Программируемые управляющие контроллеры

Автоматическое регулирование электроприводов и технологических процессов осуществляется пока с помощью аналоговых, реже – цифровых регуляторов пропорционального (П), пропорционально-интегрального (ПИ), пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД) типа или с помощью их комбинаций. Каждый из регуляторов представляет собой узкоспециализированное устройство.

Большая номенклатура аналоговых и цифровых регуляторов, жесткость их структуры сдерживают дальнейшее развитие теории и практики автоматического управления.

Проявление вместо таких регуляторов программируемых микропроцессорных контроллеров, рассчитанных на гибкую и дешевую реализацию самых разнообразных систем автоматического управления, меняет идеологию построения и развития систем автоматического управления непрерывных и дискретных приводов и процессов.

Программируемые регулирующие контроллеры (ПРК) предназначены для замены группы (из 10‑50 обычных ПИ или ПИД) аналоговых или цифровых регуляторов. Все необходимые законы регулирования записываются в памяти ПРК.

Известно, что теория автоматического управления в последние десятилетия предложила множество законов и алгоритмов управления: оптимальных, адаптивных, скользящих и др. Однако их реализация с помощью жестких структур регуляторов либо невозможна, либо сложна и ненадежна. Этим и объясняется существующий в течение длительного времени значительный разрыв между теорией управления, предлагающей более эффективные и точные, но и более сложные алгоритмы, и практикой управления, которая, как правило, использует простые и более надежные, но не оптимальные регуляторы с жесткой структурой.

ПРК обладают значительными логическими и вычислительными возможностями и способны путем записи соответствующих программ в память контроллера реализовать одинаково дешево как простые, так и сложные алгоритмы управления.

Многоконтурные ПРК. Упрощенная структурная схема ПРК приведена на рис. 35. В отличие от универсальной микроЭВМ большая часть памяти ПРК запрограммирована при изготовлении микроконтроллера на заводе изготовителе. Это относится к памяти, в которой записаны основные алгоритмы управления. Кроме того, при его применении не требуется стандартных средств ввода-вывода и отладки программ на ЭВМ.

Мультиплексор и АЦП обеспечивают прием 16 аналоговых сигналов, подключенные датчиков мультиплексора. Здесь и далее конкретные данные относятся к отечественному ПРК типа Ремиконд. В нем предусмотрена возможность установки четырех мультиплексоров и АЦП и прием до 64 аналоговых сигналов. Все входы и выходы снабжены гальванической развязкой (ГР).

Рис. 35 Многоконтурный программируемый регулирующий контроллер

На выходе контроллера мультиплексоры не предусмотрены, каждый выход имеет собственный ЦАП, и их число по числу входных цепей может наращиваться группами по 8-64. На входе АЦП предусмотрены буферные регистры, которые сохраняют данные при отсутствии обращения к ним. В этом возникает необходимость, когда сигнал должен быть запомнен после остановки вычислительного процесса. Дискретно-цифровой преобразователь (ДЦП) и цифро-дискретный преобразователь (ЦДП) выполняют функции согласования принятия в контроллере уровней логических сигналов с уровнями дискретных сигналов и обеспечивают прием и выдачу от 16 до 128 дискретных сигналов (наращиваются группами по 16). Предусмотрена возможность изменять функции цифро-дискретного преобразователя ЦДП на цифро-импульсные с программным управлением скважностью выдаваемых на выходе импульсов для управления электроприводами с переменной скоростью вращения.

ЦП реализован на базе 8-разрядного МП типа К580. Постоянное запоминающее устройство представляет собой полупроводниковую память программ. Программы вводятся на заводе-изготовителе, они определяют возможности контроллера.

Оперативная память данных разделена на две области. Первая представляет собой собственно оперативную память данных и используются для временного хранения промежуточных результатов расчета режимов работы и коэффициентов настройки. Вторая область резервируется для хранения изменяемых (перепрограммируемых) параметров контроллера.

Библиотека программ (алгоритмов) контроллера компонуется 20-25 стандартными алгоритмами: алгоритмы аналогового ПИД-управления, импульсного ПИД-управления, динамического преобразования (интегрирование, дифференцирование и т.п.), статического преобразования (суммирование, умножение и т.д.), нелинейного преобразования (селектирование, переключение и т.п.), управляющей логики (операции логического сложения, умножения, выдержки времени и т.п.). Комбинируя перечисленные алгоритмы можно строить системы автоматического управления практически любой сложности.

Канал управления при этом может быть представлен в понятиях, традиционных для автоматического управления, в виде фрагмента визуальной (кажущиеся) структуры, эквивалентной отдельному прибору или типовому сочетанию приборов аналоговой системой управления.

В каждый канал при программировании с пульта оператора загружается из ПЗУ программа одного из алгоритмов библиотеки, а из стираемого перепрограммируемого ПЗУ (ППЗУ) – стандартный блок коэффициентов, с помощью которого ведется настройка статистических и динамических параметров канала.

Конфигурация определяет систему связи каналов виртуальной структуры контроллера с его физическими входами и выходами, а также варианты взаимодействия каналов между собой и задается с панели оператора. Все каналы контроллера могут работать автономно и не иметь перекрестных связей. Такая конфигурация делает ПРК эквивалентным многоканальному регулятору. Связывая выходы с соответствующими входами, можно получить многосвязные и многоуровневые структуры регулирования.

Панель оператора имеет клавиши с надписями, принятыми в автоматическом управлении. Это позволяет пользователю общаться с контроллером на привычном для себя языке.

При помощи панели оператора осуществляется оперативное управление. Для этого выбирается режим работы контроллера, изменяются сигналы задания и ручного управления и контролируются значения технологических параметров. С другой стороны с помощью панели устанавливается требуемая конфигурация регулирующего канала, выбираются алгоритмы управления и параметры динамической и статической настройки ПРК.

Информация оператору представляется на панели при помощи цифровых индикаторов и светодиодов. С помощью оператора любой пользователь может программным путем в течение 1…1,5 ч. скомпоновать требуемую для данного объекта систему автоматического управления и проверить правильность ее функционирования.

Программируемые регулирующие контроллеры имеют внутреннее программное обеспечение и не требуют внешних программных средств (операционной системы, транслятора, ассемблера и т.п.) Программа для объекта набирается на панели оператора при помощи обычного цифрового десятичного кода.

Программное обеспечение ПРК состоит из диспетчера рабочих программ, программы обслуживания панели оператора и диагностической программы.

Программа-диспетчер координирует весь процесс вычисления в реальном времени, т.е. задает последовательность выполнения программ и их отдельных частей. Рабочие программы реализуют алгоритм управления. Библиотека рабочих программ представляет собой набор программных блоков и характеризует уровень алгоритмического обеспечения контроллера.

Программа обслуживания панели оператора выполняет приказы, поступающие от оператора, и выдает оператору запрошенную информацию.

Диагностическая программа контролирует безотказность аппаратуры и программных средств. Анализируя полученные данные, диагностическая программа указывает место неисправности и сигнализирует об этом, если имеются резервированные блоки, автоматически заменяет отказавший блок резервным.

Библиотека алгоритмов ПРК охватывает широкую номенклатуру современных регуляторов. Изменение состава библиотеки алгоритмов и ее наращивание осуществляются путем изменения объема ПЗУ без изменения остальной части аппаратуры контроллера.

Многоконтурные ПРК содержит 8-16 каналов управления, каждый из которых эквивалентен отдельному регулятору. Каждый канал содержит один из алгоритмов управления, взятый из библиотеки алгоритмов, и стандартный блок коэффициентов, с помощью которого ведется настройка статических и динамических параметров канала. Каждый канал имеет до восьми аналоговых и дискретных входов и двух аналоговых и дискретных выходов. Назначение входов и выходов канала зависит от используемого алгоритма управления. Так, например, в ПИД-алгоритме из восьми входов четыре являются аналоговыми, и сигналы, поданные на эти входы переводят данный канал на ручное управление, и в этом режиме осуществляют изменение выходного сигнала по принципу «больше-меньше». Из двух выходов ПИД алгоритма один является аналоговым, сопрягаемым с исполнительным устройством, другой ‑ дискретным, сигнал которого свидетельствует о превышении сигналом рассогласования установленного предельного значения.

ПРК может работать в автономном режиме и в режиме связи с более высоким уровнем управления, содержащим управляющую ЭВМ и интерактивные средства представления данных.

В настоящее время применение ПРК многоканального типа оправдано в системах управления большого и среднего масштабов, содержащих более 6-8 каналов. Примером целесообразно применения такого устройство является транспортный промышленный робот с несколькими степенями свободы.

Одноконтурный ПРК перспективно связан с появлением дешевых однокристальных МП, совмещенных с АЦП и ЦАП на том же кристалле. Первые шаги связаны с использованием гибридных однокристальных процессоров, имеющих аналоговые входы и выходы, преобразователи АЦП и ЦАП и обычный МП для цифровой обработки сигналов.

В качестве примера рассмотрим одноконтурный микропроцессорный регулятор типа 5260, схема которого представлена на рис. 36

Рис. 36 Одноконтурный программируемый управляющий контроллер

Одноконтурный ПРК подключается к датчикам аналоговых сигналов через мультиплексор. Компаратор сравнивает аналоговые сигналы, получаемые от датчиков, с аналоговым сигналом задания, получаемым с выхода ЦАП и задаваемым микропроцессором в цифровой форме на входе ЦАП. На выходе компаратора формируется сигнал рассогласования в аналоговой форме, который далее подается на процессор. Аналоговый сигнал с выхода компаратора преобразуется в цифровую форму. Это преобразование выполняется самим микропроцессором. Сигнал задания в цифровом виде вводится в память микропроцессора с пульта оператора или с другого устройства.

В одноконтурном ПРК типа 5260 заложено около 20 алгоритмов управления, включая адаптацию коэффициентов усиления. В нем могут быть реализованы П-, ПИ-, ПИД-, и ПД-регуляторы. Он позволяет реализовать функции извлечения квадратного корня, вычисления отношение и сигнализации выхода регулируемой величины за допустимые пределы.

Одноконтурный ПРК может использоваться в автоматическом или ручном режиме, и при отказе на его выходе поддерживается значение, которое было перед отказом.

Глава 5.