SiR_9 Architektura wielofunkcyjnego regulatora mikroprocesorowego. Charakterystyka CPU i pamięci, modułów wejść i wyjść, modułu komunikacji i innych

Transkrypt

1 Regulatory PID mogą realizować tylko kilka typowych układów regulacji. Różnorodność zadań stawianych przed systemami automatyki powoduje jednak, że często są potrzebne układy nietypowe, w tym zwłaszcza dodatkowe obwody sterowania logicznego i sygnalizacji. Umożliwiają to regulatory wielofunkcyjne. Pojawiły się one przed regulatorami PID w wyniku dostosowania oprogramowania dużych komputerowych systemów automatyki do możliwości urządzeń aparatowych. Zdobyły się jednak na to tylko doświadczone firmy, jak: Siemens, Micon, Toshiba i inne. Oprócz regulatorów są również produkowane sterowniki wielofunkcyjne o zwiększonej liczbie sygnałów binarnych. Pierwszym regulatorem aparatowym był P-200 Micon, krajowymi urządzeniami w tej grupie są regulator Eftronik M i sterownik PSW-8 (PSW-16). 1

2 Regulatory wielofunkcyjne RWF mogą pracować jako regulatory PID, sterowniki logiczne, programatory zegarowe, stacja pomiarowa - kalkulatory charakterystycznych wielkości procesowych itp., spełniając niemal wszystkie zadania, jakie występują na najniższym poziomie systemów automatyki. Schemat sprzętowy regulatora cyfrowego w wersji odpowiadającej regulatorom wielofunkcyjnym i sterownikom logicznym PLC (regulatorach PID występują pewne uproszczenia) 2

3 Struktura sprzętowa regulatora wielofunkcyjnego 3

4 Wejścia, wyjścia - w regulatorach wielofunkcyjnych do dyspozycji jest 3,...,8 wejść analogowych, 2 lub 3 wyjścia analogowe oraz po 4,...,16 wejść i wyjść binarnych. Urządzenia o małej liczbie sygnałów binarnych pracują głównie jako regulatory, a o większej - jako sterowniki logiczno-sekwencyjne. W niektórych regulatorach układy wejść/wyjść (płytki) są zamienne, co rozszerza zakres zastosowań. Układy uzupełniające: układy logiczne doprowadzające przerwania, układ generujący sygnał Reset po wznowieniu zasilania, układ odczytu stanu przełączników konfiguracyjnych - informują o blokadzie zapisu danych konfiguracyjnych, wskazują w jakie wejścia/wyjścia wyposażono regulator, charakteryzują komunikację itp. 4

5 Układ WD (watch-dog) kontroluje ciągłość pracy procesora. Jeżeli układ ten jest rytmicznie adresowany, procesor uważa się za sprawny. Przerwanie adresowania oznacza awarię. Adresowanie może być wstrzymane przez sam procesor, jeśli testy wykazują, że elementy układu nie reagują właściwie. Typowymi przyczynami niesprawności są: zakurzenie, wilgoć, niepewne połączenia po wstrząsach itp. Układ WD realizuje wtedy następujące czynności: blokada procesora, który przerywa wykonywanie programu, "zamrożenie" wyjść analogowych na dotychczasowych wartościach lub ich zerowanie, zerowanie wyjść binarnych, zgaszenie elementów wizualnych panelu, blokada nadajnika i odbiornika komunikacyjnego, sygnalizacja awarii przez LED i specjalne wyjście. 5

6 Zasilacz, czujnik zasilania - regulator cyfrowy ma zasilacz wytwarzający kilka stabilizowanych napięć, który powinien być niewrażliwy na chwilowe zaniki zasilania. Jest on wyposażony w czujnik, który przerwaniem sygnalizuje zbliżający się zanik. Kondensatory zasilacza mają na tyle dużą pojemność, że przynajmniej przez kilkanaście milisekund podtrzymują jeszcze napięcie, Po otrzymaniu przerwania procesor zachowuje w pamięci RAM adres instrukcji, na której przerwał wykonywanie programu oraz przeprowadza czynności zabezpieczające. Po włączeniu zasilania wznawia program od zachowanego adresu, dzięki czemu restart może być płynny. 6

7 a) Zasada pracy RWF, Bloki o funkcjach: b) przyporządkowanych, c) ustalonych Załóżmy, że w pamięci roboczej regulatora, określono jednowymiarową tablicę na dane i wyniki obliczeń. Jej elementy są nazywane zmiennymi wewnętrznymi. Przyjmuje się, że program jest podzielony na fragmenty, a wyniki obliczeń jednego fragmentu stanowią dane dla innych. Można więc mówić o wejściach i wyjściach. 7

8 Blok jest programowym elementem regulatora mającym przydzielone zmienne wewnętrzne, jako wejścia i wyjścia. Jedne bloki mają ustalone funkcje, innym przyporządkowuje się zamiennie rozmaite funkcje. Bloki ze względu na przeznaczenie dzieli się na: wejściowe - obsługują analogowe i binarne wejścia obiektowe, klawisze panelu oraz odbiornik komunikacyjny; wyjścia ich są zmiennymi wewnętrznymi stanowiącymi źródła danych dla innych bloków, algorytmiczne - przetwarzają zmienne wewnętrzne zgodnie z przyporządkowanymi lub ustalonymi funkcjami, wyjściowe obsługują wyjścia analogowe i binarne, elementy wizualne panelu oraz nadajnik komunikacyjny. Liczba bloków algorytmicznych w regulatorach aparatowych waha się od 50 do 150. Bloki wejściowe i wyjściowe mają ustalone funkcje (czasem dwie funkcje alternatywne). 8

9 Schemat funkcjonalny regulatora RWF 9

10 Schemat funkcjonalny regulatora RWF (na przykładzie PSW 8): Bloki wejściowe- obsługują wejścia obiektowe, klawisze panelu oraz odbiorniki komunikacyjne. Wytwarzają: wewnętrzne zmienne arytmetyczne (są one 4-bajtowymi liczbami zmiennoprzecinkowymi z zakresu <-10 38,10 38 >, wejścia analogowe są przetwarzane na liczby ze znormalizowanego przedziału <0.0,1.0> (czyli <O, 100%>), logiczne (binarne) - wartości 1, O są oznaczane Hi, Lo. Bloki wyjściowe- dokonują przetworzenia zmiennych wewnętrznych na wyjścia obiektowe, stany wizualne panelu oraz dane wysyłane przez nadajniki komunikacyjne. Zakresy wyjść analogowych odpowiadają przedziałowi <0.0, 1.0> zmiennych wewnętrznych. Bloki algorytmiczne - 64 bloki proste (dostępne 36 funkcji prostych) - 32 bloki złożone (16 funkcji złożonych (o ile wystarcza pamięci)) - 32 parametry uniwersalne, 16 parametrów binarnych, stałe, alarmy. 10

11 Pamięć - Regulatory wielofunkcyjne różnią się istotnie sposobem podziału pamięci RAM i EEPROM między bloki algorytmiczne. W znacznym stopniu decyduje to o ich uniwersalności i elastyczności zastosowań. Ze względu na podział pamięci bloki klasyfikuje się następująco: bloki o ustalonych funkcjach i indywidualnych przydziałach pamięci - każdy blok ma przydzielony indywidualny obszar pamięci RAM i EEPROM wymagany przez jego funkcję; ponieważ funkcje są ustalone, wobec tego - aby zapewnić dostateczną uniwersalność regulatora - po kilka bloków musi mieć taką samą funkcję. bloki o przyporządkowanych funkcjach i jednakowym podziale pamięci - funkcje muszą być w znacznym stopniu ujednolicone; rozmiary obszarów RAM i EEPROM, którymi dysponuje każdy blok są bowiem określone przez najbardziej wymagającą funkcję. Ujednolicenie takie może czasem wyglądać sztucznie, a poza tym większość funkcji nie wykorzystuje całej przydzielonej pamięci. 11

12 bloki o przyporządkowanych funkcjach i dynamicznej rezerwacji pamięci stosownie do wymagań funkcji - pamięć jest rezerwowana dopiero w chwili przyporządkowania funkcji blokowi. Każda funkcja może mieć własne wymagania, ujednolicenie nie jest więc potrzebne. Pamięć można w całości przeznaczyć albo na regulację ciągłą, albo na sterowanie logiczne. Dynamiczna rezerwacja pamięci pozwala więc w każdej sytuacji w pełni wykorzystać zasoby mikrokomputera. Pewną wadą rezerwacji dynamicznej jest jednak to, że jeśli zachodzi potrzeba usunięcia pewnych bloków, np. w celu modyfikacji układu sterowania po okresie próbnej eksploatacji, to całą konfigurację należy powtórzyć od początku. Zmianie ulegną bowiem zarezerwowane obszary pamięci, dlatego też w regulatorze RWF dynamiczną rezerwację pamięci ograniczono tylko do bloków o funkcjach złożonych 12

13 Funkcja jest procedurą służącą do obliczania wartości wyjść na podstawie wejść. Funkcje bloków algorytmicznych: arytmetyczne: działania arytmetyczne, funkcje wykładnicze, logarytmiczne, trygonometryczne, funkcja odcinkowo-liniowa, aproksymacja gładka, kalkulator arytmetyczny, kalkulator przepływu, logiczne: bramki AND, OR, NOT, XOR, przerzutniki T, D, JK, przekaźnik z opóźnieniem, impulsator, licznik, tablica logiczna, kalkulator logiczny, czasowe: transmitancje I rzędu i dyskretna, integrator, zadajnik, opóźnienie, filtr ze strefą nieczułości, modulator szerokości lub częstotliwości impulsów, regulatory: PID -liniowy, nieliniowy, z przełączaniem nastaw itp., pozycjoner trójpołożeniowy. programator zegarowy, inne: przełączniki, komparator, ogranicznik, strefa nieczułości, wybieraki max/min, analizatory sygnału. Funkcje te odpowiadają tradycyjnym elementom i urządzeniom automatyki. 13

14 Schemat bloku: a) wejść analogowych AI, b) wejść binarnych BI wewnętrzne wyjścia 1,...,6 - wartościami wyjść są liczby ze znormalizowanego przedziału <0.0, 1.0>, zakresy wejść obiektowych określają parametry r1,...,r6: rj = O: wejście I = ma lub U, R, P, T (zerowy początek) rj = 1: wejście I = ma (początek 20%) Symbol [C] wskazuje, że zakresy rj są parametrami typu Off-line ustawianymi podczas konfiguracji (CONF) wewnętrzne wyjścia 1,..., 20 - obecność napięcia na wejściu oznacza Hi na wyjściu bloku, a brak napięcia - Lo.. 14

15 Funkcje bloku wyjść analogowych: a) standardowa AO, b) z przełączeniem AOC Funkcja AOC - pozwala wybrać wejście górne 1, 2 lub dolne 31, 32, jako źródło danego wyjścia analogowego; wyboru dokonuje wejście sterujące C: Lo położenie górne Hi położenie dolne wybraną wartość można odczytać na wyjściu kontrolnym 61, 62 (wykorzystanie: np. połączone zwrotnie z wejściem dolnym (w tym samym torze), po każdym przełączeniu C z Lo do Hi na wyjściu będzie utrzymywana wartość sprzed przełączenia - "zamrożenie" wyjść na dotychczasowych wartościach (pamiętanie)). 15

16 Funkcje: Funkcje bloku wyjść binarnych: a) standardowa BO b) z przełączaniem BOC - proste f. arytmetyczne, bramki logiczne, przerzutniki, przełączniki, itp., - złożone - regulator PID, programator, sekwenter, kalkulator; Funkcje złożone mają własne parametry, jak nastawy algorytmu PID, przedziały czasu etapów programatora, dane tablicy logicznej itp. Większość parametrów jest ustawiana on-line. 16

17 8 klawiszy: KE3, KE4, KE7, KE8 (key) - bez własnego LED-a, KE1, KE6 - z jednym LED-em, KE2, KE5 - z dwoma LED-ami, 3 wskaźniki cyfrowe: DI1, DI2 (display) - 4-cyfrowe, DI3-2-cyfrowy, 2 linijki diodowe: LN1, LN2, 6 LED-ów pojedynczych: LD1,..., LD6, LED WD układu kontrolnego (watch dog) Elementy panelu operatorskiego PSW-8 17

18 Panel operatorski: Klawisze - każdy z klawiszy KE1,..., KE8 jest blokiem wejściowym, któremu można przyporządkować jedną z dwu funkcji - KEY lub KEYC. Klawisz bez LED: Cztery wyjścia KEY pozwalają wykorzystać klawisz jednocześnie jako przycisk lub przełącznik. Zasadniczym elementem przełącznika jest przerzutnik typu T. Pary klawiszy KE3, KE4 i KE7, KE8 (trójkątnych) pełnią rolę przycisków w zadajnikach, bądź też przycisków Start, Stop. Klawisz z jednym LED-em Dzięki sygnalizacji stanu przerzutnika przez LED klawisze te nadają się szczególnie do przełączeń. LED jest sterowany z wejścia L i wyjścia Q przez wewnętrzną bramkę EXOR. 18

19 klawisz z dwoma LED-ami W klawiszach KE2, KE5 obydwa LED-y są sterowane przez własne bramki EXOR. Jeżeli na wejściach L, H pozostawi się Lo LED świecą na zmianę - dolny synchronicznie z Q, górny - asynchronicznie. Odwrotny skutek daje Hi. 19

20 Wskaźniki Dl1, Dl2, Dl3 Podają wartości zmiennych analogowych, każdy z torów 1, 2 ma własny zestaw parametrów. Są nimi: wskazanie dolne YL i górne YH dla wejścia odpowiednio 0.0 i 1.0, pozycja kropki dziesiętnej d, okres aktualizacji T parametry YL, YH przyjmują wartości całkowite z przedziału <-1999, 10000> dla DI1, DI2 oraz <-19, 100> dla DI32. pozycja kropki dziesiętnej, którą może być: 20

21 Linijki diodowe N1, N2 - można przyporządkować funkcje DISP - służy do wskazywania zmiennych analogowych; LED służy do wskazywania wartości binarnych; jest do dyspozycji 7 LED-ów, a właściwie par, sterowanych niezależnie. LED-y rozdzielające pozostają zgaszone. Funkcję LED przyporządkowuje się linijce diodowej, gdy RWF realizuje sterowanie logiczne. Jeżeli jest potrzebne przełączanie sygnałów podawanych na LED-y, należy użyć przełączników BSWI. 21

22 Linijki diodowe: a) funkcja DISP b) charakterystyka c) sposób zapalania LED F 0 Poin - DISP realizuje wskazywanie punktowe, tzn. w miarę zwiększania wartości świeci na przemian jeden lub dwa LED-y; rozdzielczość wynosi więc 2.5%. Barg - DISP realizuje wskazywanie bargrafowe.; rozdzielczość zmniejsza się do 5%. UL, UH - przyjmują wartości z przedziału < , 199.9%>. 22

23 Pojedyncze LED W panelu jest 6 pojedynczych LED-ów LD1,...,LD6; odpowiadają im bloki jak na rys o ustalonych funkcjach: Al,...,A4 służą do alarmowej sygnalizacji przekroczeń, C wskazuje na trwającą komunikację z komputerem nadrzędnym, L sygnalizuje alarmy - wznowienie zasilania, niepoprawne wejście analogowe itp. Nie ma jednak przeszkód, aby LED-y przeznaczyć do całkiem innych celów. W panelu znajduje się ponadto LED WD układu kontrolnego. Jest on sterowany niezależnie. 23