Режимы применения “ТКМ - 52” в АСУ ТП

Контроллер “ТКМ - 52” предназначен для сбора, обработки информации и формирования воздействий на объект управления в составе распределенных иерархических или локальных автономных АСУ ТП на основе сети Ethernet или RS-485(MODBUS). Контроллер может использоваться:

а) как автономное устройство управления небольшими объектами;

б) как удаленный терминал связи с объектом в составе распределенных систем управления;

в) одновременно как локальное устройство управления и как удаленный терминал связи с объектом в составе сложных распределенных систем управления.

Контроллер в дублированном режиме рассчитан на применение в высоконадежных системах управления. В контроллер, в зависимости от вариантов исполнения, может устанавливаться одна из операционных систем: DOS или Системное Программное Обеспечение (СПО) на базе OS LINUX. В первом случае МФК можно осуществлять посредствам универсальных средств программирования с помощью программы TRA - CE MODE.

В автономном применении контроллер решает задачи средней информационной емкости (50 - 200 каналов). К нему можно подключить периферийные различные устройства по последовательным (RS - 232, HRS - 485) и параллельному интерфейсу, а также по сети Ethernet. В качестве пульта оператора-технолога может использоваться встроенный блок клавиатуры и индикатора V03.

В режиме применения удаленного терминала связи с объектом, управляющая программа исполняется на вычислительном устройстве верхнего уровня иерархии (например, на IBM PC), соединенному с контроллером по последовательному каналу (RS - 232 или RS - 485. По протоколу Modbus), либо по сети Ethernet, а контроллер обеспечивает сбор информации и выдачу управляющих воздействий на объект.

Применение в смешанном режиме (в качестве интеллектуального узла распределенной АСУ ТП) управление объектом производится прикладной программой,

хранящейся в энергонезависимой памяти контроллера. При этом контроллер подключен к сети Ethernet, что позволяет вычислительному устройству верхнего уровня иерархии, иметь доступ к значениям входных и выходных сигналов контроллера и значениям рабочих переменных прикладной программы, а также воздействовать на эти значения. В контроллере могут быть использованы все свободные интерфейсы, а также его клавиатура и индикатор. Одновременное исполнение прикладной программы и работа по сети Ethernet поддерживается средствами операционной системы контроллера и системой ввода-вывода.

Данный вариант в наибольшей степени использует ресурсы контроллера “ТКМ 52”, и позволяет создавать с его помощью гибкие и надежные распределенные АСУ ТП любой информационной мощности (до десятков тысяч каналов). При этом обеспечивается живучесть отдельных подсистем.

Состав и характеристики контроллера

Контроллер “ТКМ - 52” является проектно-компонуемым изделием, состав которого определяется при заказе. Контроллер состоит из базовой части,блока клавиатуры-индикации и модулей ввода-вывода (от 1 до 4) . Базовая часть контроллера состоит из корпуса, блока питания, процессорного модуля PCM423L с модулем TCbus52 и блоком клавиатуры и индикации V03.

Корпус контроллера металлический, состоит из секций, соединенных между собой с помощью специальных винтов. В задней секции размещается блок питания и процессорный модуль. В остальных секциях размещаются модули ввода-вывода. В передней секции всегда размещается блок клавиатуры и индикации VОЗ. В зависимости от количества секций для модулей ввода-вывода различаются следующие комплектации базовой части контроллера:

Контроллер “ТКМ - 52” работает от сети переменного тока частотой 50 Гц и напряжением 220 В, потребляемая мощьность 130 Вт.

Контроллер “ТКМ - 52” рассчитан на непрерывную круглосуточную работу.

Диапазон рабочих температур окружающей контроллер среды от плюс 5 до плюс 50 С. Контролер имеет пылебрызгозащищенное исполнение IP42.

Основные характеристики процессорного модуля:

а) процессор: FAMD DX-133(5x86-133);

б) системное ОЗУ-8Мбайт, в зависимости от установки модуля памяти может расширяться до 32 Мбайт;

в) FLASH - память системных и прикладных программ-4 Мб (может расширяться до 144 Мб;

г) последовательные порты: СОМ1 RS232, COM2 RS232/RS485 совместимы UART 16550, параллельный порт LPT1: поддерживает режимы SPP/EPP/ECP;

д) Ethernet интерфейс: контроллер Realtek RTL8019AS, программно совместим NE2000;

е) таймер аппаратного сброса WatchDog, астрономический календарь-таймер с питанием от встроенной батареи, питание - 5 В ± 5 %, 2 А.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

1. Технико-экономическое обоснование проекта

2. Уровни управления

3. Человеко-машинный интерфейс

Заключение

Список используемой литературы

Введение

В данное время в экономике наблюдается тенденция, при которой играет одну из ведущих ролей в управлении производством продукции и ее следующей реализации. В развитых странах управления качеством на предприятии притягивает особое внимание всех подразделов, которые влияют на качество продукции, которая выпускается. Для лучшего взаимодействия и, для более эффективного результата на предприятиях разрабатываются разные подходы к управлению качеством.

Использование микроконтроллеров в изделиях производственного и культурно-бытового назначения не только приводит к повышению технико-экономических показателей изделий (стоимости, надёжности, потребляемой мощности, габаритных размеров) и позволяет многократно сократить сроки разработки и отодвинуть сроки морального старения изделий, но и придаёт им принципиально новые потребительские качества такие как расширенные функциональные возможности, модифицируемость, адаптивность и т.д.

Качество продукции (включая новизну, технический уровень, отсутствие дефектов при выполнении, надежность в эксплуатации) есть одним из важнейших средств конкурентной борьбы, завоевание и удержание позиций на рынке. Поэтому фирмы уделяют особое внимание обеспечению высокого качества продукции, устанавливая контроль на всех стадиях производственного процесса, начиная с контроля качества используемых сырья и материалов и заканчивая определением соответствия выпущенного продукта техническим характеристикам и параметрам не только в походке его испытаний, но и в эксплуатации, а для сложных видов оборудования - с предоставлением определенного гарантийного срока после установки оборудования на предприятии заказчика. Поэтому управление качеством продукции стало основной частью производственного процесса и направлен не столько на выявление дефектов или брака в готовой продукции, сколько на проверку качества изделия в процессе его изготовления.

В наше время для экономического и социального развития страны необходимо кардинальное ускорение научно-технического прогресса на основе широкого внедрения новой техники и технологии, комплексной автоматизации и автоматизации производства и технологических процессов, повышение производительности работы, повышение технического уровня и качества продукции. На современном этапе развития общества решение поставленных задач невозможно без внедрения микропроцессорной техники во всех областях народного хозяйства страны. Применение микропроцессорной техники обеспечивает важный рост производительности работы, улучшение технического уровня и качества продукции, экономию сырья и материалов.

Использование микроэлектронных средств в изделиях производственного и культурно-бытового назначения не только приводит к повышению технико-экономических показателей изделий (стоимости, надежности, потребляемой мощности, габаритных размеров) и разрешает многократно уменьшить сроки разработки и отодвинуть сроки "морального старения" изделий, но и предоставляет им принципиально новые потребительские качества (расширенные функциональные возможности, модификация, адаптивность и т.д.).

1. Технико-экономическое обоснование проекта

За последние годы в микроэлектронике быстрое развитие получило направление, связанное с выпуском микроконтроллеров, которые предназначенные для "интеллектуализации" оборудования разнообразного назначения. Использование микроконтроллеров в системах управления обеспечивает достижение исключительно высоких показателей эффективности. Особой популярностью пользуются 16-разрядные микроконтроллеры MCS-96 фирмы Intel, что нашли применения в промышленности, автомобилестроении, медицине и в бытовой технике разнообразнейшего назначения. Их архитектура оптимизирована для систем управления событиями в реальном масштабе времени. Так, например, семейство MCS-96 обеспечивает аналого-цифровое преобразование, широтно-импульсную модуляцию и быстродействующий введение-вывод информации.

Работа современных предприятий и перерабатывающих заводов предполагает выполнение множества сложнейших операций. Для точного управления оборудованием и производственными процессами, в работе используются современнейшие датчики, электромеханические узлы и сервоприводы.

В качестве примера привлекательности применения высокотехнологичных методов для получения возможности точного управления, можно рассмотреть сетевую автоматизацию производственного цеха и подключение ее к IT-сетям для получения необходимой бизнес-информации и стратегии, на основании чего принимаются конкретные решения по производственному управлению.

Такой централизованный и коммуникационно-ориентированный взгляд на решение задач промышленного управления предоставляет службам технического обслуживания и промышленным инженерам доступ к хранилищам данных для подробного анализа и оптимизации процессов. Заводские менеджеры и руководители предприятия могут получить исчерпывающую информацию для оценки общей эффективности производства, буквально просто бросив взгляд на приборную панель, отображающую параметры процессов.

Впоследствии процессы могут контролироваться вручную, и каждая производственная ячейка управляется независимо от других. Имея доступ к суммарной информации об общем фактическом функционировании предприятия в режиме реального времени, его руководство получает возможность анализа дневных производственных показателей для корректировки бизнес-стратегии, основываясь на оперативно полученных данных.

Постепенный переход от изолированных друг от друга узлов производственной цепочки к сетевому взаимодействию осуществлялся в течение несколько лет. В связи с тем, что этот переход был во многом узконаправленным и не распланированным, когда каждая текущая разработка очередного узла промышленной управляющей системы базировалась на собственном для данного проекта наборе шин, сетей и контроллеров, что делало этот узел изолированным от общей промышленной системы управления.

Несмотря на то, что на данный момент присутствует единое видение проблем сетевого промышленного управления в направлении "сверху вниз", взгляд на эти проблемы в направлении "снизу вверх", со стороны модуля центрального процессора каждого сегмента - сильно фрагментирован. До сегодняшнего дня выбрать единую процессорную архитектуру, которая эффективно работала бы на всех уровнях управляющей инфраструктуры, было просто невозможно.

Современные разработки в области процессорных технологий предоставляют разработчикам возможность инноваций в рамках использования единой концепции в реализации систем промышленного управления. Путем тщательного анализа требований к производительности, функциональности и способам коммуникаций на каждом уровне управления, разработчик может остановиться на стандартной процессорной архитектуре с единым ядром, что обеспечивает не только получение оптимального решения при конкурентоспособной стоимости, но и сокращение цен на разработку, существенное снижение длительности цикла проектирования и возможность повторного использования уже разработанного программного обеспечения.

2. Уровни управления

Как правило, система управления производственными процессами представляется в виде иерархии, состоящей из четырех уровней

· Датчики и исполнительные механизмы, использующиеся для мониторинга производственных процессов путем предоставления отчетов по текущему статусу и фиксации изменений состояния;

· Электродвигатели и другие системы, такие как например индуктивные нагреватели для осуществления воздействий на состояние процесса или выполнение операции;

· Элементы управления, анализирующие информацию, получаемую от узлов датчиков и выдающие команды для системы исполнительных механизмов с целью достижения желаемых изменений, включающие в себя сети программируемых логических контроллеров (PLC, Programmable Logic Controller) и сети программируемых контроллеров автоматизации (PAC, Programmable Automation Controller), объединяющие устройства;

· Модули человеко-машинного интерфейса (HMI, Human-Machine Interface), осуществляющие визуальное и алгоритмическое представление текущего состояния производства для инженеров и технических служб.

Рис. 1. Автоматизированное производство, состоящее из четырех основных уровней управления процессами

До сегодняшнего дня ни одна программно-совместимая процессорная архитектура не могла позволить экономически эффективно охватить все четыре уровня модели промышленного управления. Используя общую архитектуру процессора, разработчики могут уменьшить количество приобретаемых программных средств разработки, получить возможность постоянной работы в исключительно знакомой среде разработки с возможностью повторного использования написанного кода.

Архитектура ARM® является открытой архитектурой со свободным лицензированием, без необходимости приобретения прав собственности. Преимущество открытости сделало архитектуру ARM фактически стандартом, благоприятствующим разработке надежных, разноплановых и всеобъемлющих систем с использованием стороннего программного и аппаратного обеспечения. микроконтроллер управление сетевой

Являясь лидером в области встраиваемых процессоров, компания ARM Ltd. предлагает широкий спектр микропроцессорных ядер, способных удовлетворить требования по производительности для реализации всех уровней промышленного управления. Эволюционная стратегия развития ядер удостоена наград за программную совместимость и архитектурную непрерывность. Полная программная совместимость при миграции с микроконтроллеров с ядром Cortex™-M3 кмикропроцессорам Cortex-A8, обеспечивает простую разработку системы управления с алгоритмами коммуникации, разработанными и отлаженными всего один раз, но теперь уже с возможностью выбора из целого спектра характеристик производительности. Надо заметить, что в некоторых ARM-ядрах присутствует интегрированная поддержка функций промышленного управления, включая детерминированные режимы и мультизадачность.

Хотя уже сами по себе данные ядра являются прекрасной отправной точкой, микроконтроллеры и микропроцессоры с ARM-архитектурой должны также предоставлять соответствующие комбинации интегрированной периферии и опций памяти. Тенденция постоянного роста числа приложений для реализации задач промышленного управления диктует необходимость производства большого количества семейств, применением которых можно было бы охватить полные диапазоны возможных решений, отвечающих требованиями по стоимости, производительности и функциональности.

И, наконец, для помощи разработчикам в создании систем промышленного управления в рамках единой архитектурной концепции, в первую очередь необходимы профессиональные программные отладочные средства, облегчающие процесс разработки и предоставляющие максимальные возможности для повторного использования кода.

Лучшим способом иллюстрации гибкости и разнообразности ARM-продуктов и определения наилучшего сочетания наборов периферии микроконтроллеров и микропроцессоров для реализации функций дискретного управления - анализ требований, предъявляемых на каждом уровне иерархической модели управления, представленной на рис.1.

Уровень управления производственным оборудованием обычно представляет собой большое количество функционирующих в его пределах программируемых логических контроллеров (PLC, Programmable Logic Controller). Программируемые логические контроллеры получают информацию от датчиков и используя ее принимают решение о изменении хода производственного процесса, а также управляют реле, двигателями или другим механическими технологическими устройствами. Они могут контролировать и управлять большими массивами линий ввода-вывода в составе сотен сетевых узлов.

Контроллеры обычно должны работать в детерминированном режиме - это означает, что реакция каждого порта ввода/вывода занимает строго определенное время (или количество вычислительных циклов). Там, где требования к детерминированному выполнению в режиме реального времени не такие жесткие, в некоторых программируемых контроллерах применяются операционные системы реального времени (RTOS, Real-Time Operating System), что облегчает прикладное программирование под конкретную задачу, но предполагает, что система реагирует через какой-то отдельный промежуток времени.

Одной из отличительных характеристик ядра ARM Cortex-M3 является аппаратная поддержка детерминированного функционирования. Вместо извлечения данных из кэша, ядро Cortex-M3 получает инструкции и данные непосредственно из внутренней Flash-памяти. Это обеспечивает аппаратные способы сохранения состояния процессора во время обработки исключений. При получении сигнала внешнего прерывания, передача управления его обработчику занимает всего 12 циклов, а в случае вложенных прерываний передача управления обработчику занимает всего шесть циклов.

С точки зрения разработки, встроенный в ядро Cortex-M3 детерминизм делает возможным замену двухкристального решения системы управления электродвигателем однокристальным, на основе одного микроконтроллера. В двухкристальном решении требуется DSP-процессор для управления двигателем, привязанным к узлу сети, в то время как постоянная связь с системой поддерживается микроконтроллером. Применение микроконтроллера с ядром Cortex-M3 является однокристальным решением обеих задач одновременно.

Аппаратная поддержка детерминированного функционирования наиболее эффективна при применении специально разработанных для данных режимов работы сетевых протоколов. Для этого подходит протокол IEEE1588 Precision Time Protocol (PTP), основной чертой которого является точность поддерживаемых временных интервалов и возможность реализации режимов мульти-адресации. С точки зрения автоматизации разработки это означает, что модуль 10/100 Ethernet с поддержкой режима IEEE1588 PTP является важным периферийным узлом. В некоторых программируемых контроллерах автоматизации технологических процессов (PAC, Programmable Automation Controller) самого высокого уровня требуется поддержка стандарта Gigabit Ethernet, что вполне очевидно ввиду увеличения потоков передаваемых данных.

Другой популярный метод сетевого объединения устройств промышленной автоматики - применение протоколов CAN (Controller Area Network), позволяющее создавать распределенные и дублирующие системы.

Беспроводные сети стали популярными для организации сетевого взаимодействия программируемых логических контроллеров, датчиков и других оконечных устройств. Также, беспроводные коммуникации WLAN (wireless Ethernet) применяются для связи программируемых логических контроллеров с программируемыми контроллерами автоматизации технологических процессов.

ARM-микроконтроллеры семейства Sitara™ компании TI имеют на кристалле модули Ethernet MAC, CAN и SDIO для сетей WLAN и обладают необходимыми уровнями производительности для поддержки сетевых протоколов.

Рис. 2. Микроконтроллеры семейства Sitara AM35x на базе ядра Cortex-A8

Для реализации сетей датчиков широкое распространение получил протокол ZigBee. Основываясь на радиоспецификации IEEE802.15.4, интерфейс ZigBee позволяет создавать сети с ячеистой топологией для создания надежных самопрограммирующихся сетей, идеально подходящих для промышленных применений.

Микроконтроллеры с ядром Cortex-M3 обладают требуемой производительностью для реализации протокола ZigBee и решения сопутствующих задач, за исключением организации радиоканала. Также, производительности ядра Cortex-M3 достаточно для обеспечения коммуникаций в стандарте 10/100 Base T Ethernet в полу- или полнодуплексном режимах с поддержкой режима auto-MDIX.

Значительным преимуществом микроконтроллеров ARM Cortex-M3 семейства Stellaris® от компании TI является наличие интегрированных на кристалле модулей Ethernet PHY и MAC, благодаря чему возможно снижение стоимости изделия и уменьшение занимаемой на плате площади по сравнению с традиционным двухчиповым решением. Для проектов, где требуется более высокая производительность по сравнению с 10/100 Ethernet, разработчикам следует остановиться на семействе микроконтроллеров с ядром Cortex-A8, таких как семейство Sitara от компании TI.

Ядро Cortex-M3 оптимизировано для одноциклового доступа к интегрированной на кристалле FLASH и SRAM памяти, и предоставляет разработчику производительность, недостижимую в микроконтроллерах, ранее представленных на рынке. Благодаря возможности доступа к FLASH и SRAM за один цикл, разработчики, при использовании микроконтроллеров семейства Stellaris на частоте 50 МГц, получают производительность работы соизмеримую с производительностью других контроллеров на частоте 100 МГц.

3. Человеко - машинный интерфейс

С точки зрения организации работы системы, человекомашинный интерфейс (HMI, Human-Machine Interface), который находится на верхнем уровне иерархии, является наиболее требовательным.

Основные пользовательские интерфейсы, представляющие собой сенсорные кнопки управления на экране, слайд-бары и элементы основной 2D-графики могут быть реализованы на базе микроконтроллера, например, с ядром ARM Cortex-M3. Кроме этого требуется высокоуровневая операционная система, поэтому реализация пользовательского интерфейса смещается от микроконтроллеров в сторону микропроцессорных систем.

В автоматизированных системах, операторы, осуществляющие управление с удаленных рабочих станций, должны иметь максимальные возможности для мониторинга производства и охватывать наблюдением производственное оборудование настолько широко, как только это возможно. Для того, чтобы добиться полноценного наблюдения, необходимы графические возможности более высокого уровня, такие как 3D-видео и графика. Например, один из методов обеспечения оператора возможностью управлять распределенной системой управления - реализация доступа к каждой ее части путем выбора соответствующей механизму или сегменту вкладки на экране графического дисплея.

Развитые варианты реализации человеко-машинного интерфейса имеют возможности отображения данных в форме алгоритмического представления, 2D и 3D-графики, а также видеоинформации от контрольных видеокамер слежения, установленных на производстве. Также предусматривается возможность оконного отображения параметров особо ответственных процессов и свойств производимой продукции. Масштабирование, визуализация и оконность являются общими свойствами для всех развитых вариантов реализации человекомашинного интерфейса. Сенсорные экраны и клавиатуры и голосовое управление являются дополнительными способами ввода данных, и все они нуждаются в интерфейсной или периферийной поддержке микропроцессорной системой.

Необходима высокая степень интерактивности с производственными процессами, вбирающая в себя переключение следящих видеокамер, получение по запросу текущих отчетов и возможность выдачи команд для управления производственным процессом или технологической линией. Консоль управления легко обеспечивает получение и обработку информации от сотен устройств управляющей сети, находящихся в ее узлах на нижних уровнях иерархии.

С точки зрения выбора микропроцессора, для достижения наиболее высоких уровней интерактивности, требуется устройство со встроенными возможностями обработки графики и видео, богатым функционалом ввода-вывода данных и значительной вычислительной мощностью. Также, при выборе микропроцессора немаловажную роль играет наличие требуемой периферии и необходимых библиотек программного обеспечения.

Среди нескольких семейств, удовлетворяющих упомянутым выше требованиям, заслуживают внимания процессоры на базе архитектуры ARM Cortex-A8. Периферийные и интерфейсные особенности, а также характеристики производительности данных продуктов будут более подробно рассмотрены ниже в данной статье.

Вопросы проектирования

Ключевым моментом для принятия окончательного решения в выборе процессора является доступность программного обеспечения, благодаря которому существенно сокращается время выхода конечного продукта на рынок. Программное обеспечение, как правило, включает в себя операционные системы, библиотеки и коммуникационные стеки.

Требования к графическим возможностям часто оказываются определяющим фактором при выборе операционной системы. Приложения управления, работающие с 2D или 3D графикой, потоковым видео и с высокими разрешениями экрана обычно также требуют использование полноценных операционных систем реального времени, например Embedded Linux или Windows™ Embedded CE, устанавливаемых на процессоры с ядрами ARM9™ или Cortex™-A8, таких как ARM-микроконтроллеры семейства Sitara™, имеющие в своем составе полнофункциональный блок управления памятью (MMU, Memory Management Unit).

Интеллектуальный дисплейный модуль, способный обрабатывать текст, 2D-графические примитивы и QVGA JPEG-изображения, обычно является пределом применения для микрокон-троллеров на базе ядра Cortex-M3. В состав ядра Cortex-M3 входит блок защиты памяти (MPU, Memory Protection Unit), способствующий эффективному использованию компактных операционных систем реального времени и "легких" ядер ОС Linux, таких как ядро Unisom от компании RoweBots.

Одним из преимуществ ARM-архитектуры, упомянутым ранее, является то, что она сама по себе является мощной экосистемой. В результате этого на рынке доступно большое количество сертифицированных коммуникационных стеков от сторонних производителей, включая специализированные стеки протоколов связи, необходимые для объединения в сеть оборудования промышленной автоматики. Для сокращения времени выхода на рынок конечных устройств, построенных на базе микроконтроллеров семейства Stellaris от компании TI, предоставляется пакет программного обеспечения StellarisWare®, состоящий из библиотек драйверов периферийных устройств, графической библиотеки, библиотеки USB для организации как ведущего (Host), так и ведомого (Device) устройства, с поддержкой режимов On-the-Go, и загрузчика, в совокупности с IEC 60730-библиотекой самотестирования, которая может применяться для диагностики устройств в составе промышленных приложений.

Этот подход для сокращения времени выхода на рынок распространяется и на микроконтроллеры семейства Sitara™, для которых доступны аппаратные средства разработки, драйверы и программные пакеты поддержки системы (BSP) под открытые системы Linux, Windows Embedded CE6 наряду со сторонней поддержкой операционных систем, таких как Neutrino, Integrity и VxWorks.

Энергопотребление

Потребляемая устройством мощность стала важной характеристикой для всех приложений, в том числе и для устройств, работающих от сети электропитания. Однако, в то время как для разработчиков портативных устройств наиболее интересно потребление процессора, внимание разработчиков промышленных систем сосредоточено на вопросах поддержания минимального потребления в течение всего времени работы оборудования для снижения коммунальных расходов и расходов на электроэнергию. Пониженное энергопотребление также имеет позитивные экологические эффекты.

Практически на всех предприятиях и производствах применяются электродвигатели, потребление которых, как правило, составляет большую процентную часть от общей мощности потребления предприятия. Как это ни удивительно, но возможность детерминированного функционирования играет значительную роль в энергетической эффективности. В микроконтроллерах семействе Cortex-M3 на 60 процентов увеличена производительность системы обработки прерываний, что значительно снижает мощность, потребляемую системой. Система прерываний, работающая на 60 процентов быстрее, означает, что микроконтроллер способен в 60 раз быстрее останавливать и запускать двигатель, что за год экономит существенное количество электроэнергии. Кроме того, производительность ядра Cortex-M3 подходит для реализации интеллектуальной цифровой коммутации, что предоставляет возможность выбора менее мощного двигателя для приложения, выбор более эффективного двигателя, или улучшить производительность уже существующего двигателя (например, в управлении асинхронным двигателем переменного тока использовать пространственно-векторную модуляцию вместо простого синусоидального алгоритма) - все это уменьшает общее энергопотребление системы. Микроконтроллеры семейства Stellaris имеют специальные ШИМ-каналы для управления электродвигателями с таймерами пауз переключения и интерфейс квадратурного энкодера (QEI, Quadrature Encoder Interface) для организации замкнутых контуров управления, позволяющие разработчику эффективно использовать вычислительные возможности ядра Cortex-M3 для повышения производительности при одновременном снижении потребления.

Другой проблемой энергопотребления в развивающейся тенденции разработки полностью замкнутых систем промышленной автоматики - защита от пыли и других загрязняющих веществ, обычно имеющих место на производстве. Если для охлаждения процессора и связанной с ним электроники используется не только радиатор, разработчик вынужден предусматривать либо отверстия для воздушного охлаждения и вентиляторы, что в совокупности противоречит понятию замкнутости системы, либо устанавливать дорогостоящие системы принудительной очистки поступающего воздуха. Микроконтроллеры развитого семейства Sitara™ предназначены для решения задач энергопотребления путем применения адаптивных программных и аппаратных методов с динамическим управлением напряжением, частотой и мощностью.

Периферия и ввод-вывод

Множество процессорных ядер, базирующихся на стандартной ARM-архитектуре, имеет целый ряд преимуществ. В то время как устройства системного уровня выполняются на базе микропроцессоров и микроконтроллеров, предоставляемые производителями микросхем функциональные модули окружения ядра системы на кристалле, также имеют важное значение. Определяющее значение имеет развитость функций работы с памятью. Наряду с этим, так как разнообразие применения определяется богатством периферии, количество и типы периферийных модулей и интерфейсов ввода-вывода также является ключевым моментом.

Два важнейших коммуникационных блока - контроллер интерфейсов CAN и MAC-контроллер сети Enternet, также PHY-модуль с поддержкой стандарта IEEE 1588 уже рассмотрены. Ниже рассматриваются различные опции ввода-вывода, многие из которых широко используются в самых разнообразных приложениях для передачи информации:

· Интерфейс I2C: мультимастерная последовательная компьютерная шина, предназначенная для подключения низкоскоростной периферии

· UART/USART: развитая высокоскоростная периферия общего назначения

· Интерфейс SPI: широко используемый метод связи для передачи данных в полнодуплексном режиме

· Аудиоинтерфейс I2S: помехозащищенная передача сигналов на внешние схемы в аудио-приложениях

· Внешний периферийный интерфейс (EPI, External Peripheral Interface): конфигурирумый интерфейс памяти с режимами поддержки SDRAM, SRAM/Flash, 8- и 16-разрядной Host-Bus-периферии, а также поддержка скоростного параллельного межмашинного интерфейса передачи данных (M2M, Machine-to-Machine) со скоростью 150 МБайт/сек

· Интерфейс USB: интерфейс связи двух или более устройств, часто совмещающий возможность работы в режиме USB-хоста и работу в режиме USB Оn-The-Go.

Для промышленных приложений управления электродвигателями, устройствами механизации и другим производственным оборудованием, наибольшее значение имеют такие функциональные возможности, как высокоскоростные линии ввода-вывода общего назначения (GPIO, General Purpose Input/Output), модули широтно-импульсной модуляции (PWM, Pulse Width Modulation), входы с квадратурным кодированием и каналы с аналого-цифровым преобразованием (ADC, Analog-Digital Convertion).

Многообразие таких функций, которые могут быть реализованы на кристалле, хорошо иллюстрируется на рисунке 3, блок-схеме современного высокоинтегрированного микроконтроллера.

Рис. 3. Обширный набор периферии микроконтроллера серии Stellaris® 9000 на базе ядра Cortex-M3

Весь реализуемый на кристалле функционал, описанный ранее, предлагается большинством производителей микроконтроллеров. В некоторых случаях, отличительной особенностью являться исполнение с более высокими характеристиками надежности работы. Интегрированные модули Ethernet MAC и PHY, совместимые со стандартом IEEE 1588, в составе продуктов семейства Stellaris - яркий пример подобной отличительной особенности данных микроконтроллеров.

Другим примером является программируемый блок реального времени (PRU, Real-Time Unit), представленный в семействе семейства микроконтроллеров Sitara на базе ядра ARM9 от компании TI. Данный модуль является небольшим процессором с ограниченным набором команд, и может быть сконфигурирован для выполнения каких-либо специальных функций реального времени, не реализованных в основном кристалле.

В приложениях промышленного управления, модуль PRU обычно конфигурируется для реализации функций ввода-вывода данных. Это может быть отдельный интерфейс или блок ввода-вывода, не представленный в микроконтроллерах какой-либо линейки продукции. При исполнении однообразных функций, использование модуля PRU более предпочтительно по сравнению с добавлением дополнительного чипа с точки зрения стоимости изделия. К примеру, при помощи PRU разработчик может реализовать дополнительные стандартные интерфейсы, такие как UART или промышленные Fieldbus и Profibus. Полная программируемость блока PRU позволяет разработчикам даже извлекать прибыль за счет добавления заказываемых потребителем собственных интерфейсов.

В виду возможностей программирования блока PRU, он может использоваться в качестве модуля ввода-вывода различных типов при работе в различных условиях, благодаря чему возможно повышение производительности системы с одновременным снижением потребляемой мощности. Например, PRU может выполнять специализированную обработку данных, исключив на это время работу ARM9-процессора путем прекращения его тактирования.

Заключение

Микроконтроллеры развиваются невероятными темпами и их можно встретить в огромном количестве современных промышленных и бытовых приборов: станках, автомобилях, телефонах, телевизорах, холодильниках, стиральных машинах... и даже кофеварках. Среди производителей микроконтроллеров можно назвать Intel, Motorola, Hitachi, Microchip, Atmel, Philips, Texas Instruments, Infineon Technologies (бывшая Siemens Semiconductor Group) и многих других.

Поскольку все больше полупроводниковых компаний вливаются в ряды производителей микропроцессоров и микроконтроллеров на базе ARM-архитектуры, разработчикам оборудования для промышленного управления будет доступен все более широкий выбор микросхем для реализации своих проектов. Конечный выбор продукта будет определяться интеллектуальностью полупроводника (сбалансированные функции работы с памятью, быстродействующие модули ввод-вывод и периферии, интегрированные средства коммуникации, сокращающие время выхода устройств на рынок), а также доступностью качественных программных средств разработки, программных библиотек и стеков промышленных протоколов. На самом деле производителю будет недостаточно просто иметь в номенклатуре самые лучшие микропроцессоры и микроконтроллеры. Наивысшим приоритетом для него будет создание разработчику всех необходимых условий для возможности быстрого старта проекта - предоставление готовых инструментариев и открытого программного обеспечения.

Список используемой литературы

1. Фрунзе А.В. Микроконтроллеры фирмы Philips семейства х 51 Том 1. - Додэка-XXI, 2005г.

2. Белов А.В. Самоучитель разработчика устройств на микроконтроллерах AVR. - Наука и техника, 2008г.

3. Фрунзе А.В. Микроконтроллеры? Это же просто. - Додэка-XXI, 2007г.

5. Таненбаум Э. Архитектура компьютера. - СПб: Питер, 2007г.

6. "Математические основы теории систем автоматического управления", А.Р. Гайдук, Москва, 2002.

7. Учебно-методическое пособие по выполнению курсового проекта по дисциплинам "Автоматизированное управление в технических системах" и "Проектирование микропроцессорных систем промышленной электроники", Т.А. Пьявченко, Таганрог, 1999.

8. "Управление технологическими процессами производства микроэлектронных приборов", В.А. Пузырев, Москва, 1984.

9. П.И. Черныш "Локальные системы управления", Таганрог, 1993.

10. "Цифровые системы управления", П. Изерман, Москва, 1984.

11. Методические указания по разработке функциональных схем автоматизации технологических процессов и производств в курсовых и дипломных проектах, А.С. Клюев, Иваново, 1993.

12. Тавернье К. PIC-микроконтроллеры. Практика применения: Пер. с фр. -М: ДМКПресс, 2008. - 272 с.: ил. (Серия "Справочник").

13. Борзенко А.Е. IBM PC: устройство, ремонт, модернизация. - 2-е изд. перераб. и доп. - М.: ТОО фирма "Компьютер Пресс", 2006. - 344с.: ил.

14. Цифровые интегральные микросхемы: Справ./М.И. Богданович, И.Н. Грель, В.А. Прохоренко, В.В. Шалимо.-Мн.: Беларусь, 2001. - 493 с.: ил.

15. ДСТУ 3008-95. Документация. Отчеты в сфере науки и техники. Структура и правила оформления.

16. Охрана труда в вычислительных центрах. Ю.Г. Собаров и др. - М.: Машиностроение, 2000. - 192с.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Семейство 16-разрядных микроконтроллеров Motorola 68HC12, их структура и функционирование. Модуль формирования ШИМ-сигналов. Средства отладки и программирования микроконтроллеров 68НС12. Особенности микроконтроллеров семейства MCS-196 фирмы INTEL.

курсовая работа , добавлен 04.01.2015


Понятие и виды микроконтроллеров. Особенности программирования микропроцессорных систем, построение систем управления химико-технологическим процессом. Изучение архитектуры микроконтроллера ATmega132 фирмы AVR и построение на его основе платформы Arduino.

курсовая работа , добавлен 13.01.2011


Использование компьютерной техники для создания систем диспетчерской централизации и автоматизации управления станционными и перегонными объектами. Применение микроконтроллеров и модемов для отображения телемеханической информации о поездной ситуации.

статья , добавлен 14.02.2012


Использование микроконтроллеров AVR фирмы Atmel в проектируемой аппаратуре. Архитектура и общие характеристики прибора, предназначение арифметики логического устройства и понятие флэш-памяти. Формат пакета данных, алгоритм их передачи и система команд.

контрольная работа , добавлен 12.11.2010


Проектирование измерительных приборов. Параметры цифрового вольтметра. Принцип время-импульсного преобразования. Области применения микроконтроллеров. Алгоритм приложения для цифрового милливольтметра постоянного тока. Сборка элементов на печатной плате.

дипломная работа , добавлен 17.06.2013


Адресное пространство микроконтроллеров MSP430F1xx. Байтовая и словная формы инструкций. Система команд MSP микроконтроллеров. Периферийные устройства микроконтроллеров MSP430F1xx. Аналого-цифровой преобразователь ADC12, его технические характеристики.

курсовая работа , добавлен 04.05.2014


Рассмотрение структуры и принципов работы таймеров/счетчиков (общего назначения, сторожевого, типов А, В, С, D, Е) микроконтроллеров и аналого-цифрового преобразователя семейства AVR с целью разработки обучающего компьютерного электронного пособия.

курсовая работа , добавлен 06.03.2010


Микроконтроллеры - микросхемы, предназначенные для управления электронными устройствами, их классификация. Структура процессорного ядра микроконтроллеров, основные характеристики, определяющие его производительность. CISC и RISC архитектура процессора.

курсовая работа , добавлен 03.10.2010


Микроконтроллер (MCU) - микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами. Их можно встретить во многих современных приборах, в том числе и бытовых. Рассмотрение архитектуры различных микроконтроллеров, ядра, памяти, питания, периферии.

реферат , добавлен 24.12.2010


Использование помехоустойчивого кодирования в системах передачи информации. Построение структурной схемы восьмиразрядного микроконтроллера M68HC11. Разработка алгоритма кодирования и декодирования информации. Подключение внешних портов ввода/вывода.

, Новости / от admin

Микроконтроллеры против ПЛК: Есть явный победитель в битве за ваши промышленные приложения.

Мир одноплатных компьютеров и микроконтроллеров предлагает интересные и недорогие возможности для приложений автоматизации , но можно ли доверять этим компонентам в критически важных производственных приложениях, где традиционно используются ПЛК?
Ассортимент микроконтроллеров, появляющихся в мире, стремительно растет и нет признаков сокращения. Эти устройства — в том числе Arduino, BeagleBone, Raspberry Pi и другие-предлагают исключительные возможности. А также могут предложить целые экосистемы аксессуаров, и все это по очень низким ценам.
Bill Dehner, инженер по техническому маркетингу; и Tim Wheeler, технический маркетолог и преподаватель-разработчик в AutomationDirect; написали статью под названием микроконтроллеры против ПЛК: кто из них лидирует на вашем предприятии?, которая вышла в ноябре 2017 в издании Control Engineering. Они обсудили, как вырос интерес к этим продуктам, до такой степени, что некоторые рассматривают возможность использования этих микроконтроллеров для приложений промышленной автоматизации вместо ПЛК. Но разумно ли это?

Это естественный вопрос, но к ответу нужно подходить осторожно, потому что зачастую от такого решения зависит больше, чем может показаться на первый взгляд. Посмотрим ниже и увидим факторы, имеющие отношение к обсуждению.
После быстрого онлайн-обзора мы увидим, что есть около 80 различных плат, включая микроконтроллеры, платы FPGA и одноплатные компьютеры, с широким спектром возможностей. В любом случае, в этом блоге, всех их мы объединим вместе и назовем микроконтроллерами.
Аналогичным образом, даже несмотря на то, что ПЛК имеют широкий спектр возможностей, будем считать ПЛК неким общим и надежным контроллером, таким как AutomationDirect BRX.

Гипотетический пример

В статье рассматривается небольшой автоматизированный процесс, требующий двух-трех датчиков и привода. Система взаимодействует с большей системой управления, и программа должна быть написана для управления процессом. Это простая задача для любого малого ПЛК стоимостью около 200$, но хочется использовать гораздо более дешевый микроконтроллер.
Первым шагом является поиск ввода-вывода — не проблема с ПЛК, но, возможно, проблема для микроконтроллера.

«Некоторые (выходы микроконтроллера) сравнительно легко преобразовать, например, токовая петля 4-20 мА в 0-5 В. Другие являются более трудно преобразовываемыми, например аналоговый выход с использованием широтно-импульсной модуляции (ШИМ), это в целом для микроконтроллеров. Некоторые преобразователи сигналов доступны как стандартные продукты, но они добавляют общей стоимости. Инженер, практикующий в работе полный цикл «сделай сам», может попытаться создать конвертер внутренне, но такое начинание может быть сложным и требует большого времени на разработку.”

ПЛК работают практически с любым промышленным датчиком, и, как правило, не нуждаются в внешнем преобразовании, поскольку они сделаны для подключения к широкому спектру датчиков, приводов и других промышленных компонентов через их I/O. ПЛК легко монтируется, в то время как плата микроконтроллера с контактами и разъемами потребует немного работы.

Операционные системы

Dehner и Wheeler отмечают, что микроконтроллер представляет собой устройство-скелет с базовой операционной системой. «Ведь одноплатный компьютер, продающийся за 40$, не собирается иметь множество встроенных программных процедур. Поэтому пользователю остается кодировать все, кроме самых элементарных возможностей.”
В то время как приложение может быть простым, ПЛК имеет много встроенных возможностей. ПЛК делает события происходящие за кулисами незаметными и не требующими программирования пользователя, в отличие от ситуации когда используется микроконтроллер. У ПЛК есть программные сторожевые таймеры, чтобы следить за исполняемой программой, и аппаратные сторожевые таймеры, которые контролируют модули и устройства ввода-вывода. Эти проверки происходят на каждом цикле сканирования, с сигнализацией об ошибках или предупреждениях при возникновении проблемы.

«Теоретически, любая из этих возможностей может быть добавлена путем программирования микроконтроллера, но пользователю придется либо написать процедуры с нуля, либо найти существующие программные модули для повторного использования. Естественно, они должны быть протестированы и проверены для приложения, и нужно понимать важность такого тестирования, по крайней мере в первый раз. Инженер, пишущий несколько программ для одного контроллера, вероятно, может повторно использовать проверенные блоки кода. Но эти возможности уже включены в операционную систему практически для любого ПЛК.”

ПЛК это надежность производства

ПЛК предназначены для того, чтобы выдержать требования промышленной среды. Оборудование надежное, и оно сделано и испытано для того чтобы выдержать удар и вибрацию, электрический шум, коррозию и широкий диапазон температур. Иначе с микроконтроллерами.

«Микроконтроллеры редко проходят такое обширное тестирование и, как правило, включают только основные требования к конкретным рынкам, таким как оргтехника. Даже эти требования могут не соблюдаться в случае с неизвестным производителем платы. Универсальная плата, возможно, не была протестирована в той же степени, что и фирменная плата, даже если она кажется идентичной.”

Техническая поддержка

Множество промышленного оборудования безостановочно работает декады, поэтому контроллеры должны также функционировать бесперебойно. Как результат пользователям нужна долгосрочная поддержка.

«Производители оригинального оборудования должны смотреть на продукты, которые они используют на своих машинах, и должны быть готовы, когда клиент хочет купить запчасти для системы, установленной в 1990-х годах или даже раньше.
Компании, производящие микроконтроллеры, не могут сохранять эту связь истории. Если вам нужно заменить контроллер для проекта пять лет назад, найти детали, которые вам нужны, может оказаться проблемой.”

Большинство поставщиков ПЛК имеют отличные возможности поддержки, с некоторыми, как например AutomationDirect, предлагается бесплатная техническая поддержка. Однако конечные пользователи микроконтроллеров с открытым исходным кодом часто создают собственные группы технической поддержки. Ответы на вопросы часто можно найти в дискуссионных группах и тематических форумах с потребностями, похожими на ваши. Или нет.

Подведение итогов

«Микроконтроллеры и другие типы плат для разработки являются фантастическими в качестве учебных инструментов и для экспериментов. Они дешевые и делают сложные концепции программирования и автоматизации гораздо проще для изучения.” Если у вас есть время, то это замечательные инструменты.
«С другой стороны, если задача заключается в том, чтобы эффективно, рационально и безопасно функционировать на производстве, то ПЛК обеспечивают широкий спектр возможностей с надежностью, которая испытывалась и использовалась на протяжении десятилетий. Когда завод должен работать и продукция должна быть изготовлена, надежность и безопасность имеют большее значение, чем что-либо другое.”