтегральним тощо);

б) двопозиційне керування за логічними законами, автоматизована реалізація технологічного регламенту протягом певного часу (наприклад, протягом пуску), корекція оперативних планових завдань.

Мікропроцесори в АСК ТП використовують в режи­мах: 1) збирання даних; 2) порадник оператора; 3) суперві-зорне керування; 4) безпосереднє цифрове керування.

Система збирання даних є однією з найпростіших форм використання МП. У даному випадку параметри виробничого процесу перетворюються на цифрову форму, сприймаються підсистемою введення і переміщуються в запам'ятовуючий пристрій. МП здійснює логічну обробку і перетворення інформації, що поступила. Результати об­числень використовують для керування. Для цього вони можуть відображатись на екрані дисплея чи друкуватися у формі, зручній для сприймання оператором.

Порадник оператора є наступним за складністю вико­ристання мікропроцесорів в АСК ТП. У цьому випадку ви­ходи МП не пов'язані з органами керування технологічним обладнанням, а лише виводяться на пристрій відображен­ня. Система за введеною в неї математичною моделлю роз­раховує керуючі дії, необхідні для наближення режиму процесу до оптимального, і виводить їх для спостережен­ня. Оператор приймає рішення — враховувати чи ігнорува­ти рекомендації, які видає йому система. В останньому ви­падку він здійснює керування на підставі власного досвіду та інтуїції. Одним із серйозних недоліків такого режиму використання мікропроцесорів в АСК ТП є обмеження, пов'язані з участю людини-оператора.

Супервізорне керування ще складніше порівняно з по­радником оператора з погляду застосування мікропроце­сорів в АСК ТП. У цьому випадку процесор працює в замк­нутому контурі, тобто виходи системи керування пов'язані з технологічним обладнанням, і всі вставки ре­гуляторів здійснюються безпосередньо системою. Робота вхідної частини такої системи ідентична роботі системи в режимі порадника оператора. Але в останньому випадку значення вставок перетворюються на величини, які мо­жуть змінювати настроювання регуляторів. Функції опе­ратора щодо спостереження і втручання вимагаються ли­ше в разі виникнення відмов системи або непередбачених ситуацій.

У моделі процесу супервізорного керування врахову­ється значно більше змінних, ніж у попередньо зазначе­них режимах використання мікропроцесорів в АСК ТП.

Безпосереднє цифрове керування передбачає подачу ке­руючих сигналів, які використовуються для приведення в дію виконуючих механізмів, безпосередньо з керуючої ЕОМ. Регулятори окремих параметрів взагалі вилучають­ся із системи. Система керування розраховує реальні дії і передає відповідні сигнали безпосередньо на керуючі меха­нізми. В попередніх випадках розраховувались тільки вставки. Розрахунки реальних дій і передання відповідних сигналів на керуючі механізми здійснюються окремо для кожного контура керування. Кількість таких контурів мо­же змінюватись від кількох десятків до кількох сотень. Зрозуміло, що така система повинна працювати в режимі реального масштабу часу, тому затримки часу в кожному контурі необхідно обов'язково враховувати та аналізувати.

Техніка числового програмного керування (ЧПК) на­була значного поширення. Сучасна техніка ЧПК стала іс­тотним фактором підвищення продуктивності праці, сти­мулом для втілення у виробництво кращих досягнень із сфер механіки та електроніки, електротехніки та гідрав­ліки, обчислювальної техніки і техніки зв'язку. Галузь верстатобудування була однією з перших, де почали широ­ко застосовувати мікропроцесорну техніку.

Мікропроцесорний пристрій ЧПК — автономний спе­ціалізований обчислювальний пристрій (проблемно-орієн­тований), обробним елементом якого є МП. У літературі існують й інші визначення мікропроцесорного пристрою ЧПК, зокрема: пристрій, пристосований до роботи у ви­робничих умовах в режимі керування в реальному часі; пристрій, побудований на базі мікропроцесорного набору та інтегральних схем загального призначення, чи мікро­процесорних модулів або універсальних мікроЕОМ; при­стрій, що має розвинуту систему інтерфейсів для обміну сигналами з об'єктами керування, та ін.

Існує кілька класів архітектурної побудови мікропро­цесорного пристрою ЧПК. Найпростіший варіант — однопроцесорний. МП входить до складу універсальної ЕОМ і служить центральною частиною спеціалізованого модуля (ЕОМ), оптимізованого відповідно до задач ЧПК. Різнома­нітні канали мікроЕОМ і ЧПК пов'язані через адаптери, призначені для програмно-налагоджувального з'єднання пристроїв з різними способами подання даних. Функції контролерів периферійних пристроїв мікроЕОМ поляга­ють в адресуванні абонентів, прийманні та буферизації по­відомлень, контролі передачі повідомлень. Інтерфейсні блоки здійснюють зв'язок з об'єктом, зокрема приводами та автоматикою верстата і периферією ЧПК-дисплея, па­неллю оператора та ін.

Нарощують обчислювальні можливості та відповідно функції ЧПК двома способами: 1) центральний процесор складається з одного МП, але всі пристрої зв'язку з перифе­рією мікроЕОМ і ЧПК та зв'язку з об'єктом також побудо­вані на МП, збільшення обчислювальної потужності забез­печується звільненням центрального процесора ЧПК від трудомістких функцій вводу/виводу; 2) безпосередньо збільшується потужність центрального процесора за раху­нок його побудови як мультипроцесорної системи.

Наступна можливість досягнення заданого рівня функ­ціональності полягає в декомпозиції всієї системи на структурно однорідні та функціонально завершені блоки, кожний з яких має свій обчислювач, групу периферійних пристроїв та засоби міжагрегатного зв'язку. Агрегати орі­єнтовані на введення, редагування керуючої інформації та підготовку даних, на інтерполяцію і керування приводами подання, на керування автоматикою верстата.

Одним з основних способів підвищення функціональ­ності систем ЧПК є збільшення кількості процесорів і по­будова розподіленої обчислювальної системи, в якій функ­ції керування децентралізовані.

Орієнтація потужних систем ЧПК з мікропроцесорами на «безлюдну» технологію передбачає:

• автоматичну зміну таблиць корекцій інструмента, базових зміщень та вихідних координат за результатами вимірювання інструмента, деталі, базової поверхні;

• автоматичну компенсацію температурних зміщень шпиндельної бабки;

• автоматичне визначення пошкодження інструмен­та, ідентифікацію поломки і вибір стратегії її усунення;

• контроль за неперевищенням стійкості інструмен­та, автоматичну заміну інструмента, який вичерпав свій ресурс;

• автоматичне центрування та ін.

Особливості застосування мікропроцесорних пристроїв у радіоелектронній апаратурі

Розвиток сучасної радіоелектронної апаратури (РЕА) характеризується широким застосуванням цифрових ме­тодів обробки, перетворення і реєстрації сигналів.

Прогрес у галузі мікроелектроніки зумовив створення мікропроцесорних ВІС та НВІС, елементної бази для побу­дови нового класу цифрової РЕА — мікропроцесорних пристроїв, які є функціонально закінченими, програмно керованими обчислювальними пристроями.

Найчастіше МПП застосовують разом з цифровими пристроями жорсткої логіки, розширюючи функціональ­ні можливості РЕА. Радіоелектронні пристрої об'єднують аналогові, цифрові та аналого-цифрові вузли. За конструк­цією такі пристрої, як правило, є моноблоком. МПП, що реалізують певні функціональні вузли РЕА, вбудовуються в нього і конструктивно становлять одну чи декілька комі­рок моноблока.

Сфери застосування МПП у сучасній РЕА зумовлені переважно їх швидкодією та функціональними можливос­тями порівняно з комбінаційними пристроями. В міру зміни цього співвідношення на користь МПП розширю­ються й сфери їх застосування.

Виходячи із сучасного рівня функціональних можли­востей МПП, виділяють такі сфери застосування мікро­процесорів в РЕА:

1. цифрові системи радіозв'язку;

2. цифрова обробка сигналів;

3. керування променем фазованих антенних решіток (ФАР) радіолокаційних станцій (РЛС);

4. спеціалізовані пристрої.

У цифрових системах радіозв'язку застосовуються ши­рокосмугові шумоподібні модулюючі сигнали. їх викорис­тання дає змогу розосередити енергію випромінюваного сигналу в широкому діапазоні частот, зумовленому шири­ною спектра модулюючого сигналу.

Цифрова обробка сигналів передбачає цифрову філь­трацію, спектральний аналіз, кореляційну обробку тощо. Алгоритм керування променем ФАР РЛС складається з двох частин: одна призначена для обчислення напрямних косинусів за даними кутового положення літального апа­рата в просторі та попередньої вказівки пеленга цілі; дру­га дає змогу за отриманими значеннями напрямних коси­нусів розрахувати фазове розподілення у ФАР.

У спеціалізованих пристроях МП застосовуються для заміни пристроїв, виконаних на інтегральних схемах се­реднього та малого ступенів інтеграції. Такі схеми вико­нують функції блоків синхронізації, кодуючих та декоду­ючих пристроїв, пристроїв керування та ін.

МП створюють широкі можливості розв'язання бага­тьох задач програмним шляхом. За допомогою МП можна реалізувати найскладніші алгоритми обробки сигналів. Ці розв'язки можуть наближатися до оптимальних і, від­повідно, покращувати технічні параметри систем та на­давати їм нові функції. Висока продуктивність МП і мік-роконтролерів нового покоління значно полегшує роз­в'язання задачі об'єднання і спільної обробки інформації від різних джерел при створенні радіотехнічних ком­плексів. Стало можливим розширення комплексування за рахунок збільшення ступеня інтеграції пристроїв і сис­тем, що входять до складу радіотехнічних комплексів. На основі цього підвищились точність та надійність їх робо­ти. Комплексування стало здійснюватись не тільки під час вторинної обробки інформації, а й на етапі первинної об­робки. Ефективність такого підходу зростає в разі перед­бачення керування внутрішньою структурою комплексу при зміні розв'язуваних задач або умови їх розв'язання, а також у разі відмови різних пристроїв і систем, що вхо­дять до складу комплексу.

Для реалізації зазначених можливостей радіоінженер повинен знати способи апаратно-програмної реалізації ал­горитмів на основі сучасних МП і мікроЕОМ.