Системы, программируемые логические контроллеры

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.