Процессорный модуль промышленных контроллеров
Процессорный модуль включает (Рис. 4.5) микропроцессор, центральное процессорное устройство – ЦПУ, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), часы реального времени и сторожевой таймер.
Процессорный модуль выполняет следующие задачи:
¾ собирает данные из модулей ввода в память и отсылает данные из памяти в модули вывода;
¾ выполняет обмен данными с устройством для программирования контроллера;
¾ выдает метки часов реального времени;
¾ осуществляет обмен данными с промышленной сетью;
¾ реализует стек протоколов промышленной сети (для этой цели могут использоваться вспомогательные коммуникационные процессоры);
¾ выполняет начальную загрузку и исполнение операционной системы;
¾ исполняет загрузочный модуль пользовательской программы системы автоматизации;
¾ управляет актами обмена с памятью.
| Пульт оператора |
| Средства отображения информации |
| Сенсорный экран |
| Средства программирования |
| Съемная флеш-память |
| Процессорный модуль |
| ПЗУ |
| ЦПУ |
| Сторожевой таймер |
| Часы реального времени |
| ОЗУ |
| Интерфейсы RS-232, RS-485, USB, протоколы Modbus, Profibus |
Рис. 4.5. Процессорный модуль промышленного контроллера.
Одной из тенденций в развитии программируемых контроллеров является использование процессорных модулей разной мощности для одного конструктива контроллера. Это позволяет получить серию контроллеров разной мощности и тем самым покрыть большой сегмент рынка, а потребитель может осуществлять модернизацию контроллера путем замены всего одного модуля.
|
|
|
К основным характеристикам процессорного модуля относятся:
¾ тип операционной системы (Windows CE, Linex, DOS, OS-9, QNx и др.);
¾ наличие исполнительной среды для стандартной системы программирования на языках МЭК 61131-3;
¾ типы поддерживаемых интерфейсов (RS-232, RS-422, RS-485, CAN, USB, Ethernet и др.);
¾ типы поддерживаемых сетей (Modbus RTV, Modbus TSP, Ethernet, Profibus, CANopen, Device Net и др.);
¾ возможность подключения устройств индикации или интерфейса оператора (светодиодного или ЖКИ-индикатора, клавиатуры, мыши, дисплея с интерфейсами VGA, DVICMOS, LVDS, тренбора и др.);
¾ разрядность 8, 16, 32 или 64 бита;
¾ тактовая частота микропроцессора и памяти;
¾ время выполнения команд;
¾ объем, иерархия и тип памяти (ОЗУ, КЭШ, ПЗУ-флэш, съемная флэш и др.);
¾ типы встроенных функций (ПИД-регулятор, счетчики, ШИМ, алгоритмы позиционирования и управления движением и др.);
¾ бренд производителя (Intel, AMD, Atmel, RealLab и др.).
Быстродействие процессорного модуля контроллера обычно оценивают по времени выполнения логических команд, так как они наиболее распространены при реализации алгоритмов управления.
|
|
|
Огромное разнообразие задач, решаемых с помощью контроллеров, и сильная зависимость цены от мощности контроллера явились причиной большого разнообразия используемых в процессорных модулях микропроцессоров от простых и дешевых 8-разрядных Atmel и Microchip до самых высокопроизводительных процессоров серии Intel Pentium, включая двуядерные и четырехядерные процессоры.
Восьмиразрядные микропроцессоры пользуются большим успехом в автономных ПИД-контроллерах и микро ПЛК для несложного алгоритмического управления станками, небольшими технологическими аппаратами, в качестве межсетевых шлюзов. Их достоинством является высокая надежность, связанная с простотой программного обеспечения.
Производительность микропроцессоров с одной и той архитектурой пропорциональна тактовой частоте. Большинство контроллеров используют микропроцессоры с сокращенным набором команд (RISC), в которых используется небольшое количество команд одинаковой длины и большое количество регистров. Сокращенный набор команд позволяет строить эффективные компиляторы и конвейер процессора, способный за каждый такт выдавать результат исполнения очередной команды [76].
|
|
|
Для контроллеров, выполняющих интенсивную математическую обработку данных, возможно наличие математического сопроцессора (вспомогательного процессора, выполняющего операции с плавающей точкой) или сигнальных процессоров, в которых операции типа Y =AB + X выполняются за один такт. Сигнальные процессоры позволяют ускорить выполнение операций свертки или быстрого преобразования Фурье.
Основными типами памяти процессорного модуля контроллера являются: оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), набор регистров. Регистры являются самыми быстродействующими элементами памяти, так как они используются арифметико-логическими устройствами (АЛУ) для исполнения элементарных команд процессора. ОЗУ используются для хранения данных, которые многократно изменяются в процессе работы контроллера, например, значения тегов, результаты промежуточных вычислений, диагностическая информация, массивы, выводимые на графики, данные для отображения на дисплее. В качестве ОЗУ современные микропроцессоры используют статическую память (SRAM) и динамическую (DRAM). SRAM выполняется на триггерах, информация в которых сохраняется неограниченно долго при наличии питания. В динамической памяти информация хранится на конденсаторах и поэтому DRAM требует периодической регенерации, перезарядки конденсаторов. Достоинством триггерной памяти является высокое быстродействие, достигающее гигагерц, память на конденсаторах не может работать на частотах выше сотен герц. Недостатком статической памяти на триггерах является высокая стоимость, связанная с низкой плотностью компоновки триггеров на кристалле и малое отношение емкости к цене. Оба типа памяти SRAM и DRAM не могут сохранять информацию при отключении питания контроллера. Обычно в контроллерах используют батарейное питание памяти для сохранения работоспособности системы автоматизации после кратковременного прерывания питания.
|
|
|
ПЗУ используют для хранения редко изменяемой информации, такой, как операционная система, драйверы устройств, загрузчик, исполняемый модуль программы пользователя. В качестве ПЗУ (или ROM) применяется электрически стираемая перепрограммируемая память (EEPROM). Разновидностью EEPROM является флэш-память, принцип действия которой основан на хранении заряда в конденсаторе, образованном плавающим затвором и подложкой МОП-транзистора. Особенностью флэш-памяти является ее энергонезависимость. Стирание и перезапись во флэш-памяти выполняется не отдельными ячейками, а большими блоками, поэтому она получила название, происходящее от английского «flash» - «вспышка». Недостатком всех ПЗУ является низкое быстродействие. Количество циклов записи информации во флэш-память ограничено и составляет несколько десятков тысяч раз. По конструктивному исполнению и интерфейсам флэш-память подразделяется на Compact Flash (CF), Memory Stiek, Secure Digital (SD), MuliMediaCard (MMC), RS-MMC, SmartMediaCard (SMC), USB-flash. Флэш-память может быть впаяна в печатную плату или быть сменной. Емкость памяти определяет количество переменных (тегов), которые могут быть обработаны в процессе функционирования контроллера. В микропроцессорах время доступа к памяти является одним из существенных факторов, ограничивающих быстродействие. Поэтому память делят на несколько уровней иерархии в зависимости от частоты использования хранящихся в ней данных и быстродействия. Иерархия памяти относится к существенным характеристикам архитектуры процессора, так как она позволяет снизить отрицательное влияние переменной памяти на быстродействие микропроцессора.
Моноблочные и модульные контроллеры используют очень часто параллельную шину для обмена данными с модулем ввода-вывода, что позволяет на порядок повысить быстродействие их опроса по сравнению с последовательной шиной. Параллельные шины контроллера могут быть стандартными (ISA, PC/104, PCI, Compact PCI, VMG, CXM) или частнофирменными. Последовательная шина контроллера на основе интерфейса RS-485 используется для подключения к нему удаленных (распределенных) модулей ввода-вывода.
Сторожевой таймер (Watchdog Timer-WDT) представляет собой счетчик, который считает импульсы тактового генератора и в нормальном режиме периодически сбрасывается (перезапускается) работающим процессором. Если процессор «зависает», то сигналы сброса не поступают в счетчик, он продолжает считать и при достижении некоторого порога вырабатывает сигнал «Сброс» для перезапуска «зависшего» процессора. Часы реального времени (РВ) представляют собой кварцевые часы, которые питаются от батарейки. Часы используются, когда необходима привязка данных или событий к астрономическому времени.
Программирование контроллеров малой мощности выполняется с помощью кнопок, расположенных на лицевой панели или с помощью переносного пульта для программирования. В качестве пульта в последнее время используется компьютер формата «ноутбук». Программирование мощных контроллеров выполняется с помощью персонального компьютера, на котором устанавливается специальное программное обеспечение, например TRACE MODE или ISaGRAF, выполняющее трансляцию технологического языка стандарта МЭК 61131-3 в исполнительный код процессора, который загружается в ПЗУ контроллера, например, через порт Ethernet.
Стандартными напряжениями питания контроллеров являются напряжения 12, 24 и 48 В.Источником электрической энергии является промышленная сеть 220 В, 50 Гц. В распределенных системах автоматизации источник питания может быть расположен вдали от контроллера, поэтому напряжение на клеммах контроллера или модулей ввода-вывода может сильно отличаться от напряжения источника питания вследствие падения напряжения на сопротивлении кабеля. Для решения этой задачи каждый контроллер или каждый модуль удаленного ввода снабжается встроенным стабилизатором напряжения, обеспечивающим нормальное их функционирование в диапазоне напряжений от 10 до 30 В.
Дата добавления: 2018-04-05; просмотров: 1403; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!