Технические науки/12. Автоматизированые системы управления на производстве

к.т.н. Чорненький В.І.

Хмельницький національний університет, Україна

Структура двоконтролерної системи вимірювання температурних параметрів об’єктів

На сьогоднішній день при побудові автоматизованих систем управління виробничими процесами все частіше постають завдання, які не можуть бути ефективно вирішені системами з одним мікроконтролером або мікропроцесором, що зумовлює зацікавленість замовників в створенні багатопроцесорних систем з розподілом виконуваних функцій. Найпривабливішими для виробництва залишаються мікроконтролерні мережі типу “майстер - ведений”. Більшість таких мереж мають відкритий протокол як на фізичному, так і на канальному рівні, відрізняються простотою його реалізації, і, що саме головне, дані протоколи легко адаптуються до різних умов використання за рахунок наявності у подібних систем властивостей нарощуваності та адаптовуваності.

Одним із прикладів багатопроцесорних систем з розподілом виконуваних функцій може бути пропонована двоконтролерна система вимірювання температурних параметрів об’єктів. Спроектована система являє собою двомодульну структуру введення-виведення сигналів з цифрового та аналогових датчиків температури з подальшою їх цифровою обробкою мікроконтролерами. Схема електрична структурна системи наведена на рисунку 1.

Як видно з схеми електричної структурної, система вимірювання температурних параметрів об’єктів складається з двох підсистем, кожна з яких оснащена власним мікроконтролером:

- керуючої підсистеми;

- підсистеми аналогових вимірювань (керованої).

Призначенням керуючої підсистеми є реалізація загального керування вузлами системи. В ході загального керування системою керуюча підсистема виконує такі функції:

Рисунок 4.1 - Схема електрична структурна

- забезпечує загальну синхронізацію роботи всіх вузлів проектованої системи;

- реалізує взаємодію системи з комп’ютером;

- формує інтерфейс шини І²С і за його стандартами формує сигнали управління для керованих підсистем;

- виконує розрахунки усереднених показників по даних вимірювань з керованих підсистем;

- реалізує керування виводом даних на вбудовані в підсистему засоби індикації;

- забезпечує порівняння виміряних значень із заданими критичними та керує видачею сигналу на засвічування індикаторів аварійного режиму;

- реалізує опитування і обробку даних з контрольного цифрового датчика температури.

Головним вузлом кожної підсистеми є мікроконтролер, який і керує виконанням покладених на відповідну підсистему функцій.

Особливістю мікроконтролера керуючої підсистеми є те, що він відіграє роль керуючого вузла в інтерфейсі шини І²С. Керованими вузлами за стандартами шини І²С при цьому стають інші підключені до цієї шини вузли: цифровий датчик температури та мікроконтролер керованої підсистеми аналогових вимірювань (таких підсистем може бути декілька).

До складу керуючої підсистеми, окрім мікроконтролера, входять вузли з наступним призначенням:

- блок спряження – призначений для узгодження рівнів сигналів в процесі обміну даними між комп’ютером та спроектованою системою;

- цифровий датчик температури – є додатковим датчиком температури в складі проектованої системи і введений до неї з метою збільшення її універсальності. Він може використовуватися як для вимірювання параметрів температури самої цієї підсистеми, так і в якості контрольного датчика для контролю за якістю роботи датчиків підсистеми вимірювання;

- блок індикації – призначений для забезпечення користувача засобами візуального відображення результатів роботи спроектованої системи. Для зручності підсистему реалізовано двома різнотипними блоками індикації - LCD-індикатором та світлодіодними індикаторами аварійного режиму. Індикатори аварійного режиму введено до системи, оскільки постійне спостерігання за показниками на LCD-індикаторі є незручним і стомлюючим. Цифрове значення хоча і є значно точнішим і інформативнішим, але потребує більшої уваги від людини і додаткового аналізу. Індикатори аварійного режиму є звичайними яскравими світлодіодами червоного кольору, засвічування яких має за мету привернути увагу оператора системи і заставити його провести аналіз значень, що відображаються на LCD-індикаторі або на моніторі комп’ютера, та прийняти необхідне рішення. Зазначимо, що елементи блоку індикації є допоміжними і не замінюють комп’ютер в цілому, переваги якого в керуванні системами подібного типу є безумовними.

Керуюча підсистема підключається через порт USB до персонального комп’ютера з однієї сторони, а через шину І²С до керованої підсистеми аналогових вимірювань з іншої.

Персональний комп’ютер забезпечує комп’ютерне керування роботою системи, може виконувати запуск процесу вимірювання, задавати параметри тривалості процесу вимірювань, а також зчитувати результати роботи розробленої системи. Персональний комп’ютер не входить до складу проектованої системи, але є необхідним для забезпечення максимальної функціональності засобів контролю, оскільки, не зважаючи на великі можливості сучасних мікроконтролерних систем, порівнювати їх потужність із електронно-обчислювальними машинами досить складно. Наявність комп’ютера в комплексі із спроектованою системою та спеціалізованим програмним забезпеченням дозволяє досягти максимальної ефективності в роботі комплексу програмно-апаратних засобів вимірювань. Основним призначенням комп’ютера є, в першу чергу, настроювання спроектованого пристрою шляхом запису потрібних настройок до пам’яті мікроконтролера. Фактично, комп’ютер використовується як універсальний засіб програмування системи. Крім того, безумовна перевага ЕОМ полягає в наявності сучасних засобів звукового оповіщення, зручності і наочності інтерфейсу відображення стану системи та керування нею, а також в наявності можливості цифрового, текстового та графічного відображення результатів роботи системи.

Основою підсистеми аналогових вимірювань є мікроконтролер, керований по шині І²С. Хоча цей контролер і є керованим в системі, в своїй підсистемі він є основним керуючим вузлом. На нього покладаються наступні функції:

- забезпечує загальну синхронізацію роботи всіх вузлів підсистеми аналогових вимірювань;

- зчитує показники з датчиків;

- задає часовий інтервал для вимірювань;

- реалізує аналого-цифрове перетворення сигналів, що надходять з аналогових датчиків;

- виконує розрахунки усереднених показників;

- забезпечує передачу даних про результати вимірювань по шині І²С мікроконтролеру керуючої підсистеми.

До мікроконтролера підсистеми аналогових вимірювань підключається 8 аналогових датчиків температури, з допомогою яких безпосередньо і ведеться вимірювання температурних параметрів об’єктів.

Для керування роботою обох підсистем обрані мікроконтролери AT90LS8535.

Типи використовуваних датчиків температури:

- вісім аналогових датчиків температури на основі терморезистора HRTS-5760-B-U-1-18 з диференційним підсилювачем;

- один 10-розрядний цифровий датчик температури AD7418 (контрольний датчик температури).

Таким чином, в базовому варіанті система дозволяє одночасно обслуговувати 8 аналогових датчиків температури і 1 цифровий, але при цьому зберігає здатність до нарощування як модулями температурних вимірювань, так і іншими вузлами. Це забезпечується за рахунок використання для зв’язку між підсистемами стандартної шини послідовної передачі даних І²С, яка на даний час є однією з найбільш поширених в організації мікроконтролерних мереж та систем.

Дана двоконтролерна система вимірювання температурних параметрів об’єктів може бути використана для вирішення самих різноманітних завдань температурного контролю в різних галузях застосування. Реалізація в системі двох підходів до вимірювання температури, що базуються на використанні цифрових та аналогових датчиків збільшує надійність системи, здатність до взаємоконтролю датчиків та універсальність системи в цілому.